一種基于全橋LCL諧振變換器的行波管高壓電源研究

張國兵 柳拓鵬

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230000）

0 引言

高壓電源是行波管發射機的核心部件，高壓電源供給行波管的陰極和收集極所需要的直流高壓，它的穩定性和紋波水平對發射機輸出射頻信號的頻譜有重要的影響，并對發射機的體積、重量、絕緣有著至關重要的作用［1］。高壓電源的性能直接決定了發射機的穩定性、可靠性及性能指標［2］。

諧振型變換器使用變壓器的分布參數參與電路諧振過程，能減小電路分布參數的影響。其中零電壓諧振變換器因具有小的開關損耗、小的開關應力和開關噪聲，應用在高頻變換電路中可以明顯減小變換器的體積與重量［3］。同時諧振變換器在開關管關斷期間，回路的電壓諧振可以形成反向電壓，在變壓器次級產生負極性電壓，使倍壓電路工作，同時可以使鐵芯復磁。因此，其以結構簡單、易實現、抗不平衡能力強等優點而廣泛應用于高壓電源中。

1 全橋LCL諧振變換器工作原理

LCL諧振移相全橋PWM ZVS變換器的基本拓撲結構如圖1所示。其電路結構與普通雙極性PWM 變換器類似，S11和S21組成超前橋臂，S12和S22組成滯后橋臂。Lr是諧振電感，Cr為諧振電容。變壓器原邊增加了并聯電感Ls，這是LCL諧振變換器與普通雙極性全橋變換器的主要區別。S11和S21分別超前S12和S22一個相位，即移相角，通過調節移相角的大小，調節輸出電壓。V1～V4是整流二極管，C1為濾波電容。

變換器的主要工作波形如圖1所示。變換器一個周期內分為8個工作過程［4］。S11、S21、S12、S22工作于同一頻率下，通過控制超前臂與滯后臂的移相角來控制輸出電壓。為了便于分析，做以下假設：所有開關、二極管、電容、電感、變壓器均為理想元件，Vs為理想電壓源，T1為理想變壓器，初次級變比為1，輸出電壓為Vo且保持不變，折算到變壓器初級的電壓為Vo′。

1.1 模式Ⅰ：功率傳輸過程t1—t2

S11、S22同時導通，Lr電流正弦規律上升，其周期為Tr＝次級整流管V5、V8導通，輸入功率傳輸至負載，并為諧振網絡Lr、Cr注入能量，電感Lp鉗位到Vo′，iLp線性上升，到t2時刻，S22零電壓關斷，進入模式Ⅱ工作。

1.2 模式Ⅱ：Lr、Cr諧振放電t2—t3

S22關斷后，S22支路電流轉入S12V 支路流動，S12 零電壓開啟，Lr、Cr開始諧振放電，電流iLr開始減小，Lp繼續鉗位到Vo′，其電流繼續線性上升，Lr、Cr諧振回路電流小于iLp后，電感電壓VLp反向，次級整流二極管全部關斷，轉入模式Ⅲ工作。

圖1 LCL變換器拓撲圖及工作波形

1.3 模式Ⅲ：Lr、Cr、Lp自由諧振t3—t4

在此模式中，iLr＝iLp，均按正弦規律變化，諧振周期T0＝直到t4時刻S11 零電壓關斷，轉入模式Ⅳ工作。

1.4 模式Ⅳ：能量回饋至電源t5—t6

在VCr、VLp、VLr作用下，諧振網絡部分能量回送到電源，直到t6時刻S21零電壓開啟，完成正、負半周的換相，轉入模式Ⅴ工作。

1.5 模式Ⅴ：能量傳輸過程t6—t7

諧振網絡完成放電后，電流換向，次級整流二極管V2、V3開啟，電源輸入能量傳輸到負載，同時為諧振網絡Lr、Cr注入能量，電感Lp電壓鉗位到Vo′，其電流反向線性增大，直到t8時刻S12關斷，轉入模式Ⅵ工作。

1.6 模式Ⅵ：Lr、Cr諧振放電t7—t8

電流轉入S21、S21流動，部分能量輸出到負載，電流諧振減小，當諧振電流小于電感電流iLp時，電感電壓換向，轉入模式Ⅶ工作。

1.7 模式Ⅶ：Lr、Cr、Lp諧振過程t8—t9

在此模式中，iLr＝iLp，Lr、Cr、Lp電流自由諧振，諧振周期直到S11 零電流開啟，轉入模式Ⅷ工作。

1.8 模式Ⅷ：t9—t10

在VLp、VCr作用下，諧振網絡多余能量回送到電源，直到iLr減小到0后，電流換向，轉入模式Ⅰ工作。

2 高壓電源電路設計

高壓電源的收集極等效電阻根據要求計算為14.3kΩ，陰極等效電阻為3 MΩ。

諧振參數根據計算可以知道，Lr＝2.683 μH、Cr＝0.94μF，在工程實際中可以取Lr＝2.5μH、Cr＝0.94μF，Lp取兩倍的Lr，即Lp＝2Lr＝5μH。

3 高壓電源PSpice仿真分析

根據以上參數，使用PSpice仿真軟件對該高壓電源進行了分析，其PSpice仿真模型如圖2所示，仿真結果如圖3所示。

圖2 高壓電源PSpice仿真模型

圖3 高壓電源輸出波形及工作波形

由圖3可以看出，收集極高壓和陰極高壓輸出滿足設計指標要求，變壓器初級電壓波形、諧振回路電流波形與理論分析的結果一致。根據仿真結果可知，該高壓電源完全滿足設計要求。

4 結語

本文研究了一種LCL 諧振移相全橋PWM ZVS 變換器，控制方式采用恒頻移相控制模式。對電路的穩態工作過程進行了詳細分析，并使用PSpice軟件對實際設計需求的高壓電源進行了仿真分析，仿真分析結果表明這種變換器滿足行波管高壓電源的特殊要求。

基于LCL諧振移相全橋PWM ZVS變換器設計的高壓電源已經應用于某行波管發射機中，在實際工作中軟開關效果良好。

［1］韓博，朱永亮，陳漢興.毫米波小型化行波管發射機［J］.現代雷達，2008，30（11）：83－85.

［2］鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發射機技術［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［3］葉慧貞，楊興洲.新穎開關穩壓電源［M］.北京：國防工業出版社，1999：201－232.

［4］陳申，呂征宇，姚瑋.LLC 諧振型軟開關直流變壓器的研究與實現［J］.電工技術學報，2012，27（10）：163－169.