張 言，徐 偉

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所， 南京 211153)

陰調(diào)脈沖發(fā)射機(jī)中高壓電源的抗干擾設(shè)計(jì)

張 言，徐 偉

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所， 南京 211153)

陰極調(diào)制方式發(fā)射機(jī)直接控制發(fā)射管的陰極，是一種特大功率的調(diào)制方式，在調(diào)制器開(kāi)通關(guān)斷瞬間可釋放大量電磁輻射，將干擾其他分機(jī)的正常工作。而作為發(fā)射機(jī)工作的能量源，高壓電源與調(diào)制器、發(fā)射管處于同一個(gè)高壓回路中，因此受到的電磁干擾也最為嚴(yán)重。本文以某型雷達(dá)為例，著重討論在陰極調(diào)制方式發(fā)射機(jī)中高壓電源的抗干擾設(shè)計(jì)。

高壓電源；抗干擾；電磁兼容

0 引 言

現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)的集成度越來(lái)越高、密度越來(lái)越大，電路模塊之間、設(shè)備之間的干擾問(wèn)題日益突出，已經(jīng)到了嚴(yán)重影響設(shè)備功能的程度。另一方面，電子設(shè)備的迅速增加，也導(dǎo)致了電磁環(huán)境的進(jìn)一步惡化。電磁干擾已成為電氣、電子設(shè)備及其構(gòu)成的系統(tǒng)正常工作的突出障礙，因而開(kāi)展電磁兼容研究日顯重要。

發(fā)射機(jī)工作電壓高，輸入輸出功率大，在雷達(dá)系統(tǒng)中電磁輻射最為嚴(yán)重。陰極調(diào)制方式發(fā)射機(jī)直接控制發(fā)射管的陰極，是一種特大功率的調(diào)制方式，在調(diào)制器開(kāi)通關(guān)斷瞬間將釋放大量電磁輻射，將干擾其他分機(jī)的正常工作。而作為發(fā)射機(jī)工作的能量源，高壓電源與調(diào)制器、發(fā)射管處于同一個(gè)高壓回路中(如圖1所示)，因此受到的電磁干擾也較為嚴(yán)重。本文以某型雷達(dá)為例，著重討論在陰極調(diào)制方式發(fā)射機(jī)中高壓電源的抗干擾設(shè)計(jì)。

圖1 高壓回路

1 發(fā)射機(jī)中的高壓電源干擾分析

發(fā)射機(jī)工作時(shí)，受定時(shí)信號(hào)的控制，脈沖調(diào)制器為發(fā)射管提供性能合乎要求的視頻調(diào)制脈沖，將直流高壓電源的能量轉(zhuǎn)換為脈沖能量[1]。這種工作狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)電控電容放電式脈沖源，如圖2所示。

圖2 電容放電式脈沖源電原理圖

回路的等效電路如圖3所示，當(dāng)開(kāi)S在t=0時(shí)刻接通時(shí)，根據(jù)KCL及KVL原理，電路的方程為

經(jīng)過(guò)整理得

(1)

其中，L是回路電感，C2是寄存電容，C1為儲(chǔ)能電容，C1的值遠(yuǎn)大于C2。因此，公式(1)可以等效為

圖3 電容放電式脈沖源等效電路

由式可知，寄存電容的電壓與回路電感L、電容C2、負(fù)載電阻R有關(guān)，L與C2的存在使發(fā)射機(jī)在導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生放電過(guò)程。由于發(fā)射機(jī)工作在周期脈沖狀態(tài)，脈沖電壓高、電流大，在調(diào)制開(kāi)關(guān)及發(fā)射管導(dǎo)通與關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖，通過(guò)各種耦合途徑進(jìn)入高壓電源的電磁脈沖能量，在元器件上或組件輸入端建立的電流、電壓一旦超過(guò)某一閥值，輕則使電路受到干擾，重則造成元器件或組件的損傷。

2 高壓電源的抗干擾設(shè)計(jì)

高壓電源是雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要功率源。為了獲得發(fā)射管工作時(shí)所需的高壓電源，必須將輸入的交流電源整流為直流電源，后變換成交流電源，再通過(guò)高壓變壓器升壓實(shí)現(xiàn)高壓輸出。在某型雷達(dá)發(fā)射中使用的高壓電源電壓調(diào)節(jié)范圍從0～27 kV ，最大輸出功率為10 kW。主回路交流輸入為三相380 V/50 Hz， DC/AC逆變器為半橋串聯(lián)諧振電路, 功率開(kāi)關(guān)管用200 A/1200 V的IGBT，主回路原理圖如圖4所示。

