趙 臘,樸海飛,陳 威,黃光華

(1. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京210003; 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153；3. 中國(guó)人民解放軍91910部隊(duì),遼寧 大連116002)

一種兩級(jí)降壓收集極行波管發(fā)射機(jī)高壓電源的設(shè)計(jì)方法

趙 臘1,樸海飛2,陳 威2,黃光華3

(1. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京210003; 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153；3. 中國(guó)人民解放軍91910部隊(duì),遼寧 大連116002)

為提高真空管發(fā)射機(jī)的工作效率,減小發(fā)射機(jī)的體積和質(zhì)量,行波管發(fā)射機(jī)常采用多級(jí)降壓收集極形式,可將行波管發(fā)射機(jī)的效率從18%(約)提高到45%(約)。詳細(xì)介紹了一種高效、小型化兩級(jí)收集極行波管發(fā)射機(jī)高壓電源的設(shè)計(jì)原理和關(guān)鍵技術(shù),并通過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

行波管;高壓電源;兩級(jí)降壓

0 引 言

行波管廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通訊、廣播、電子戰(zhàn)、高功率等電子設(shè)備中,是一種非常重要的微波器件。在行波管中,電子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高頻場(chǎng)能量,而電子注與行波場(chǎng)的相互作用又要求維持同步條件,因而電子效率比較低。采用多級(jí)降壓收集極,可以提高裝置總的效率,減輕電源的體積、質(zhì)量、熱耗,相應(yīng)減少冷卻裝置的設(shè)備量。行波管發(fā)射機(jī)中陰極電源以大地為參考點(diǎn)位,功率小但對(duì)紋波、穩(wěn)定性要求較高。收集極電源是以陰極電壓為參考的,輸出功率大但穩(wěn)定性要求不高。要實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的陰極電源和陰極高電位上的收集極多路大功率電源具有一定的設(shè)計(jì)難度。本文主要介紹一種兩級(jí)降壓收集極行波管發(fā)射機(jī)高壓電源的設(shè)計(jì)方法。

1 降壓收集極發(fā)射機(jī)供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

多級(jí)降壓收集極行波管發(fā)射機(jī)需要陰極高壓電源和各級(jí)收集極高壓電源。陰極電源要求穩(wěn)定度高、紋波小,功率要求相對(duì)較小,一般為幾百到一千多瓦,而各級(jí)降壓收集極電源對(duì)穩(wěn)定度要求不高,但對(duì)電流要求大,功率等級(jí)為幾百到幾千瓦。收集極電壓是以陰極電位為參考電位而不是以大地為參考電位,因此收集極電源的控制相對(duì)比較復(fù)雜。陰極電源和收集極電源可以串聯(lián)工作也可以并聯(lián)工作。

1.1 多次級(jí)整流串聯(lián)輸出

多次級(jí)整流串聯(lián)輸出是在高頻開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)設(shè)置多個(gè)輸出繞組,每個(gè)繞組的匝數(shù)根據(jù)各級(jí)電壓壓差和初次級(jí)繞組的電壓、匝數(shù)來(lái)確定。每個(gè)繞組獨(dú)立整流濾波,然后將整流后的電壓串聯(lián)輸出,如圖1所示。多次級(jí)整流串聯(lián)輸出電路比較簡(jiǎn)單,只需要閉環(huán)陰極電壓,各收集極電壓根據(jù)變比和脈沖寬度被動(dòng)穩(wěn)壓。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是由于合用一組控制電路及高壓變壓器使體積可以做得比較小,而其缺點(diǎn)是每個(gè)繞組的電壓變化會(huì)影響整個(gè)串聯(lián)輸出的電壓,也就是收集極電壓的穩(wěn)定度會(huì)影響陰極電壓的穩(wěn)定度。所以,為了保證陰極電壓的穩(wěn)定度,陰極電源就必須有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和濾波措施。

圖1 多次級(jí)整流串聯(lián)輸出電路

1.2 多次級(jí)整流并聯(lián)輸出

多次級(jí)整流并聯(lián)輸出電路同串聯(lián)輸出電路類似,只是將陰極電壓繞組和各收集極繞組分開(kāi),使收集極電壓紋波不會(huì)影響到陰極電壓,如圖2所示。

圖2 多次級(jí)整流并聯(lián)輸出電路

多次級(jí)整流串聯(lián)輸出電路由陰極電壓取樣實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,收集極電壓通過(guò)線圈的磁耦合來(lái)從動(dòng)穩(wěn)壓。多次級(jí)整流串聯(lián)輸出電路的優(yōu)點(diǎn)和多次級(jí)整流串聯(lián)輸出電路一樣,由于合用一組控制電路及高壓變壓器使體積可以做得比較小,其缺點(diǎn)是收集極電源的穩(wěn)定度低,紋波較大,收集極電壓不能單獨(dú)調(diào)整。

