15kW双收集极降压行波管高压电源设计

陈 耿 李 超 陈义怀

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

高压电源系统是发射机的重要组成部分，它往往决定了发射机的可靠性和体积、重量，其性能的好坏直接关系到发射机的射频质量和寿命，影响发射机的性能，其性能指标和可靠性对发射机系统具有重要意义。本文介绍的高压电源是针对某波段栅控行波管进行设计，该行波管为双收集极降压栅控脉冲行波管，脉冲功率20～28kW，平均功率大于4kW，工作比15～20%，行波管放大效率高于30%，在该功率水平上，采用行波管的电真空发射机具有很高的性价比，该高压电源的总功率大于15kW。

该高压电源采用移相ZVS-ZCS全桥变换高频开关电源，高压输出与地电位悬浮隔离，高压器件采用干式密封绝缘。电源电压由13kV、19kV、25kV三组电源联合输出。该高压电源的特点为高频变换器采用零电压零电流软开关变换技术，以提高电源的稳定性、可靠性、效率和电磁兼容性;高压组件采用密封干式结构，摒弃传统的笨重且不易维修的高压油箱，以提高可维修性和高低温性能;三路电源独立调整，以保证发射机的最佳工作点和长期稳定性;高压电源的散热采用水冷方式。

2 设计分析

某高压电源要求输出功率在15kW以上，输出电压分别为－25kV、19kV、13kV，19kV和13kV工作时负端悬浮于－25kV之上，耐压均要求大于35kV以上，尤其－25kV由于提供行波管管提高压，因而电压稳定度、纹波、抗打火能力均要求很高，为满足行波管工作要求，三组电源要求单独设计、电压可调，三组电源均要具有打火保护、过流保护、缺相保护、温度保护、输出过压保护、反馈失效保护、同步锁定、以及故障上报等功能，同时要求各模块之间能够实现互换。

2.1 电气设计系统组成

由于该电源输出为三组高压，而且要求分别可调，所以该电源系统的设计采用三组独立的高压电源，从功能上该高压电源由四部分组成，分别为供电输入控制箱、管体高压(25kV)电源箱、第一收集极高压(19kV)电源箱、第二收集极高压(13kV)电源箱4只机箱组成。供电输入控制箱将输入交流进过无源PFC再进行整流滤波，转换为500V左右的直流电压，分三路分别送到三组高压电源;另外三个单元分别将500V直流母线电压经过高频变换、升压和倍压整流滤波电路产生三组独立的高压，供给行波管工作。整个电源原理框图如图1所示。

图1 高压电源组成框图

2.2 工作原理

主电路拟采用三路独立调整的电路，分别产生13kV、19kV、25kV三路高压，其中输入控制箱包括供电控制、无源PFC、380V整流滤波等采用公共电路，输入供电控制箱由空气断路器实现短路保护，由磁力启动器完成输入交流电的送电控制;由三相共模滤波器扼制高频噪声对其他设备的传导干扰;由电抗器组成无源功率因数校正，减小输入交流电的无功负荷，抑制工频三、五等谐波分量;由三相整流桥滤波电容组成母线整流滤波电路，由控制电路协调三组电源的工作状态。管体高压(25kV)电源箱、第一收集极高压(19kV)电源箱、第二收集极高压(13kV)，分别产生三组独立高压，采用PWM工作方式，PWM器件采用UC公司的UC3875控制芯片。

2.2.1 开关变换电器设计

开关变换电路是该高压电源设计的关键技术，传统的变换器多采用硬开关变换器，开关管承受的应力较大，尤其是在负载短路、打火、负载大范围变化时，电源调整不过来，开关管承受的应力会成倍增加，从而损毁开关管。本次设计采用全桥移相零电压零电流开关变换技术，通过硬件辅助电路和各开关管合理的开关时序时机，使功率管在开通和关闭时，基本处于零电压和零电流状态，大大减小了开关损耗，开关管采用富士公司的PM150RLA120。即IPM模块150A/1200V大功率IGBT开关管，开关频率为26～32kHz，功率容量超冗余设计，采用全桥移相零电压零电流开关变换电路的损耗可以控制在2～3%。为减轻占空比减小造成的电流波形被压缩，减小峰值电流从而减小导通损耗，采用了电流展宽措施。电路原理图如图2所示。

图2 全桥变换器电路及波形

四只开关管的栅极触发信号如图2所示，Vbe1与Vbe2相位相差180°，中间留有一定死区时间;Vbe3与Vbe4之间相差亦为180°，中间设有适当的死区时间。通过调整这两组触发脉冲之间的相移H，就可以改变输出功率。由于V4(V3)相对于V1(V2)先行关断，所以称V3、V4为超前臂，V1、V2为滞后臂。

