一種高效率LC諧振式移相全橋行波管高壓電源的設(shè)計(jì)

高彧博，謝章貴，李 群, 王 鑫，劉文政

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種高效率LC諧振式移相全橋行波管高壓電源的設(shè)計(jì)

高彧博，謝章貴，李 群, 王 鑫，劉文政

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

設(shè)計(jì)了一種高效率LC諧振式移相全橋高壓電源，從變換器拓?fù)?、控制模式、功率器件、開(kāi)關(guān)頻率等多個(gè)方面進(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)了一種高穩(wěn)定度(≤0.5‰)、高電壓(10 kV)、小紋波(≤0.2‰)、高效率(不計(jì)輸入整流濾波損耗滿載效率達(dá)96.1%)、小型化(高壓電源模塊尺寸為200 mm×200 mm×50 mm)、中等功率量級(jí)(滿載輸出450 W)的高壓電源。

行波管；高壓電源；小紋波；移相全橋

0 引 言

隨著行波管幅相一致性的逐漸提高，行波管組陣應(yīng)用的場(chǎng)合也越來(lái)越多，對(duì)于行波管陣列功率放大模塊而言，行波管高壓電源有了新的要求：為了保證幅相一致性，對(duì)高壓電源的紋波有了較高的要求；為了保證分布式供電的體積重量，對(duì)高壓電源的小型化也有了新的要求。

本文介紹了一種應(yīng)用于行波管陣列功率放大模塊的高壓電源技術(shù)，并應(yīng)用LC諧振式移相全橋拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一種小紋波、高效率的小型化高壓電源。

1 LC諧振式移相全橋變換器的設(shè)計(jì)

1.1 移相全橋變換器的優(yōu)點(diǎn)

移相全橋變換器的優(yōu)點(diǎn)包括:

(1) 移相控制可以使開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通、零電流關(guān)斷，大大降低了開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)損耗，提高了開(kāi)關(guān)電源的效率，同時(shí)也使得高壓變壓器傳輸?shù)碾妷?、電流波形趨于正弦化。這樣既降低了功率器件(初級(jí)開(kāi)關(guān)管以及次級(jí)整流管)的電壓、電流應(yīng)力，也提高了變壓器的傳輸效率。

(2) 全橋拓?fù)渚哂兄写蠊β实妮敵瞿芰?，本文中單個(gè)電源模塊輸出額定功率要求450 W，選用全橋拓?fù)淇梢允谷珮?只開(kāi)關(guān)管分擔(dān)電壓、電流應(yīng)力，使得器件選擇范圍較寬，同時(shí)也提高了功率器件的可靠性。

(3) 移相控制模式可以有效避免高壓橋式開(kāi)關(guān)電源的兩大設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

(a) 可以通過(guò)完善設(shè)計(jì)避免橋式開(kāi)關(guān)管的誤導(dǎo)通。普通橋式開(kāi)關(guān)電源一般為脈寬調(diào)制控制(PWM)模式，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，由于系統(tǒng)反饋的作用，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的脈沖寬度會(huì)發(fā)生變化。而在高壓開(kāi)關(guān)電源中使用的開(kāi)關(guān)管一般均有較大的雜散參數(shù)(主要影響因素是寄生電容)，由于開(kāi)關(guān)電源環(huán)路增益過(guò)高，如果負(fù)載變輕，這時(shí)脈寬會(huì)突然變得很窄。而由于開(kāi)關(guān)管的寄生參數(shù)影響，開(kāi)關(guān)管不一定會(huì)開(kāi)通，從而在負(fù)載調(diào)整過(guò)程中處于混亂狀態(tài)，容易引發(fā)上下橋臂的開(kāi)關(guān)管共通而炸機(jī)。而移相控制模式的4只開(kāi)關(guān)管始終是處于全脈寬(除死區(qū)外)導(dǎo)通狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電源環(huán)路系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)的只是驅(qū)動(dòng)的相位關(guān)系，并不改變開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈寬，從而不會(huì)引發(fā)此類問(wèn)題。

(b) 可以避免高壓橋式開(kāi)關(guān)電源空載間歇振蕩的問(wèn)題。如圖1所示，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖先通過(guò)Rg給寄生電容Cgs充電，到Cgs兩端電壓(開(kāi)關(guān)管V的柵極電壓Vo)超過(guò)閾值電壓Vth后開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。所以,在理想驅(qū)動(dòng)能力下開(kāi)關(guān)管開(kāi)通上升沿有一個(gè)固定的時(shí)間τ。Vo與驅(qū)動(dòng)電壓Vg的關(guān)系為:

(1)

當(dāng)Vo=Vth時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，所以τ為:

(2)

圖1 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路寄生參數(shù)分析

因此，普通調(diào)寬式高壓橋式開(kāi)關(guān)電源空載時(shí)，脈寬窄到小于τ時(shí)，則發(fā)生間歇振蕩現(xiàn)象。而移相式控制則確保了開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈寬恒定，只是對(duì)其相位進(jìn)行調(diào)整，因而可調(diào)節(jié)出相對(duì)較窄脈寬的開(kāi)關(guān)電壓波形，從而避免了因此產(chǎn)生的空載間歇振蕩問(wèn)題(由于環(huán)路調(diào)整能力不佳引起的間歇振蕩還需要調(diào)節(jié)環(huán)路參數(shù)，無(wú)法避免)，提高了電源的穩(wěn)定性、可靠性。

1.2 LC諧振式變換器的優(yōu)點(diǎn)

LC諧振式變換器如圖2所示。LC諧振式變換器的優(yōu)點(diǎn)包括：

(1) 在開(kāi)關(guān)電壓波形與變壓器之間串聯(lián)了一個(gè)電容Cr，可以起到隔直作用，避免了變壓器的飽和，提高了可靠性。

圖2 LC諧振式全橋變換器

(2) LC諧振式變換器增益可調(diào)，可以通過(guò)微調(diào)LC參數(shù)達(dá)到改變電壓增益的效果，完成較寬范圍電壓輸出的指標(biāo)要求。

LC諧振式變換器增益曲線如圖3所示，圖3為L(zhǎng)C拓?fù)湓鲆鍳(n)與n及Q的關(guān)系曲線。

圖3 LC諧振式變換器增益曲線

G，n，Q關(guān)系如下:

(3)

(4)

LC諧振式變換器的傳遞函數(shù)為:

(5)

其增益為:

(6)

從圖3可以看出不同Q值的曲線在n=1處增益相同，也就是說(shuō)n=1時(shí)，電路增益G與Q無(wú)關(guān)，即與負(fù)載無(wú)關(guān)。所以，當(dāng)工作頻率點(diǎn)選擇在n=1時(shí)，電路增益不隨負(fù)載變化，理論上負(fù)載空滿載變化輸出電壓幅度不變?？梢钥闯?，通過(guò)調(diào)節(jié)Lr、Cr可以調(diào)節(jié)Q值以及n值，從而達(dá)到改變系統(tǒng)增益的目的(Lr、Cr不能任意調(diào)節(jié)，只能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，否則無(wú)法滿足軟開(kāi)關(guān)條件)。(3) LC諧振式變換器軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)相比LLC諧振變換器簡(jiǎn)單易調(diào)，可以在滿載情況下達(dá)到很高效率的電能轉(zhuǎn)換。因?yàn)楸緢?bào)告所使用行波管常態(tài)工作處于連續(xù)波狀態(tài)，所以只有2種負(fù)載狀態(tài)，即滿載和空載，因而可以使用LC諧振式變換器，將電路滿載狀態(tài)調(diào)節(jié)為最佳狀態(tài)，獲得最高的效率，空載電源自身?yè)p耗小，效率影響可忽略。

此外，LLC諧振變換器多了一個(gè)電感，浪費(fèi)了一定空間，而且中大功率的高壓開(kāi)關(guān)電源中變壓器以及功率器件的雜散參數(shù)較大，LLC諧振參數(shù)難以精確調(diào)節(jié)。本文所設(shè)計(jì)的LC諧振式移相全橋高壓電源原理框圖如圖4所示。

圖4 高壓電源原理框圖

2 PWM控制及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

選擇了拓?fù)湟约翱刂品绞胶螅M(jìn)行對(duì)控制驅(qū)動(dòng)電路的選擇。

本文設(shè)計(jì)選用UCC1895作為控制芯片。但由于UCC1895的驅(qū)動(dòng)能力較差，所以后級(jí)必須加驅(qū)動(dòng)器，如圖5所示。UCC1895輸出到驅(qū)動(dòng)電路(IR2110)，2路驅(qū)動(dòng)電路的輸出接隔離驅(qū)動(dòng)變壓器(為減小體積，選用EPC17磁芯，Φ0.21漆包線，初次級(jí)均為40匝)，驅(qū)動(dòng)變壓器次級(jí)則懸浮于橋式變換器的上端和下端。驅(qū)動(dòng)電路芯片IR2110驅(qū)動(dòng)電流2 A，可以滿足后級(jí)驅(qū)動(dòng)要求。

