空投型雷達(dá)發(fā)射機(jī)陰極高壓電源設(shè)計(jì)

魏 欣，江 志，白 穎，李建華

(西安電子工程研究所專業(yè)4部，陜西西安 710100)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)陸軍全地域和高機(jī)動(dòng)性的作戰(zhàn)能力提出了較高的要求，在精確空投技術(shù)和大負(fù)荷空投技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上[1]，為實(shí)現(xiàn)陸軍裝備快速部署，急需研制空投型炮位偵校雷達(dá)。在空投環(huán)境中載荷體積重量有限，而且還帶來(lái)強(qiáng)沖擊和低氣壓環(huán)境等不利因素，對(duì)于某空投型雷達(dá)的關(guān)鍵部件發(fā)射機(jī)而言，在其小型化和可靠性方面提出了嚴(yán)格的考驗(yàn)。為提高空投雷達(dá)發(fā)射機(jī)的工作效率，選用了進(jìn)口多降壓收集極柵控行波管作為射頻放大機(jī)，其工作電源有燈絲電源、正偏壓電源、負(fù)偏壓電源、陰極高壓電源以及兩個(gè)收集極高壓電源等。研制的多降壓收集極柵控行波管發(fā)射機(jī)框圖，如圖1所示。

圖1 多降壓收集極柵控行波管發(fā)射機(jī)框圖

雖然增多收集極數(shù)目可以提高行波管的工作效率，但這對(duì)高壓電源的控制卻帶來(lái)一定困難[2]。其中，陰極高壓電源的電壓高，其穩(wěn)定度和紋波直接影響發(fā)射機(jī)射頻輸出的頻譜純度，在發(fā)射機(jī)電源中對(duì)發(fā)射頻譜影響最大;收集極高壓電源功率較大，其精度和穩(wěn)定度指標(biāo)要求相對(duì)寬松，而且為了精確調(diào)整多降壓收集極行波管發(fā)射機(jī)的工作點(diǎn)，還需要單獨(dú)調(diào)試收集極電壓。因此，拋開(kāi)以前單降壓收集極行波管所常用的單個(gè)高壓電源輸出陰極和收集極多路高壓的形式，發(fā)射機(jī)高壓電源采用了新的設(shè)計(jì)方案，分別研制獨(dú)立的陰極高壓電源，以及獨(dú)立的收集極高壓電源，并且陰極高壓電源采用了新的串級(jí)式倍壓方式輸出高壓。實(shí)踐證明，這種方法行之有效，使行波管工作點(diǎn)的調(diào)試更加精確和便捷，同時(shí)提高了發(fā)射機(jī)的整機(jī)效率和可靠性。

1 整體方案

1.1 性能指標(biāo)

輸出電壓15 kV，輸出電流＞10 mA，工作效率＞90%，滿足低氣壓環(huán)境下高壓絕緣要求，海拔4 000 m下大氣壓為61.5 kPa，容差±1 kPa。此外，要求耐沖擊指標(biāo)為X、Y、Z 3個(gè)方向、峰值加速度30 g、持續(xù)時(shí)間25 ms;陰極高壓電源重量要求＜10 kg，且具有較高的抗振和散熱性能。

1.2 系統(tǒng)方案

陰極高壓電源采用高頻開(kāi)關(guān)電源形式，以驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)、效率較高的全橋諧振逆變器作為主電路形式[3]。陰極高壓電源原理如圖2所示，它采用二次升壓技術(shù)，即通過(guò)高頻隔離變壓器的一次升壓和串級(jí)倍壓電路的二次升壓得到陰極高壓輸出。這樣，一方面可以降低對(duì)高頻隔離變壓器和高壓電路元件的耐壓要求，減少高頻隔離變壓器的次級(jí)匝數(shù)，降低變壓器的設(shè)計(jì)難度[4];另一方面高壓電路元件可以直接選用成熟的貨架產(chǎn)品，不必專門定制，提高系統(tǒng)可靠性并縮短研制周期。

