大功率软开关灯丝电源的设计

韩 博

(南京电子技术研究所, 南京 210039)



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大功率软开关灯丝电源的设计

韩 博

(南京电子技术研究所, 南京 210039)

为了提高大功率真空管设备灯丝电源的技术性能和功率密度，设计了一种软开关零电流谐振式BUCK变换器为核心的灯丝电源。介绍了其基本工作原理，结合电路各个时段时序关系、电路拓扑、重要参数的设计公式，给出了电源的详细设计方法，并阐述了电路的实现条件和工作特点。以工作中的具体电路为实例进行详细分析，得出了电路在工作效率、可靠性实施、模块化设计等方面的可行性论证，验证了其高效率、小型化的技术创新特点。

灯丝电源；零电流；软开关；准谐振变换器；真空管

0 引 言

电子管阴极灯丝加热电源是电子管正常工作的前提，灯丝电源的质量将直接影响电子管尤其是大功率发射管的使用寿命和使用稳定性。早期简单的灯丝电源采用无稳压交流灯丝供电，灯丝工作精度较差；现在大多数灯丝电源采用稳压直流灯丝供电，提高了灯丝工作的稳定性[1]。但是在电子管起动瞬间，稳定工作的灯丝电压加在冷态的发射管灯丝上，会产生一个比正常工作电流大很多的浪涌电流，它的冲击会对电子管的寿命造成很大的危害[2]。目前高端的灯丝电源采用稳流直流灯丝供电，它继承了稳压电源的优点，具有良好的工作稳定性，而且通过对灯丝电流进行实时的检测运行消除浪涌电流对灯丝的冲击，是一种良好的灯丝工作模式。

大功率真空管雷达发射机目前采用稳流模式灯丝电源给大功率真空发射管和调制管进行灯丝供电。它采用三级工作模式，如图1所示，先是采用高频开关式BUCK变换器将交流供电进行降压稳流处理；然后，采用半桥振荡器将直流电源变换为交流脉冲，通过灯丝隔离变压器送至阴极灯丝高压端；最后，经过整流滤波变换为直流电源送到电子管灯丝使其正常工作。

图1 稳流灯丝电源电路简图

在灯丝电源中，高频开关式BUCK变换器是灯丝电源的核心部分。为了提升灯丝电源的功率量级，减少体积质量和电磁干扰，增加效率和可靠性，设计了一种新型的软开关谐振式BUCK变换器，并以此为基础设计全新的大功率软开关灯丝电源。

1 软开关谐振式BUCK变换器原理简介

零电流开关准谐振BUCK变换器，在原标准型变换器的基础上，添加谐振电容、电感，并工作于固定脉宽调频工作模式，实现高频开关的零电流开启、零电流零电压关断过程。工作原理[3-5]如图2所示。

图2 零电源开关准谐振BUCK变换器原理图

图2中，DC为直流电源，S为开关管，Lr、Cr为谐振电感、电容，Lf、Cf为滤波电感、电容，D为续流二极管，RL为负载。开关S闭合时，由于电感Lr的作用，S在零电流条件下导通。S导通后，电感Lr与电容Cr的谐振使通过开关S的电流呈近似正弦波形，从而又为开关S的断开创造了条件。当电感电流谐振到零时，开关S可在零电流条件下关断。

为了简化分析过程，考虑到Lf≫Lr，在一个谐振周期中，Lf中的电流可以看作近似不变，因此，滤波电路Lf/Cf及负载RL将用一个恒流源I0有效代替。图3为电路在一个开关周期内的主要电量波形，图4为电路的相应拓扑模式图形，分为4个时间段来分别详细描述。

图3 电源主要电量波形图

工作过程分析如下：假设在初始时刻t0之前，开关S处于断开状态，输出电流I0通过二极管D续流，电容Cr上的电压为0；在t=t0时，开关S在零电流条件下导通。

(1)t0～t1时间

开关S导通，电感电流ILr

(1)

初始条件为ILr(t0)=0，由此可得

(2)

在t1时刻，ILr上升到等于输出电流I0，这个时间段结束，则

(3)

(2)t1～t2时间

在时刻t1，ILr等于I0，二极管D截止，电感Lr与电容Cr开始谐振，如图4b)所示，这时有

(4)

(5)

初始条件ILr(t1)=I0，VCr(t1)=0，由此可得

(6)

VCr=Vin[1-cosωr(t-t1)]

(7)

电感电流ILr下降到零后，将通过开关S的反向并联二极管继续向反方向谐振，并将能量反馈回输入电源。当ILr在时刻t2从反方向再次谐振回零时，这个时间段结束。在ILr电流反向的时间间隔内，开关S可以在零电压零电流状态下完成关断过程。

这个反向谐振时间段长度为

(8)

式中：θ=ωrT2。

(3)t2～t3时间

开关S断开，二极管D断开，输出电流I0通过电容Cr流通，电容电压VCr处于线性放电状态，如图4c)所示。此时ILr=0，则

(9)

初始条件VCr(t2)=Vin(1-cosθ)，由此可得

(10)

(11)

当VCr在时刻t3重新谐振回零时，二极管D导通，t2～t3时间段结束。

(4)t3～t4时间

开关S断开，二极管D导通，输出电流通过二极管D续流，电容电压被钳为在0，直到下一开关周期到来时，开关S再次导通，整个开关周期结束。

T4=t4-t3=Ts-(T1+T2+T3)

(12)

2 零电流开关实现的条件

电路的工作状态与输入电压和负载变化有很大关系，由式(8)可以看出，当ωr(t-t1)=3π/2时，ILr=-Vin/Zr+I0，此时ILr≤0，才能保证实现零电压开关工作状态。 即当电路输入电压和负载电阻确定后，只有满足下面的条件，才能保证电路工作于谐振电路状态。

