一種陰控速調管恒流燈絲電源的設計

楊 亮，付寒瑜，張 俊

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

柵控行波管和速調管燈絲電源直接浮動工作在陰極穩定的高壓電位上，大多采用穩壓限流方式。對于陰控的速調管來說采用同樣的方式，使開關電源直接浮動工作在陰極18kV的高壓脈沖上。當陰極高壓脈沖重復頻率較高時，開關電源控制部分易受高壓脈沖干擾，無法正常工作，AC 220V輸入低壓端控制的恒流燈絲電源能有效抑制高壓脈沖干擾穩定工作。速調管燈絲在冷態時阻值接近短路，要求啟動沖擊電流不超過正常工作電流的1.5倍，該電源工作在恒流狀態，不會出現電流過沖，更符合燈絲的工作特性。本文介紹一種市電AC 220V輸入輸出浮動在高壓脈沖端恒流0～10A可調、最高輸出電壓10V的恒流燈絲電源。

1 系統設計及原理

陰控速調管恒流燈絲電源具有如下特點：（1）恒流燈絲電源抗干擾能力強，整個電源置于屏蔽盒內，放在低壓端，實際試驗工作在18kV、15A，最高重頻40kHz的陰極高壓脈沖上，具有很好的穩定性；（2）恒流燈絲電源輸出電流穩定度高，從燈絲冷態到正常工作電流恒定輸出；（3）恒流燈絲電源抗速調管打火能力強；（4）恒流燈絲電源通用性強，電流輸出可調范圍寬，功率和電流等級可滿足多種管型。陰控速調管恒流燈絲電源原理框圖見圖1。

圖1 恒流燈絲電源原理框圖

電源工作原理：AC 220V電壓經整流濾波后輸出的直流300V輸入到單片開關電源TOP204Y，TOP204Y輸出＋15V輔助電源，＋15V給脈寬調制（PWM）控制器和運放供電。兩路控制器分別控制半橋和推挽變換器，控制半橋變換器的控制器1輸出的PWM脈沖經隔離后驅動半橋變換器的開關管，半橋變換器和TOP 2 0 4Y的輸入共用直流300V[1]。控制推挽變換器的控制器2沒有電壓和電流反饋輸出最大占空比脈沖，驅動推挽變換器把低壓端的直流電壓逆變后經高壓隔離變壓器隔離輸出到高壓端，高壓端再對隔離后的交流脈沖電壓整流濾波輸出。推挽變換器取樣電流信號經運放放大后反饋到控制器1來穩定負載電流，實現輸出恒流。放大后的取樣電流信號同時輸出到電流指示電路和欠流及過流保護電路，對電源實現聯保。

抗干擾性設計：采用普通開關電源直接浮動工作在陰極電位，由于陰極工作于高壓脈沖方式，電源輸出受高壓脈沖干擾造成不穩壓，控制部分也易受干擾，造成開關管同時導通短路，燈絲電源無法工作。這里的低壓端控制恒流輸出燈絲電源的設計方法，把穩流取樣放大和控制部分設計在低壓端，只有整流濾波浮動在陰極高壓脈沖電位上。除了隔離變壓器和整流濾波電路外，其它電路裝在屏蔽盒內，能有效抑制高壓脈沖的干擾。整流濾波電路不易受干擾，浮動在高壓脈沖電位，能穩定工作。整個電路系統工作在高壓脈沖條件下，通過低壓端取樣反饋控制實現高壓端燈絲電源恒流輸出，具有很好的穩流穩壓特性，整個電源工作穩定可靠，抗干擾性很強。

