新型靶標(biāo)發(fā)射機(jī)陰極高壓電源的設(shè)計(jì)

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 汪 平

新型靶標(biāo)發(fā)射機(jī)陰極高壓電源的設(shè)計(jì)

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 汪 平

介紹了一種適用于新型靶標(biāo)發(fā)射機(jī)行波管陰極高壓充電電源設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)采用移相全橋零電壓脈寬調(diào)制變換技術(shù)，此變換器結(jié)合PWM技術(shù)與諧振技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身，充分利用線路雜散電感和器件寄生電容，既實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓開關(guān)又實(shí)現(xiàn)恒頻控制，有利于磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章最后給出了高壓電源的實(shí)際工作波形。

高壓電源；移相；諧振；零電壓

1.引言

陰極高壓電源是行波管發(fā)射機(jī)中必不可少的單元，為行波管發(fā)射機(jī)提供主要的脈沖能量。由于輸出電壓高，充電電流大，該類高壓充電電源通常采用脈沖頻率調(diào)節(jié)的串聯(lián)諧振變換技術(shù)（SRC），SRC電路具有近似恒流工作的特性，抗負(fù)載短路能力強(qiáng)，但是存在峰值電流大，負(fù)載變化時工作頻率也隨之大范圍變化的缺點(diǎn)，導(dǎo)致對高壓整流硅堆要求高，變壓器設(shè)計(jì)困難，空載輸出特性差。本文設(shè)計(jì)了一種采用移相控制串聯(lián)諧振變換技術(shù)的高壓充電電源，既保留了原有SRC電路的優(yōu)點(diǎn)，同時采用恒頻控制彌補(bǔ)了變頻工作的不足[2]。該高壓電源輸入電壓為AC220V，輸出電壓-20kV，輸出平均電流50mA，峰值電流10A。

2.主要技術(shù)問題

與通常的低壓開關(guān)電源相比較，高壓充電電源有以下三個特點(diǎn)：

（1）無輸出電感：一般輸出電感的選擇應(yīng)保證在規(guī)定的最小負(fù)載下其電流也連續(xù)，在幾千伏高壓以上輸出情況下，輸出電感的體積和價格都是很難接受的，并且在工作中電感兩端會承受與輸出電壓相等的電壓，容易導(dǎo)致電暈和飛弧，所以在較高的電壓應(yīng)用中通常不考慮輸出電感[1]。

（2）變壓器副邊存在較大的分布電容：變壓器變比高、副邊匝數(shù)多，繞組之間存在較大的分布電容，極大的影響開關(guān)電源的工作穩(wěn)定性。需要盡量減小變壓器分布電容。

（3）負(fù)載變化范圍寬：在脈沖源等設(shè)備的應(yīng)用中，由于工作狀態(tài)多，峰值電流大，要求高壓充電電源有很寬的負(fù)載變化范圍，需要要選擇適用寬范圍運(yùn)行的電路形式[4]。

3.電源工作原理及分析

為解決上述主要技術(shù)問題，陰極高壓電源采用移相全橋脈寬調(diào)制技術(shù)來適應(yīng)寬的負(fù)載變化范圍，解決了動態(tài)負(fù)載時工作頻率變化大的問題。對高壓變壓器次級采用多分段繞制的方法，盡量減小分布電容。高壓電源主變換器的工作原理如下。

如圖1所示，VS為輸入直流電壓。Tri(i=1,2,3,4)為功率MOS管，其體二極管為Di(i=1,2,3,4)，Ci(i=1,2,3,4)為功率管寄生電容或寄生電容與外部諧振電容并聯(lián)等效值，Lr是變壓器漏感或漏感與外加諧振電感串聯(lián)等效值。變壓器副邊電壓Vs＇經(jīng)過橋式整流和濾波器給負(fù)載供電。圖2-2給出變壓器原邊電壓VAB、副邊電壓Vs＇和原邊電流i的波形圖，Ip為原邊電流峰值。

圖1 移相變換器原理圖

一周期內(nèi)可以分成六個運(yùn)行模式，如表1所示。

表1 FB-ZVS-PWM變換器一周運(yùn)行模式

其原理是利用變壓器漏感Lr和電容Ci諧振，漏感儲能向Ci釋放過程中，使Ci電壓逐步下降到零，體二極管Di開通，創(chuàng)造了Tri的ZVS條件。為了改變占空比D以便實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，采用了移相技術(shù)。左右兩橋臂的開關(guān)管分別為Tr1、Tr3和Tr4、Tr2，在兩者的驅(qū)動信號脈沖之間保持一定的相位差，只要改變這個相位差(即移動一組驅(qū)動脈沖的相位)，就可使占空比改變，也就改變輸出電壓大小[5]。由此變換器構(gòu)成的陰極高壓電源組成框圖見圖2。

圖2 高壓電源組成框圖

4.參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 前端整流設(shè)計(jì)

前端整流采用L A M B D A公司的P F C模塊，模塊型號為PF1000A-360，性能指標(biāo)見表2，該模塊具有以下特點(diǎn): 可實(shí)現(xiàn)功率因素和諧波校正，帶有過壓保護(hù)、過熱保護(hù)和輸入浪涌保護(hù)等保護(hù)電路，模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路集合在一起，使用起來非常方便。

表2 PF 1000A-360性能指

模塊輸出端需要連接濾波電容，設(shè)定輸出電壓紋波峰峰值不大于15V，則電容容量依據(jù)下式來計(jì)算，f為整流電路的工作頻率，整流電路的輸入為單相電時，f=2×50Hz=100Hz。

4.2 控制電路設(shè)計(jì)