圖2 陰極高壓電源原理圖

1.2.1 全橋控制保護(hù)電路

使用SG1525加驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器作為全橋PWM控制電路，對(duì)陰極高壓輸出采用高壓電阻分壓器取樣，對(duì)高頻隔離變壓器的初級(jí)電流取樣，并把取樣信號(hào)送往SG1525進(jìn)行反饋閉環(huán)控制。同時(shí)，還設(shè)置了有效的陰極電流檢測(cè)和過(guò)流故障保護(hù)電路，確保行波管安全工作。在所有開(kāi)關(guān)電源逆變拓?fù)渲?，全橋逆變電路功率輸出大，且逆變電壓高，可減少高頻變壓器的初級(jí)匝數(shù)。

1.2.2 減小陰極高壓電源高頻紋波

雷達(dá)發(fā)射機(jī)頻譜的寄生調(diào)制邊帶，會(huì)造成檢測(cè)電路中出現(xiàn)虛假目標(biāo)，降低雷達(dá)系統(tǒng)在雜波背景下的可見(jiàn)度。行波管各極電源相位調(diào)制靈敏度中，陰極電源的相位調(diào)制靈敏度最大。也就是說(shuō)，陰極電源紋波對(duì)行波管放大器頻譜純度的影響最大[5]。因此，濾除陰極高壓電源的高頻紋波是關(guān)鍵。這可以通過(guò)兩個(gè)有效方法實(shí)現(xiàn):一是增大儲(chǔ)能濾波電容;二是提高逆變頻率。為消除紋波，經(jīng)常使用大容量的電容器進(jìn)行濾波，但必須權(quán)衡電容器的容量上限，以確保放電能量低于行波管的最大承受能量值。

另外，從發(fā)射機(jī)測(cè)試的頻譜來(lái)看，寄生輸出處正是高壓電源的逆變頻率。由于行波管電源紋波的頻率取決逆變頻率，逆變頻率采用100 kHz，其相位噪聲峰將相隔200 kHz，離開(kāi)載頻距離很遠(yuǎn)，對(duì)整體來(lái)說(shuō)相位噪聲則小得多。因此，在器件性能和工作條件許可的條件下，提升陰極高壓電源的逆變頻率，可以改善發(fā)射機(jī)頻譜純度，且利于陰極高壓電源的小型化和逆變效率提高。

1.2.3 全橋逆變器的軟開(kāi)關(guān)諧振

高壓開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，大幅提高開(kāi)關(guān)頻率，就可以提高變換效率。在原20 kHz左右硬開(kāi)關(guān)工作方式時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗較小，在開(kāi)關(guān)頻率提高后，已變得十分嚴(yán)重。將傳統(tǒng)的PWM技術(shù)與諧振技術(shù)相互結(jié)合，采用軟開(kāi)關(guān)諧振變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了零電壓狀態(tài)的開(kāi)關(guān)變換，有效解決了高頻條件下的開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題，極大地減小陰極高壓電源的體積、減輕重量，并減少對(duì)散熱系統(tǒng)的技術(shù)壓力[6]，為發(fā)射機(jī)的小型化提供必要的基礎(chǔ)。文中采用變壓器的漏感和MOSFET的結(jié)電容以及諧振電感構(gòu)成諧振電路。

1.2.4 串級(jí)式輸出高壓

以往高壓電源的高壓隔離變壓器通常只有一個(gè)次級(jí)，隨著輸出電壓增高，次級(jí)繞組電壓變得更高，同時(shí)高耐壓的高壓電路元件稀少且昂貴，這些都增大了設(shè)計(jì)難度。而陰極高壓電源采用新的串級(jí)式倍壓輸出形式，即采用一個(gè)高壓變壓器輸出多個(gè)串聯(lián)的次級(jí)繞組，每個(gè)次級(jí)繞組可以選用較大功率的整流電路，然后將它們的輸出端串接在一起，相當(dāng)于將多個(gè)高壓電源串接在一起，這樣每一路都可選用耐壓要求低的元器件，容易在貨架產(chǎn)品中選型。此外，高壓變壓器次級(jí)為多個(gè)串聯(lián)繞組，每個(gè)繞組耐壓要求低，也簡(jiǎn)化了高壓絕緣要求。這為解決大功率高輸出和對(duì)發(fā)射機(jī)占空比適應(yīng)性寬提供了很好的解決途徑。串級(jí)式輸出陰極高壓電源的效率高、功率密度大，對(duì)發(fā)射機(jī)占空比適應(yīng)性寬，研制周期短，有利于提高發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)性能。

2 陰極高壓電源的工程實(shí)現(xiàn)