2 電路設計

2.1 半橋變換器和推挽變換電路設計

2.1.1 電路原理設計

控制器1輸出互補脈寬調制信號PWM1＋和PWM1－，經變壓器T1隔離后驅動 MOSFET，MOS開關管選用IRFP450，電容C1～C4串在變壓器T1和T2的初級，起隔直和防止變壓器發生磁偏時短路。次級采用全波整流，整流二極管選用肖特基共陰二極管。限壓取樣信號接到控制器的負反饋腳，來限制空載時的輸出電壓。整流后的直流電壓經V5、V6組成的推挽變換器逆變，控制器2輸出的脈寬調制信號PWM2＋和PWM2－直接驅動V5和V6。逆變后經變壓器T3隔離傳輸到高壓端，在高壓端整流濾波輸出到燈絲負載。電流取樣電阻R14原先采用線繞電阻，發現線繞電阻阻值隨溫度變化范圍比較大，從而導致負載電流漂移，后采用多股直徑0.3mm的錳銅絲繞制，有效解決溫漂問題。另外，變換器的所有開關管和整流管均焊接于印制板背面貼合屏蔽盒的底板散熱。變換器和整流濾波原理電路如圖2所示。

2.1.2 變壓器設計

變壓器T1、T2設計：T1主要用來隔離傳輸開關管的驅動信號，驅動信號的功率非常小，無需考慮T1的功率容量，選用鐵氧體EE25磁芯，磁芯截面積為：Ae＝0.36cm2，則：

計算變壓器初級匝數為41.6，最終選用50匝。初級電壓為15V，足以使開關管導通，所以變比選擇1∶1∶1。T2選用EC35磁芯，查《電子變壓器手冊》鐵氧體磁芯EC35工作在25kHz，溫升25℃時的功率容量為295W，滿足使用要求[3]。磁芯有效截面積為1.21cm2，根據上述公式計算出變壓器初級匝數為82.6匝，最終選用100匝。變比選8∶1，次級匝數選擇13匝。初次級匝數分別選用直徑為0.2mm和2mm的漆包線。

變壓器T3設計：選用鐵氧體Ф38環形磁芯，要實現高壓和低壓的隔離，初次級都采用耐壓30kV的高壓線繞制，高壓線較普通線粗很多，需要占用的窗口面積大，該磁芯繞線窗口面積較大，達到2.84cm2，適合在這樣的場合應用。磁芯有效截面積為1.35cm2，根據公式：

圖2 變換器和整流濾波原理圖

計算出變壓器初級匝數為6.17匝，初次級選用1∶1變比，初級和次級分別繞雙股6匝、外徑4mm和內徑1mm的高壓線。初級和次級的引出線需要留長一段，抑制高壓爬電，實際留長均超過15cm。將變壓器用硅橡膠灌封在尼龍盒內固定，這能有效抑制高壓電暈并方便安裝。變壓器最終安裝在高壓端和低壓端之間的環氧板上，增加次級高壓到低壓端的爬電距離。變壓器初級電壓波形示意如圖3所示。

2.2 電流取樣放大和控制器電路設計

電阻R14取樣的小信號電壓經運算放大器放N1A放大2 0倍后的穩流反饋信號接控制器SG3525的負反饋1腳。控制器內部集成誤差放大器，放大比較后輸出PWM信號控制半橋變換器實現穩流。調節SG3525的2腳輸入電壓可控制恒流輸出的電流值。其電路原理圖見圖4。

圖3 變壓器初級波形示意圖

圖4 取樣放大反饋和控制器原理圖

3 試驗結果和所需改進

基于上述方法設計的陰控速調管恒流燈絲電源，主要實驗參數如下：AC 220V輸入，沒有浮動在高壓脈沖上工作時，Vo＝＋10V，Io＝10A，紋波≤5×10－3，電流穩定度≤5×10－3。浮動在脈沖電壓18kV、脈沖電流15A、重頻40kHz陰極高壓脈沖上工作穩定可靠，并經多次模擬速調管陰極高壓短路打火試驗和燈絲負載短路實驗，電源均能正常工作和恒流輸出，表明該電源具有很強的抗干擾和抗打火能力及很好的恒流特性。電源的效率只有80%，有待于進一步改善，提高電源效率。圖5為該電源低壓部分實物圖。

圖5 電源低壓部分實物圖

4 結束語

以上介紹的恒流燈絲電源，經試驗和實際帶速調管燈絲負載加高壓長期工作，表明其抗干擾能力和抗速調管打火能力強，輸出電流穩定度高，可滿足速調管使用要求。

[1]沙占友.新型單片開關電源的設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2001.

[2]劉勝利，李龍文.高頻開關電源新技術應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]王全保.電子變壓器手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2003.