基于ZVS 自激振蕩的小型鈦泵高壓電源設(shè)計(jì)

顧晉晉， 張永祥

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第七二三研究所， 江蘇 揚(yáng)州 225001）

0 引言

行波管作為微波功率放大的核心器件， 廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信等領(lǐng)域，其工作電壓高達(dá)上萬(wàn)伏，對(duì)電子腔內(nèi)的真空度有著較高的要求， 鈦離子泵 （簡(jiǎn)稱鈦泵）能提供超過(guò)10-6Pa 的真空度，所以一般都是通過(guò)鈦泵來(lái)維持行波管的真空度，以確保行波管正常工作。 鈦泵工作時(shí)需要外部提供高達(dá)幾千伏的直流電壓， 鈦泵電源的性能將直接影響行波管的真空度， 以至整個(gè)發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性。 因此設(shè)計(jì)一種體積小、重量輕、功耗低、可靠性高的鈦泵高壓直流電源具有很高的應(yīng)用價(jià)值[1]。

鈦泵電源在發(fā)射機(jī)的內(nèi)部，其體積、重量和可靠性有著較高的要求， 所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮電路的拓?fù)浼敖Y(jié)構(gòu)和各部件的絕緣與散熱， 由于高壓電源輸出電壓高，變壓器次級(jí)線圈匝數(shù)多，還要考慮到變壓器的分布電容和漏感問(wèn)題。

本文基于零電壓開關(guān)自激振蕩電路設(shè)計(jì)鈦泵高壓電源，實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)的小型化和低成本，并從工作原理、電路設(shè)計(jì)及仿真等方面做了介紹。

1 電路原理

鈦泵電源的電路主要分成兩個(gè)部分，電路原理圖見圖1，左邊功率部分為ZVS 自激振蕩電路，右邊整流部分為四倍壓電路，兩部分通過(guò)變壓器初級(jí)和次級(jí)連接，變壓器初級(jí)線圈中心抽頭。

圖1 鈦泵電源原理圖

上電瞬間電感L1 通過(guò)的電流為零， 電源電流流經(jīng)R1、R2， 經(jīng)過(guò)D1、D2 穩(wěn)壓二極管鉗位在12V 后分別送入Q1、Q2 的GS 極，此時(shí)兩個(gè)MOS 管同時(shí)開通。

電感L1 上電流逐漸增加， 由于元件參數(shù)的離散型，導(dǎo)致兩個(gè)MOS 管上DS 電流不相同，假設(shè)IQ1＞IQ2，變壓器產(chǎn)生3 為正，4 為負(fù)的感應(yīng)電壓，通過(guò)變壓器T1 形成正反饋，使B 點(diǎn)電壓升高，D4 截止，此時(shí)電容C1 充電，C 點(diǎn)電壓保持12V，Q1 保持導(dǎo)通， 因?yàn)镼1 導(dǎo)通時(shí)VDS 很小，A點(diǎn)近似接地，D3 導(dǎo)通將D 點(diǎn)電位強(qiáng)行拉低至0.7V 左右，Q2 截止。

變壓器T1 初級(jí)線圈上電流逐漸增加，感應(yīng)電壓逐漸減小，電容C1 在放電狀態(tài)，B 點(diǎn)電壓降低，直至D4 導(dǎo)通時(shí)，C 點(diǎn)電位受B 點(diǎn)影響也開始減小，直到Q1 截止，同時(shí)A 點(diǎn)電位升高，D 點(diǎn)電位跟隨A 點(diǎn)同時(shí)升高， 直至穩(wěn)壓在12V，隨后D3 截止，此時(shí)Q2 導(dǎo)通，Q1 截止，變壓器初級(jí)線圈中電流達(dá)到最大值并開始減小， 同時(shí)電容C1 開始充電，A 點(diǎn)電位達(dá)到最大值時(shí)變壓器初級(jí)線圈中電流為零，然后電容C1 放電，變壓器初級(jí)線圈中出現(xiàn)反向的電流并慢慢變大，重復(fù)之前的過(guò)程，每次線圈中電流達(dá)到最大時(shí)Q1、Q2 切換開關(guān)狀態(tài)。

