机载小功率行波管高压电源设计

李 可

(华东电子工程研究所 合肥 230088)

机载小功率行波管高压电源设计

李 可

(华东电子工程研究所 合肥 230088)

论文介绍了一种机载小功率行波管高压电源。该高压电源采用预稳压+全桥串联谐振二级变换结构。详细分析了全桥串联谐振的三种工作模式，并对该高压电源的主要参数进行的计算分析，给出了实测结果及波形。

高压电源; 串联谐振; 零电流

Class Number TN83

1 引言

在雷达系统中，发射机作为重要的组成部分，主要完成信号的放大输出。行波管具有频带宽、输出功率大等特点，被广泛应用在雷达系统中，是发射机的核心部件。而行波管电源是行波管的能量来源，电源的性能对发射机输出信号的质量以及整个发射机的重量、体积、功耗、可靠性等起着重要的作用[1～2]。

2 电源系统的组成

行波管的工作电源主要包括：螺旋线电源、收集极电源、灯丝电源、正偏电源、负偏电源等，其中高压电源为螺旋线、收集极电源。本设计中，行波管高压电源需求如表1所示，所有电源电压均指对阴极电压。

表1 行波管高压电源指标

由于发射机应用于机载工作环境，为确保行波管电源很好地适应这种工作环境并稳定可靠地工作，遵循以下几点设计思路。

1) 利用变压器漏感参与谐振，从而减小甚至无需外加谐振电感，减小高压电源体积、重量。

2) 主功率开关管工作于软开关状态，从而减小开关损耗和提高效率，提升高压电源的可靠性。

3) 尽可能降低高压变压器变比，从而减小分布电容，以减轻由于分布电容带来的不利影响。

本设计的行波管高压电源框图如图1所示。

图1 行波管高压电源原理框图

3 具体电源设计

3.1 预稳电源设计

由于载机供电电源的范围为25V～32V，输入电压低，而高压电源输出为14kV的电压，其高频变压器的变比太高，导致分布电容很大，波形失真严重，使高压电源的工作稳定性(可靠性)和效率降低。因此，在飞机的供电输出和高压电源的供电输入之间增加一级预稳电源。

预稳电源采用模块化的DC/DC变换器作为核心器件，外围采取共模、差模滤波电路以及监控电路来构成。选择模块化的DC/DC变换器有明显的优点：第一，成熟的模块化电源，内部器件高度集成，电路成熟，具有体积小，可靠性高等优点；第二，DC/DC电源变换器具有隔离保护功能，使负载和飞机配电母线隔离，当负载出现过载和短路的时候，DC/DC电源变换器可以实施过流保护或短路保护；第三，当飞机供电母线电压发生较大变化时，可以将输入电压调整至用电设备使用电压的稳定值。

根据行波管给定的参数中，可计算得高压电源的输出功率

POUT=14kV×1mA+4.3kV×11mA=61.3W

高压电源的效率按85%计算，则输入功率为

PIN=61.3W÷85%≈72W

考虑一定的余量，预稳电源的输出功率按100W设计。

选用2只VICOR公司的电源模块VI-2WB-MX串联，以达到提高输出电压的目的。VI-2WB-MX模块的输入电压为18VDC～36VDC，输出电压为95VDC，输出功率75W，故预稳电源的输出电压为190V，功率为150W。

3.2 高压电源设计

3.2.1 高压电源拓扑的选择

串联谐振变换器有下列优点：串联电容隔断直流分量，避免高频变压器饱和，适合设计成全桥拓扑电路；开关器件的电流随负载的降低而减小，因而轻负载下效率高。缺点：输出直流滤波电容必须承受大的脉动电流，因此只适合高压小电流输出[3～4]。为了降低高压变压器的变比，从而降低分布参数，高压变压器输出分成三个绕组，经倍压整流串联后给行波管提供螺旋线电压和收集极电压。

串联谐振拓扑图如图2所示。

图2 串联谐振拓扑图

其中，电感Lr和电容Cr组成谐振网络，开关管S1和S4、S2和S3分别同时开通和关断，S1和S4与S2和S3为180°互补导通。

3.2.2 全桥串联谐振模式选择

串联谐振根据开关频率fS和谐振频率fr比较有三种不同的工作模式：

1)fS≤fr/2时，为电流断续模式。开关器件工作在软开关状态，开通关断均可实现零电流。

2)fr≤fs/2≤fr时，为电流连续模式。开关器件关断时电流为零，开通时电流较大。

3)fS≥fr时，为电流连续模式。开关器件开通时电流为零，关断时电流较大。

三种模式的电流波形分别如图3所示。

图3 串联谐振三种工作模式电流波形图

因此，采用电流断续工作模式，开关管均工作在软开关状态，开通关断均实现低损耗[5～9]。

3.2.3 高压电源主要参数计算

由于变压器次级高压整流硅堆反向恢复时间的限制，谐振频率fr取100KHz，因此开关频率fS=0.5fr=50KHz，变换比M=V0/VB=0.9，电源效率η=0.85，输入电压VIN=190V。

其中：Z0为谐振阻抗，R′为负载等效电阻，POUT为输出功率；η为效率；Vin为预稳电源输出电压；fr为谐振频率。

计算谐振电感：

≈450μH

谐振电容：

考虑到变压器分布电容的影响，适当加大谐振电容，取C=0.01μF，则L≈254μH。

特征阻抗：

谐振回路有效值及峰值电流[10]：

变压器变比：

高压电源采用次级串联供电模式，对总电压(螺旋线电压)进行采样闭环，次极采用三绕组分开绕制,其中一组全桥整流输出电压为4.3KV,为收集极供电，变比：N1=V1/Vp=4.3KV/(190×0.8)≈29；另外两个绕组经二倍压整流后串联输出，提供收集极对地电压。变比：N2=N3=(14-4.3)KV/(2×2×190×0.8)≈16。

高压储能电容计算：

行波管最大工作比10%，最大脉宽为100μS，收集极脉内顶降小于50V，螺旋线脉内顶降小于100V，因此：

高压电源电路简图如图4所示。

3.3 实验及结果

基于以上的设计步骤，研制一台行波管高压电源，输入直流电压Vin=28V，输出电压VK=-14kV，VC=-4.3kV，输出功率POUT=65W，变换器工作频率fs=50kHz。

实测电流波形如图5所示。

图4 高压电源电路简图

图5 实测谐振电流波形

4 结语

本文介绍了一种机载行波管高压电源，该电源采用两级电压变换，高压变换部分采用零电流全桥串联谐振拓扑。该行波管电源具有体积小、重量轻、可靠性高等特点，目前已完成试飞试验，满足各项指标要求。该高压电源在机载、舰载等领域应用前景广泛。

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Design of Small Power High-voltage Power Supply Used in an Airborne TWT

LI Ke

(East China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei 230088)

The paper introduced a small power high-voltage power supply used in an airborne TWT(Traveling-wave tube).The high-voltage power supply adopted the combined structure of voltage pre-regulator and full-bridge series resonant circuit.The paper analyzed the three working modes of the full-bridge series resonant circuit,and calculated the main parameters of the high-voltage power supply.Finally,test results were given.

high-voltage power supply, series resonant, zero current

2016年7月13日,

2016年8月23日

李可,男,高级工程师,研究方向:真空管电源、星载供配电技术。

TN83

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.038