一種兩級降壓收集極行波管發射機高壓電源的設計方法

趙 臘,樸海飛,陳 威,黃光華

(1. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室,南京210003; 2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153；3. 中國人民解放軍91910部隊,遼寧 大連116002)

一種兩級降壓收集極行波管發射機高壓電源的設計方法

趙 臘1,樸海飛2,陳 威2,黃光華3

(1. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室,南京210003; 2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153；3. 中國人民解放軍91910部隊,遼寧 大連116002)

為提高真空管發射機的工作效率,減小發射機的體積和質量,行波管發射機常采用多級降壓收集極形式,可將行波管發射機的效率從18%(約)提高到45%(約)。詳細介紹了一種高效、小型化兩級收集極行波管發射機高壓電源的設計原理和關鍵技術,并通過仿真驗證了設計的可行性。

行波管;高壓電源;兩級降壓

0 引 言

行波管廣泛應用于雷達、通訊、廣播、電子戰、高功率等電子設備中,是一種非常重要的微波器件。在行波管中,電子動能轉化為高頻場能量,而電子注與行波場的相互作用又要求維持同步條件,因而電子效率比較低。采用多級降壓收集極,可以提高裝置總的效率,減輕電源的體積、質量、熱耗,相應減少冷卻裝置的設備量。行波管發射機中陰極電源以大地為參考點位,功率小但對紋波、穩定性要求較高。收集極電源是以陰極電壓為參考的,輸出功率大但穩定性要求不高。要實現高穩定度的陰極電源和陰極高電位上的收集極多路大功率電源具有一定的設計難度。本文主要介紹一種兩級降壓收集極行波管發射機高壓電源的設計方法。

1 降壓收集極發射機供電系統的實現方法

多級降壓收集極行波管發射機需要陰極高壓電源和各級收集極高壓電源。陰極電源要求穩定度高、紋波小,功率要求相對較小,一般為幾百到一千多瓦,而各級降壓收集極電源對穩定度要求不高,但對電流要求大,功率等級為幾百到幾千瓦。收集極電壓是以陰極電位為參考電位而不是以大地為參考電位,因此收集極電源的控制相對比較復雜。陰極電源和收集極電源可以串聯工作也可以并聯工作。

1.1 多次級整流串聯輸出

多次級整流串聯輸出是在高頻開關變壓器的次級設置多個輸出繞組,每個繞組的匝數根據各級電壓壓差和初次級繞組的電壓、匝數來確定。每個繞組獨立整流濾波,然后將整流后的電壓串聯輸出,如圖1所示。多次級整流串聯輸出電路比較簡單,只需要閉環陰極電壓,各收集極電壓根據變比和脈沖寬度被動穩壓。這種電路的優點是由于合用一組控制電路及高壓變壓器使體積可以做得比較小,而其缺點是每個繞組的電壓變化會影響整個串聯輸出的電壓,也就是收集極電壓的穩定度會影響陰極電壓的穩定度。所以,為了保證陰極電壓的穩定度,陰極電源就必須有較好的動態響應和濾波措施。

圖1 多次級整流串聯輸出電路

1.2 多次級整流并聯輸出

多次級整流并聯輸出電路同串聯輸出電路類似,只是將陰極電壓繞組和各收集極繞組分開,使收集極電壓紋波不會影響到陰極電壓,如圖2所示。

圖2 多次級整流并聯輸出電路

多次級整流串聯輸出電路由陰極電壓取樣實現閉環控制,收集極電壓通過線圈的磁耦合來從動穩壓。多次級整流串聯輸出電路的優點和多次級整流串聯輸出電路一樣,由于合用一組控制電路及高壓變壓器使體積可以做得比較小,其缺點是收集極電源的穩定度低,紋波較大,收集極電壓不能單獨調整。

1.3 多路電源獨立輸出

為了方便陰極電壓和各收集極電壓獨立調整,可以采用多組獨立的電源給陰極和各收集極供電,如圖3所示。由于電源各自獨立,因此每種電源的主電路、輸出電路可以根據需要自由選擇。主回路可以選擇零電壓開關多諧振模式、全橋移相模式或串聯諧振模式,輸出電路可以選擇全橋或半橋電路,升壓方式可以選擇倍壓模式也可以選擇變壓器繞組模式。

