一種小型化行波管高壓電源的設(shè)計

一種小型化行波管高壓電源的設(shè)計朱元江;王【摘要】介紹了一種小型化行波管高壓電源.該高壓電源采用電流饋電型主動箝位推挽隔離DC-DC變換器結(jié)構(gòu).詳細(xì)分析了變換器的各工作模態(tài)，并給出了理論的工作波形，利用該變換器設(shè)計了一款小型化行波管高壓電源.實測輸出電壓為7.5kV,最大輸出功率為200W,拓?fù)湫首罡呖蛇_(dá)94%.實驗證明該高壓電源具有體積小、重量輕、效率高、負(fù)載調(diào)整率好等特點,可適用于彈載、機載等低電壓供電的特殊應(yīng)用.【期刊名稱】《艦船電子對抗》【年(卷)，期】2013(036)004【總頁數(shù)】4頁(P101-104)【關(guān)鍵詞】開關(guān)電源;隔離拓?fù)?高效率【作者】朱元江;王磊【作者單位】船舶重工集團(tuán)公司723所揚州225001;船舶重工集團(tuán)公司723所,揚州225001【正文語種】中文【中圖分類】TM9190引言隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壓電源已趨向于小體積、大功率、高效率和低紋波等方向發(fā)展[1-2],其中小體積和高效率使得高壓電源的應(yīng)用前景更加光明。在減小體積和重量的前提下，不斷提高高壓電源的效率從而提高可靠性是工程師們追求的目標(biāo)，高壓電源因其特殊的應(yīng)用背景，在設(shè)計時需要考慮的問題更趨復(fù)雜化。例如:交叉調(diào)整率、適應(yīng)脈沖負(fù)載特性、抗短路特性等。本文介紹的小型化行波管高壓電源具備了上述特點，適用于航天、無人機平臺和彈載平臺等特殊應(yīng)用領(lǐng)域。1變換器的原理及特點1.1變換器的理想特性為實現(xiàn)高壓電源的高效率和小體積，應(yīng)用于高壓電源的拓?fù)浔仨毦邆湟韵绿卣?(1)利用變壓器和功率開關(guān)管的寄生參數(shù)，實現(xiàn)主功率開關(guān)管以零電壓開關(guān)(ZVS)方式通斷，以減小開通損耗和提高效率，提升變換器的可靠性；為了便于優(yōu)化變換器諧振參數(shù)，應(yīng)保證開關(guān)頻率的恒定，實現(xiàn)最優(yōu)的電路工作方式；輸入輸出應(yīng)分別滿足電流源特性和電壓源特性，以適應(yīng)高電壓場合的特殊應(yīng)用；盡可能降低變壓器的變比，減小次級映射到初級的分布電容，以減輕由于分布電容帶來的不利影響；高壓電源應(yīng)能適應(yīng)脈沖負(fù)載特性和寬輸入電壓變化。1.2變換器的等效電路和工作原理如圖1所示，該變換器為電流饋電型主動箝位推挽隔離DC-DC變換器，S1和S2為主開關(guān)管，CS1和CS2分別為S1和S2的輸出電容，DS1和DS2分別為S1和S2的體二極管，Sa1和Sa2為輔助開關(guān)管，Csa1和Csa2分別為Sa1和Sa2的輸出電容，Dsa1和Dsa2分別為Sa1和Sa2的體二極管，CT為箝位電容，Lin為輸入電感，圖中虛線標(biāo)注的為功率變壓器T1,Ld1和Ld2為諧振電感，DR1和DR2為高壓整流二極管，CR1和CR2為倍壓電容，C0為儲能電容，R0為等效負(fù)載。圖1電流饋電型主動箝位推挽隔離DC-DC變換器根據(jù)實際的工作過程，將變換器的工作過程分為5個階段：(t1~t2)S1和S2同時導(dǎo)通，此時流過開關(guān)管S1和S2的電流大小一致，方向相反，初級不向次級饋能，輸入電感Lin存儲能量。(t2~t3)S1以零壓方式關(guān)斷，此時由于電感Ld1的續(xù)流作用，對CS1和Csa1分別進(jìn)行充放電，當(dāng)Cs1的電壓充至箝位電壓UCT,Csa1上的電壓為零時，Sa1的體二極管Dsa1導(dǎo)通，此時存儲于電感Ld1的能量轉(zhuǎn)移至箝位電容CT中。這個過程中，當(dāng)開關(guān)管S1和S2的電流大小不一樣時，初級向負(fù)載饋能。(t3~t4)Sa1導(dǎo)通，由于箝位電容電壓UCT的作用，流過電感Ld1的電流逐漸減小，直至反向，此時箝位電容上的能量轉(zhuǎn)移至變換器。(t4~t5)Sa1關(guān)斷，由于電感Ld1的續(xù)流作用，對電容Csa1和CS1分別進(jìn)行充放電，直至主開關(guān)管S1上的電壓為零，電流通過體二極管。(t4~t5)主開關(guān)管S1導(dǎo)通，流過電感Ld1的電流逐漸減小，直至反向，當(dāng)流過Ld1的電流與流過Ld2的電流大小一致、方向相反時，此過程回到階段(1)。