空间行波管用 LCLC 谐振变换器的研究

赵 斌 王 刚 王东蕾 陈 宇 毕 磊



空间行波管用 LCLC 谐振变换器的研究

赵 斌*①②王 刚②王东蕾②陈 宇②毕 磊②

①(中国科学院电子学研究所空间行波管研究发展中心 北京 100190)②(中国科学院大学 北京 100049)

该文研究了LCLC谐振变换器在空间行波管放大器中的应用。基于电路分析的方法，研究了工作于零电压和零电流状态下的LCLC谐振电路的工作原理，并得到了各个工作模式的等效电路；基于该电路的工作原理，推导了该电路的参数；为验证分析的正确性，在PSIM仿真软件中对其进行仿真，并将仿真结果与计算结果进行了对比，仿真结果与分析结果高度一致；最后，设计了输入20 V，输出4600 V，开关频率200 kHz，输出功率280 W，效率高达93.38%的LCLC谐振变换器。仿真结果与实验结果都证实了分析的有效性。

空间行波管放大器；LCLC谐振电路；零电流；零电压

1 引言

空间行波管放大器由两部分组成：电子功率调节器(EPC)和空间行波管。空间行波管放大器广泛应用于雷达、卫星通讯与电子对抗。电子功率调节器作为空间行波管放大器的重要组成部分，为行波管的阴极、灯丝、收集级以及磁聚焦等部分提供合适的电压。因此，其性能的好坏直接影响到整个空间行波管放大器[4,5]。

在空间行波管放大器中，通常采用两级变换[6]。通常，第1级变换是具有功率因数校正模块的Buck或Boost预稳电路，将太阳能电池板上的电能，转变为适用于第2级变换的电能，同时需要保持较高的效率。在第2级变换中，通常是谐振电源，保证效率，同时得到负载需要的电压与电流。因此，第2级变换是整个2级变换器的关键部分，决定整个变换器的性能。因此，本文主要研究第2级变换。

在之前的研究中， LCLC, LCC和LLC被应用于高压谐振电源。在LCC[7,8]谐振电路中，忽略了变压器的励磁电感。但是在高压应用中，为得到高电压输出，初级的匝数有限(一般小于5匝)，初级励磁电感的影响不能忽略；在LLC谐振电路中，由于变压器等效到初级的电容阻抗大而被忽略。然而，在高压应用中，由于高电压的变比，变压器初级存在等效电容，此等效电容不能忽略。LCLC谐振电路具有4个谐振元件，即串联电感(一般使用变压器漏感)，串联电容(需要外加)，变压器初级的等效电容()以及变压器的励磁电感。此外，通过选择恰当的开关频率与占空比，能够同时实现开关管和高压整流二极管的零电压零电流开关。因此，LCLC谐振电路更适合第2级变换。

本文包含以下部分。在第2节，主要阐述了LCLC的工作原理；在第3节，推导了LCLC谐振变换的计算公式；第4节，在PSIM软件中，仿真了LCLC谐振变换器；第5节，设计了输入20 V，输出4600 V，输出功率280 W的LCLC谐振变换器，证明了该谐振变换器的优势；第6节，总结全文。

2 LCLC谐振变换器的工作原理

这一节主要讨论LCLC谐振变换器(图1)的工作原理。理论上，LCLC谐振变换器的波形如图2所示。LCLC谐振变换器的分析基于以下假设：

图1 倍压整流输出全桥LCLC谐振变换器

图2 理论波形

(1)电路中的元件为理想元件，变换器效率为100%。

(2)C和L的谐振周期远大于模式2和模式5的时间(和)，即：,。

模式1的等效电路如图3(a)所示。阶段1开始之前，谐振电流()为0，开关管和的寄生电容和上的电压也为0，整流二极管的电压、电流也为0。此外，变压器初级等效电容上的电压已上升至，整流二极管导通，被钳位。在时刻，开通和，由于谐振电流为0,和的寄生电容和上的电压也为0，因此，实现了开关管的零电压零电流开通；此外，整流二极管的电压电流也为0，因此，同时，实现了整流二极管的零电压零电流开通。

(1)

(3)

由于开关管关断时，谐振电流为0，同时开关管寄生电容上的电压为0，因此实现了零电压零电流关断。

图3 等效电路

模式3的等效电路如图3(c)所示。当1和4关断之后，阶段3开始。在模式3中，在开关管的寄生电容(,,和)、漏感()、变压器初级的等效电容()、串联电容()以及励磁电感()之间发生复杂的谐振过程。模式3的域等效电路如图4所示。

图4中的等效电路用方程组表示为

由式(5)可以解得

(6)

(8)

(9)

3 LCLC谐振变换器的设计公式

在这一节，推导LCLC谐振变换器的公式，包含：传递函数、初始条件以及谐振变换器工作过程中的主要参数。

3.1 传递函数

(11)

3.2 初始励磁电流

在稳态下，励磁电流满足对称性，再由式(2)得到，初始励磁电流为

在半个周期内，初级电流的平均值为

此外，初级绕组的平均电流可以通过次级计算，即

(14)

结合式(13)和式(14)，可得

由式(1)和式(15)可得，谐振电流峰值为

由LCLC谐振变换器的理论波形可知，开关周期为

(20)