I0≤ Vin/Zr

(13)

3 零电流开关电路特性

与常规BUCK电路相比，此电路增加了谐振元件，电路复杂性略有增加；开关电路采用调频控制方式，精心选择谐振电感电容的参数即可实现电路的稳定工作。电路的优点是软开关保证了电路效率的提高，减少了开关的电压应力，增加了电路的可靠性。缺点是由于电路的谐振特性，流过开关管的峰值电流增加为原来的2倍以上，需要选用额定电流较大的开关管，提高了器件的选择难度。

4 电路设计简例

根据零电流软开关BUCK变换器原理，在工作中设计两种大功率雷达发射机灯丝电源实例。一种是6.3 V/30 A的灯丝电源，一种是6.3 V/300 A的灯丝电源，均工作良好，现以6.3 V/300 A电源为例介绍具体应用。

大功率灯丝电源采用模块化工作模式，分为开关模块(软开关BUCK变换器)、逆变模块(全桥开关振荡器)、整流模块(高压整流滤波器)。整流模块放置于高压油箱内部(在此不做介绍)，开关模块和逆变模块放置于灯丝电源分机内。二者既连接又独立，便于调试和维修。

灯丝电源采用AC 380 V供电，直流输入电压510 V，斩波输出电压300 V/7A，软开关变换器工作于100 kHz状态。在整流桥后设置软启动电路，保证整流滤波电路的安全，软启动开关管和斩波开关管选用的大功率MOS管，续流二极管选用大功率二极管模块，谐振电感和滤波电感选用小体积罐状铁氧体磁芯材料，谐振电容选用高频特性良好的聚丙烯膜介质电容器，电流取样模块采用LEM磁感应模块，稳流精度可达1‰，如图5所示。

图5 软开关BUCK变换器模块

开关振荡器采用全桥电路，输入300 V直流，输出300 V交变脉冲，频率1 000 Hz，脉宽950 μs。开关管选用大功率MOS管，如图6所示。

图6 开关振荡器模块

软开关BUCK变换器参数实测波形如下图所示，图7为开关管触发脉冲和谐振电流的对比图，图8为谐振电容电压和谐振电流的对比图。

图7 变换器谐振电流和触发流程图

图8 变换器谐振电流和谐振电压图

灯丝负载功率约为2 000 W，总效率经测量约为90%，其中软开关变换器效率为97%，开关振荡器和高压整流器以及灯丝隔离变压器总效率为93%。其中，高压整流器因为是低压大电流工作，效率稍低，开关振荡器工作于300V直流电源，且工作频率只有1 000 Hz(开关损耗很小，主要是导通损耗)。因此，可以保持较高的效率。

5 结束语

软开关斩波、硬开关逆变，这两个模块在此紧密相连，很好地完成了技术分配。软开关斩波电路进行稳流负反馈设计，在低压端实现稳流过程，排除了高压隔离的复杂性；逆变电路直接工作于较低频率，硬开关设计，省却了谐振电路，减少了电路复杂性。

当然，如果灯丝工作于低电位，或者更好地解决了灯丝的高电位隔离问题，也可以采用 一级软开关全桥稳流电路来实现灯丝电源的功能，或者采用交流逆变方式将交流电送至灯丝端再通过软开关BUCK变换器直接在高压端进行稳流设计，均可实现良好的灯丝电源设计要求。

综上所述，软开关技术的应用，使得大功率灯丝电源具有更高的效率、更高的功率密度、更高的可靠性，有效地减少电磁污染和环境噪声，提高电子管的使用寿命[5]，为真空电子设备的性能提升提供了非常有利的竞争，具有非常良好的发展前景。

[1] 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. ZHENG Xin，LI Wenhui，PAN Houzhong. Technology of radar transmitter[M]. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006.

[2] 张颖辉，徐国林，李网生. 双管正激交错并联大功率灯丝电源设计[J]. 现代雷达, 2011，33(7) : 72-74. ZHANG Yinghui, XU Guolin, LI Wangsheng. Design of double transistor forward interleaving parallel connection for high filament power supply[J]. Modern Radar, 2011，33(7) :72-74.

[3] 王 聪. 软开关功率变换器及其应用[M]. 北京：科学出版社, 2000. WANG Cong. Application of soft switching power converter[M]. Beijing：Science Press，2000.

[4] 阮新波，严仰光. 直流开关电源的软开关技术[M]. 北京：科学出版社, 2000. RUAN Xinbo，YAN Yangguang. Soft switching technology of switching DC power supply[M]. Beijing：Science Press，2000.

[5] 崔海安. 一种发射管同步交流灯丝电源的研制[J]. 雷达与对抗，2009，29(1): 59-62. CUI Haian. The development of sync AC filament power supply applied to the transmitter[J]. Radar & ECM, 2009，29(1): 59-62.

韩 博 男，1972年生，高级工程师。研究方向为大功率雷达发射机。

Design of a High Power Soft Switching Filament Supply

HAN Bo

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

For the sake of improving the characteristics and power density of the filament power supply, which are used in the high power vacuum tube devices, the principle of the filament power supply based on soft-switch resonant BUCK converter is introduced in this paper. With temporal principle, circuit topology and formula for calculating key parameters, the particular design of the power supply are presented, the implementation conditions and working characteristics are also given. The efficiency, reliability, modular design of the circuits are demonstrated by the specific examples, the high efficiency, as well as the miniaturization of this power supply can be verified.

filament power supply; zero-current; soft switching; quasi-resonant converter; vacuum tube

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.016

韩博 Email：hanbo_nanjing@163.com

2015-10-19

2015-12-23

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0075-03