一種星載脈沖行波管高壓電源的設計

朱元江，王 磊，劉 禹

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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一種星載脈沖行波管高壓電源的設計

朱元江，王 磊，劉 禹

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

介紹了一種星載脈沖行波管高壓電源。該高壓電源主功率輸出采用電流饋電型主動箝位推挽隔離DC-DC變換器結構，燈絲及其它輔助供電采用LLC架構。脈沖高壓電源輸出最高電壓為8 kV，脈沖重復頻率最高可達100 kHz，脈沖寬度為1～100 μs，高壓電源最大輸出功率為400 W，效率大于90%，重量小于3 kg。測試結果表明該型高壓電源具有電源體積小、重量輕、效率高、保護措施完善、負載調整率好等特點，適用于星載應用。

脈沖高壓電源；星載；體積小；高效率

0 引 言

脈沖高壓電源已趨于向小體積、大功率、高效率和低紋波等方面發展[1-2]，尤其在一些特殊的應用場合，比如星載應用場合，其對脈沖高壓電源的體積、效率、重量和可靠性等方面要求苛刻，這就迫使脈沖高壓電源必須具有極高的效率，以減輕脈沖高壓電源的熱設計壓力，為體積和重量的減小提供了可能，隨之可以大大提高脈沖高壓電源的可靠性。脈沖高壓電源因其特殊的應用背景，在設計時需要考慮的問題更趨復雜化。例如：交叉調整率，適應脈沖負載特性，抗短路特性等。本文介紹的星載脈沖行波管高壓電源具備了上述特點，經過改進設計還可適用于無人機平臺、彈載平臺、機載平臺等其它特殊應用領域。

1 主功率變換器的形式

1.1 主變換器拓撲選擇

該高壓電源滿載功率容量為400 W。考慮到星載環境及該模塊特殊的應用方式，同時為盡可能地適應42 V供電總線，在設計中優選了一種零電壓軟開關(ZVS)電流饋電型主動箝位推挽DC-DC變換器，該變換器具有如下特性[3]：

(1) 高頻開關特性，以減小感性及容性元件體積；

(2) 軟開關特性，同時需使用線路中各分布參數作為緩沖元件的特性；

(3) 固定工作頻率(具備整機同步能力)，以達到整機時統要求；

(4) 高壓輸出具有部分電壓源特性；

(5) 拓撲輸入具有電流源特性，以減小對供電的污染；

(6) 具有拓撲升壓特性，以減小變壓器升壓比；

(7) 具有好的負載調節能力，以適應脈沖負載特性；

(8) 具有小的di/dt電流饋送特性，減小高壓整流管功耗和輸出高頻噪聲。

該變換器理論輸入電壓范圍為26 ～44 V，理論變換器效率可達94%以上。該變換器成功應用于多型機載、彈載裝備，穩定可靠。具體變換器拓撲形式如圖1所示。

圖1 主功率變換器拓撲電路圖

如圖1所示，開關S1、S2為主功率開關，Sa1、Sa2為相應輔助電壓鉗位開關。主開關提供主功率通道，輔助開關只提供變壓器部分功率。

設計中將主功率開關設計為交疊導通模式，即使用該線路的Boost升壓特性，在變壓器初級電感和諧振電感滿足一定要求的前提下，該線路可實現在全負載范圍內的ZVS特性。

1.2 變換器參數設計

(1) 一般性輸入參數：輸入電壓Vin=28 V±2 V，輸出功率Pout=400 W，開關頻率Fs=80～100 kHz(可調節)。

(2) 變換器參數預期：靜態增益為2；變壓器映射電容為20 nF；變壓器漏感為0.5 μH。

(3) 變換器主要參數數學解析式：

變換器初級電流：

(1)

(2)

變換器增益損失比：

(3)

(4)

變換器實際工作比：

(5)

(6)

鉗位電壓應力：

(7)

(8)

ZVS條件：

(9)

式中：Vop為變壓器初級電壓；VG為電容CT上的電壓；Zn為諧振環路的阻抗。

聯解以上關系式，在滿足勵磁前提下校核Lm值，如可大于上式所規定的Iin值即可滿足全負載條件ZVS開關。可解出：諧振電感Ld=3 μH,最大占空比Dmax=0.84,最小占空比Dmin=0.22。

2 燈絲及浮動柵極調制器的設計

2.1 變換器拓撲

選擇LLC諧振半橋架構作為該變換器拓撲，該拓撲可實現多路輸出，并具有較為良好的交叉調整，穩定可靠。變換器電路形式如圖2所示。

該變換器設計中取工作頻率等于諧振頻率，為100 kHz，品質因數Q=4(按最大功率取值)，則諧振電感Lr=50 μH，諧振電容Cr=0.05 μF，開關管電流應力為Imax=1.6 A，電壓應力為Vmax=30 V。開關管可選用與高壓鏈路同型的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)。

