一種LCC 諧振變換器的行波管陣列交流燈絲電源?

高彧博 李 群 程 立 謝章貴

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

在電子對(duì)抗中，由寬帶行波管放大鏈組成的陣列發(fā)射機(jī)因其有效輻射功率大，波束切換迅速，多目標(biāo)干擾能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用。其中行波管由于幅相一致性的要求，對(duì)多只行波管的陰極電壓一致性要求很高（陰極電壓1V 將會(huì)影響相位偏移2°～4°），一般采用多管集中供電模式解決電壓一致性問題，行波管燈絲電源懸浮在陰極高壓電源上，因而需要為陣列發(fā)射機(jī)提供多路相對(duì)穩(wěn)定且滿足高壓隔離要求的燈絲電源。燈絲直流供電方案需要多組次級(jí)整流濾波電路，電源的體積、散熱及隔離傳輸?shù)入y以滿足；在傳統(tǒng)設(shè)備中，行波管陣列發(fā)射機(jī)燈絲電源為400Hz 中頻機(jī)組或逆變電源直接逆變后經(jīng)中頻高壓隔離變壓器送至行波管高壓側(cè)供電。使用中頻交流做燈絲供電時(shí)，體積大，穩(wěn)定度不高，而且前級(jí)輸入必須使用輸出電壓穩(wěn)定的中頻機(jī)組或者逆變電源供電，限制了設(shè)備的用電環(huán)境。

目前中頻和工頻逆變技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是通過SPWM調(diào)制產(chǎn)生的正弦波輸出頻率仍較低，不能滿足該高頻正弦波電源的輸出要求［1～3］。行波管燈絲電源要求對(duì)燈絲提供穩(wěn)定的熱功率，燈絲穩(wěn)定工作時(shí)呈純阻性，根據(jù)這種負(fù)載特性，本文中電源設(shè)計(jì)為前級(jí)使用單端反激式高頻開關(guān)電源預(yù)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后再經(jīng)過高頻諧振逆變產(chǎn)生高頻正弦波，再通過高頻隔離變壓器到次級(jí)供給多路懸浮在高壓側(cè)的行波管燈絲。諧振逆變技術(shù)的使用，可減小電源的諧波分量對(duì)相位的影響［4］。

該電源分兩級(jí)變換器:第一級(jí)單端反激式變換器預(yù)穩(wěn)壓并根據(jù)燈絲電壓取樣反饋進(jìn)行調(diào)整，可以保證輸出燈絲的穩(wěn)定度；第二級(jí)全橋LCC定頻定寬的開環(huán)諧振變換器，工作在ZVSZCS 情況下，為軟開關(guān)變換器，大幅減小了高頻情況下的開關(guān)損耗［5～7］，由于該拓?fù)溟_環(huán)增益的穩(wěn)定性，確保了電源輸出的恒壓源特性和較小內(nèi)阻，可以迅速響應(yīng)各種負(fù)載情況。

2 電路結(jié)構(gòu)

LCC（電感L 電容C 電容C）諧振式高頻正弦波電源，為行波管燈絲負(fù)載產(chǎn)生高頻正弦波電源，包括輸入整流部分、單端反激式預(yù)穩(wěn)壓部分、全橋開關(guān)電路部分、LCC諧振變換器部分、變壓器部分、電壓取樣反饋部分，其連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 高頻交流正弦波燈絲電源的組成