圖4 主回路

控制電路包括PID調(diào)節(jié)器電路，壓控振蕩器，固定脈寬驅(qū)動(dòng)形成電路，驅(qū)動(dòng)隔離電路及輔助電源電路。PID調(diào)節(jié)器由基準(zhǔn)電壓與采樣電壓決定輸出；壓控振蕩器VCO輸出頻率根據(jù)PID調(diào)節(jié)器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；固定脈寬驅(qū)動(dòng)形成電路是由定時(shí)器、二分頻器及與門電路組成，前級(jí)VCO送來(lái)的頻率可變，占空比為50%的方波信號(hào)經(jīng)定寬驅(qū)動(dòng)形成電路后，形成兩路頻率可變、脈沖寬度固定的交替脈寬信號(hào)送到后級(jí)驅(qū)動(dòng)隔離電路。驅(qū)動(dòng)隔離電路將上述脈沖放大隔離后形成二路驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)橋臂開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)功率逆變。如圖5所示。

2.1 逆變回路抗干擾設(shè)計(jì)

(1) 高壓電源采用半橋串聯(lián)諧振電路，相對(duì)于全橋電路，半橋電路電路簡(jiǎn)單，控制方便，可靠性高。而通過(guò)串聯(lián)諧振實(shí)現(xiàn)高壓逆變的零電流開(kāi)通關(guān)斷，從而減輕開(kāi)關(guān)電源的對(duì)外電磁輻射，同時(shí)也提高了高壓電源的抗干擾能力。

(2) 發(fā)射機(jī)的高壓電源采用三相電源供電，電源濾波器采用如圖6所示的濾波電路。根據(jù)高壓開(kāi)關(guān)電源的工作頻率從低頻諧波和高頻諧波兩方面同時(shí)考慮，通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)選用合適的電源濾波器。選擇了合適的電源濾波器后，選擇正確的電源濾波器安裝方法，才能使濾波器起到濾波效果。電源濾波器的安裝位置應(yīng)選在設(shè)備的入口處，輸入線要短，以減少輻射干擾；電源濾波器的輸入輸出線在安裝時(shí)必須拉開(kāi)一定的距離，切忌并行，以免濾波性能降低；把電源濾波器的接地端子和金屬外殼與機(jī)箱一起良好接地，這樣共模干擾信號(hào)才能被旁路掉，用一根長(zhǎng)導(dǎo)線將濾波器外殼連接到設(shè)備機(jī)殼上，這時(shí)該接地線基本形同虛設(shè)，因?yàn)樵诟哳l段長(zhǎng)導(dǎo)線的阻抗很大，起不到對(duì)干擾有效旁路的作用。

圖5 控制電路

圖6 雙環(huán)三相三線制濾波電路

(3) 設(shè)備內(nèi)模擬地、數(shù)字地和機(jī)殼地三地分開(kāi)接地，并采用并聯(lián)式單點(diǎn)接地。并聯(lián)式單點(diǎn)接地可以有效地避免各單元之間的地阻抗干擾，減少耦合噪聲同時(shí)使接地引線最短，使接地線的串聯(lián)電阻和駐波效應(yīng)減到最小。

(4) 在高壓電源開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路。由于高壓電源采用零電流技術(shù)，在正常工作時(shí)RCD緩沖電路是不起作用的，但當(dāng)高壓電源受到干擾、驅(qū)動(dòng)波形不正常且開(kāi)關(guān)管工作不正常時(shí)，RCD緩沖電路能有效地保護(hù)開(kāi)關(guān)管，避免干擾直接損壞開(kāi)關(guān)管。

(5) 整流二極管應(yīng)采用恢復(fù)電荷小且反向恢復(fù)時(shí)間短的。另外，在整流二極管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾歐姆和數(shù)千皮法，電容引線應(yīng)盡可能短，以減少引線電感。負(fù)載電流越大，續(xù)流結(jié)束時(shí)流經(jīng)整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復(fù)的時(shí)間也越長(zhǎng)，則尖峰電流的影響也越大。采用多個(gè)整流二極管并聯(lián)來(lái)分擔(dān)負(fù)載電流，可以降低短路尖峰電流的影響。

(6) 將高頻脈沖變壓器、高頻輸出整流濾波等元件放在油箱中，既可減小耐壓空間又可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。