移相控制脈沖發(fā)生回路主要由UC2879構(gòu)成，工作時產(chǎn)生4組控制信號，UC2879最高工作頻率可以達(dá)到300kHz,輸出延遲時間編程可控，諧振開關(guān)過程在輸出級插入的死區(qū)時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用電壓工作模式，工作頻率為100kHz。振蕩器的工作頻率由外接定時電阻RT和定時電容CT共同決定,由于定時電容的選取比定時電阻的選取要困難一些，因此預(yù)先選取CT=680pF,

在電壓型逆變器中，因?yàn)檩斎氲臑殡妷涸?，為防止電源中上下橋臂開關(guān)管出現(xiàn)直通現(xiàn)象，必須遵循先關(guān)斷后開通的原則，即預(yù)留適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間。對于UC2879，死區(qū)時間由下式給出[3]。

4.3 變換器參數(shù)設(shè)計(jì)

如圖1所示，開關(guān)管Vs1和Vs4、Vs2和Vs3分別受兩組互補(bǔ)的驅(qū)動信號控制。 Lr為諧振電感，利用電感和功率MOSFET輸出電容的諧振，可使四個開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(guān)。Cr為隔直電容，其作用是避免因電路特性不對稱產(chǎn)生直流偏磁而導(dǎo)致的變壓器飽和。

(1)諧振電感參數(shù)計(jì)算：

高壓電源的輸出為多級繞組不利于設(shè)計(jì)計(jì)算，高壓電源的輸出電流按功率輸出取平均輸出電流為60mA。考慮到空載狀態(tài)下因存在取樣電阻和高壓電容漏電流的存在，空載電流設(shè)為0.06mA。

計(jì)算槽路和負(fù)載之間的變壓器的變換比M：

如果VON(max)近似為0.9的話，那么：

考慮到無功功率和保證輸出的調(diào)整，選擇Iav(max)=1.5。阻抗ZO計(jì)算如下：

開關(guān)頻率如為100kHz，按歸一化頻率0.8，則諧振頻率為125kHz，諧振脈寬3.5μS。

電容Cr可選擇聚丙烯薄膜電容，工程上電容容值可按下式計(jì)算：，這里選擇三個0.47μF電容并聯(lián)使用。

(2)功率開關(guān)管的選擇：

全橋電路開關(guān)管所承受的電壓就為輸入電壓，取2倍冗余，故額定電壓為720V?？紤]到最惡劣情況：線電壓最低負(fù)載最大，有效占空比最大值Deff=0.7，可得功率管最大通態(tài)電流峰值為10A，一般取開關(guān)管的電流定額為電流峰值的兩倍，綜合考慮后，功率開關(guān)管選擇APT公司的APT48M80L。

(3)高壓變壓器參數(shù)

高壓輸出陰極電壓為-22kV，原邊直流電壓值為360V，選擇逆變器的原邊增益為0.85，那么變壓器原邊的高頻交流峰值為0.85×360＝306V。輸出采用6個繞組橋式整流串聯(lián)方式，各繞組匝數(shù)相同，單一繞組電壓為3667V,因此匝比n1為：

4.4 高壓整流電路設(shè)計(jì)

5 性能測試結(jié)果

圖3給出了電源開啟時輸出高壓由0～-20KV建立過程的波形，由圖可見，電壓在建立過程中呈線性平穩(wěn)上升，全過程無電壓尖峰，最終輸出電壓即是最高電壓，有利于行波管的正常工作。圖4為移相變換器滿載時的初級電流波形，可以看出與原理分析時的電流波形較為吻合，變換器工作時無開關(guān)噪聲以及電流尖峰，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)工作。由實(shí)現(xiàn)結(jié)果可見，該電源很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，效率高，工作穩(wěn)定可靠。

圖3 開啟時電壓建立波形

圖4 變換器初級電流波形

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)成功的將全橋移相變換技術(shù)應(yīng)用在高壓電源中，實(shí)現(xiàn)了恒頻軟開關(guān)，簡化了高壓變壓器的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品已應(yīng)用于新型靶標(biāo)行波管發(fā)射機(jī)，較好的適應(yīng)了行波管發(fā)射機(jī)脈沖工作以及負(fù)載寬范圍的變化的特點(diǎn)，工作穩(wěn)定可靠。

[1]黃崢嶸.幾種高壓開關(guān)電源軟開關(guān)電路的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2008,3.

[2]汪軍.脈沖行波管雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓電源設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù),2008,2.

[3]倪海東,蔣玉萍.高頻開關(guān)電源集成控制器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4]Sanjaya Manikala.Switching Power Supplies A to Z[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[5]劉勝利.高頻開關(guān)電源實(shí)用新技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)版社,2005.

Design of a Kathode High Voltage Power for Novel Target Transmitter

WANG Ping
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088，China)

A design of kathode high volagte power supply for novel target transmitter is presented in this paper. A new the full-bridge phase-shifted PWM ZVS(zero-voltage-swicth ) converter is applied in This design. This converter operte at PWM while retaining desired features of resonant converters. This converter successfully utilized distribution inductance of circuit and parasitize capacitances of devices as elements in resonant tank ,and these devices can achieved ZVS under constant-frequency control mode. With this operation ,the magnetic elements can be optimized in the converter.Finally, the operation waveforms of the High-Voltage-Power are given.

high voltage power；phase shifting；resonant；zero voltage

汪平（1980—），男，江西樟樹人，大學(xué)本科，中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所工程師，主要研究方向?yàn)楣β孰娮蛹夹g(shù)及雷達(dá)配電系統(tǒng)。