圖1 中輸入整流部分將輸入的交流供電整流濾波為后級(jí)的單端反激式預(yù)穩(wěn)壓部分提供直流電壓源；單端反激式預(yù)穩(wěn)壓部分將輸入整流部分提供的直流電壓源變換成后級(jí)全橋開關(guān)所需要的直流電壓源，隨電壓取樣部分的反饋對(duì)輸出的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證輸出良好的幅度穩(wěn)定性；全橋開關(guān)電路部分將前級(jí)產(chǎn)生的直流電源進(jìn)行高頻斬波，產(chǎn)生一個(gè)定頻定寬的準(zhǔn)方波電壓源，頻率由開關(guān)電源控制芯片確定，控制芯片輸出定頻的全脈寬驅(qū)動(dòng)電壓，并由驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)隔離變壓器再最終驅(qū)動(dòng)開關(guān)管；LCC諧振變換部分通過諧振槽路一個(gè)諧振電感值兩個(gè)諧振電容值的參數(shù)調(diào)節(jié)，使得并聯(lián)的諧振電容兩端輸出幅度穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、THD 小的正弦波電壓；變壓器初級(jí)接LCC 諧振槽路的并聯(lián)電容，次級(jí)為多組輸出，直接接行波管燈絲，并輸出一組次級(jí)用于電壓取樣反饋；電壓取樣部分對(duì)電壓取樣反饋輔助繞組的交流電壓進(jìn)行整流濾波后送給前級(jí)單端反激電路完成反饋。

3 電路設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)研究了LCC 諧振高頻正弦波的電路原理，對(duì)于前級(jí)單端反激式預(yù)穩(wěn)壓部分的設(shè)計(jì)與其他單端反激式變換器基本相同，只是穩(wěn)壓反饋是由最終末級(jí)輸出的高頻正弦波作整流濾波后作電壓取樣，所以本文對(duì)單端反激式變換器的電路設(shè)計(jì)不作介紹，可參考文獻(xiàn)［8］。

分析LCC諧振拓?fù)鋾r(shí)，將前級(jí)的單端反激式預(yù)穩(wěn)壓部分和全橋變換器部分產(chǎn)生輸出的電壓等效為方波（占空比50%，忽略死區(qū)時(shí)間），如圖2 所示Vs，圖中變壓器T 為1∶1 變壓器，根據(jù)該模型進(jìn)行電路分析，輸入電壓為Us（方波，在本設(shè)計(jì)中由全橋開關(guān)電路部分產(chǎn)生），輸出負(fù)載為Ro，輸出電壓為Uo，諧振電感電容如圖所示分別為Lr、Cr，并聯(lián)在變壓器T初級(jí)的電容為Ce。

圖2 電路拓?fù)浞治鲈硎疽鈭D

4 電路仿真

在saber 軟件中建立如圖2 所示的原理圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)前面理論推導(dǎo)的結(jié)果可知選擇k=1，n=1可以獲得良好的負(fù)載調(diào)制率和小的THD［9～10］。對(duì)電路進(jìn)行特值分析，開關(guān)頻率fs選擇50kHz，Lr選擇20uH，Cr選擇0.51uF，Ce選擇0.51uF，變壓器T 匝比設(shè)置為1∶1。

通過LCC諧振變換器實(shí)現(xiàn)了晶體管的ZVSZCS軟開關(guān)，軟開關(guān)仿真波形圖如圖6所示。

圖中n_3 為變壓器電壓波形，n_2 為開關(guān)斬波電壓波形，行波管燈絲負(fù)載為純阻性負(fù)載，因此變壓器電流波形也為與n_3 同相位的正弦波，從圖3可以看出諧振變換器的全橋開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)電壓電流剛好過零，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了ZVS和ZCS。

圖3 LCC諧振變換器ZVSZCS軟開關(guān)波形

圖4 仿真計(jì)算輸出的正弦波電源FFT分析

圖4 是仿真計(jì)算輸出正弦波電源的FFT 分析，從圖6 中可以看到三次諧波比基波小27.9dB，五次諧波比基波小43.5dB。可計(jì)算總的THD 約萬分之一。理論計(jì)算和仿真得到的THD 有些許不同，這是因?yàn)槔碚撚?jì)算的方波是理想方波，所包含的諧波分量較大，而仿真中的方波更接近工程實(shí)際中的波形，具有10ns 的上升沿和下降沿，所包含的諧波分量較小，故而仿真得到的THD 比理論計(jì)算的THD小許多，且更具實(shí)際參考意義。

