一种小型化行波管高压电源的设计

朱元江，王 磊

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

随着技术的不断进步，高压电源已趋向于小体积、大功率、高效率和低纹波等方向发展［1－2］，其中小体积和高效率使得高压电源的应用前景更加光明。在减小体积和重量的前提下，不断提高高压电源的效率从而提高可靠性是工程师们追求的目标，高压电源因其特殊的应用背景，在设计时需要考虑的问题更趋复杂化。例如：交叉调整率、适应脉冲负载特性、抗短路特性等。本文介绍的小型化行波管高压电源具备了上述特点，适用于航天、无人机平台和弹载平台等特殊应用领域。

1 变换器的原理及特点

1.1 变换器的理想特性

为实现高压电源的高效率和小体积，应用于高压电源的拓扑必须具备以下特征［3］：

（1）利用变压器和功率开关管的寄生参数，实现主功率开关管以零电压开关（ZVS）方式通断，以减小开通损耗和提高效率，提升变换器的可靠性；

（2）为了便于优化变换器谐振参数，应保证开关频率的恒定，实现最优的电路工作方式；

（3）输入输出应分别满足电流源特性和电压源特性，以适应高电压场合的特殊应用；

（4）尽可能降低变压器的变比，减小次级映射到初级的分布电容，以减轻由于分布电容带来的不利影响；

（5）高压电源应能适应脉冲负载特性和宽输入电压变化。

1.2 变换器的等效电路和工作原理

如图1所示，该变换器为电流馈电型主动箝位推挽隔离DC－DC变换器，S1和S2为主开关管，CS1和CS2分别为S1和S2的输出电容，DS1和DS2分别为S1和S2的体二极管，Sa1和Sa2为辅助开关管，Csa1和Csa2分别为Sa1和Sa2的输出电容，Dsa1和Dsa2分别为Sa1和Sa2的体二极管，CT为箝位电容，Lin为输入电感，图中虚线标注的为功率变压器T1，Ld1和Ld2为谐振电感，DR1和DR2为高压整流二极管，CR1和CR2为倍压电容，C0为储能电容，R0为等效负载。

图1 电流馈电型主动箝位推挽隔离DC－DC变换器

根据实际的工作过程，将变换器的工作过程分为5个阶段：

（1）（t1～t2）S1和S2同时导通，此时流过开关管S1和S2的电流大小一致，方向相反，初级不向次级馈能，输入电感Lin存储能量。

（2）（t2～t3）S1以零压方式关断，此时由于电感Ld1的续流作用，对CS1和Csa1分别进行充放电，当Cs1的电压充至箝位电压UCT，Csa1上的电压为零时，Sa1的体二极管Dsa1导通，此时存储于电感Ld1的能量转移至箝位电容CT中。这个过程中，当开关管S1和S2的电流大小不一样时，初级向负载馈能。

（3）（t3～t4）Sa1导通，由于箝位电容电压 UCT的作用，流过电感Ld1的电流逐渐减小，直至反向，此时箝位电容上的能量转移至变换器。

（4）（t4～t5）Sa1关断，由于电感Ld1的续流作用，对电容Csa1和CS1分别进行充放电，直至主开关管S1上的电压为零，电流通过体二极管。

（5）（t4～t5）主开关管S1导通，流过电感Ld1的电流逐渐减小，直至反向，当流过Ld1的电流与流过Ld2的电流大小一致、方向相反时，此过程回到阶段（1）。

1.3 变换器工作的理论波形

图2给出了驱动和电路各状态的电流和电压波形，wS1和wS2为主开关管驱动控制波形，wSa1和wSa2为辅助开关管的驱动控制波形，IS2和VS2分别为主开关管S1上的电压和电流波形，Vsa2和Isa2分别为辅助开关管上的电压和电流波形，ILd1为流经电感Ld1的电流，ILin是流经电感Lin的电流。从图中可以看出，该拓扑是以ZVS方式工作的。

2 高压电源的设计

由于行波管为二级降压收集极，行波管需要几组电源，为了减小高压电源的体积，高压电源采用串联供电的方法来实现行波管收集极和管体电源。

所谓的串联供电，指的是利用一个变换器同时产生行波管的阴极电压和收集级电压，通过对阴极电压的取样来实现稳压，收集级的电压通过变换器的交叉调整能力和变压器的绕制来实现。

图2 变换器工作的理论波形

为了进一步优化谐振参数，便于滤波电路设计［4］，高压电源控制基于脉宽调制方式，开关频率固定为100kHz左右。由于输出电压高，变压器的初次级变比较高，为减少变压器初次级变比高所带来的寄生参数问题，采用倍压和多组输出串联方式，如图3所示。

图3 高压电源电路图

3 电路参数的设计

在高压电源设计中，高压电源变压器采用扁平结构，以减小体积。设定开关频率f为90kHz，最大占空比D为0.68，变换器的增益q为2，阴极高压输出Vout为7.5kV，高压电源变压器的总变比确定为：

变压器完成绕制后，参数如下：初级电感Lp为60μH，漏感Ld为在0.3μH，变压器的分布电容Cp约为10pF。为满足谐振和箝位要求，谐振电感选为5μH，箝位电容选为1μF。

4 实测波形

图4～6分别给出了主开关管S1的电压和电流波形，其中A路为电压波形，B路为电流波形。图4为输出功率达到200W时主开关管S1的电压和电流波形，图5为输出功率达到100W时主开关管S1的电压和电流波形，图6为空载时主开关管S1的电压和电流波形。从图中可以看出该高压电源可以工作在不同负载条件下，并能保证开关管工作在ZVS状态。

图4 高压输出200W主开关管电压、电流波形

5 结束语

本文介绍了一种小型化行波管高压电源，该高压电源采用电流馈电型主动箝位推挽隔离DC－DC变换器结构，并对其工作模式进行了详细的分析。通过实验表明：该拓扑有很好的ZVS特性，在不同负载条件下，得到了功率管的实测电压和电流波形。最后进行了满功率测试，该高压电源输入电压30V，输入电流7A，输出功率为1 9 6W，效率为94%，阴极输出电压为－7 508V，收集级1输出电压为－3 215V，收集级2输出电压为－4 302V，收集级1和收集级2空满载电压变化率小于5‰。试验证明该高压电源效率高、体积小、重量轻、负载调整率好。该高压电源在航空航天、弹载和星载等领域应用前景广泛。

图5 高压输出100W主开关管电压、电流波形

图6 高压输出空载主开关管电压、电流波形

［1］沙文祥，李刚，张宗濂.机载行波管发射机电源系统［J］.电子工程师，2006，7（32）：32－35.

［2］Tala－tghil B，Nyobe－Yome J M，Glaize C.High－voltage variable－frequency double－resonant dc－dc converters utilizing the transformer parasitic elements［A］.Proceeding of The European Space Power Conference［C］.Austria，1993：245－250.

［3］Ivo Barbi，Roger Gules.Isolated DC－DC converters with high－output voltage for TWTA telecommunication voltage for TWTA telecommunication satellite applications［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18（4）：975－984.

［4］柏光东，徐晓荣，陈永浩.一种超宽带中功率 MPM的设计［J］.雷达科学与技术，2009（7）：397－400.