一种两级降压收集极行波管发射机高压电源的设计方法

赵 腊,朴海飞,陈 威,黄光华

(1. 海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京210003; 2. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153；3. 中国人民解放军91910部队,辽宁 大连116002)

一种两级降压收集极行波管发射机高压电源的设计方法

赵 腊1,朴海飞2,陈 威2,黄光华3

(1. 海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京210003; 2. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153；3. 中国人民解放军91910部队,辽宁 大连116002)

为提高真空管发射机的工作效率,减小发射机的体积和质量,行波管发射机常采用多级降压收集极形式,可将行波管发射机的效率从18%(约)提高到45%(约)。详细介绍了一种高效、小型化两级收集极行波管发射机高压电源的设计原理和关键技术,并通过仿真验证了设计的可行性。

行波管;高压电源;两级降压

0 引 言

行波管广泛应用于雷达、通讯、广播、电子战、高功率等电子设备中,是一种非常重要的微波器件。在行波管中,电子动能转化为高频场能量,而电子注与行波场的相互作用又要求维持同步条件,因而电子效率比较低。采用多级降压收集极,可以提高装置总的效率,减轻电源的体积、质量、热耗,相应减少冷却装置的设备量。行波管发射机中阴极电源以大地为参考点位,功率小但对纹波、稳定性要求较高。收集极电源是以阴极电压为参考的,输出功率大但稳定性要求不高。要实现高稳定度的阴极电源和阴极高电位上的收集极多路大功率电源具有一定的设计难度。本文主要介绍一种两级降压收集极行波管发射机高压电源的设计方法。

1 降压收集极发射机供电系统的实现方法

多级降压收集极行波管发射机需要阴极高压电源和各级收集极高压电源。阴极电源要求稳定度高、纹波小,功率要求相对较小,一般为几百到一千多瓦,而各级降压收集极电源对稳定度要求不高,但对电流要求大,功率等级为几百到几千瓦。收集极电压是以阴极电位为参考电位而不是以大地为参考电位,因此收集极电源的控制相对比较复杂。阴极电源和收集极电源可以串联工作也可以并联工作。

1.1 多次级整流串联输出

多次级整流串联输出是在高频开关变压器的次级设置多个输出绕组,每个绕组的匝数根据各级电压压差和初次级绕组的电压、匝数来确定。每个绕组独立整流滤波,然后将整流后的电压串联输出,如图1所示。多次级整流串联输出电路比较简单,只需要闭环阴极电压,各收集极电压根据变比和脉冲宽度被动稳压。这种电路的优点是由于合用一组控制电路及高压变压器使体积可以做得比较小,而其缺点是每个绕组的电压变化会影响整个串联输出的电压,也就是收集极电压的稳定度会影响阴极电压的稳定度。所以,为了保证阴极电压的稳定度,阴极电源就必须有较好的动态响应和滤波措施。

图1 多次级整流串联输出电路

1.2 多次级整流并联输出

多次级整流并联输出电路同串联输出电路类似,只是将阴极电压绕组和各收集极绕组分开,使收集极电压纹波不会影响到阴极电压,如图2所示。

图2 多次级整流并联输出电路

多次级整流串联输出电路由阴极电压取样实现闭环控制,收集极电压通过线圈的磁耦合来从动稳压。多次级整流串联输出电路的优点和多次级整流串联输出电路一样,由于合用一组控制电路及高压变压器使体积可以做得比较小,其缺点是收集极电源的稳定度低,纹波较大,收集极电压不能单独调整。

1.3 多路电源独立输出

为了方便阴极电压和各收集极电压独立调整,可以采用多组独立的电源给阴极和各收集极供电,如图3所示。由于电源各自独立,因此每种电源的主电路、输出电路可以根据需要自由选择。主回路可以选择零电压开关多谐振模式、全桥移相模式或串联谐振模式,输出电路可以选择全桥或半桥电路,升压方式可以选择倍压模式也可以选择变压器绕组模式。

图3 多路电源并联输出电路

多路电源独立输出供电方式可以根据不同行波管阴极电压和各收集极电压需求分别进行电压调整,彼此不受牵连,电压调整灵活,适应范围宽,只是体积和质量较大,不适用于高密集度要求的设备。

1.4 倍压整流串联输出

当各级收集极的电压和阴极电压成一定比例关系时,可以采用全波倍压整流电路来输出各级的电压,如图4所示。这种全波倍压电路纹波小,电路简单,可以通过设置高频变压器的变比和倍压电路的级数来调整各个输出电压的高低。阴极电压和收集极电压都是高

图4 倍压整流串联输出

频变压器次级输出电压的整数倍。当各级收集极的电压差异较大时,倍压整流串联输出电路就不太适用。此电路的控制回路简单,只需要取阴极电压作为闭环的反馈电压即可。

2 高压电源设计

高压电源指标:阴极电源电压/电流-24 kV/50 mA，第一收集极电源电压/电流 +18 kV/150 mA，第二收集极电源电压/电流+12 kV/450 mA。

2.1 供电电路形式的选择

阴极电源和收集极电源分开并联给行波管供电。阴极电源稳定度和纹波要求高,独立为行波管供电,收集极电源稳定度和纹波要求不高。考虑电路设计的一致性和维修性,阴极电源和收集极电源都采用倍压整流输出电路。

兼顾电压调整的需要、纹波的要求,选择图5所示的电路形式。

图5 高压电源电路

根据不同行波管的阴极和收集极电压要求可以选择合适的倍压倍数。在本文中阴极电源采用6级倍压整流输出。收集极电源升压过程是:收集极高频电压信号经高频变压器升压成一定的交流电压,再经6级倍压电路得到6倍的直流高压,经电容滤波后输出第一收集极电压,从4级倍压处输出第二收集极直流高压。

