一种星载脉冲行波管高压电源的设计

朱元江，王 磊，刘 禹

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种星载脉冲行波管高压电源的设计

朱元江，王 磊，刘 禹

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

介绍了一种星载脉冲行波管高压电源。该高压电源主功率输出采用电流馈电型主动箝位推挽隔离DC-DC变换器结构，灯丝及其它辅助供电采用LLC架构。脉冲高压电源输出最高电压为8 kV，脉冲重复频率最高可达100 kHz，脉冲宽度为1～100 μs，高压电源最大输出功率为400 W，效率大于90%，重量小于3 kg。测试结果表明该型高压电源具有电源体积小、重量轻、效率高、保护措施完善、负载调整率好等特点，适用于星载应用。

脉冲高压电源；星载；体积小；高效率

0 引 言

脉冲高压电源已趋于向小体积、大功率、高效率和低纹波等方面发展[1-2]，尤其在一些特殊的应用场合，比如星载应用场合，其对脉冲高压电源的体积、效率、重量和可靠性等方面要求苛刻，这就迫使脉冲高压电源必须具有极高的效率，以减轻脉冲高压电源的热设计压力，为体积和重量的减小提供了可能，随之可以大大提高脉冲高压电源的可靠性。脉冲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。本文介绍的星载脉冲行波管高压电源具备了上述特点，经过改进设计还可适用于无人机平台、弹载平台、机载平台等其它特殊应用领域。

1 主功率变换器的形式

1.1 主变换器拓扑选择

该高压电源满载功率容量为400 W。考虑到星载环境及该模块特殊的应用方式，同时为尽可能地适应42 V供电总线，在设计中优选了一种零电压软开关(ZVS)电流馈电型主动箝位推挽DC-DC变换器，该变换器具有如下特性[3]：

(1) 高频开关特性，以减小感性及容性元件体积；

(2) 软开关特性，同时需使用线路中各分布参数作为缓冲元件的特性；

(3) 固定工作频率(具备整机同步能力)，以达到整机时统要求；

(4) 高压输出具有部分电压源特性；

(5) 拓扑输入具有电流源特性，以减小对供电的污染；

(6) 具有拓扑升压特性，以减小变压器升压比；

(7) 具有好的负载调节能力，以适应脉冲负载特性；

(8) 具有小的di/dt电流馈送特性，减小高压整流管功耗和输出高频噪声。

该变换器理论输入电压范围为26 ～44 V，理论变换器效率可达94%以上。该变换器成功应用于多型机载、弹载装备，稳定可靠。具体变换器拓扑形式如图1所示。

图1 主功率变换器拓扑电路图

如图1所示，开关S1、S2为主功率开关，Sa1、Sa2为相应辅助电压钳位开关。主开关提供主功率通道，辅助开关只提供变压器部分功率。

设计中将主功率开关设计为交叠导通模式，即使用该线路的Boost升压特性，在变压器初级电感和谐振电感满足一定要求的前提下，该线路可实现在全负载范围内的ZVS特性。

1.2 变换器参数设计

(1) 一般性输入参数：输入电压Vin=28 V±2 V，输出功率Pout=400 W，开关频率Fs=80～100 kHz(可调节)。

(2) 变换器参数预期：静态增益为2；变压器映射电容为20 nF；变压器漏感为0.5 μH。

(3) 变换器主要参数数学解析式：

变换器初级电流：

(1)

(2)

变换器增益损失比：

(3)

(4)

变换器实际工作比：

(5)

(6)

钳位电压应力：

(7)

(8)

ZVS条件：

(9)

式中：Vop为变压器初级电压；VG为电容CT上的电压；Zn为谐振环路的阻抗。

联解以上关系式，在满足励磁前提下校核Lm值，如可大于上式所规定的Iin值即可满足全负载条件ZVS开关。可解出：谐振电感Ld=3 μH,最大占空比Dmax=0.84,最小占空比Dmin=0.22。

2 灯丝及浮动栅极调制器的设计

2.1 变换器拓扑

选择LLC谐振半桥架构作为该变换器拓扑，该拓扑可实现多路输出，并具有较为良好的交叉调整，稳定可靠。变换器电路形式如图2所示。

该变换器设计中取工作频率等于谐振频率，为100 kHz，品质因数Q=4(按最大功率取值)，则谐振电感Lr=50 μH，谐振电容Cr=0.05 μF，开关管电流应力为Imax=1.6 A，电压应力为Vmax=30 V。开关管可选用与高压链路同型的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。