1.3變換器工作的理論波形圖2給出了驅(qū)動和電路各狀態(tài)的電流和電壓波形，wS1和wS2為主開關(guān)管驅(qū)動控制波形，wSa1和wSa2為輔助開關(guān)管的驅(qū)動控制波形，IS2和VS2分別為主開關(guān)管S1上的電壓和電流波形，Vsa2和Isa2分別為輔助開關(guān)管上的電壓和電流波形，ILd1為流經(jīng)電感Ld1的電流，ILin是流經(jīng)電感Lin的電流。從圖中可以看出，該拓?fù)涫且訸VS方式工作的。2高壓電源的設(shè)計由于行波管為二級降壓收集極，行波管需要幾組電源，為了減小高壓電源的體積，高壓電源采用串聯(lián)供電的方法來實現(xiàn)行波管收集極和管體電源。所謂的串聯(lián)供電，指的是利用一個變換器同時產(chǎn)生行波管的陰極電壓和收集級電壓，通過對陰極電壓的取樣來實現(xiàn)穩(wěn)壓，收集級的電壓通過變換器的交叉調(diào)整能力和變壓器的繞制來實現(xiàn)。圖2變換器工作的理論波形為了進(jìn)一步優(yōu)化諧振參數(shù)，便于濾波電路設(shè)計[4],高壓電源控制基于脈寬調(diào)制方式，開關(guān)頻率固定為100kHz左右。由于輸出電壓高，變壓器的初次級變比較高，為減少變壓器初次級變比高所帶來的寄生參數(shù)問題，采用倍壓和多組輸出串聯(lián)方式，如圖3所示。圖3高壓電源電路圖3電路參數(shù)的設(shè)計在高壓電源設(shè)計中，高壓電源變壓器采用扁平結(jié)構(gòu)，以減小體積。設(shè)定開關(guān)頻率f為90kHz，最大占空比D為0.68，變換器的增益q為2，陰極高壓輸出Vout為7.5kV，高壓電源變壓器的總變比確定為：變壓器完成繞制后，參數(shù)如下：初級電感Lp為60",漏感Ld為在0.3",變壓器的分布電容Cp約為10pF。為滿足諧振和箝位要求，諧振電感選為5pH,箝位電容選為卻F。4實測波形圖4~6分別給出了主開關(guān)管S1的電壓和電流波形，其中A路為電壓波形，B路為電流波形。圖4為輸出功率達(dá)到200W時主開關(guān)管S1的電壓和電流波形，圖5為輸出功率達(dá)到100W時主開關(guān)管S1的電壓和電流波形，圖6為空載時主開關(guān)管S1的電壓和電流波形。從圖中可以看出該高壓電源可以工作在不同負(fù)載條件下，并能保證開關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)。圖4高壓輸出200W主開關(guān)管電壓、電流波形5結(jié)束語本文介紹了一種小型化行波管高壓電源，該高壓電源采用電流饋電型主動箝位推挽隔離DC-DC變換器結(jié)構(gòu)，并對其工作模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過實驗表明：該拓?fù)溆泻芎玫腪VS特性，在不同負(fù)載條件下，得到了功率管的實測電壓和電流波形。最后進(jìn)行了滿功率測試，該高壓電源輸入電壓30V，輸入電流7A，輸出功率為196W,效率為94%，陰極輸出電壓為-7508V，收集級1輸出電壓為-3215V，收集級2輸出電壓為-4302V，收集級1和收集級2空滿載電壓變化率小于5%。。試驗證明該高壓電源效率高、體積小、重量輕、負(fù)載調(diào)整率好。該高壓電源在航空航天、彈載和星載等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。圖5高壓輸出100W主開關(guān)管電壓、電流波形圖6高壓輸出空載主開關(guān)管電壓、電流波形參考文獻(xiàn)[1]沙文祥，李剛，張宗濂.機載行波管發(fā)射機電源系統(tǒng)[J].電子工程師，2006,7(32):32-35.[2]Tala-tghilB,Nyobe-YomeJM,GlaizeC.High-voltagevariable-frequencydouble-resonantdc-dcconvertersutilizingthetransformerparasiticelements[A].ProceedingofTheEuropeanSpacePowerConference[C].Austria,1993:245-250.[3]IvoBarbi,RogerGules.IsolatedDC-DCconverterswithhigh-outputvoltageforTWTAtelecommunicationvoltageforTWTAte