圖2 燈絲變換器拓撲電路圖

2.2 浮動穩壓環的設計

該變換器是一個典型的多輸出穩壓電源，將輸出功率最大及對穩定度要求最高的燈絲輸出組作為主穩壓通道，采用基于幅度調制的芯片作為浮動穩壓誤差處理及傳輸器件，考慮到檢波管特性及處理電磁兼容的能力選取傳輸載波頻率為700～800 kHz。穩壓電路如圖3所示。

圖3 浮動穩壓環電路

燈絲電源輸出電容取多個電容并聯，以提升燈絲電壓的穩定度和降低燈絲紋波，減小由于燈絲穩定度和紋波帶來的相位誤差。

2.3 柵極調制器

柵極調制器的輸出引入保護鉗位網絡，以在行波管出現高壓跳火時保護行波管和柵極調制器免受高壓損傷。柵極調制器電路框圖如圖4所示。

圖4 柵極調制器電路框圖

3 EPC控制及保護設計

3.1 EPC控制及保護模擬部分

高壓變換器設計方案的變換器實現拓撲形式中，4個MOSFET開關必須以特定的開關時序進行開關控制，控制時序如圖5所示。

要實現以上控制時序目前沒有專用控制芯片，通過采用UC公司的移相控制芯片附加簡單的或、與邏輯將原基礎控制芯片的4路控制信號轉換為本設計所需的控制時序。

圖5 控制時序

該高壓電源屬高電壓脈沖工作方式行放電源，為保護行波管及EPC本身在出現異常狀況下不出現損壞，就必須對EPC的控制保護著重加以設計。行波管放大器的行保護功能如表1所示。

表1 行放保護功能

3.2 EPC控制及數字保護部分

控制模塊由現場可編程門陣列(FPGA)、電源管理電路和外圍接口電路組成。其中FPGA為核心，解析來自主控機的指令，控制EPC的工作。控制模塊電路示意圖如圖6所示，其中虛線內為FPGA的內部電路，其它部分為外部分立芯片。

圖6 控制模塊電路框圖

4 實測波形和實物

主功率變換器開關管電壓電流波形如圖7、圖8所示。

圖7 高壓輸出400 W主開關管電壓電流波形

圖8 高壓輸出空載主開關管電壓電流波形

燈絲變換器開關管電壓電流波形如圖9所示。

圖9 燈絲變換器開關管電壓和電流波形

柵極調制器輸出波形如圖10所示。實物如圖11所示。

圖10 柵極調制器輸出波形

圖11 星載脈沖行波管放大器實物圖

5 結束語

本文介紹了一種星載脈沖行波管高壓電源，該高壓電源主功率供電采用電流饋電型主動箝位推挽隔離DC-DC變換器結構，燈絲及其它輔助供電采用LLC架構。該高壓電源最大輸出電壓為-8 kV，最大輸出功率為400 W，效率可達90%，各收集級空滿載電壓變化率小于5‰。試驗證明該脈沖高壓電源效率高、體積小、重量輕、負載調整率好。該高壓電源在航空航天、彈載和星載等領域應用前景廣泛。

[1] 沙文祥,李剛,張宗濂.機載行波管發射機電源系統[J].電子工程師，2006，32(7):32-35.

[2] Talatghil B,Nyobe Yome J M,Glaize C.High voltage variable frequency double resonant dc-dc converters utilizing the transformer parasitic elements[A].Proceedings of The European Space Power Conference[C].Austria，1993：245-250.

[3] Ivo Barbi,Roger Gules.Isolated DC-DC converters with high-output voltage for TWTAtelecommunication voltage for TWTA telecommunication satellite applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(4):975-984.

Design of A Satellite-board High-voltage Power Supply Based on Pulse Traveling Wave Tube

ZHU Yuan-jiang,WANG Lei,LIU Yu

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

A satellite-board high-voltage power supply based on pulse traveling wave tube (TWT) is introduced in this paper.The isolated DC-DC converter with current-feed active-clamp push-pull structure is employed for main power output of the high-voltage supply.The LLC converter structure is employed for filament and other assistant power supplies.The maximum output voltage of pulse high-voltage power supply is 8 kV，the maximum pulse repeat frequency can be 100 kHz,pulse width is 1～100 μs,the maximum output power of high-voltage power supply is 400 W,the efficiency exceeds 90%,the weight is less than 3 kg.Test results indicate that the high-voltage power supply has the features such as small volume,light weight,high efficiency,perfect safeguard,good load regulation and so on,which is suitable for satellite-board application.

pulse high-voltage power supply;satellite-board;small volume;high efficiency

2014-08-06

TM89

B

CN32-1413(2015)01-0101-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.024