一種基于全橋LCL諧振變換器的行波管高壓電源研究

張國(guó)兵 柳拓鵬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230000）

0 引言

高壓電源是行波管發(fā)射機(jī)的核心部件，高壓電源供給行波管的陰極和收集極所需要的直流高壓，它的穩(wěn)定性和紋波水平對(duì)發(fā)射機(jī)輸出射頻信號(hào)的頻譜有重要的影響，并對(duì)發(fā)射機(jī)的體積、重量、絕緣有著至關(guān)重要的作用［1］。高壓電源的性能直接決定了發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性及性能指標(biāo)［2］。

諧振型變換器使用變壓器的分布參數(shù)參與電路諧振過程，能減小電路分布參數(shù)的影響。其中零電壓諧振變換器因具有小的開關(guān)損耗、小的開關(guān)應(yīng)力和開關(guān)噪聲，應(yīng)用在高頻變換電路中可以明顯減小變換器的體積與重量［3］。同時(shí)諧振變換器在開關(guān)管關(guān)斷期間，回路的電壓諧振可以形成反向電壓，在變壓器次級(jí)產(chǎn)生負(fù)極性電壓，使倍壓電路工作，同時(shí)可以使鐵芯復(fù)磁。因此，其以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、抗不平衡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高壓電源中。

1 全橋LCL諧振變換器工作原理

LCL諧振移相全橋PWM ZVS變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其電路結(jié)構(gòu)與普通雙極性PWM 變換器類似，S11和S21組成超前橋臂，S12和S22組成滯后橋臂。Lr是諧振電感，Cr為諧振電容。變壓器原邊增加了并聯(lián)電感Ls，這是LCL諧振變換器與普通雙極性全橋變換器的主要區(qū)別。S11和S21分別超前S12和S22一個(gè)相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小，調(diào)節(jié)輸出電壓。V1～V4是整流二極管，C1為濾波電容。

變換器的主要工作波形如圖1所示。變換器一個(gè)周期內(nèi)分為8個(gè)工作過程［4］。S11、S21、S12、S22工作于同一頻率下，通過控制超前臂與滯后臂的移相角來控制輸出電壓。為了便于分析，做以下假設(shè)：所有開關(guān)、二極管、電容、電感、變壓器均為理想元件，Vs為理想電壓源，T1為理想變壓器，初次級(jí)變比為1，輸出電壓為Vo且保持不變，折算到變壓器初級(jí)的電壓為Vo′。

1.1 模式Ⅰ：功率傳輸過程t1—t2

S11、S22同時(shí)導(dǎo)通，Lr電流正弦規(guī)律上升，其周期為Tr＝次級(jí)整流管V5、V8導(dǎo)通，輸入功率傳輸至負(fù)載，并為諧振網(wǎng)絡(luò)Lr、Cr注入能量，電感Lp鉗位到Vo′，iLp線性上升，到t2時(shí)刻，S22零電壓關(guān)斷，進(jìn)入模式Ⅱ工作。

1.2 模式Ⅱ：Lr、Cr諧振放電t2—t3

S22關(guān)斷后，S22支路電流轉(zhuǎn)入S12V 支路流動(dòng)，S12 零電壓開啟，Lr、Cr開始諧振放電，電流iLr開始減小，Lp繼續(xù)鉗位到Vo′，其電流繼續(xù)線性上升，Lr、Cr諧振回路電流小于iLp后，電感電壓VLp反向，次級(jí)整流二極管全部關(guān)斷，轉(zhuǎn)入模式Ⅲ工作。

圖1 LCL變換器拓?fù)鋱D及工作波形

1.3 模式Ⅲ：Lr、Cr、Lp自由諧振t3—t4

在此模式中，iLr＝iLp，均按正弦規(guī)律變化，諧振周期T0＝直到t4時(shí)刻S11 零電壓關(guān)斷，轉(zhuǎn)入模式Ⅳ工作。

1.4 模式Ⅳ：能量回饋至電源t5—t6

在VCr、VLp、VLr作用下，諧振網(wǎng)絡(luò)部分能量回送到電源，直到t6時(shí)刻S21零電壓開啟，完成正、負(fù)半周的換相，轉(zhuǎn)入模式Ⅴ工作。

1.5 模式Ⅴ：能量傳輸過程t6—t7

諧振網(wǎng)絡(luò)完成放電后，電流換向，次級(jí)整流二極管V2、V3開啟，電源輸入能量傳輸?shù)截?fù)載，同時(shí)為諧振網(wǎng)絡(luò)Lr、Cr注入能量，電感Lp電壓鉗位到Vo′，其電流反向線性增大，直到t8時(shí)刻S12關(guān)斷，轉(zhuǎn)入模式Ⅵ工作。

1.6 模式Ⅵ：Lr、Cr諧振放電t7—t8

電流轉(zhuǎn)入S21、S21流動(dòng)，部分能量輸出到負(fù)載，電流諧振減小，當(dāng)諧振電流小于電感電流iLp時(shí)，電感電壓換向，轉(zhuǎn)入模式Ⅶ工作。

1.7 模式Ⅶ：Lr、Cr、Lp諧振過程t8—t9

在此模式中，iLr＝iLp，Lr、Cr、Lp電流自由諧振，諧振周期直到S11 零電流開啟，轉(zhuǎn)入模式Ⅷ工作。

1.8 模式Ⅷ：t9—t10

在VLp、VCr作用下，諧振網(wǎng)絡(luò)多余能量回送到電源，直到iLr減小到0后，電流換向，轉(zhuǎn)入模式Ⅰ工作。

2 高壓電源電路設(shè)計(jì)

高壓電源的收集極等效電阻根據(jù)要求計(jì)算為14.3kΩ，陰極等效電阻為3 MΩ。

諧振參數(shù)根據(jù)計(jì)算可以知道，Lr＝2.683 μH、Cr＝0.94μF，在工程實(shí)際中可以取Lr＝2.5μH、Cr＝0.94μF，Lp取兩倍的Lr，即Lp＝2Lr＝5μH。

3 高壓電源PSpice仿真分析

根據(jù)以上參數(shù)，使用PSpice仿真軟件對(duì)該高壓電源進(jìn)行了分析，其PSpice仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 高壓電源PSpice仿真模型

圖3 高壓電源輸出波形及工作波形

由圖3可以看出，收集極高壓和陰極高壓輸出滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，變壓器初級(jí)電壓波形、諧振回路電流波形與理論分析的結(jié)果一致。根據(jù)仿真結(jié)果可知，該高壓電源完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種LCL 諧振移相全橋PWM ZVS 變換器，控制方式采用恒頻移相控制模式。對(duì)電路的穩(wěn)態(tài)工作過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，并使用PSpice軟件對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)需求的高壓電源進(jìn)行了仿真分析，仿真分析結(jié)果表明這種變換器滿足行波管高壓電源的特殊要求。

基于LCL諧振移相全橋PWM ZVS變換器設(shè)計(jì)的高壓電源已經(jīng)應(yīng)用于某行波管發(fā)射機(jī)中，在實(shí)際工作中軟開關(guān)效果良好。

［1］韓博，朱永亮，陳漢興.毫米波小型化行波管發(fā)射機(jī)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30（11）：83－85.

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

［3］葉慧貞，楊興洲.新穎開關(guān)穩(wěn)壓電源［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999：201－232.

［4］陳申，呂征宇，姚瑋.LLC 諧振型軟開關(guān)直流變壓器的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（10）：163－169.