圖3 多路電源并聯輸出電路

多路電源獨立輸出供電方式可以根據不同行波管陰極電壓和各收集極電壓需求分別進行電壓調整,彼此不受牽連,電壓調整靈活,適應范圍寬,只是體積和質量較大,不適用于高密集度要求的設備。

1.4 倍壓整流串聯輸出

當各級收集極的電壓和陰極電壓成一定比例關系時,可以采用全波倍壓整流電路來輸出各級的電壓,如圖4所示。這種全波倍壓電路紋波小,電路簡單,可以通過設置高頻變壓器的變比和倍壓電路的級數來調整各個輸出電壓的高低。陰極電壓和收集極電壓都是高

圖4 倍壓整流串聯輸出

頻變壓器次級輸出電壓的整數倍。當各級收集極的電壓差異較大時,倍壓整流串聯輸出電路就不太適用。此電路的控制回路簡單,只需要取陰極電壓作為閉環的反饋電壓即可。

2 高壓電源設計

高壓電源指標:陰極電源電壓/電流-24 kV/50 mA，第一收集極電源電壓/電流 +18 kV/150 mA，第二收集極電源電壓/電流+12 kV/450 mA。

2.1 供電電路形式的選擇

陰極電源和收集極電源分開并聯給行波管供電。陰極電源穩定度和紋波要求高,獨立為行波管供電,收集極電源穩定度和紋波要求不高。考慮電路設計的一致性和維修性,陰極電源和收集極電源都采用倍壓整流輸出電路。

兼顧電壓調整的需要、紋波的要求,選擇圖5所示的電路形式。

圖5 高壓電源電路

根據不同行波管的陰極和收集極電壓要求可以選擇合適的倍壓倍數。在本文中陰極電源采用6級倍壓整流輸出。收集極電源升壓過程是:收集極高頻電壓信號經高頻變壓器升壓成一定的交流電壓,再經6級倍壓電路得到6倍的直流高壓,經電容濾波后輸出第一收集極電壓,從4級倍壓處輸出第二收集極直流高壓。

2.2 主回路電路設計

主回路形式可以選擇零電壓開關多諧振模式、全橋移相模式或串聯諧振模式。零電壓開關多諧振模式的工作頻率高。全橋移相模式的由于存在一定工作比的丟失,效率相對低[1]。串聯諧振模式的主回路工作電流大,工作頻率低。選擇零電壓開關多諧振電路形式,主回路工作頻率200 kHz,選擇高頻MOS管作為主回路的開關管。

零電壓開關多諧振電路采用零電壓開通、軟關斷電路實現,因而具有開關損耗小、電磁兼容性能好(di/dt、du/dt小)等優點。又由于諧振電感串聯在變壓器初級,因此該電路具備抗高壓打火的功能,其原理框圖如圖6所示。

圖6 零電壓開關多諧振電路

一個開關周期可以分為兩個諧振周期,各諧振周期按開關器件導通情況和能量傳遞方向分為4種工作模式:

模式1:VT1、VT4導通,VT2、VT3截止,變壓器次級電路折算到初級等效為一個恒壓源,在此過程中Uin經VT1、Lr、VT4將能量傳遞給Uo。

模式2:VT1～VT4均截止,即死區時間內的諧振過程,諧振電感電流維持原方向,將C2、C3兩端的電量傳遞給C1、C4,只要Lr的能量足夠大,死區時間足夠長,當C2和C3的電壓降為零、C1合C4的電壓升為Uin時就能實現VT2和VT3的零電壓導通條件。

模式3:諧振電感電流由VD2、VD3續流維持原方向,直至電流諧振到零。VT2、VT3的導通信號需在電感電流到零之間到達,否則C2、C3會再被充電,無法實現VT2、VT3的零電壓導通。

