一种小型化行波管高压电源的设计

2013-08-10 05:23朱元江
舰船电子对抗 2013年4期
关键词:电感电容波形

朱元江,王 磊

(船舶重工集团公司723所,扬州225001)

0 引 言

随着技术的不断进步,高压电源已趋向于小体积、大功率、高效率和低纹波等方向发展[1-2],其中小体积和高效率使得高压电源的应用前景更加光明。在减小体积和重量的前提下,不断提高高压电源的效率从而提高可靠性是工程师们追求的目标,高压电源因其特殊的应用背景,在设计时需要考虑的问题更趋复杂化。例如:交叉调整率、适应脉冲负载特性、抗短路特性等。本文介绍的小型化行波管高压电源具备了上述特点,适用于航天、无人机平台和弹载平台等特殊应用领域。

1 变换器的原理及特点

1.1 变换器的理想特性

为实现高压电源的高效率和小体积,应用于高压电源的拓扑必须具备以下特征[3]:

(1)利用变压器和功率开关管的寄生参数,实现主功率开关管以零电压开关(ZVS)方式通断,以减小开通损耗和提高效率,提升变换器的可靠性;

(2)为了便于优化变换器谐振参数,应保证开关频率的恒定,实现最优的电路工作方式;

(3)输入输出应分别满足电流源特性和电压源特性,以适应高电压场合的特殊应用;

(4)尽可能降低变压器的变比,减小次级映射到初级的分布电容,以减轻由于分布电容带来的不利影响;

(5)高压电源应能适应脉冲负载特性和宽输入电压变化。

1.2 变换器的等效电路和工作原理

如图1所示,该变换器为电流馈电型主动箝位推挽隔离DC-DC变换器,S1和S2为主开关管,CS1和CS2分别为S1和S2的输出电容,DS1和DS2分别为S1和S2的体二极管,Sa1和Sa2为辅助开关管,Csa1和Csa2分别为Sa1和Sa2的输出电容,Dsa1和Dsa2分别为Sa1和Sa2的体二极管,CT为箝位电容,Lin为输入电感,图中虚线标注的为功率变压器T1,Ld1和Ld2为谐振电感,DR1和DR2为高压整流二极管,CR1和CR2为倍压电容,C0为储能电容,R0为等效负载。

图1 电流馈电型主动箝位推挽隔离DC-DC变换器

根据实际的工作过程,将变换器的工作过程分为5个阶段:

(1)(t1~t2)S1和S2同时导通,此时流过开关管S1和S2的电流大小一致,方向相反,初级不向次级馈能,输入电感Lin存储能量。

(2)(t2~t3)S1以零压方式关断,此时由于电感Ld1的续流作用,对CS1和Csa1分别进行充放电,当Cs1的电压充至箝位电压UCT,Csa1上的电压为零时,Sa1的体二极管Dsa1导通,此时存储于电感Ld1的能量转移至箝位电容CT中。这个过程中,当开关管S1和S2的电流大小不一样时,初级向负载馈能。

(3)(t3~t4)Sa1导通,由于箝位电容电压 UCT的作用,流过电感Ld1的电流逐渐减小,直至反向,此时箝位电容上的能量转移至变换器。

(4)(t4~t5)Sa1关断,由于电感Ld1的续流作用,对电容Csa1和CS1分别进行充放电,直至主开关管S1上的电压为零,电流通过体二极管。

(5)(t4~t5)主开关管S1导通,流过电感Ld1的电流逐渐减小,直至反向,当流过Ld1的电流与流过Ld2的电流大小一致、方向相反时,此过程回到阶段(1)。

1.3 变换器工作的理论波形

图2给出了驱动和电路各状态的电流和电压波形,wS1和wS2为主开关管驱动控制波形,wSa1和wSa2为辅助开关管的驱动控制波形,IS2和VS2分别为主开关管S1上的电压和电流波形,Vsa2和Isa2分别为辅助开关管上的电压和电流波形,ILd1为流经电感Ld1的电流,ILin是流经电感Lin的电流。从图中可以看出,该拓扑是以ZVS方式工作的。

2 高压电源的设计

由于行波管为二级降压收集极,行波管需要几组电源,为了减小高压电源的体积,高压电源采用串联供电的方法来实现行波管收集极和管体电源。

所谓的串联供电,指的是利用一个变换器同时产生行波管的阴极电压和收集级电压,通过对阴极电压的取样来实现稳压,收集级的电压通过变换器的交叉调整能力和变压器的绕制来实现。

图2 变换器工作的理论波形

为了进一步优化谐振参数,便于滤波电路设计[4],高压电源控制基于脉宽调制方式,开关频率固定为100kHz左右。由于输出电压高,变压器的初次级变比较高,为减少变压器初次级变比高所带来的寄生参数问题,采用倍压和多组输出串联方式,如图3所示。

图3 高压电源电路图

3 电路参数的设计

在高压电源设计中,高压电源变压器采用扁平结构,以减小体积。设定开关频率f为90kHz,最大占空比D为0.68,变换器的增益q为2,阴极高压输出Vout为7.5kV,高压电源变压器的总变比确定为:

变压器完成绕制后,参数如下:初级电感Lp为60μH,漏感Ld为在0.3μH,变压器的分布电容Cp约为10pF。为满足谐振和箝位要求,谐振电感选为5μH,箝位电容选为1μF。

4 实测波形

图4~6分别给出了主开关管S1的电压和电流波形,其中A路为电压波形,B路为电流波形。图4为输出功率达到200W时主开关管S1的电压和电流波形,图5为输出功率达到100W时主开关管S1的电压和电流波形,图6为空载时主开关管S1的电压和电流波形。从图中可以看出该高压电源可以工作在不同负载条件下,并能保证开关管工作在ZVS状态。

图4 高压输出200W主开关管电压、电流波形

5 结束语

本文介绍了一种小型化行波管高压电源,该高压电源采用电流馈电型主动箝位推挽隔离DC-DC变换器结构,并对其工作模式进行了详细的分析。通过实验表明:该拓扑有很好的ZVS特性,在不同负载条件下,得到了功率管的实测电压和电流波形。最后进行了满功率测试,该高压电源输入电压30V,输入电流7A,输出功率为1 9 6W,效率为94%,阴极输出电压为-7 508V,收集级1输出电压为-3 215V,收集级2输出电压为-4 302V,收集级1和收集级2空满载电压变化率小于5‰。试验证明该高压电源效率高、体积小、重量轻、负载调整率好。该高压电源在航空航天、弹载和星载等领域应用前景广泛。

图5 高压输出100W主开关管电压、电流波形

图6 高压输出空载主开关管电压、电流波形

[1]沙文祥,李刚,张宗濂.机载行波管发射机电源系统[J].电子工程师,2006,7(32):32-35.

[2]Tala-tghil B,Nyobe-Yome J M,Glaize C.High-voltage variable-frequency double-resonant dc-dc converters utilizing the transformer parasitic elements[A].Proceeding of The European Space Power Conference[C].Austria,1993:245-250.

[3]Ivo Barbi,Roger Gules.Isolated DC-DC converters with high-output voltage for TWTA telecommunication voltage for TWTA telecommunication satellite applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(4):975-984.

[4]柏光东,徐晓荣,陈永浩.一种超宽带中功率 MPM的设计[J].雷达科学与技术,2009(7):397-400.

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