用于行波管的小型化鈦泵高壓電源設計

王 杰，楊 亮，付寒瑜

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

用于行波管的小型化鈦泵高壓電源設計

王 杰，楊 亮，付寒瑜

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

為了滿足雷達發射機中行波管的鈦泵電源的高電壓、高功率密度等要求，設計了一種小型化鈦泵高壓模塊電源，該電源主功率電路為級聯式流饋推挽DC-DC變換器，高壓輸出采用四倍壓結構，輸出電壓為3.6～4.0 kV，最大輸出功率為10 W。該模塊電源具有寬輸入、小體積、低功耗、高功率密度及過流保護功能等。

鈦泵電源；行波管；推挽

0 引 言

行波管作為雷達發射機中的重要關鍵件，其能否可靠穩定地工作直接關系到發射機乃至整個雷達系統的性能。而行波管工作的前提是要求管內必須達到一定的真空度，利用鈦泵來維持電子腔內的高真空度，其性能與行波管的使用壽命密切相關。結合當前對行波管發射機的模塊化和體積要求，研究一種小體積、低功耗及高可靠性的鈦泵電源具有廣泛的應用前景。因為鈦泵電源位于發射機內部，要求其具有體積小，低損耗、高可靠性[1]，所以在設計電源時，需要考慮電源的拓撲及結構、變壓器的次級多匝數引起的分布電容和漏感問題、功率的熱耗散及耐壓絕緣等。目前，常見的鈦泵電源由SG1525控制芯片[2]和推挽電路構成，存在負載調整率高、動態響應慢、電源體積大等問題。

本文選用級聯式DC/DC變換器控制芯片LM5041來設計鈦泵高壓電源，分別從鈦泵高壓電源的工作原理、相關參數設計、電路仿真等方面做介紹。

1 電路原理

鈦泵電源由前級buck電路與后級推挽電路級聯而成，其電源框圖如圖1所示。其中，推挽電路開關管導通占空比為固定50%，前級buck與輸出電路構成閉環回路，通過調節buck中的開關管占空比實現輸出電壓的調節[3]。

此時，輸出電壓可以表示為：

(1)

式中：D為前級buck開關管占空比；Np為推挽變壓器原邊繞組匝數；Ns為推挽變壓器副邊繞組匝數。

從公式中可以看出，該拓撲結構適合寬范圍輸入電壓，推挽變壓器的輸出電壓受輸入電壓的變化影響較小，有利于變壓器的設計。由于推挽變壓器一直導通，可以省去buck輸出濾波電容C1，電感電流iL直接接變壓器，稱之為級聯流饋式推挽變換器。該拓撲相對于傳統的推挽高壓電源有以下幾個優點：

(1) 適合于寬范圍的輸入電壓；

(2) 推挽變壓器副邊的高壓二極管和高壓電容的耐壓為固定值，與輸入無關，有利于器件的優化選型，實現電源的小體積；

(3) 由于推挽變壓器原邊的占空比固定，在任何負載工作下，其副邊正負對稱的2倍壓電路能夠很好地實現自動均流，減小器件的損耗。

圖2為電源的主要工作波形，推挽電路的開關頻率為buck電流開關頻率的一半，為防止電感電流iL飽和，開關管S3與S4設置重疊的死區時間td，給電感電流提供泄放通道。

2 電源設計

電源的額定輸入電壓為27 V，輸入電壓范圍為直流21～33 V，輸出電壓范圍為3 600～4 000 V，最大輸出電流為3 mA。為減小電源體積，推挽電路的工作頻率為70 kHz，前級buck工作頻率為140 kHz，主電路選用級聯LM5041控制芯片。

2.1 控制芯片LM5041介紹

LM5041是專門針對級聯式DC/DC變換器的電流峰值模式控制芯片，該芯片具有欠壓保護、過流保護、過熱保護以及脈沖斜率補償等功能。它同時可以輸出4路驅動信號，包含2個buck驅動信號和推挽(或半橋)驅動信號，本文設定推挽驅動信號共同導通的死區時間為90 ns，經過LM5101驅動芯片送給變壓器原邊開關管。

LM5041內部含有啟動電壓調節模塊，可以接受的安全輸入電壓范圍在15～100 V之間，本文采用穩壓二極管和開關管構成15 V線性電源為芯片供電。電流互感器采樣到的輸入側電流送給LM5041的CS腳，當超過設定電流閾值時，封鎖脈寬調制(PWM)信號，實現過流保護。

2.2 高壓整流二極管和電容參數設計

電源輸出電壓采用對稱4倍壓整流方式，高壓二極管承受的最大反向耐壓為2 000 V，選用VISHAY公司2 000 V/0.5 A的RGP02-20E二極管2只串聯。由于倍壓整流電路中的高頻電容容量較小，為滿足輸出電壓紋波要求，根據倍壓整流電路輸出紋波公式：

(2)