2.1 主電路關(guān)鍵元件的選定

(1)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的選定。陰極高壓電源逆變頻率較高，因此全橋電路中功率開(kāi)關(guān)器件選擇MOSFET。根據(jù)峰值功率估算諧振回路中的峰值電流和平均電流并考慮到足夠的余量，選用IR公司峰值電流500 V/20 A的IRF460，就能夠滿足陰極高壓電源功率轉(zhuǎn)換電路可靠工作的需要。

(2)諧振電感。根據(jù)對(duì)全橋電路的分析，要提高陰極高壓電源的效率，就必須減小開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)MOSFET的軟開(kāi)關(guān)，于是諧振回路的諧振電感量就成為關(guān)鍵因素[7]。要實(shí)現(xiàn)MOSFET軟開(kāi)關(guān)的必要條件是，儲(chǔ)存在諧振電感中能量，必須要大于在最大過(guò)渡時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存在MOSFET輸出電容和變壓器初級(jí)繞組電容中的能量的總和，諧振回路中的能量轉(zhuǎn)換可表示為

功率開(kāi)關(guān)管等效電容是非線性電容，其值可表示為

其中，Cmos為MOSFET的結(jié)電容，已知IR460的結(jié)電容為860 pF，可以求得諧振電感為

實(shí)際取諧振電感240 μH。

(3)高頻隔離變壓器。陰極高壓電源的高頻隔離變壓器，采用相應(yīng)功率容量大且損耗低的高頻非晶矩形磁芯。初級(jí)繞組匝數(shù)

取整數(shù)為11匝，考慮到變壓器的損耗以及在電網(wǎng)電壓最低時(shí)也應(yīng)當(dāng)保證高壓輸出值保持在15 kV，選擇初級(jí)繞組匝數(shù)為16匝。因?yàn)椴捎么?jí)式高壓電路，由5個(gè)二倍壓電路串聯(lián)輸出高壓，所以次級(jí)繞組可以分為5個(gè)相同并互相隔離的次級(jí)小繞組，以其中一個(gè)小繞組匝數(shù)的計(jì)算為例。

次級(jí)繞組電壓為

初次級(jí)繞組匝數(shù)比為

當(dāng)初級(jí)繞組取16匝時(shí)，次級(jí)小繞組為

高頻隔離變壓器的處的工作頻率較高，為減少集膚效應(yīng)產(chǎn)生的鐵損，減低鐵芯溫升，因此選用0.2 mm的銅箔制作初級(jí)繞組，共15匝;次級(jí)繞組選用0.2 mm的漆包線繞制5個(gè)相同并互相隔離的小繞組，每個(gè)105匝。

(4)高壓整流二極管。高壓整流二極管是倍壓電路的重要元件，選定原則有3個(gè):高壓輸出平均電流、耐壓余量、反向恢復(fù)時(shí)間。因?yàn)殛帢O高壓電源采用串級(jí)倍壓電路輸出15 kV高壓，使用了5組二倍壓整流電路串聯(lián)，每組倍壓電路只承受3 kV電壓，所以大大降低了對(duì)高壓整流二極管的耐壓要求，只要選擇1.5倍以上耐壓即可。高壓整流二極管的耐壓要求降低后，就選擇輸出平均電流大，反向恢復(fù)時(shí)間短的型號(hào)，以降低二極管的導(dǎo)通損耗，選擇5只1 000 V/1 A/75 ns的快恢復(fù)二極管串聯(lián)就能滿足使用要求。

(5)高壓儲(chǔ)能電容。選擇陰極高壓電源的高壓儲(chǔ)能電容器時(shí)，在滿足耐壓值前提下要盡量濾除輸出高頻紋波。設(shè)整機(jī)效率η，輸出峰值功率Pout，脈沖占空比D，則輸出的脈沖電流為

設(shè)當(dāng)最大脈寬為τ時(shí)，儲(chǔ)能電容的頂降不大于2%，則可以求得儲(chǔ)能電容的容量為

實(shí)際取高壓儲(chǔ)能電容為20 kV/0.2 μF。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該空投型雷達(dá)發(fā)射機(jī)直接安裝于雷達(dá)天線的背面，其體積和重量都受到嚴(yán)格限制，并且在空投及落地階段沖擊振動(dòng)強(qiáng)烈。所以陰極高壓電源的小型化和抗振設(shè)計(jì)就成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所關(guān)注的重點(diǎn)，以下是陰極高壓電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