1.3 多路電源獨(dú)立輸出

為了方便陰極電壓和各收集極電壓獨(dú)立調(diào)整,可以采用多組獨(dú)立的電源給陰極和各收集極供電,如圖3所示。由于電源各自獨(dú)立,因此每種電源的主電路、輸出電路可以根據(jù)需要自由選擇。主回路可以選擇零電壓開(kāi)關(guān)多諧振模式、全橋移相模式或串聯(lián)諧振模式,輸出電路可以選擇全橋或半橋電路,升壓方式可以選擇倍壓模式也可以選擇變壓器繞組模式。

圖3 多路電源并聯(lián)輸出電路

多路電源獨(dú)立輸出供電方式可以根據(jù)不同行波管陰極電壓和各收集極電壓需求分別進(jìn)行電壓調(diào)整,彼此不受牽連,電壓調(diào)整靈活,適應(yīng)范圍寬,只是體積和質(zhì)量較大,不適用于高密集度要求的設(shè)備。

1.4 倍壓整流串聯(lián)輸出

當(dāng)各級(jí)收集極的電壓和陰極電壓成一定比例關(guān)系時(shí),可以采用全波倍壓整流電路來(lái)輸出各級(jí)的電壓,如圖4所示。這種全波倍壓電路紋波小,電路簡(jiǎn)單,可以通過(guò)設(shè)置高頻變壓器的變比和倍壓電路的級(jí)數(shù)來(lái)調(diào)整各個(gè)輸出電壓的高低。陰極電壓和收集極電壓都是高

圖4 倍壓整流串聯(lián)輸出

頻變壓器次級(jí)輸出電壓的整數(shù)倍。當(dāng)各級(jí)收集極的電壓差異較大時(shí),倍壓整流串聯(lián)輸出電路就不太適用。此電路的控制回路簡(jiǎn)單,只需要取陰極電壓作為閉環(huán)的反饋電壓即可。

2 高壓電源設(shè)計(jì)

高壓電源指標(biāo):陰極電源電壓/電流-24 kV/50 mA，第一收集極電源電壓/電流 +18 kV/150 mA，第二收集極電源電壓/電流+12 kV/450 mA。

2.1 供電電路形式的選擇

陰極電源和收集極電源分開(kāi)并聯(lián)給行波管供電。陰極電源穩(wěn)定度和紋波要求高,獨(dú)立為行波管供電,收集極電源穩(wěn)定度和紋波要求不高?？紤]電路設(shè)計(jì)的一致性和維修性,陰極電源和收集極電源都采用倍壓整流輸出電路。

兼顧電壓調(diào)整的需要、紋波的要求,選擇圖5所示的電路形式。

圖5 高壓電源電路

根據(jù)不同行波管的陰極和收集極電壓要求可以選擇合適的倍壓倍數(shù)。在本文中陰極電源采用6級(jí)倍壓整流輸出。收集極電源升壓過(guò)程是:收集極高頻電壓信號(hào)經(jīng)高頻變壓器升壓成一定的交流電壓,再經(jīng)6級(jí)倍壓電路得到6倍的直流高壓,經(jīng)電容濾波后輸出第一收集極電壓,從4級(jí)倍壓處輸出第二收集極直流高壓。

2.2 主回路電路設(shè)計(jì)

主回路形式可以選擇零電壓開(kāi)關(guān)多諧振模式、全橋移相模式或串聯(lián)諧振模式。零電壓開(kāi)關(guān)多諧振模式的工作頻率高。全橋移相模式的由于存在一定工作比的丟失,效率相對(duì)低[1]。串聯(lián)諧振模式的主回路工作電流大,工作頻率低。選擇零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路形式,主回路工作頻率200 kHz,選擇高頻MOS管作為主回路的開(kāi)關(guān)管。

零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路采用零電壓開(kāi)通、軟關(guān)斷電路實(shí)現(xiàn),因而具有開(kāi)關(guān)損耗小、電磁兼容性能好(di/dt、du/dt小)等優(yōu)點(diǎn)。又由于諧振電感串聯(lián)在變壓器初級(jí),因此該電路具備抗高壓打火的功能,其原理框圖如圖6所示。

圖6 零電壓開(kāi)關(guān)多諧振電路

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期可以分為兩個(gè)諧振周期,各諧振周期按開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通情況和能量傳遞方向分為4種工作模式:

模式1:VT1、VT4導(dǎo)通,VT2、VT3截止,變壓器次級(jí)電路折算到初級(jí)等效為一個(gè)恒壓源,在此過(guò)程中Uin經(jīng)VT1、Lr、VT4將能量傳遞給Uo。

模式2:VT1～VT4均截止,即死區(qū)時(shí)間內(nèi)的諧振過(guò)程,諧振電感電流維持原方向,將C2、C3兩端的電量傳遞給C1、C4,只要Lr的能量足夠大,死區(qū)時(shí)間足夠長(zhǎng),當(dāng)C2和C3的電壓降為零、C1合C4的電壓升為Uin時(shí)就能實(shí)現(xiàn)VT2和VT3的零電壓導(dǎo)通條件。

模式3:諧振電感電流由VD2、VD3續(xù)流維持原方向,直至電流諧振到零。VT2、VT3的導(dǎo)通信號(hào)需在電感電流到零之間到達(dá),否則C2、C3會(huì)再被充電,無(wú)法實(shí)現(xiàn)VT2、VT3的零電壓導(dǎo)通。