在电路上，可以在滤波电容C1和C2之中点与V1、V2桥臂的中点之间接入辅助电感L2，以帮助滞后臂实现ZVS。工作原理见图3。

图3 辅助电感L2的接法与工作原理

在V1导通期间中电流线性上升，当V1受控关断后，L2中的贮能也参与了向(C1+Coss)和(C2+Coss)的充放电提供能量的工作，弥补了变压器初级回路电感L3贮能不足的缺陷。

2.2.2 高压单元设计

高压单元设计包括高压变压器设计、倍压电路设计。高压变压器将变换器送来的高频信号进行升压，再经过倍压电路整流滤波输出需要的高压信号。

高压变压器采用超微晶硬结构铁心、硅胶绝缘高压线，以及环氧树脂封装。为提高散热能力，采取铁心外露的结构型式，并在环氧树脂中大量掺入硅微粉。变压器设计适当的增大了铁心和导线截面积，降低了线圈圈数和铜损铁损，以提高绝缘和效率。变压器动态磁路B控制在0.3以下，初级线包电阻0.002Ω，次级电阻小于 1Ω，激磁电流小于350mA。变压器整体损耗约1% ～1.5%。变压器初次级及外壳绝缘，为应对大功率散热以及绝缘，采用高导热系数(0.8以上)高绝缘性环氧树脂真空灌封，理论抗电强度达100kV。

三组高压电源高压变压器输出均采用对称4倍压整流电路，高压整流器件采用进口快恢复二极管串联组成，用纯度0.999的陶瓷片进行器件的绝缘隔离，用高导热环氧树脂真空灌封。倍压二极管和倍压电容耐压大于变压器输出电压的两倍，倍压电路能够抗电流冲击能力达300A，对大地抗电强度理论值100kV。倍压电路电路图4所示。

图4 典型四倍压电路

倍压电容的体积直接影响倍压电路的体积，确定倍压电容的最低容量和耐电流耐电压要求，以必须减小倍压电容体积。按照输出电压顶部降落要求，确定最低限度的输出电容。为电容的小型化和提高耐电流能力以及高温稳定性，自行设计委托加工云母纸电容芯，再自行封装。电容组的各级电容芯之间及外壳绝缘，采用高导热系数(0.8以上)环氧树脂真空灌封，可触摸外壳理论抗电强度达100kV。为防止短路、打火造成高压二极管过流损坏，采用大电感量输出电感，抑制短路电流上升太快。

2.3 隔离反馈技术

将反馈电路采用高隔离变压器，实现高频供电和信号传输和隔离。供电是采用200kHz开关频率的推挽电路，在高压端整流滤波，供反馈电路用。反馈电路在高压端将直流取样电压变换成高频PWM脉冲，通过高隔离变压器传输和隔离，在低压端通过滤波，还原成直流量，用于电压控制。

为防止电压反馈回路失效造成电压失控过压，设置了反馈监测电路，一旦反馈回路失效，立即关闭输出。

2.4 干式密封绝缘技术

在高压状态下干式密封绝缘的主要材料是环氧树脂和硅胶。高分子材料虽然绝缘强度高，但导热系数低。绝缘与散热成为干式密封的主要矛盾。

根据在灌封材料中大量加入硅微粉，可以在不降低绝缘能力的情况下将导热系数提高，但环氧树脂加入硅微粉后流动性很差，真空灌封中空气无法排除。我们采用特殊材料和工艺，实现了大比例硅微粉掺入灌封，使灌封后抗电强度达20～30kV/mm，导热系数达0.8.完全满足绝缘封装与散热的需要。在绝缘灌封中我们采用不热或微热元件用环氧树脂混合硅微粉封装，高热元件用高压陶瓷板和环氧树脂、硅微粉混合封装。这样解决了绝缘封装与散热的矛盾。

3 结束语

高压电源的性能指标和可靠性与发射机的性能指标息息相关，特别是阴极电源更是和发射机的信号质量有直接关系，所以高压电源在发射机的设计中占有重要地位，应该给以足够重视，本高压电源的设计是针对新研制的大功率行波管工作需要而设计的，由于电真空器件工作时由于种种原因会引起电源工作异常，所以在设计时，在控制保护电路的设计上一定要迅速可靠，通过大量的试验已经完成了该高压电源的设计，效率达到了90%以上，性能、体积、重量均可以满足行波管工作要求。

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