一种回扫充电型大功率脉冲电源的设计

邓凤军，洪远刚，路俊勇，刘 东

（1.中国卫星海上测控部，江苏 江阴214431;2.西安高压电器研究院，西安7100772；3.陕西延长中煤榆林能化有限公司，陕西 榆林718500）

引言

在大功率脉冲雷达系统中，速调管是主要的放大器件，它的稳定工作，需要一个大功率的脉冲电源给其提供能量，此脉冲电源通常也称为调制器。其作用是将直流高压转变成脉冲高压，再经脉冲变压器升压，输出高压脉冲加载到速调管阴极。

同时，发射机的功率稳定度、噪声和频谱特性等与调制脉冲的脉冲顶降、前后沿时间、调制脉冲的脉间稳定性和边沿抖动有关。因此，脉冲电源输出调制脉冲的质量直接影响到射频脉冲的质量。这就要求尽可能地提高脉冲电源的输出幅度稳定度。目前，提高脉冲电源输出幅度稳定度，可采用多种校平技术，回扫充电就是其中之一。

其优点具体表现在：

（1）省去笨重的高压变压器，可由电网直接整流，获得高功率直流电源；

（2）闭环时，充电精度可达1‰，并可方便地调节充电电压；

（3）充电、放电分时进行，调制器可承受较大的失配，而不导致开关管“连通”；

（4）可方便地实现延时充电及改变延时时间。

1 回扫充电原理

回扫充电的原理电路见图1，其工作波形见图2。电路中采用电网电压经过直接整流滤波获得的直流电源E作为充电电压源，采用IGBT作为主逆变开关管（V1，V2），VD1和 VD2作为续流二极管（钳位二极管）；TX1是回扫充电变压器。TA是电流互感器，用以检测充电峰值电流。放电电路采用SCR管作为放电开关（V3），VD3作为充电二极管；TX2是高压脉冲变压器，作为阻抗变换器，升高脉冲电压，使人工线（PFN）对负载进行匹配放电，建立负载与调制器之间的匹配关系。图3中，T1为赋能时间；T2为人工线充电时间；T3为充电后保持时间；T4为放电后保持时间；T为脉冲重复周期。

在T1期间，定时器通过控保电路输出赋能脉冲drv1和 drv2，充电开关管 V1，V2导通，直流电源电压UDC经IGBT加到充电变压器TX1初级绕组两端，由于充电变压器TX1工作于线性状态（不饱和），其初级电流i1线性增长。设该绕组励磁电感为L1，则i1=UDC*(t-t0)/L1。在T1期间，电流互感器TA将电流i1的取样值送到控保电路中的比较器。在T1终点，i1达到最大值（I1max），输出赋能结束指令，充电开关管随即关断。由于铁心内磁场不允许突变，变压器次级电流i2由零跃升为I2max，I2max=I1max/n，n是充电变压器次级对初级的升压比。

图1 回扫充电调制器原理框图

在T2期间，充电变压器次级电感L0与调制器中的人工线电容C0构成串联谐振回路，TX1次级电流i2，通过充电二极管给人工线充电，人工线电压up逐渐升高，而电流i2则逐渐减小，充电变压器中储存的能量转化为人工线的储能，直至在T2终点，i2下降为零，而人工线充电电压上升至Upmax，完成了一个充电周期。同时，由于存在漏感，在T1终点，电流i1的下降有个过程，在这段时间里，漏感中的储能通过二极管VD1，VD2返回直流电源。调制器中的充电二极管VD3阻止人工线通过充电变压器次级绕组放电。

在T1期间，电流i1将能量以磁能形式贮入充电变压器，因此也称为赋能电流，这段时间称为赋能时间。储存在充电变压器中的能量为：

在T2期间，人工线储能为W2，设人工线总电容为 C，则

假设充电阶段的效率为η，

图2 回扫充电调制器波形图

由上式可见，为确保人工线充电电压的精度，必须精确控制贮入充电变压器中磁能的数值，即必须精确控制电流I1max的大小，也就是必须精确控制充电开关管开启与关闭的时间间隔。同时，充电开关管的通断则由赋能脉冲控制，通过赋能电流与赋能脉冲宽度间的闭环，可最终确保人工线充电电压的精度，这就是回扫充电提高脉冲幅度的基本原理。