模式4:VT2、VT3導(dǎo)通,變壓器次級(jí)電路折算到初級(jí)不再等效為恒壓源而等效為電容,即變壓器次級(jí)諧振電容折算到初級(jí)的等效電容。變壓器初級(jí)電壓由Uo諧振至-Uo,完成變壓器的諧振換向。

變壓器換向結(jié)束后,Uin經(jīng)VT2、Lr、VT3將能量傳遞給-Uo,電路進(jìn)入下一個(gè)諧振周期,諧振過(guò)程類似。

2.3 控制電路:定頻定寬的間歇式控制

通過(guò)間歇式地控制電源功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷[2]來(lái)實(shí)現(xiàn)電源穩(wěn)壓,原理框圖如圖7所示。

圖7 間歇式控制驅(qū)動(dòng)原理框圖

電源主回路采用的是零電壓多諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù),控制電路采用MC33067P產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)型號(hào)。對(duì)于該控制芯片的原理不作贅述。MC33067P輸出兩路固定頻率、固定死區(qū)時(shí)間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí),從電源輸出端采樣的反饋電壓與基準(zhǔn)電壓通過(guò)PID電路比較運(yùn)算,得到誤差電壓。將誤差電壓通過(guò)放大電路放大后,得到穩(wěn)定可靠的間歇控制信號(hào),MOS驅(qū)動(dòng)芯片F(xiàn)OD3182同時(shí)受到驅(qū)動(dòng)信號(hào)和間歇控制信號(hào)的控制:當(dāng)反饋電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí),間歇控制信號(hào)為高電平,此時(shí)MOS管按零電壓多諧振方式諧振工作;當(dāng)反饋電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí),間歇信號(hào)為低電平,此時(shí)MOS驅(qū)動(dòng)芯片不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖,電源停止諧振,不工作。主回路電路在諧振工作狀態(tài)和停止諧振狀態(tài)交替進(jìn)行,以實(shí)現(xiàn)電源穩(wěn)壓。

與PWM控制方式相比,間歇控制方式脈寬和死區(qū)都固定,能實(shí)現(xiàn)高壓電源在全功率范圍和寬電壓范圍內(nèi)的零電壓多諧振軟開(kāi)關(guān),便于諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)。與PFM方式相比,間歇控制方式開(kāi)關(guān)頻率固定,在空載或輕載下開(kāi)關(guān)損耗小、電源效率高,且可等效為一種線性控制方式,有利于PID控制參數(shù)的調(diào)節(jié)整定。

3 仿 真

用MATLAB仿真了圖5中收集極電源的工作過(guò)程,可以得到如圖8所示第一收集極電壓和圖9所示第二收集極電壓。將第一收集極電壓和第二收集極電壓展開(kāi)后,如圖10和圖11所示。

圖8 第一收集極電壓波形

圖9 第二收集極電壓波形

圖10 第一收集極電壓波形

圖11 第二收集極電壓波形

仿真得到的第一收集極和第二收集極輸出電壓值和高頻紋波能夠滿足兩級(jí)降壓收集極行波管對(duì)收集極電源的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)射機(jī)的性能和指標(biāo)與行波管的性能和指標(biāo)息息相關(guān),而一個(gè)好的行波管更離不開(kāi)一個(gè)穩(wěn)定可靠的高壓電源。本文介紹的就是針對(duì)降壓收集極行波管所設(shè)計(jì)的一種高壓電源,目前基本功能和指標(biāo)都已經(jīng)滿足,輸出效率達(dá)到0.90以上,性能、體積、質(zhì)量皆滿足要求。

[1] 張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[2] 朱永亮,葛士波,馬慧.10kV/5kW機(jī)載發(fā)射機(jī)高壓電源的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2008(4).

Design of high-voltage power supply of a TWT transmitter with two-stage voltage reduction collectors

ZHAO La1, PIAO Hai-fei2, CHEN Wei2, HUANG Guang-hua3

(1.Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003; 2.No.724 Research Institute of CSIC,Nanjing 211153;3.Unit 91910 of the PLA,Dalian 116002,China)

In order to improve the working efficiency of the vacuum-tube transmitter and reduce the size and weight of the transmitter, the TWT transmitter often adopts the multi-stage voltage reduction collectors, making the working efficiency improved from 18% to 45% approximately. The design principle and key technology of the high-voltage power supply of a high-efficiency miniature TWT transmitter with the two-stage collectors are introduced in detail, and the feasibility of the design is verified through the simulation.

TWT; high-voltage power supply; two-stage voltage reduction

2017-03-27;

2017-04-07

趙臘(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)總體;樸海飛(1982-),男,高級(jí)工程師,學(xué)士,研究方向:發(fā)射技術(shù);陳威(1985-),男,工程師,碩士,研究方向:發(fā)射技術(shù);黃光華(1982-),男,高級(jí)維修工,研究方向:雷達(dá)總體。

TN832

A

1009-0401(2017)02-0051-04