一种阴控速调管恒流灯丝电源的设计

2011-08-10付寒瑜

舰船电子对抗 2011年6期

杨亮，付寒瑜，张俊

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引言

栅控行波管和速调管灯丝电源直接浮动工作在阴极稳定的高压电位上，大多采用稳压限流方式。对于阴控的速调管来说采用同样的方式，使开关电源直接浮动工作在阴极18kV的高压脉冲上。当阴极高压脉冲重复频率较高时，开关电源控制部分易受高压脉冲干扰，无法正常工作，AC 220V输入低压端控制的恒流灯丝电源能有效抑制高压脉冲干扰稳定工作。速调管灯丝在冷态时阻值接近短路，要求启动冲击电流不超过正常工作电流的1.5倍，该电源工作在恒流状态，不会出现电流过冲，更符合灯丝的工作特性。本文介绍一种市电AC 220V输入输出浮动在高压脉冲端恒流0～10A可调、最高输出电压10V的恒流灯丝电源。

1 系统设计及原理

阴控速调管恒流灯丝电源具有如下特点：（1）恒流灯丝电源抗干扰能力强，整个电源置于屏蔽盒内，放在低压端，实际试验工作在18kV、15A，最高重频40kHz的阴极高压脉冲上，具有很好的稳定性；（2）恒流灯丝电源输出电流稳定度高，从灯丝冷态到正常工作电流恒定输出；（3）恒流灯丝电源抗速调管打火能力强；（4）恒流灯丝电源通用性强，电流输出可调范围宽，功率和电流等级可满足多种管型。阴控速调管恒流灯丝电源原理框图见图1。

图1 恒流灯丝电源原理框图

电源工作原理：AC 220V电压经整流滤波后输出的直流300V输入到单片开关电源TOP204Y，TOP204Y输出＋15V辅助电源，＋15V给脉宽调制（PWM）控制器和运放供电。两路控制器分别控制半桥和推挽变换器，控制半桥变换器的控制器1输出的PWM脉冲经隔离后驱动半桥变换器的开关管，半桥变换器和TOP 2 0 4Y的输入共用直流300V[1]。控制推挽变换器的控制器2没有电压和电流反馈输出最大占空比脉冲，驱动推挽变换器把低压端的直流电压逆变后经高压隔离变压器隔离输出到高压端，高压端再对隔离后的交流脉冲电压整流滤波输出。推挽变换器取样电流信号经运放放大后反馈到控制器1来稳定负载电流，实现输出恒流。放大后的取样电流信号同时输出到电流指示电路和欠流及过流保护电路，对电源实现联保。

抗干扰性设计：采用普通开关电源直接浮动工作在阴极电位，由于阴极工作于高压脉冲方式，电源输出受高压脉冲干扰造成不稳压，控制部分也易受干扰，造成开关管同时导通短路，灯丝电源无法工作。这里的低压端控制恒流输出灯丝电源的设计方法，把稳流取样放大和控制部分设计在低压端，只有整流滤波浮动在阴极高压脉冲电位上。除了隔离变压器和整流滤波电路外，其它电路装在屏蔽盒内，能有效抑制高压脉冲的干扰。整流滤波电路不易受干扰，浮动在高压脉冲电位，能稳定工作。整个电路系统工作在高压脉冲条件下，通过低压端取样反馈控制实现高压端灯丝电源恒流输出，具有很好的稳流稳压特性，整个电源工作稳定可靠，抗干扰性很强。

2 电路设计

2.1 半桥变换器和推挽变换电路设计

2.1.1 电路原理设计

控制器1输出互补脉宽调制信号PWM1＋和PWM1－，经变压器T1隔离后驱动 MOSFET，MOS开关管选用IRFP450，电容C1～C4串在变压器T1和T2的初级，起隔直和防止变压器发生磁偏时短路。次级采用全波整流，整流二极管选用肖特基共阴二极管。限压取样信号接到控制器的负反馈脚，来限制空载时的输出电压。整流后的直流电压经V5、V6组成的推挽变换器逆变，控制器2输出的脉宽调制信号PWM2＋和PWM2－直接驱动V5和V6。逆变后经变压器T3隔离传输到高压端，在高压端整流滤波输出到灯丝负载。电流取样电阻R14原先采用线绕电阻，发现线绕电阻阻值随温度变化范围比较大，从而导致负载电流漂移，后采用多股直径0.3mm的锰铜丝绕制，有效解决温漂问题。另外，变换器的所有开关管和整流管均焊接于印制板背面贴合屏蔽盒的底板散热。变换器和整流滤波原理电路如图2所示。

2.1.2 变压器设计

变压器T1、T2设计：T1主要用来隔离传输开关管的驱动信号，驱动信号的功率非常小，无需考虑T1的功率容量，选用铁氧体EE25磁芯，磁芯截面积为：Ae＝0.36cm2，则：

计算变压器初级匝数为41.6，最终选用50匝。初级电压为15V，足以使开关管导通，所以变比选择1∶1∶1。T2选用EC35磁芯，查《电子变压器手册》铁氧体磁芯EC35工作在25kHz，温升25℃时的功率容量为295W，满足使用要求[3]。磁芯有效截面积为1.21cm2，根据上述公式计算出变压器初级匝数为82.6匝，最终选用100匝。变比选8∶1，次级匝数选择13匝。初次级匝数分别选用直径为0.2mm和2mm的漆包线。

变压器T3设计：选用铁氧体Ф38环形磁芯，要实现高压和低压的隔离，初次级都采用耐压30kV的高压线绕制，高压线较普通线粗很多，需要占用的窗口面积大，该磁芯绕线窗口面积较大，达到2.84cm2，适合在这样的场合应用。磁芯有效截面积为1.35cm2，根据公式：

图2 变换器和整流滤波原理图

计算出变压器初级匝数为6.17匝，初次级选用1∶1变比，初级和次级分别绕双股6匝、外径4mm和内径1mm的高压线。初级和次级的引出线需要留长一段，抑制高压爬电，实际留长均超过15cm。将变压器用硅橡胶灌封在尼龙盒内固定，这能有效抑制高压电晕并方便安装。变压器最终安装在高压端和低压端之间的环氧板上，增加次级高压到低压端的爬电距离。变压器初级电压波形示意如图3所示。

2.2 电流取样放大和控制器电路设计

电阻R14取样的小信号电压经运算放大器放N1A放大2 0倍后的稳流反馈信号接控制器SG3525的负反馈1脚。控制器内部集成误差放大器，放大比较后输出PWM信号控制半桥变换器实现稳流。调节SG3525的2脚输入电压可控制恒流输出的电流值。其电路原理图见图4。

图3 变压器初级波形示意图

图4 取样放大反馈和控制器原理图

3 试验结果和所需改进

基于上述方法设计的阴控速调管恒流灯丝电源，主要实验参数如下：AC 220V输入，没有浮动在高压脉冲上工作时，Vo＝＋10V，Io＝10A，纹波≤5×10－3，电流稳定度≤5×10－3。浮动在脉冲电压18kV、脉冲电流15A、重频40kHz阴极高压脉冲上工作稳定可靠，并经多次模拟速调管阴极高压短路打火试验和灯丝负载短路实验，电源均能正常工作和恒流输出，表明该电源具有很强的抗干扰和抗打火能力及很好的恒流特性。电源的效率只有80%，有待于进一步改善，提高电源效率。图5为该电源低压部分实物图。