空間行波管用 LCLC 諧振變換器的研究

趙 斌 王 剛 王東蕾 陳 宇 畢 磊

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空間行波管用 LCLC 諧振變換器的研究

趙 斌*①②王 剛②王東蕾②陳 宇②畢 磊②

①(中國科學院電子學研究所空間行波管研究發展中心 北京 100190)②(中國科學院大學 北京 100049)

該文研究了LCLC諧振變換器在空間行波管放大器中的應用。基于電路分析的方法，研究了工作于零電壓和零電流狀態下的LCLC諧振電路的工作原理，并得到了各個工作模式的等效電路；基于該電路的工作原理，推導了該電路的參數；為驗證分析的正確性，在PSIM仿真軟件中對其進行仿真，并將仿真結果與計算結果進行了對比，仿真結果與分析結果高度一致；最后，設計了輸入20 V，輸出4600 V，開關頻率200 kHz，輸出功率280 W，效率高達93.38%的LCLC諧振變換器。仿真結果與實驗結果都證實了分析的有效性。

空間行波管放大器；LCLC諧振電路；零電流；零電壓

1 引言

空間行波管放大器由兩部分組成：電子功率調節器(EPC)和空間行波管。空間行波管放大器廣泛應用于雷達、衛星通訊與電子對抗。電子功率調節器作為空間行波管放大器的重要組成部分，為行波管的陰極、燈絲、收集級以及磁聚焦等部分提供合適的電壓。因此，其性能的好壞直接影響到整個空間行波管放大器[4,5]。

在空間行波管放大器中，通常采用兩級變換[6]。通常，第1級變換是具有功率因數校正模塊的Buck或Boost預穩電路，將太陽能電池板上的電能，轉變為適用于第2級變換的電能，同時需要保持較高的效率。在第2級變換中，通常是諧振電源，保證效率，同時得到負載需要的電壓與電流。因此，第2級變換是整個2級變換器的關鍵部分，決定整個變換器的性能。因此，本文主要研究第2級變換。

在之前的研究中， LCLC, LCC和LLC被應用于高壓諧振電源。在LCC[7,8]諧振電路中，忽略了變壓器的勵磁電感。但是在高壓應用中，為得到高電壓輸出，初級的匝數有限(一般小于5匝)，初級勵磁電感的影響不能忽略；在LLC諧振電路中，由于變壓器等效到初級的電容阻抗大而被忽略。然而，在高壓應用中，由于高電壓的變比，變壓器初級存在等效電容，此等效電容不能忽略。LCLC諧振電路具有4個諧振元件，即串聯電感(一般使用變壓器漏感)，串聯電容(需要外加)，變壓器初級的等效電容()以及變壓器的勵磁電感。此外，通過選擇恰當的開關頻率與占空比，能夠同時實現開關管和高壓整流二極管的零電壓零電流開關。因此，LCLC諧振電路更適合第2級變換。

本文包含以下部分。在第2節，主要闡述了LCLC的工作原理；在第3節，推導了LCLC諧振變換的計算公式；第4節，在PSIM軟件中，仿真了LCLC諧振變換器；第5節，設計了輸入20 V，輸出4600 V，輸出功率280 W的LCLC諧振變換器，證明了該諧振變換器的優勢；第6節，總結全文。

2 LCLC諧振變換器的工作原理

這一節主要討論LCLC諧振變換器(圖1)的工作原理。理論上，LCLC諧振變換器的波形如圖2所示。LCLC諧振變換器的分析基于以下假設：

圖1 倍壓整流輸出全橋LCLC諧振變換器

圖2 理論波形

(1)電路中的元件為理想元件，變換器效率為100%。

(2)C和L的諧振周期遠大于模式2和模式5的時間(和)，即：,。

模式1的等效電路如圖3(a)所示。階段1開始之前，諧振電流()為0，開關管和的寄生電容和上的電壓也為0，整流二極管的電壓、電流也為0。此外，變壓器初級等效電容上的電壓已上升至，整流二極管導通，被鉗位。在時刻，開通和，由于諧振電流為0,和的寄生電容和上的電壓也為0，因此，實現了開關管的零電壓零電流開通；此外，整流二極管的電壓電流也為0，因此，同時，實現了整流二極管的零電壓零電流開通。

(1)

(3)

由于開關管關斷時，諧振電流為0，同時開關管寄生電容上的電壓為0，因此實現了零電壓零電流關斷。

圖3 等效電路

模式3的等效電路如圖3(c)所示。當1和4關斷之后，階段3開始。在模式3中，在開關管的寄生電容(,,和)、漏感()、變壓器初級的等效電容()、串聯電容()以及勵磁電感()之間發生復雜的諧振過程。模式3的域等效電路如圖4所示。

圖4中的等效電路用方程組表示為

由式(5)可以解得

(6)

(8)

(9)

3 LCLC諧振變換器的設計公式

在這一節，推導LCLC諧振變換器的公式，包含：傳遞函數、初始條件以及諧振變換器工作過程中的主要參數。

3.1 傳遞函數

(11)

3.2 初始勵磁電流

在穩態下，勵磁電流滿足對稱性，再由式(2)得到，初始勵磁電流為

在半個周期內，初級電流的平均值為

此外，初級繞組的平均電流可以通過次級計算，即

(14)

結合式(13)和式(14)，可得

由式(1)和式(15)可得，諧振電流峰值為

由LCLC諧振變換器的理論波形可知，開關周期為

(20)

由有效值的定義，諧振電流有效值為

4 PSIM軟件仿真論證

本文首先提出了一種基于相等輸出功率的簡化高壓變壓器結構的單次級繞組結構；其次，在PSIM仿真軟件中對LCLC諧振電路進行了仿真分析，并與第3節得到的公式所計算結果進行了對比。仿真參數如表1所示，仿真與計算結果對比如表2所示。