图2 灯丝变换器拓扑电路图

2.2 浮动稳压环的设计

该变换器是一个典型的多输出稳压电源，将输出功率最大及对稳定度要求最高的灯丝输出组作为主稳压通道，采用基于幅度调制的芯片作为浮动稳压误差处理及传输器件，考虑到检波管特性及处理电磁兼容的能力选取传输载波频率为700～800 kHz。稳压电路如图3所示。

图3 浮动稳压环电路

灯丝电源输出电容取多个电容并联，以提升灯丝电压的稳定度和降低灯丝纹波，减小由于灯丝稳定度和纹波带来的相位误差。

2.3 栅极调制器

栅极调制器的输出引入保护钳位网络，以在行波管出现高压跳火时保护行波管和栅极调制器免受高压损伤。栅极调制器电路框图如图4所示。

图4 栅极调制器电路框图

3 EPC控制及保护设计

3.1 EPC控制及保护模拟部分

高压变换器设计方案的变换器实现拓扑形式中，4个MOSFET开关必须以特定的开关时序进行开关控制，控制时序如图5所示。

要实现以上控制时序目前没有专用控制芯片，通过采用UC公司的移相控制芯片附加简单的或、与逻辑将原基础控制芯片的4路控制信号转换为本设计所需的控制时序。

图5 控制时序

该高压电源属高电压脉冲工作方式行放电源，为保护行波管及EPC本身在出现异常状况下不出现损坏，就必须对EPC的控制保护着重加以设计。行波管放大器的行保护功能如表1所示。

表1 行放保护功能

3.2 EPC控制及数字保护部分

控制模块由现场可编程门阵列(FPGA)、电源管理电路和外围接口电路组成。其中FPGA为核心，解析来自主控机的指令，控制EPC的工作。控制模块电路示意图如图6所示，其中虚线内为FPGA的内部电路，其它部分为外部分立芯片。

图6 控制模块电路框图

4 实测波形和实物

主功率变换器开关管电压电流波形如图7、图8所示。

图7 高压输出400 W主开关管电压电流波形

图8 高压输出空载主开关管电压电流波形

灯丝变换器开关管电压电流波形如图9所示。

图9 灯丝变换器开关管电压和电流波形

栅极调制器输出波形如图10所示。实物如图11所示。

图10 栅极调制器输出波形

图11 星载脉冲行波管放大器实物图

5 结束语

本文介绍了一种星载脉冲行波管高压电源，该高压电源主功率供电采用电流馈电型主动箝位推挽隔离DC-DC变换器结构，灯丝及其它辅助供电采用LLC架构。该高压电源最大输出电压为-8 kV，最大输出功率为400 W，效率可达90%，各收集级空满载电压变化率小于5‰。试验证明该脉冲高压电源效率高、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。

[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，2006，32(7):32-35.

[2] Talatghil B,Nyobe Yome J M,Glaize C.High voltage variable frequency double resonant dc-dc converters utilizing the transformer parasitic elements[A].Proceedings 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 TWTAtelecommunication voltage for TWTA telecommunication satellite applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(4):975-984.

Design of A Satellite-board High-voltage Power Supply Based on Pulse Traveling Wave Tube

ZHU Yuan-jiang,WANG Lei,LIU Yu

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001,China)

A satellite-board high-voltage power supply based on pulse traveling wave tube (TWT) is introduced in this paper.The isolated DC-DC converter with current-feed active-clamp push-pull structure is employed for main power output of the high-voltage supply.The LLC converter structure is employed for filament and other assistant power supplies.The maximum output voltage of pulse high-voltage power supply is 8 kV，the maximum pulse repeat frequency can be 100 kHz,pulse width is 1～100 μs,the maximum output power of high-voltage power supply is 400 W,the efficiency exceeds 90%,the weight is less than 3 kg.Test results indicate that the high-voltage power supply has the features such as small volume,light weight,high efficiency,perfect safeguard,good load regulation and so on,which is suitable for satellite-board application.

pulse high-voltage power supply;satellite-board;small volume;high efficiency

2014-08-06

TM89

B

CN32-1413(2015)01-0101-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.024