一种基于全桥LCL谐振变换器的行波管高压电源研究

张国兵 柳拓鹏

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230000）

0 引言

高压电源是行波管发射机的核心部件，高压电源供给行波管的阴极和收集极所需要的直流高压，它的稳定性和纹波水平对发射机输出射频信号的频谱有重要的影响，并对发射机的体积、重量、绝缘有着至关重要的作用［1］。高压电源的性能直接决定了发射机的稳定性、可靠性及性能指标［2］。

谐振型变换器使用变压器的分布参数参与电路谐振过程，能减小电路分布参数的影响。其中零电压谐振变换器因具有小的开关损耗、小的开关应力和开关噪声，应用在高频变换电路中可以明显减小变换器的体积与重量［3］。同时谐振变换器在开关管关断期间，回路的电压谐振可以形成反向电压，在变压器次级产生负极性电压，使倍压电路工作，同时可以使铁芯复磁。因此，其以结构简单、易实现、抗不平衡能力强等优点而广泛应用于高压电源中。

1 全桥LCL谐振变换器工作原理

LCL谐振移相全桥PWM ZVS变换器的基本拓扑结构如图1所示。其电路结构与普通双极性PWM 变换器类似，S11和S21组成超前桥臂，S12和S22组成滞后桥臂。Lr是谐振电感，Cr为谐振电容。变压器原边增加了并联电感Ls，这是LCL谐振变换器与普通双极性全桥变换器的主要区别。S11和S21分别超前S12和S22一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小，调节输出电压。V1～V4是整流二极管，C1为滤波电容。

变换器的主要工作波形如图1所示。变换器一个周期内分为8个工作过程［4］。S11、S21、S12、S22工作于同一频率下，通过控制超前臂与滞后臂的移相角来控制输出电压。为了便于分析，做以下假设：所有开关、二极管、电容、电感、变压器均为理想元件，Vs为理想电压源，T1为理想变压器，初次级变比为1，输出电压为Vo且保持不变，折算到变压器初级的电压为Vo′。

1.1 模式Ⅰ：功率传输过程t1—t2

S11、S22同时导通，Lr电流正弦规律上升，其周期为Tr＝次级整流管V5、V8导通，输入功率传输至负载，并为谐振网络Lr、Cr注入能量，电感Lp钳位到Vo′，iLp线性上升，到t2时刻，S22零电压关断，进入模式Ⅱ工作。

1.2 模式Ⅱ：Lr、Cr谐振放电t2—t3

S22关断后，S22支路电流转入S12V 支路流动，S12 零电压开启，Lr、Cr开始谐振放电，电流iLr开始减小，Lp继续钳位到Vo′，其电流继续线性上升，Lr、Cr谐振回路电流小于iLp后，电感电压VLp反向，次级整流二极管全部关断，转入模式Ⅲ工作。

图1 LCL变换器拓扑图及工作波形

1.3 模式Ⅲ：Lr、Cr、Lp自由谐振t3—t4

在此模式中，iLr＝iLp，均按正弦规律变化，谐振周期T0＝直到t4时刻S11 零电压关断，转入模式Ⅳ工作。

1.4 模式Ⅳ：能量回馈至电源t5—t6

在VCr、VLp、VLr作用下，谐振网络部分能量回送到电源，直到t6时刻S21零电压开启，完成正、负半周的换相，转入模式Ⅴ工作。

1.5 模式Ⅴ：能量传输过程t6—t7

谐振网络完成放电后，电流换向，次级整流二极管V2、V3开启，电源输入能量传输到负载，同时为谐振网络Lr、Cr注入能量，电感Lp电压钳位到Vo′，其电流反向线性增大，直到t8时刻S12关断，转入模式Ⅵ工作。

1.6 模式Ⅵ：Lr、Cr谐振放电t7—t8

电流转入S21、S21流动，部分能量输出到负载，电流谐振减小，当谐振电流小于电感电流iLp时，电感电压换向，转入模式Ⅶ工作。

1.7 模式Ⅶ：Lr、Cr、Lp谐振过程t8—t9

在此模式中，iLr＝iLp，Lr、Cr、Lp电流自由谐振，谐振周期直到S11 零电流开启，转入模式Ⅷ工作。

1.8 模式Ⅷ：t9—t10

在VLp、VCr作用下，谐振网络多余能量回送到电源，直到iLr减小到0后，电流换向，转入模式Ⅰ工作。

2 高压电源电路设计

高压电源的收集极等效电阻根据要求计算为14.3kΩ，阴极等效电阻为3 MΩ。

谐振参数根据计算可以知道，Lr＝2.683 μH、Cr＝0.94μF，在工程实际中可以取Lr＝2.5μH、Cr＝0.94μF，Lp取两倍的Lr，即Lp＝2Lr＝5μH。

3 高压电源PSpice仿真分析

根据以上参数，使用PSpice仿真软件对该高压电源进行了分析，其PSpice仿真模型如图2所示，仿真结果如图3所示。

图2 高压电源PSpice仿真模型

图3 高压电源输出波形及工作波形

由图3可以看出，收集极高压和阴极高压输出满足设计指标要求，变压器初级电压波形、谐振回路电流波形与理论分析的结果一致。根据仿真结果可知，该高压电源完全满足设计要求。

4 结语

本文研究了一种LCL 谐振移相全桥PWM ZVS 变换器，控制方式采用恒频移相控制模式。对电路的稳态工作过程进行了详细分析，并使用PSpice软件对实际设计需求的高压电源进行了仿真分析，仿真分析结果表明这种变换器满足行波管高压电源的特殊要求。

基于LCL谐振移相全桥PWM ZVS变换器设计的高压电源已经应用于某行波管发射机中，在实际工作中软开关效果良好。

［1］韩博，朱永亮，陈汉兴.毫米波小型化行波管发射机［J］.现代雷达，2008，30（11）：83－85.

［2］郑新，李文辉，潘厚忠.雷达发射机技术［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［3］叶慧贞，杨兴洲.新颖开关稳压电源［M］.北京：国防工业出版社，1999：201－232.

［4］陈申，吕征宇，姚玮.LLC 谐振型软开关直流变压器的研究与实现［J］.电工技术学报，2012，27（10）：163－169.