式中：N為倍壓階數，取N=2；f為推挽變壓器開關頻率；c為輸出高頻電容。

按輸出紋波電壓20 V計算，所需高頻電容C=3.2 nF，考慮留有裕量，本文選取3 000 V/4.7 nF的高頻瓷介電容，此時輸出電壓紋波為13.6 V。

2.3 前級buck濾波電感設計

設定輸入額定電壓為27 V時，前級buck開關管的占空比D=0.5，后級推挽變壓器副邊輸出電壓為Vs=3 800/4=950 V，在級聯流饋式的工作方式下，推挽變壓器的變比n為：

為減小變壓器的體積，適當減小副邊線圈匝數，本文取n=0.015，重新核算占空比D=0.527。

根據輸出電壓范圍，分別求得buck變換器的最高輸出電壓為：

buck變換器最低輸出電壓：

根據輸入電壓和輸出電壓范圍，分別求得buck變換器的最大占空比與最小占空比：

對于buck變換器，當輸入最高電壓時，輸出濾波電感的紋波電流最大，即在最大輸入電壓或最小占空比下設計濾波電感。已知輸出平均電流，求得前級電感的平均電流iL為：

設計buck變換器在滿載時工作于臨界連續模式，得到電感的紋波電流ΔiL=2iL=1.6 A，buck變換器的工作頻率為140 kHz，求得電感L為：

實際濾波電感選取L=40 μH，選用北京七星飛行公司的A90-102鐵硅鋁磁環，其有效截面積Ae=0.1 cm2，電感系數AL=48 nH/N2，求得匝數NL：

(3)

取N=29匝，計算裸線面積：

考慮集膚效應，本文選取0.4 mm2的漆包線雙股并繞29匝。

2.4 后級推挽變壓器設計

電源輸出的視在功率PT為:

(4)

考慮變壓器中的層間絕緣，窗口使用系數Ko取0.2；Kf為波形系數，方波時取4；Bw為工作磁通密度，本文選用鐵氧體材質，取0.25 T；常數x取-0.12；fs為推挽變壓器的工作頻率，為70 kHz；Kj為電流密度系數，取400；求得Ae=0.1 cm2。

選用七星飛行公司的罐型GU18×11A鐵氧體磁芯，計算出AP=43.1×21.06=0.091 cm4，滿足要求。

推挽變換器的原邊2路開關管的導通時間各占50%，按最高輸入電壓計算原邊繞組匝數NP：

為減小工作時的B值，實際選取NP為6匝，重新核算Bw=0.207 T,從而得到推挽變換器的副邊匝數為400匝。原邊繞組選用0.5 mm2的漆包線，副邊繞組選用0.12 mm2的漆包線。

3 仿真驗證

根據控制框圖，搭建閉環仿真模型，用saber仿真軟件庫中的運放、比較器、信號發生器等器件構建等效的控制回路，仿真電路如圖3所示。由于saber仿真中需要供地，因而將變壓器的輸出，即4倍壓輸入一端接地，實際使用中原副邊不供地。

在隔離的低壓電源中，常采用副邊電壓光耦隔離采樣，而在高壓電路中，存在光耦耐壓不夠問題。結合鈦泵電源對電壓的精度要求不高，本文采用低壓輔助繞組取樣，從而實現輸出高壓的穩壓。從仿真波形圖4、圖5可以看出，原邊的電感平均電流約為0.7 A，輸出平均電流約為2.96 mA，對應的輸出平均電壓約為3 600 V，與理論分析基本一致。

4 結束語

級聯式流饋推挽DC-DC變換器可以用于寬輸入、高電壓、小電流輸出場合，有利于鈦泵電源的小型化，提高了電源的功率密度。

[1] 陳曦,韓豐田.小型化鈦泵高壓電源的設計與實驗研究[J].電測與儀表,2008,43(7):38-41.

[2] 馮清賢,陳根余,卓沛,等.基于SG3525的小型化鈦泵高壓電源的研制[J].通信電源技術,2005(6):27-33.

[3] 黃劍峰,馬皓.Buck與推挽級聯式DC/DC變換器研究[J]電力電子技術,2008,42(6):30-32.

[4] 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社,2004.

Design of Miniaturized Titanium Pump High Voltage Power Supply for Traveling-wave Tube

WANG Jie,YANG Liang,FU Han-yu

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

In order to satisfy high voltage,high power density and other requirements of titanium pump power supply of traveling-wave tube in radar transmitter,this paper designs a miniaturized titanium pump high voltage module power supply.The main power circuit of this power supply is cascade current-fed push-pull DC-DC converter,the high voltage output adopts quadrupler voltage structure.The output voltage is 3.6～4.0 kV,the maximum output power is 10 W.The module power supply is provided with broad input,small volume,low power consumption,high power density and over-current protection function and so on.

titanium pump power supply;traveling-wave tube;push-pull

2016-06-24

TN86

A

CN32-1413(2017)01-0108-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.024