2.2 控制電路抗干擾設(shè)計(jì)

實(shí)際使用中高壓電源控制電路是最易被干擾的電路。以定時(shí)器受干擾為例， 當(dāng)在定時(shí)器輸入信號(hào)中有一個(gè)干擾信號(hào)而干擾信號(hào)的幅度超過(guò)某一門閥時(shí)，定時(shí)器將受到干擾，進(jìn)行誤動(dòng)作，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的高壓電源驅(qū)動(dòng)信號(hào)。定時(shí)器輸出信號(hào)已經(jīng)受到干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序已經(jīng)不受控制了，該干擾信號(hào)也將跟隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)一起控制包括主回路在內(nèi)的后續(xù)電路。

受干擾時(shí)高壓電源諧振波形如圖7所示。

圖7 受干擾的高壓電源諧振波形

如圖7可見(jiàn)，由于干擾產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使高壓電源半橋零電流諧振不能完成，諧振電流之間無(wú)死區(qū)，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)損關(guān)斷。硬關(guān)斷將大大縮減元器件的使用壽命，同時(shí)形成新的干擾源。干擾嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致上下橋臂直通，直接對(duì)主回路造成損壞。

具體抗干擾措施：

(1) 切斷干擾源的傳輸通道是行之有效的抗干擾手段。設(shè)備內(nèi)的交流供電線、主回路線、小信號(hào)線和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線分別走線。電源輸入電纜采用屏蔽線，信號(hào)線采用雙絞線。

(2) 為了避免空間傳播的干擾，將控制電路模塊用屏蔽盒屏蔽起來(lái)。

(3) 為了提高控制電路的抗干擾能力，可以在輸入輸出端加入濾波電路。對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)而言，主要是通過(guò)低通濾波器濾除高頻干擾成分。常用的濾波電路有R型、L型、C型、RC型、LC型、T型濾波器和π型濾波器[2]，如圖8所示。

圖8 各種濾波器

以定時(shí)器干擾為例，在定時(shí)器輸入端加入RC型濾波器。R型濾波器是產(chǎn)生一個(gè)高阻抗以發(fā)射干擾，C型濾波器是產(chǎn)生一個(gè)低阻抗來(lái)發(fā)射干擾，具有較大R值的RC型濾波器抗干擾能力比較理想，因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生明顯的諧振。但是，當(dāng)干擾比較強(qiáng)烈，需要用較大R值與C值時(shí)，濾波器會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)出影響，取值不當(dāng)時(shí)將無(wú)法形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此，可以在RC型濾波器的基礎(chǔ)上對(duì)電源再上拉一個(gè)電阻，提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，如圖9所示。

圖9 RRC型濾波器

通過(guò)R1、R2和C的取值，可以實(shí)現(xiàn)在不影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)得到較好的濾波效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

提高高壓電源的抗干擾能力是陰調(diào)脈沖發(fā)射機(jī)研制過(guò)程中的一個(gè)重要課題。只有高壓電源能平穩(wěn)運(yùn)行才能保證發(fā)射機(jī)的正常工作。因此，有必要從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就充分考慮到系統(tǒng)中存在的各種干擾隱患。本文從高壓電源的主回路和控制電路兩方面提出了多種抗干擾方法，并在實(shí)際工程運(yùn)用中證實(shí)了這些方法的可行性。

[1] 廖復(fù)疆，孫振鵬，閆鐵昌.真空電子技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.6.

[2] 周志敏，紀(jì)愛(ài)華.電子兼容技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.9.

Design of ECCM of high-voltage power supply in cathode-modulated pulse transmitters

ZHANG Yan, XU Wei

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The cathode modulation mode in which the transmitter directly controls the cathodes of the transmitting tubes is a super high-power modulation mode. A large amount of electromagnetic radiation is released when the modulators are on and off, which affects other units' normal operation. The high-voltage power supply as the energy sources of the transmitter is in the same high-voltage loop with the modulators and the transmitting tubes. Therefore, it suffers the most serious electromagnetic jamming. The ECCM of the high-voltage power supply in the cathode-modulated transmitter of certain radar is designed and discussed.

high-voltage power supply; anti-jamming; electromagnetic compatibility

2013-12-10；

2014-02-02

張言(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向：特種電源及雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)；徐偉(1980-)，男，高級(jí)工程師，碩士，研究 方向：特種電源及雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)。

TN832

A

1009-0401(2014)01-0033-04