16 kW固態(tài)-前向波發(fā)射機(jī)高壓電源

范 鵬，劉星輝，鐘國(guó)儉

(華東電子工程研究所， 合肥230088)

0 引言

近二十年來，國(guó)內(nèi)雷達(dá)領(lǐng)域固態(tài)發(fā)射機(jī)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展［1］。雷達(dá)的發(fā)射機(jī)具備較高的可靠性、故障軟化等功能，但價(jià)格高，重量大，使其在機(jī)載領(lǐng)域應(yīng)用受到了限制;而真空管以其體積、重量、價(jià)格優(yōu)勢(shì)仍然在高頻段機(jī)載領(lǐng)域占據(jù)較大的優(yōu)勢(shì)［2］，可見真空管和固態(tài)管各自都有優(yōu)勢(shì)，且具備優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)特點(diǎn)，若將兩者優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，必將大有前途。

固態(tài)-前向波發(fā)射機(jī)正是兩者結(jié)合的產(chǎn)物，前向波管是電真空管，具有頻帶寬、效率高、體積小、重量輕、相位穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，它的前級(jí)驅(qū)動(dòng)是固態(tài)功率放大器，這樣組合的固態(tài)-前向波發(fā)射機(jī)能夠瞬時(shí)開機(jī)，具有低成本，高效率，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

本文將闡述用于S波段固態(tài)-前向波管的16 kW高壓電源的設(shè)計(jì)方法。

1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成

圖1為發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成的方框圖，其前向波管的輸出峰值功率為100 kW，平均輸出功率為6 kW，效率為45%，調(diào)制方式采用直流工作方式，負(fù)直流高壓電源直接加在管子的陰極上，電壓為-21 kV。前向波管要求高壓電源的功率為13.3 kW，考慮到應(yīng)有的功率余量，設(shè)計(jì)電源的輸出電壓為22 kV，輸出功率為16 kW。

圖1 發(fā)射機(jī)方框圖

2 高壓電源

2.1 電源拓?fù)溥x擇［3-4］

因前向波管的輸出功率跟陰極電流成線性關(guān)系，故控制前向波的陰極電流大小，就能夠控制前向波管的輸出功率。選擇采用2DCM串聯(lián)諧振變換器拓?fù)湫问?，是由于不連續(xù)串聯(lián)諧振變換器的輸出電流具有恒流特性，并具備以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)串聯(lián)諧振變換器具有較強(qiáng)的抗短路和耐打火特性，很適用于高壓電源;(2)串聯(lián)諧振電路具有零電流軟開關(guān)特性，開關(guān)損耗小，電源效率高。

2.2 電源構(gòu)成

考慮到16 kW功率較大，將其分成2個(gè)8 kW電源分機(jī)，通過并聯(lián)合成來實(shí)現(xiàn)，不僅可以使電源分機(jī)減小，便于拆裝，而且在一路電源出現(xiàn)故障時(shí)，另一路電源能繼續(xù)工作，發(fā)射機(jī)的可靠性可以得到提高。

16 kW高壓電源由2個(gè)直整分機(jī)、2個(gè)變整分機(jī)和一個(gè)控保電路板構(gòu)成。2個(gè)直整分機(jī)并排放置在上層，2個(gè)變整分機(jī)并排放置在下層，2個(gè)電源共用一個(gè)控保電路板，電源照片如圖2所示。電源原理圖，如圖3所示。

圖2 16 kW高壓電源照片

圖3 16 kW高壓電源原理圖

電源主開關(guān)管采用IGBT管GA200TD120K;IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用IGD515EI。根據(jù)文獻(xiàn)［5］，計(jì)算出電源的諧振參數(shù)，諧振電容采用高頻電容C48A-1 μF，諧振電感為20 μH自制電感，硅堆采用FDQL325高壓整流橋。

2.3 變壓器設(shè)計(jì)［6］

由于鐵氧體具有導(dǎo)磁率高、低損耗、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，故采用鐵氧體鐵心，考慮到高壓絕緣和繞制方便等因素，決定采用C型鐵心，變壓器鐵心選擇如下。