圖5 開(kāi)關(guān)控制驅(qū)動(dòng)電路

為了防止MOSFET誤導(dǎo)通，在MOSFET柵極和源極之間并聯(lián)430 Ω的電阻, MOSFET柵極接入8 Ω電阻，可以給柵極去耦，以防止干擾和產(chǎn)生振蕩。柵極驅(qū)動(dòng)串入3個(gè)串聯(lián)的二極管，其目的是降低死區(qū)期間的電平，使其低于零電位[1]，這樣可以確保MOSFET在死區(qū)期間維持關(guān)斷。當(dāng)然由于工作頻率高，這些二極管必須采用快速恢復(fù)二極管。

圖5所示的開(kāi)關(guān)電路實(shí)際工作時(shí)的波形如圖6所示，B通道為變換器斬波輸出的電壓波形，A通道是通過(guò)自制電流互感器采樣的電流波形(100 V約2 A)。

圖6 變換器電壓電流波形

3 新型功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用

為了提高電源模塊的效率，選擇相應(yīng)小功耗的功率半導(dǎo)體器件顯得尤為重要。隨著Coolmos工藝的發(fā)展，高壓功率MOS管的發(fā)展有了巨大的變化，Infineon公司研制出了一種超級(jí)結(jié)功率器件，大幅度減小了柵極電荷Qg以及輸出電容Eoss，也使得導(dǎo)通電阻Rds大幅減小。上一代Coolmos工藝的高壓功率MOS管以ATP公司的ATP5020為代表在高頻高壓開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用最廣，而ATP5020的Rds為0.2 Ω，是IPW65R037C6(封裝形式均為T(mén)O247)的5倍多(如表1所示)，所以，使用IPW65R037C6可以大幅度降低開(kāi)關(guān)電源的導(dǎo)通損耗，從而提高開(kāi)關(guān)電源的效率[2]。

表1 IPW65R037C6的主要電參數(shù)

從圖7中可以看出該MOS管的安全工作范圍，根據(jù)單個(gè)電源模塊的功率容量以及電源設(shè)計(jì)可知，MOS管的漏源電壓最大約400 V，漏源電流有效值約2 A，可知MOS管工作于安全范圍內(nèi)，且留有較大余量。

圖7 IPW65R037C6的安全工作范圍(ID=f(VDS)，TC=25 ℃，Vgs>7 V)

4 高壓開(kāi)關(guān)電源的滿載效率

完成高壓電源的研制后進(jìn)行加電測(cè)試，在接電阻負(fù)載時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 高壓開(kāi)關(guān)電源的滿載效率統(tǒng)計(jì)

可以看出高壓電源滿載時(shí)最大效率可達(dá)96.1%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的行波管高壓電源模塊用PQ40/40磁芯作為高壓變壓器[3]，整流濾波部分使用高壓貼裝元件并進(jìn)行灌封。

本文設(shè)計(jì)了一種在滿載時(shí)具有高效率的小紋波小型化高壓開(kāi)關(guān)電源，滿載效率(不計(jì)輸入整流濾波損耗)可達(dá)96.1%，紋波≤ 0.2‰。但是本文所設(shè)計(jì)的高壓開(kāi)關(guān)電源采用的是LC諧振式移相變換器，該拓?fù)鋬H在某一工作點(diǎn)(如滿載情況)效率最高，難以達(dá)到全負(fù)載范圍均有高效率的要求(類似80PLUS標(biāo)準(zhǔn)[4])。

[1] 宮力.LLC串聯(lián)諧振全橋DC_DC變換器的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[2] Infineon.650 V CoolMosC6 Power Transistor [EB/OL].http://www.infineon.com,2012-01-01.

[3] 高彧博.行波管高壓電源中變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗，2014(1)：92-95.

[4] Minjae Joung.Dynamic analysis and optimal design of high efficiency full bridge LLC resonant converter for server power system[A].APEC[C].Orlando,FL,2012：1292-1297.

Design of A High Voltage Power Supply Based on High Efficiency LC Resonant Phase-shift Full-bridge TWT

GAO Yu-bo,XIE Zhang-gui,LI Qun,WANG Xin,LIU Wen-zheng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper designs a high voltage power supply based on high efficiency LC resonant phase-shift full-bridge,analyzes the convertor topology,control mode,power device,switch frequency,etc.,finally designs a high voltage with high stability(≤0.5‰),high voltage(10 kV),low ripple of voltage(≤0.2‰),high efficiency (fully loaded efficiency is 96.1% when input commute filtering loss is ignored),small size(200 mm×200 mm×50 mm) and midding power(fully loaded output is 450 W).

travelling wave tube;high voltage power supply;low ripple;phase-shift full-bridge

2014-05-15

TN86

B

CN32-1413(2015)01-0110-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.026