2.2 主回路电路设计

主回路形式可以选择零电压开关多谐振模式、全桥移相模式或串联谐振模式。零电压开关多谐振模式的工作频率高。全桥移相模式的由于存在一定工作比的丢失,效率相对低[1]。串联谐振模式的主回路工作电流大,工作频率低。选择零电压开关多谐振电路形式,主回路工作频率200 kHz,选择高频MOS管作为主回路的开关管。

零电压开关多谐振电路采用零电压开通、软关断电路实现,因而具有开关损耗小、电磁兼容性能好(di/dt、du/dt小)等优点。又由于谐振电感串联在变压器初级,因此该电路具备抗高压打火的功能,其原理框图如图6所示。

图6 零电压开关多谐振电路

一个开关周期可以分为两个谐振周期,各谐振周期按开关器件导通情况和能量传递方向分为4种工作模式:

模式1:VT1、VT4导通,VT2、VT3截止,变压器次级电路折算到初级等效为一个恒压源,在此过程中Uin经VT1、Lr、VT4将能量传递给Uo。

模式2:VT1～VT4均截止,即死区时间内的谐振过程,谐振电感电流维持原方向,将C2、C3两端的电量传递给C1、C4,只要Lr的能量足够大,死区时间足够长,当C2和C3的电压降为零、C1合C4的电压升为Uin时就能实现VT2和VT3的零电压导通条件。

模式3:谐振电感电流由VD2、VD3续流维持原方向,直至电流谐振到零。VT2、VT3的导通信号需在电感电流到零之间到达,否则C2、C3会再被充电,无法实现VT2、VT3的零电压导通。

模式4:VT2、VT3导通,变压器次级电路折算到初级不再等效为恒压源而等效为电容,即变压器次级谐振电容折算到初级的等效电容。变压器初级电压由Uo谐振至-Uo,完成变压器的谐振换向。

变压器换向结束后,Uin经VT2、Lr、VT3将能量传递给-Uo,电路进入下一个谐振周期,谐振过程类似。

2.3 控制电路:定频定宽的间歇式控制

通过间歇式地控制电源功率开关管的开通和关断[2]来实现电源稳压,原理框图如图7所示。

图7 间歇式控制驱动原理框图

电源主回路采用的是零电压多谐振软开关技术,控制电路采用MC33067P产生驱动型号。对于该控制芯片的原理不作赘述。MC33067P输出两路固定频率、固定死区时间的驱动信号。同时,从电源输出端采样的反馈电压与基准电压通过PID电路比较运算,得到误差电压。将误差电压通过放大电路放大后,得到稳定可靠的间歇控制信号,MOS驱动芯片FOD3182同时受到驱动信号和间歇控制信号的控制:当反馈电压低于基准电压时,间歇控制信号为高电平,此时MOS管按零电压多谐振方式谐振工作;当反馈电压高于基准电压时,间歇信号为低电平,此时MOS驱动芯片不产生驱动脉冲,电源停止谐振,不工作。主回路电路在谐振工作状态和停止谐振状态交替进行,以实现电源稳压。

与PWM控制方式相比,间歇控制方式脉宽和死区都固定,能实现高压电源在全功率范围和宽电压范围内的零电压多谐振软开关,便于谐振参数的设计。与PFM方式相比,间歇控制方式开关频率固定,在空载或轻载下开关损耗小、电源效率高,且可等效为一种线性控制方式,有利于PID控制参数的调节整定。

3 仿 真

用MATLAB仿真了图5中收集极电源的工作过程,可以得到如图8所示第一收集极电压和图9所示第二收集极电压。将第一收集极电压和第二收集极电压展开后,如图10和图11所示。

图8 第一收集极电压波形

图9 第二收集极电压波形

图10 第一收集极电压波形

图11 第二收集极电压波形

仿真得到的第一收集极和第二收集极输出电压值和高频纹波能够满足两级降压收集极行波管对收集极电源的要求。

4 结束语

发射机的性能和指标与行波管的性能和指标息息相关,而一个好的行波管更离不开一个稳定可靠的高压电源。本文介绍的就是针对降压收集极行波管所设计的一种高压电源,目前基本功能和指标都已经满足,输出效率达到0.90以上,性能、体积、质量皆满足要求。

[1] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2002.

[2] 朱永亮,葛士波,马慧.10kV/5kW机载发射机高压电源的设计[J].现代雷达,2008(4).

Design of high-voltage power supply of a TWT transmitter with two-stage voltage reduction collectors

ZHAO La1, PIAO Hai-fei2, CHEN Wei2, HUANG Guang-hua3

(1.Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003; 2.No.724 Research Institute of CSIC,Nanjing 211153;3.Unit 91910 of the PLA,Dalian 116002,China)

In order to improve the working efficiency of the vacuum-tube transmitter and reduce the size and weight of the transmitter, the TWT transmitter often adopts the multi-stage voltage reduction collectors, making the working efficiency improved from 18% to 45% approximately. The design principle and key technology of the high-voltage power supply of a high-efficiency miniature TWT transmitter with the two-stage collectors are introduced in detail, and the feasibility of the design is verified through the simulation.

TWT; high-voltage power supply; two-stage voltage reduction

2017-03-27;

2017-04-07

赵腊(1986-),男,工程师,硕士,研究方向:雷达总体;朴海飞(1982-),男,高级工程师,学士,研究方向:发射技术;陈威(1985-),男,工程师,硕士,研究方向:发射技术;黄光华(1982-),男,高级维修工,研究方向:雷达总体。

TN832

A

1009-0401(2017)02-0051-04