圖5 仿真計(jì)算出的電壓輸出波形與標(biāo)準(zhǔn)正弦波比較

圖5 是通過saber 軟件電路仿真計(jì)算出的電壓輸出波形與標(biāo)準(zhǔn)正弦波比較。可以看出圖中的標(biāo)準(zhǔn)正弦波與本發(fā)明設(shè)計(jì)的正弦波輸出幾乎吻合，更形象地說明了所設(shè)計(jì)的正弦波電源具有小的波形失真度。

圖6 為使用的saber 軟件中的可變電阻對(duì)LCC電路的負(fù)載響應(yīng)能力進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得到結(jié)果如下:負(fù)載由滿載時(shí)的20Ω變成半載的40Ω再變成80Ω，最后變成幾乎空載的5kΩ，輸出正弦波的幅度隨著負(fù)載變化的情況，從滿載時(shí)的16.455V 變化成空載的16.511V，電源由滿載變?yōu)榭蛰d時(shí)，電壓超調(diào)小于4%。這說明了LCCR 電路具備良好的負(fù)載響應(yīng)能力，在全開環(huán)情況下即可達(dá)到電壓空滿載超調(diào)小于4%。

圖6 LCC開環(huán)負(fù)載響應(yīng)波形

5 樣機(jī)測(cè)試

應(yīng)用LCC 諧振式高頻電路結(jié)構(gòu)按圖1 的結(jié)構(gòu)完成了行波管陣列發(fā)射機(jī)燈絲電源的設(shè)計(jì)。該電源初樣的預(yù)穩(wěn)壓部分選擇單端反激式電源進(jìn)行設(shè)計(jì)；全橋LCC 諧振變換器中選擇UC1895 作為定頻全橋輸出的控制芯片，選擇IR2110 作為驅(qū)動(dòng)芯片，可以滿足20kHz 到500kHz 的全橋變換器的控制驅(qū)動(dòng)要求。高頻隔離變壓器輸出有專用于保護(hù)取樣的繞組，與行波管燈絲穩(wěn)態(tài)電阻相同，可以保證負(fù)載最小時(shí)也可以達(dá)到滿載時(shí)的1/9，保證了輸出電壓幅度的穩(wěn)定和小的THD 值，即可保證行波管燈絲加熱電壓的穩(wěn)定度。同時(shí)，變壓器的九個(gè)繞組均勻繞制和相同負(fù)載也保證了多路輸出的一致性，可以供給8只行波管燈絲高頻正弦波電源。

圖7 高頻正弦波的多波束燈絲電源樣機(jī)輸出波形

圖7 為高頻正弦波的多波束燈絲電源實(shí)測(cè)輸出電源波形，可以看出輸出波形接近純正弦波。

圖8 樣機(jī)輸出電壓頻譜（FFT分析）

圖8 為其輸出電壓作FFT 分析所看到的電壓頻譜，可以看出基波電壓大于最大畸變諧波的20倍，則單次最大畸變量小于2.5‰，據(jù)此可估算樣機(jī)輸出波形的THD約5‰，電源樣機(jī)的THD比理論分析和仿真驗(yàn)證的要略大，這是因?yàn)闃訖C(jī)研制中工藝上精確控制電感量、電容值以及開關(guān)頻率的成本太高，所以難以做到理想狀態(tài)。

6 結(jié)語

文章通過軟件仿真驗(yàn)證、試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試，確定了一種基于高頻正弦波諧振技術(shù)的行波管陣列發(fā)射機(jī)燈絲電源。該電源末級(jí)的全橋LCC 諧振式變換器為定頻定寬的開環(huán)變換器，可以看作一個(gè)固定比率隔離式DC-AC 變壓器，可以保證低的輸出阻抗實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，全橋LCC諧振式變換器工作處于ZVSZCS狀態(tài)，保證了高轉(zhuǎn)換效率。