模式4:VT2、VT3導通,變壓器次級電路折算到初級不再等效為恒壓源而等效為電容,即變壓器次級諧振電容折算到初級的等效電容。變壓器初級電壓由Uo諧振至-Uo,完成變壓器的諧振換向。

變壓器換向結束后,Uin經VT2、Lr、VT3將能量傳遞給-Uo,電路進入下一個諧振周期,諧振過程類似。

2.3 控制電路:定頻定寬的間歇式控制

通過間歇式地控制電源功率開關管的開通和關斷[2]來實現電源穩壓,原理框圖如圖7所示。

圖7 間歇式控制驅動原理框圖

電源主回路采用的是零電壓多諧振軟開關技術,控制電路采用MC33067P產生驅動型號。對于該控制芯片的原理不作贅述。MC33067P輸出兩路固定頻率、固定死區時間的驅動信號。同時,從電源輸出端采樣的反饋電壓與基準電壓通過PID電路比較運算,得到誤差電壓。將誤差電壓通過放大電路放大后,得到穩定可靠的間歇控制信號,MOS驅動芯片FOD3182同時受到驅動信號和間歇控制信號的控制:當反饋電壓低于基準電壓時,間歇控制信號為高電平,此時MOS管按零電壓多諧振方式諧振工作;當反饋電壓高于基準電壓時,間歇信號為低電平,此時MOS驅動芯片不產生驅動脈沖,電源停止諧振,不工作。主回路電路在諧振工作狀態和停止諧振狀態交替進行,以實現電源穩壓。

與PWM控制方式相比,間歇控制方式脈寬和死區都固定,能實現高壓電源在全功率范圍和寬電壓范圍內的零電壓多諧振軟開關,便于諧振參數的設計。與PFM方式相比,間歇控制方式開關頻率固定,在空載或輕載下開關損耗小、電源效率高,且可等效為一種線性控制方式,有利于PID控制參數的調節整定。

3 仿 真

用MATLAB仿真了圖5中收集極電源的工作過程,可以得到如圖8所示第一收集極電壓和圖9所示第二收集極電壓。將第一收集極電壓和第二收集極電壓展開后,如圖10和圖11所示。

圖8 第一收集極電壓波形

圖9 第二收集極電壓波形

圖10 第一收集極電壓波形

圖11 第二收集極電壓波形

仿真得到的第一收集極和第二收集極輸出電壓值和高頻紋波能夠滿足兩級降壓收集極行波管對收集極電源的要求。

4 結束語

發射機的性能和指標與行波管的性能和指標息息相關,而一個好的行波管更離不開一個穩定可靠的高壓電源。本文介紹的就是針對降壓收集極行波管所設計的一種高壓電源,目前基本功能和指標都已經滿足,輸出效率達到0.90以上,性能、體積、質量皆滿足要求。

[1] 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,2002.

[2] 朱永亮,葛士波,馬慧.10kV/5kW機載發射機高壓電源的設計[J].現代雷達,2008(4).

Design of high-voltage power supply of a TWT transmitter with two-stage voltage reduction collectors

ZHAO La1, PIAO Hai-fei2, CHEN Wei2, HUANG Guang-hua3

(1.Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003; 2.No.724 Research Institute of CSIC,Nanjing 211153;3.Unit 91910 of the PLA,Dalian 116002,China)

In order to improve the working efficiency of the vacuum-tube transmitter and reduce the size and weight of the transmitter, the TWT transmitter often adopts the multi-stage voltage reduction collectors, making the working efficiency improved from 18% to 45% approximately. The design principle and key technology of the high-voltage power supply of a high-efficiency miniature TWT transmitter with the two-stage collectors are introduced in detail, and the feasibility of the design is verified through the simulation.

TWT; high-voltage power supply; two-stage voltage reduction

2017-03-27;

2017-04-07

趙臘(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達總體;樸海飛(1982-),男,高級工程師,學士,研究方向:發射技術;陳威(1985-),男,工程師,碩士,研究方向:發射技術;黃光華(1982-),男,高級維修工,研究方向:雷達總體。

TN832

A

1009-0401(2017)02-0051-04