大功率连续波固态功率源系统设计分析

2015-01-22 09:35

雷达科学与技术 2015年6期

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

核能作为未来能源发展的重要方向,核废料的处理是核能应用面临的一大技术难题。目前常用的处理核废料的方法是深度掩埋,这对环境存在威胁。加速器驱动的次临界系统(Accelerator Driven sub-critical System,ADS)通过强流直线加速器加速的强流质子束,打靶产生高通量的中子[1],使长半衰期的放射性核废料反应生成短半衰期或稳定的元素,以从根本上解决核废料处理问题。大功率、连续波固态功率源是加速器驱动的次临界系统的重要组成单元。

1 系统总体架构设计

按照系统技术指标要求,本放大单元要完成0～10 dBm的信号输入到1～20 k W输出的功率放大,其功率增益达63 dB,属于高增益、大功率放大系统,要使这样的高增益的连续波系统能够稳定、可靠地工作,合理的增益分配、合成网络选择及器件散热是设计的关键[2]。根据目前的功率放大管水平,实现该频段功率的高增益放大,其首选为LDMOS器件,该类器件具有可高增益、连续波工作特点[3],且工作效率可高达75%,给系统的热设计带来了方便,同时为系统的稳定、可靠工作提供了可能。根据LDMOS目前的水平,该系统采用两级(驱动放大、末级放大)放大单元,以功率合成的方式实现。具体实现架构如图1所示。

固态功率源系统的主要技术指标要求:

工作频率:f0±1 MHz

输入功率:0～10 dBm

输出功率:1～20 k W(连续波)

图1 固态功率源系统实现架构

功率源系统可以承受全反射。

合理的增益分配是建立在可选器件的基础上的,从图1的功率放大系统架构可以看出,驱动组件的功率增益和末级放大组件的功率增益均在35 dB左右,这样的增益选择方便组件内部采用两级功率放大以实现。实现20 k W的合成输出,在系统设计上考虑到连接器承受功率水平、环形隔离器最大负载容量以及本系统采用的径向线合成器的特点,末级组件采用12个双路1 k W的功率组件进行功率合成[4],实现系统20 k W功率输出。系统监控单元完成系统内各功能单元的工作状态收集以及上位机通信。配电单元完成交流220 V输入到系统工作所需的各种电源变换,同时将电源的工作状态进行收集,按照监控系统的数据格式要求,与监控系统进行数据通信。水冷系统是该功率源系统稳定工作的必要保障,各个功能单元的热仿真是实现水冷系统设计的必要手段。

20 k W固态功率源系统,作为ADS能量注入系统的一个基本单元,在实际应用中有可能会使用多个这样的单元做系统组合,因此,在单元系统设计上对可扩展性要有充分的考虑。

1)接口设计。单元组件接口的合理设计是保证系统可扩展的首要条件,包括接口电平的选择,如果电平选择太高,将会给多系统扩展带来驱动的限制,因此,本系统要求驱动组件、末级功放组件的输入驱动功率分别为10 d Bm和20 d Bm,这样对于后面的系统扩展,不需要太高的驱动功率,有利于扩展的实现;

2)监控单元。可以通过程序设计指定在线系统中的任一台监控单元为上位机,这样会给扩展后的系统监控、通信带来实现的方便;

3)相位、衰减可控。多个功率源系统对粒子进行加速,最首要的条件是保证各加速口的加速场相位的一致,因此,本功率源在设计中需要在驱动放大组件内部设置数控移相、衰减单元,以保证扩展后的功率源系统满足对粒子同相加速的要求;

4)系统结构。本功率源系统采用标准的24英寸机柜实现,在单元布局上充分考虑操作的方便性和外形的美观,这样便于功率源系统的扩展安装和提前空间规划。

2 驱动放大组件双冗余设计

从图1可以看出,驱动放大与后面的末级放大组件在电路原理上是串联工作的,它的稳定可靠工作是实现系统高可靠运行的关键,为此,在系统设计上要求驱动放大组件采用双冗余的方式实现。

实现驱动组件双冗余,在技术实现上有两种方式,其一是采用开关切换的方式,采用这种方式其中一个组件处于待机状态,当系统检测到工作组件故障时可以通过开关切换,将处于热备份状态的驱动组件转换成工作组件,但存在转换时间及开关承受功率的问题,根据资料显示,在10 W量级的转换开关,其开关转换速度在20 ms左右,这样不能满足加速器系统的要求。其二是采用功率合成的方式,这种方式两个组件均处于工作状态,但在其输出端通过移相电缆将两个组件的输出相位偏移120°,以使合成功率满足系统驱动要求,采用这种方式工作的驱动组件,要求其组件输出功率为系统所需驱动功率的两倍,所以驱动组件的设计功率不宜过大,以免对散热及系统效率造成不利影响,本设计取前置放大组件的输出功率为10 W。具体实现方式如图2所示。

图2 双冗余实现方式

式中:P为合成输出功率;P1,P2为两个前置放大组件的输出功率,设计上P1=P2;θ为两个组件输出的相位差,设计上θ=120°。

从式(1)可以看出,在两个组件都正常工作的条件下P=0.5P1,在一个组件故障的条件下仍然存在P=0.5P1,满足系统设计要求。为了满足一个驱动放大组件故障不停机的要求,给设计带来的不利就是单个前置放大组件的输出功率加倍,造成组件散热压力。鉴于此,在系统放大链参数选择上给予了充分的考虑,可见系统参数的选择与最后各个功能单元的实现是息息相关的。

3 双输出末级放大组件设计

按照系统实现总体方案考虑,末级放大组件的主要技术指标要求为:

工作频率:f0±2 MHz

输入功率:20 dBm

两路输出:P-1≥1 k W(组件可直接插拔)

可承受全反射。

末级放大组件输出的功率直接用来进行20 k W功率合成,此固态功率源系统中设计了12个末级放大组件,每个末级放大组件有两路功率输出,每一路设计功率输出大于1 k W,这样在1个末级放大组件故障的情况下,系统仍然能够正常工作,有较大的功率冗余,这时取下故障组件即可方便维修。具体实现方式如图3所示。

图3 末级放大组件的实现方式

末级功率管选择:在该工作频段,大功率的LDMOS器件已相当成熟,且有较大的选择空间,如表1所示。

表1 LDMOS器件特性

从上表3种器件的技术参数可以看到,3种器件均属于宽带、高效、高增益且可以连续波工作的器件。对比分析第二种器件的承受驻波能力与另外两种器件相比较差,本方案放弃选择。另外两种器件在输出功率上相差3 d B,如何选择涉及多方面的因素,其一是散热问题,尽管功率管的效率高达75%,在1 250 W功率输出的情况下,仍然有超过400 W的热量有待散发,这给散热设计带来了难处,同时为功率管的可靠工作置下隐患,另外,组件设计要承受全反射工作,大的输出功率必将导致其在全反射状态下要承受大的反射功率,比较得失,该工程设计组件选用第一种功率管。

冗余度分析:每个功率组件有4只功率管进行功率合成,系统有12个这样的末级放大组件构成,分析冗余度从两个方面进行,一种情况是系统有1只功率管失效,另一种是1个末级放大组件拔出维修,分析这两种情况下对系统输出功率的影响以及组件内环形隔离器承受驻波功率的情况。

1)1只功率管失效对输出功率的影响:系统12只末级功放组件共有48只功率管。