4.1 簡化高壓變壓器的單次級繞組結構

由于行波管工作時需要多個電壓，因此，通常使用如圖6(a)所示的高壓變壓器結構。在圖6(a)所示的高壓變壓器中，初級有1個繞組，次級往往有多個繞組，每個繞組接倍壓整流電路后串聯，從而得到多個電壓輸出。但圖6(a)所示的結構，增加了仿真與設計的復雜程度。基于相同的輸出功率與輸出電壓，本文提出了如圖6(b)所示的單次級繞組結構。為得到相同的功率輸出，兩種結構的負載為

仿真結果如圖7所示。

由仿真結果可見，當諧振電流為0、開關管1和4寄生電容電壓為0時，開通和，實現了和的零電壓零電流開通；當諧振電流為0、開關管和寄生電容電壓為0時，關斷和，實現了和的零電壓零電流關斷。同時，也實現了整流二極管的零電流零電壓開啟與關斷。與理論分析一致。

圖4 模式3的s域等效電路????????????圖5 模式3的部分電路

圖6 原始結構與單次級繞組結構

圖7 原始結構與單次級繞組結構的仿真結果

表1 仿真參數

表2 仿真結果與計算結果的對比

此外，3種結構的仿真結果完全一致(只有整流二極管的電壓不同，但不影響對整個電路的分析)。因此，分立負載結構和單次級繞組結構可以用于研究LCLC諧振變換器。由表2可知，對LCLC諧振變換器的主要參數的計算，與仿真結果高度一致，從而證實了計算結果的正確性。

5 實驗論證

基于對LCLC諧振變換器的分析，設計了輸入20 V，輸出4600 V，功率280 W，開關頻率為200 kHz，效率高達93.38%的LCLC諧振變換器。并搭建了高壓測試平臺，對所設計的變換器進行了測試。仿真波形如圖8(a)所示，測試結果如圖8(b)所示。

高壓側(整流二極管的電壓電流波形)的仿真波形如圖9(a)所示，測試波形如圖9(b)所示。由圖9可知，類似于圖8，高壓側同時實現了零電壓零電流開通和關斷。實驗結果與理論分析、仿真結果一致。

在不同的輸入電壓條件下，測試了變壓器的效率，為保證所測試效率的準確性，所有的測試均在變換器工作10 min之后進行。變換器效率隨輸入電壓的變化如圖10所示。

由測試結果可知，在輸入電壓為20 V，輸出電壓為4600 V，輸出功率為280 W，開關頻率為198 kHz的工作狀態下，變換器效率為93.38%。

6 結束語

本文對LCLC諧振變換器進行了研究。LCLC諧振變換器的優勢有：功率開關管(全橋開關管和高壓側整流二極管)工作于零電壓零電流狀態，從而提高了變換器效率；采用LCLC諧振拓撲，諧振腔利用了高壓變壓器的所有寄生參數。

基于兩個假設，給出了LCLC諧振拓撲的工作原理；通過理論計算與PSIM仿真，證實了LCLC諧振拓撲的工作原理；對LCLC主要電路參數進行了計算，理論計算結果與軟件仿真結果具有很好的一致性，計算公式可用于電路以及變壓器設計；最后，設計了輸入為20 V，輸出電壓為4600 V，輸出功率為280 W，開關頻率為198 kHz的LCLC諧振變換器，變換器效率為93.38%。

由于開關管的損耗被降到最低，因此，本文提出的LCLC諧振變換器適于高頻率、高功率密度、高效率與高壓應用。接下來的工作將集中在LCLC諧振變換器的參數優化。

圖8 低壓側(開關管)的仿真與實測波形

圖9 高壓側(整流二極管)仿真波形與實測波形???????????圖10 輸入效率隨輸入電壓的變化

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Application of LCLC Resonant Converters for Space Travelling-wave Tube Amplifiers

ZHAO Bin①②WANG Gang②WANG Donglei②CHEN Yu②BI Lei②

①(,,,100190,)②(,100049,)

The application of LCLC resonant converters for space Travelling-Wave Tube Amplifiers (TWTAs) is investigated in this paper. Based on the working principles under Zero Current Switching (ZCS) and Zero Voltage Switching (ZVS), the equivalent circuit of each mode is derived. In addition, the parameters in each mode are also calculated. In order to validate the effectiveness of the analysis, PSIM simulations are carried out and the results are in accordance with the calculated results. Finally, an LCLC resonant converter with 20 V input, 4600 V output, switching frequency 200 kHz, 280 W output power, 93.38% efficiency is designed. Both the simulation results and the experimental results validate the effectiveness of the analysis.

Space Travelling-Wave Tube Amplifiers (TWTAs); LCLC resonant converters; Zero Current Switching (ZCS), Zero Voltage Switching (ZVS)

TN124; TN86

A

1009-5896(2017)02-0482-07

10.11999/JEIT160334

2016-04-07；改回日期：2016-10-14；

2016-12-02

趙斌 zkyzhaobin@sina.com

趙 斌： 男，1988年生，博士生，研究方向為平面變壓器在LCLC諧振變換器中的應用.

王 剛： 男，1971年生，研究員，博士生導師，研究方向為空間用高壓電源技術、微波電子信息系統與電路.

王東蕾： 男，1974年生，研究員，研究方向為高壓電源技術.

陳 宇： 男，1976年生，助理研究員，研究方向為空間行波管電源技術.

畢 磊： 男，1981年生，工程師，研究方向為空間行波管電源技術.