基于ZVS 自激振荡的小型钛泵高压电源设计

顾晋晋， 张永祥

（中国船舶集团有限公司 第七二三研究所， 江苏 扬州 225001）

0 引言

行波管作为微波功率放大的核心器件， 广泛应用于雷达、电子对抗、通信等领域，其工作电压高达上万伏，对电子腔内的真空度有着较高的要求， 钛离子泵 （简称钛泵）能提供超过10-6Pa 的真空度，所以一般都是通过钛泵来维持行波管的真空度，以确保行波管正常工作。 钛泵工作时需要外部提供高达几千伏的直流电压， 钛泵电源的性能将直接影响行波管的真空度， 以至整个发射机的稳定性。 因此设计一种体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的钛泵高压直流电源具有很高的应用价值[1]。

钛泵电源在发射机的内部，其体积、重量和可靠性有着较高的要求， 所以在设计时需要充分考虑电路的拓扑及结构和各部件的绝缘与散热， 由于高压电源输出电压高，变压器次级线圈匝数多，还要考虑到变压器的分布电容和漏感问题。

本文基于零电压开关自激振荡电路设计钛泵高压电源，实现了供电系统的小型化和低成本，并从工作原理、电路设计及仿真等方面做了介绍。

1 电路原理

钛泵电源的电路主要分成两个部分，电路原理图见图1，左边功率部分为ZVS 自激振荡电路，右边整流部分为四倍压电路，两部分通过变压器初级和次级连接，变压器初级线圈中心抽头。

图1 钛泵电源原理图

上电瞬间电感L1 通过的电流为零， 电源电流流经R1、R2， 经过D1、D2 稳压二极管钳位在12V 后分别送入Q1、Q2 的GS 极，此时两个MOS 管同时开通。

电感L1 上电流逐渐增加， 由于元件参数的离散型，导致两个MOS 管上DS 电流不相同，假设IQ1＞IQ2，变压器产生3 为正，4 为负的感应电压，通过变压器T1 形成正反馈，使B 点电压升高，D4 截止，此时电容C1 充电，C 点电压保持12V，Q1 保持导通， 因为Q1 导通时VDS 很小，A点近似接地，D3 导通将D 点电位强行拉低至0.7V 左右，Q2 截止。

变压器T1 初级线圈上电流逐渐增加，感应电压逐渐减小，电容C1 在放电状态，B 点电压降低，直至D4 导通时，C 点电位受B 点影响也开始减小，直到Q1 截止，同时A 点电位升高，D 点电位跟随A 点同时升高， 直至稳压在12V，随后D3 截止，此时Q2 导通，Q1 截止，变压器初级线圈中电流达到最大值并开始减小， 同时电容C1 开始充电，A 点电位达到最大值时变压器初级线圈中电流为零，然后电容C1 放电，变压器初级线圈中出现反向的电流并慢慢变大，重复之前的过程，每次线圈中电流达到最大时Q1、Q2 切换开关状态。

稳态时Q1、Q2 同时只有一只完全导通，另一只截止，占空比为50%。 此电路中电容C1 和变压器T1 的初级线圈构成了并联谐振回路，变压器初级2、4 端电压波形为正弦波。

2 实际工作电路的设计及主要元器件的选择

根据设计要求，输入直流电压Vcc=12V±10%，额定输出电压为Vout=3.2kV， 额定输出功率4W， 工作频率为40kHz。

2.1 功率电路主要元器件的选择

MOS 管上的最大电压为初级的峰值电压， 由于变压器T1 初级的抽头2 和抽头4 每隔半个周期交替接地，抽头3 的电压就相当于正弦波经过全波整流， 周期为原来的一半，并且有效电压等于Vcc，可以用公式表示为：

变压器T1 初级抽头2 和抽头4 之间峰值电压即LC振荡回路的峰值电压为：

为留有余量MOS 管选取IRFP250，耐压200V。 D1、D2选择1N4742，VZ=12V。 D3、D4 选择快恢复二极管UF4007。

2.2 整流滤波电路主要元器件的选择

电源的输出部分采用对称四倍压电路， 此电路由两个二倍压电路叠加而成，结构简单，对电容和二极管的耐压要求较小，二极管选择两个1N4007 串联使用，可以提供最高2000V 反向耐压。 电容选择10nF 的高频瓷介电容。

2.3 高压变压器设计

前面已经计算出了变压器T1 初级电压V=37.68V

变压器T1 次级电压为Vs=3200/4=800V

此时变压器的变比为：

式中，K0=0.4 为窗口使用系数，Kf=4 为波形系数，磁芯选择Mn-Zn 铁氧体磁芯，Bw=0.12T 为工作磁通密度，Kj=366 为电流密度比例系数，X=-0.12 为所用磁芯的常数。

经计算AP=0.03cm4，查阅磁芯手册，选择EE-13 型磁芯，其AP=0.057，此时磁芯的有效截面积Ae=0.171cm2。

变压器初级匝数为：

绕制变压器线圈时应该采取分段分组绕制的方式，减小每层匝数同时增加层数，这样可以有效地减小分布电容。

3 电路仿真

根据以上数据的计算， 通过Multisim 软件搭建电路进行仿真分析，仿真电路见图2，其中R7 为负载。

图2 仿真电路

由于本次设计的电路采用非反馈电路结构， 输出电压会随着负载的变化而变化。当行波管内电子腔真空度正常时，负载相当于无穷大，输出电压达到最大值，此时取R7=200MΩ，输出电压波形图见图3，约为3.4kV。

图3 空载时输出电压仿真波形

当钛泵电源刚启动时，行波管内电子腔真空度较低，此时电源处于满载状态，输出功率达到最大值，取R7=2 MΩ，输出电压波形图见图4，约为2.86kV，输出功率约为4.1W， 此时钛泵能够正常工作并快速使电子腔内达到要求的真空度，满足设计要求。

图4 满载时输出电压仿真波形

4 结论

本文设计了一种小型钛泵高压电源， 介绍了其电路原理和高压变压器的设计方法， 并通过仿真软件对该电源进行了验证，该电源结构简单，电子元器件较少，在实现小型化的同时，其性能满足设计要求。