一种小型化行波管高压电源的设计

一种小型化行波管高压电源的设计朱元江;王【摘要】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.详细分析了变换器的各工作模态，并给出了理论的工作波形，利用该变换器设计了一款小型化行波管高压电源.实测输出电压为7.5kV,最大输出功率为200W,拓扑效率最高可达94%.实验证明该高压电源具有体积小、重量轻、效率高、负载调整率好等特点,可适用于弹载、机载等低电压供电的特殊应用.【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷)，期】2013(036)004【总页数】4页(P101-104)【关键词】开关电源;隔离拓扑;高效率【作者】朱元江;王磊【作者单位】船舶重工集团公司723所扬州225001;船舶重工集团公司723所,扬州225001【正文语种】中文【中图分类】TM9190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:(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；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；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；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；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：(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。(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。(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。(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。(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60",漏感Ld为在0.3",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5pH,箝位电容选为却F。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196W,效率为94%，阴极输出电压为-7508V，收集级1输出电压为-3215V，收集级2输出电压为-4302V，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、电流波形参考文献[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-tghilB,Nyobe-YomeJM,GlaizeC.High-voltagevariable-frequencydouble-resonantdc-dcconvertersutilizingthetransformerparasiticelements[A].ProceedingofTheEuropeanSpacePowerConference[C].Austria,1993:245-250.[3]IvoBarbi,RogerGules.IsolatedDC-DCconverterswithhigh-outputvoltageforTWTAtelecommunicationvoltageforTWTAte