由有效值的定义，谐振电流有效值为

4 PSIM软件仿真论证

本文首先提出了一种基于相等输出功率的简化高压变压器结构的单次级绕组结构；其次，在PSIM仿真软件中对LCLC谐振电路进行了仿真分析，并与第3节得到的公式所计算结果进行了对比。仿真参数如表1所示，仿真与计算结果对比如表2所示。

4.1 简化高压变压器的单次级绕组结构

由于行波管工作时需要多个电压，因此，通常使用如图6(a)所示的高压变压器结构。在图6(a)所示的高压变压器中，初级有1个绕组，次级往往有多个绕组，每个绕组接倍压整流电路后串联，从而得到多个电压输出。但图6(a)所示的结构，增加了仿真与设计的复杂程度。基于相同的输出功率与输出电压，本文提出了如图6(b)所示的单次级绕组结构。为得到相同的功率输出，两种结构的负载为

仿真结果如图7所示。

由仿真结果可见，当谐振电流为0、开关管1和4寄生电容电压为0时，开通和，实现了和的零电压零电流开通；当谐振电流为0、开关管和寄生电容电压为0时，关断和，实现了和的零电压零电流关断。同时，也实现了整流二极管的零电流零电压开启与关断。与理论分析一致。

图4 模式3的s域等效电路            图5 模式3的部分电路

图6 原始结构与单次级绕组结构

图7 原始结构与单次级绕组结构的仿真结果

表1 仿真参数

表2 仿真结果与计算结果的对比

此外，3种结构的仿真结果完全一致(只有整流二极管的电压不同，但不影响对整个电路的分析)。因此，分立负载结构和单次级绕组结构可以用于研究LCLC谐振变换器。由表2可知，对LCLC谐振变换器的主要参数的计算，与仿真结果高度一致，从而证实了计算结果的正确性。

5 实验论证

基于对LCLC谐振变换器的分析，设计了输入20 V，输出4600 V，功率280 W，开关频率为200 kHz，效率高达93.38%的LCLC谐振变换器。并搭建了高压测试平台，对所设计的变换器进行了测试。仿真波形如图8(a)所示，测试结果如图8(b)所示。

高压侧(整流二极管的电压电流波形)的仿真波形如图9(a)所示，测试波形如图9(b)所示。由图9可知，类似于图8，高压侧同时实现了零电压零电流开通和关断。实验结果与理论分析、仿真结果一致。

在不同的输入电压条件下，测试了变压器的效率，为保证所测试效率的准确性，所有的测试均在变换器工作10 min之后进行。变换器效率随输入电压的变化如图10所示。

由测试结果可知，在输入电压为20 V，输出电压为4600 V，输出功率为280 W，开关频率为198 kHz的工作状态下，变换器效率为93.38%。

6 结束语

本文对LCLC谐振变换器进行了研究。LCLC谐振变换器的优势有：功率开关管(全桥开关管和高压侧整流二极管)工作于零电压零电流状态，从而提高了变换器效率；采用LCLC谐振拓扑，谐振腔利用了高压变压器的所有寄生参数。

基于两个假设，给出了LCLC谐振拓扑的工作原理；通过理论计算与PSIM仿真，证实了LCLC谐振拓扑的工作原理；对LCLC主要电路参数进行了计算，理论计算结果与软件仿真结果具有很好的一致性，计算公式可用于电路以及变压器设计；最后，设计了输入为20 V，输出电压为4600 V，输出功率为280 W，开关频率为198 kHz的LCLC谐振变换器，变换器效率为93.38%。

由于开关管的损耗被降到最低，因此，本文提出的LCLC谐振变换器适于高频率、高功率密度、高效率与高压应用。接下来的工作将集中在LCLC谐振变换器的参数优化。

图8 低压侧(开关管)的仿真与实测波形

图9 高压侧(整流二极管)仿真波形与实测波形           图10 输入效率随输入电压的变化

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Application of LCLC Resonant Converters for Space Travelling-wave Tube Amplifiers

ZHAO Bin①②WANG Gang②WANG Donglei②CHEN Yu②BI Lei②

①(,,,100190,)②(,100049,)

The application of LCLC resonant converters for space Travelling-Wave Tube Amplifiers (TWTAs) is investigated in this paper. Based on the working principles under Zero Current Switching (ZCS) and Zero Voltage Switching (ZVS), the equivalent circuit of each mode is derived. In addition, the parameters in each mode are also calculated. In order to validate the effectiveness of the analysis, PSIM simulations are carried out and the results are in accordance with the calculated results. Finally, an LCLC resonant converter with 20 V input, 4600 V output, switching frequency 200 kHz, 280 W output power, 93.38% efficiency is designed. Both the simulation results and the experimental results validate the effectiveness of the analysis.

Space Travelling-Wave Tube Amplifiers (TWTAs); LCLC resonant converters; Zero Current Switching (ZCS), Zero Voltage Switching (ZVS)

TN124; TN86

A

1009-5896(2017)02-0482-07

10.11999/JEIT160334

2016-04-07；改回日期：2016-10-14；

2016-12-02

赵斌 zkyzhaobin@sina.com

赵 斌： 男，1988年生，博士生，研究方向为平面变压器在LCLC谐振变换器中的应用.

王 刚： 男，1971年生，研究员，博士生导师，研究方向为空间用高压电源技术、微波电子信息系统与电路.

王东蕾： 男，1974年生，研究员，研究方向为高压电源技术.

陈 宇： 男，1976年生，助理研究员，研究方向为空间行波管电源技术.

毕 磊： 男，1981年生，工程师，研究方向为空间行波管电源技术.