(1)高低壓分別在兩側(cè)布局。陰極高壓電源的內(nèi)部釬焊有鋁合金隔板，將高低壓電路分開(kāi)在兩邊布局，充分利用空間互不干擾，如圖3所示。在隔板上安裝有穿墻插座，實(shí)現(xiàn)了高低壓電路之間的有效電氣連接。

圖3 陰極高壓電源結(jié)構(gòu)示意圖

(2)真空釬焊鋁合金殼體。陰極高壓電源采用輕巧堅(jiān)固的鋁合金外殼，由真空鋁釬焊工藝完成。釬焊的殼體確保很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其密閉性不僅在高壓灌封時(shí)防止漏膠，還避免了孔縫泄漏電磁干擾的影響。

(3)鋁釬焊散熱器底板。陰極高壓電源的散熱器底板散熱面積大且重量輕，外加鋁保護(hù)薄板不易變形。它接入發(fā)射機(jī)機(jī)箱的散熱風(fēng)墻通道，整機(jī)散熱效果良好。

(4)導(dǎo)熱絕緣膠干式固態(tài)封裝。考慮到高海拔和高沖擊振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性的需要，采用導(dǎo)熱絕緣膠干式固態(tài)封裝方式[8-9]。將高壓側(cè)全部用雙組份導(dǎo)熱硅膠TPS-213-H進(jìn)行真空灌封，并加熱固化與外殼凝結(jié)成一個(gè)整體，有良好的高壓絕緣強(qiáng)度。該膠液態(tài)時(shí)流動(dòng)性強(qiáng)使真空消泡用時(shí)短，固化后能把高壓電路及高壓隔離變壓器的熱量迅速傳導(dǎo)至外殼，同時(shí)固化后的彈性還對(duì)沖擊振動(dòng)有一定緩沖作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種多降壓收集極柵控行波管發(fā)射機(jī)的陰極高壓電源設(shè)計(jì)，如圖4所示。其效率最高達(dá)到94%，重量＜5 kg，輸出電壓紋波以及抗沖擊振動(dòng)性能均能很好地滿足指標(biāo)要求。目前，該陰極高壓電源已經(jīng)成功應(yīng)用在某空投雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，交付總站工作狀態(tài)良好，并順利通過(guò)空投試驗(yàn)。

圖4 陰極高壓電源

陰極高壓電源提高效率和小型化設(shè)計(jì)的成功，為空投雷達(dá)發(fā)射機(jī)的小型化提供了必要條件。在研制過(guò)程中，采用軟開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)減少功率開(kāi)關(guān)管損耗，以串級(jí)倍壓電路輸出高壓，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)可靠性，并對(duì)強(qiáng)沖擊、低氣壓環(huán)境具有很好的適應(yīng)性，這將對(duì)今后發(fā)射機(jī)高壓電源進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。應(yīng)開(kāi)展串級(jí)倍壓輸出多路高壓、進(jìn)一步提升高壓電源效率、以及高壓電源大功率輸出等方面研究，適應(yīng)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)多樣化功能的需求。該陰極高壓電源小型化效果好、功率密度大、對(duì)發(fā)射機(jī)工作比適應(yīng)性寬、研制周期短，有利于提高發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的功率容量、效率和頻譜質(zhì)量。

[1]孟軍，吳磊明，朱峰，等.美軍戰(zhàn)略投送能力建設(shè)的特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)及啟示[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(6):74-78.

[2]鄭新.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[3]張占松.高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源[M].廣州:廣東科技出版社，1992.

[4]江志.低功率高壓電源的模塊化設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2003(12):55-59.

[5]何鵬軍，張冠杰，閆自讓.行波管放大器相位噪聲的分析及其抑制[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2006(3):26-34.

[6]阮新波，嚴(yán)仰光.直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M].北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[7]陳滋健，劉曉寧，段娟，等.強(qiáng)磁場(chǎng)電源軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器的研究[J].電力電子技術(shù)，2008(2):16-18.

[8]白穎.某機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)的高壓絕緣設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2003(12):64-66.

[9]昌建軍，邢海燕，姚義龍.干燥空氣絕緣機(jī)載大功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2010(9):73-76.