穩(wěn)態(tài)時(shí)Q1、Q2 同時(shí)只有一只完全導(dǎo)通，另一只截止，占空比為50%。 此電路中電容C1 和變壓器T1 的初級(jí)線圈構(gòu)成了并聯(lián)諧振回路，變壓器初級(jí)2、4 端電壓波形為正弦波。

2 實(shí)際工作電路的設(shè)計(jì)及主要元器件的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸入直流電壓Vcc=12V±10%，額定輸出電壓為Vout=3.2kV， 額定輸出功率4W， 工作頻率為40kHz。

2.1 功率電路主要元器件的選擇

MOS 管上的最大電壓為初級(jí)的峰值電壓， 由于變壓器T1 初級(jí)的抽頭2 和抽頭4 每隔半個(gè)周期交替接地，抽頭3 的電壓就相當(dāng)于正弦波經(jīng)過(guò)全波整流， 周期為原來(lái)的一半，并且有效電壓等于Vcc，可以用公式表示為：

變壓器T1 初級(jí)抽頭2 和抽頭4 之間峰值電壓即LC振蕩回路的峰值電壓為：

為留有余量MOS 管選取IRFP250，耐壓200V。 D1、D2選擇1N4742，VZ=12V。 D3、D4 選擇快恢復(fù)二極管UF4007。

2.2 整流濾波電路主要元器件的選擇

電源的輸出部分采用對(duì)稱四倍壓電路， 此電路由兩個(gè)二倍壓電路疊加而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電容和二極管的耐壓要求較小，二極管選擇兩個(gè)1N4007 串聯(lián)使用，可以提供最高2000V 反向耐壓。 電容選擇10nF 的高頻瓷介電容。

2.3 高壓變壓器設(shè)計(jì)

前面已經(jīng)計(jì)算出了變壓器T1 初級(jí)電壓V=37.68V

變壓器T1 次級(jí)電壓為Vs=3200/4=800V

此時(shí)變壓器的變比為：

式中，K0=0.4 為窗口使用系數(shù)，Kf=4 為波形系數(shù)，磁芯選擇Mn-Zn 鐵氧體磁芯，Bw=0.12T 為工作磁通密度，Kj=366 為電流密度比例系數(shù)，X=-0.12 為所用磁芯的常數(shù)。

經(jīng)計(jì)算AP=0.03cm4，查閱磁芯手冊(cè)，選擇EE-13 型磁芯，其AP=0.057，此時(shí)磁芯的有效截面積Ae=0.171cm2。

變壓器初級(jí)匝數(shù)為：

繞制變壓器線圈時(shí)應(yīng)該采取分段分組繞制的方式，減小每層匝數(shù)同時(shí)增加層數(shù)，這樣可以有效地減小分布電容。

3 電路仿真

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的計(jì)算， 通過(guò)Multisim 軟件搭建電路進(jìn)行仿真分析，仿真電路見圖2，其中R7 為負(fù)載。

圖2 仿真電路

由于本次設(shè)計(jì)的電路采用非反饋電路結(jié)構(gòu)， 輸出電壓會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化。當(dāng)行波管內(nèi)電子腔真空度正常時(shí)，負(fù)載相當(dāng)于無(wú)窮大，輸出電壓達(dá)到最大值，此時(shí)取R7=200MΩ，輸出電壓波形圖見圖3，約為3.4kV。

圖3 空載時(shí)輸出電壓仿真波形

當(dāng)鈦泵電源剛啟動(dòng)時(shí)，行波管內(nèi)電子腔真空度較低，此時(shí)電源處于滿載狀態(tài)，輸出功率達(dá)到最大值，取R7=2 MΩ，輸出電壓波形圖見圖4，約為2.86kV，輸出功率約為4.1W， 此時(shí)鈦泵能夠正常工作并快速使電子腔內(nèi)達(dá)到要求的真空度，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 滿載時(shí)輸出電壓仿真波形

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種小型鈦泵高壓電源， 介紹了其電路原理和高壓變壓器的設(shè)計(jì)方法， 并通過(guò)仿真軟件對(duì)該電源進(jìn)行了驗(yàn)證，該電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電子元器件較少，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，其性能滿足設(shè)計(jì)要求。