2 系统设计

根据速调管的指标要求来设计脉冲电源。本脉冲电源主要技术指标为：峰值功率3 MW；调制脉冲幅度：75 kV，连续可调；脉冲电流幅度40 A；调制脉冲宽度 τ：2 μs；脉冲重复周期 T：171×10-3s；脉冲前沿：≤0.4 μs；脉冲后沿≤0.6 μs；调制脉冲顶降：≤5%；调制脉冲顶部波动；≤5%。

2.1 参数计算

2.1.1 人工线参数计算

根据速调管的参数，可知UB=75 kV，IB=40 A，当人工线阻抗与调制器负载匹配时：

式中：ηd为调制器的放电效率，取80%；Upmax为人工线充电电压，取最大值7 kV。当脉冲宽度0.8 μs，人工线脉冲宽度 2 μs，则人工线电容变压器副变等效电感（L0为充电阶段从TX1副边看过去的等效储能电感，L0与C0构成串联谐振电路）。

2.1.2 赋能时间T1，充电时间T2计算

由于雷达移相工作方式的需要，脉冲电源输出要求能够提前或延迟半个周期。这就要求赋能时间、充电时间以及放电后保持时间三者之和小于半个周期，即 T1+T2+T4+τ

2.1.3 充电变压器变比n计算

2.1.4 脉冲变压器变比计算

一般情况下，脉冲变压器变比表达式为：

式中：ηd为调制器的放电效率，取80%；UL为变压器次级电压，取 75 kV；UPmax取 7 kV；计算得，n=23.8，设计时取n为25。

2.2 开关管IGBT选择

IGBT各自承受最大正向电压uQmax，在两管均压良好的情况下，uQmax=uDC=500 V。

考虑到开关管的承受能力，通常要求器件容量具有两倍余量。同时，考虑管子必须具有10 ns级的开关速度，选用EUPEC公司生产的的IGBT管BSM300GA170DLS。

2.3 放电开关选择

调制器中的放电开关一般选择反向阻断二极管（RBDT）、不对称可控硅（ACR）和高频可控硅（SCR）。RBDT具有较好的电流上升率（可达5 000 A/μs），很适合作窄脉冲工作，但其触发电压较高（幅度大于1 300 V），为保证其可靠工作，每管的触发脉冲上升率应达到15～25 kV/μs，触发器相当复杂，且管子价格昂贵。不对称可控硅也具有很大的电流上升率，触发信号同SCR差不多，具有很好的应用前景，但只能依靠进口，且价格昂贵。

考虑到放电开关管正向电压必须大于UPmax，且要有一定的余量。通过的平均电流Iavg=f·τUPmax/Zn=2.7 A。综上考虑，在本系统中放电开关管选用国产高频大电流高电压可控硅KG200-1200，采用10只串联，以满足指标要求，同时在2，3个SCR管损坏情况下，不影响系统工作。触发脉冲分成10路，由一只F-2封装的MOSFET管驱动10：1降压变压器，其输出触发10只SCR，触发器电压200 V，工作稳定可靠。

3 实验结果

本脉冲电源设计满足指标要求，图3为赋能电流和充电电压波形图；图4为感应法测得的系统输出脉冲电压波形图。在实际工作中，因为速调管的

图3 赋能电流和充电电压波形图

4 结论

脉冲雷达系统对调制器的指标要求越来越高，本文介绍了基于回扫充电的高压脉冲电源的设计，通过理论分析和实验验证，系统能够达到指标要求，且工作稳定可靠，表明系统设计的正确性，对于脉冲电源的相关设计具有一定的借鉴意义和推广价值。性能指标有所差异，人工线并不需要充电到7 kV的高压，通常为6 kV左右。从图中可看出赋能时间约为 200 μs， 充电时间约为 400 μs。 充电电压（1 000：1）约为6 000 V。输出脉冲电压的前后沿有一定展宽，但顶部起伏满足指标要求，宽度满足1 μs工作需要。

图4 系统输出脉冲电压波形图

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