變壓器的視在功率

式中:η為效率;K0為窗口系數(shù);Kj為允許溫升25°;Bw為磁感應(yīng)強(qiáng)度;fs為工作頻率。

考慮到給予3倍的余量，選擇鐵氧體鐵芯為DT-150，其 AP=574 cm2，截面積 Ae=16.4 mm2，尺寸是150 mm×130 mm×40 mm，初級(jí)匝數(shù)

為了減小漏感和繞組的集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)，初級(jí)導(dǎo)線采用多股絲包線和初級(jí)并聯(lián)、次級(jí)串聯(lián)的方式，由于鐵氧體的溫度穩(wěn)定性較差，故變壓器散熱就很重要。因此，將鐵心和高壓整流硅堆放在油箱里，這樣既解決了變壓器和硅堆的散熱問題，又解決了高壓絕緣問題。

2.4 電源儲(chǔ)能電容的設(shè)計(jì)［6］

高壓電源的儲(chǔ)能電容的選擇主要是根據(jù)射頻脈沖的頂降要求來決定，前向波管陰極脈沖電流

式中:Pout為前向波管的輸出峰值功率，Pout=100 kW;η=0.45為前向波管的效率;τ=60 μs，為前向波管的最大工作脈寬;ΔU=2% ×Uo為假設(shè)電容電壓有的2%的頂降。

2.5 電流閉環(huán)設(shè)計(jì)

由于前向波管的動(dòng)態(tài)阻抗很低，陰極電壓變化1%，就會(huì)導(dǎo)致陰極電流變化5% ～10%，而電流跟管子的輸出功率又是線性關(guān)系，因此高壓電源實(shí)行穩(wěn)流方式要好于穩(wěn)壓方式。通過電流互感器對(duì)前向波管的陰極電流進(jìn)行取樣，取樣后的電平跟基準(zhǔn)電平進(jìn)行負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)，從而提高了發(fā)射機(jī)的功率穩(wěn)定度，減小了頻帶內(nèi)功率起伏。

2.6 電源開關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)

由于16 kW電源的功率很大，開關(guān)機(jī)將產(chǎn)生很大的電流電壓應(yīng)力，不僅會(huì)損壞開關(guān)器件，而且會(huì)帶來很大的電磁干擾，影響電源自身及與發(fā)射機(jī)有著共同交流輸入電壓的其他用電設(shè)備的正常工作，因此，電源采用了2級(jí)軟起動(dòng)開機(jī)方式。

頻率軟啟動(dòng)是電源開機(jī)瞬間將電源的工作頻率下拉到最低值，隨著軟啟動(dòng)電容電壓的逐漸升高，電源的工作頻率也逐漸提高，直到電流閉環(huán)電路自動(dòng)起作用為止;采用的第二種軟啟動(dòng)為電阻限流軟啟動(dòng)，電源原理圖，如圖3所示。電阻R1和繼電器K1并聯(lián)，剛開機(jī)時(shí)，電容充電電流通過電阻限流，輸出電壓因電阻有壓降而降低，當(dāng)繼電器動(dòng)作后電阻被短路，輸出電壓很快上升到額定值。

2.7 實(shí)驗(yàn)波形圖及效率統(tǒng)計(jì)表

本文所采用的不連續(xù)串聯(lián)諧振技術(shù)屬于零電流開啟，零電流關(guān)斷，所以電源的開關(guān)損耗較小，效率很高。圖4為該電源的諧振工作電流波形。

圖4 諧波電流波形

表1是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的逆變電路效率統(tǒng)計(jì)表，這里統(tǒng)計(jì)的效率為輸出功率和直流輸入功率的比值，即逆變電路效率，達(dá)到了90%以上，在包括交流輸入整流后電源效率降低到88%。

表1 逆變電路效率

3 結(jié)束語

本文著重介紹了高壓變壓器的設(shè)計(jì)方法，變壓器作為電源的關(guān)鍵器件，效率達(dá)到88%，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，目前電源仍穩(wěn)定可靠地工作。證明串聯(lián)諧振變換器是一種較好的高壓電源拓?fù)潆娐?，尤其適合用作前向波管等電真空管的高壓電源，具有較高的實(shí)用性和借鑒價(jià)值。

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