16 kW固态-前向波发射机高压电源

范 鹏，刘星辉，钟国俭

(华东电子工程研究所， 合肥230088)

0 引言

近二十年来，国内雷达领域固态发射机有了突飞猛进的发展［1］。雷达的发射机具备较高的可靠性、故障软化等功能，但价格高，重量大，使其在机载领域应用受到了限制;而真空管以其体积、重量、价格优势仍然在高频段机载领域占据较大的优势［2］，可见真空管和固态管各自都有优势，且具备优势互补特点，若将两者优点相结合，必将大有前途。

固态-前向波发射机正是两者结合的产物，前向波管是电真空管，具有频带宽、效率高、体积小、重量轻、相位稳定性好等优点，它的前级驱动是固态功率放大器，这样组合的固态-前向波发射机能够瞬时开机，具有低成本，高效率，高可靠性等优点。

本文将阐述用于S波段固态-前向波管的16 kW高压电源的设计方法。

1 发射机系统组成

图1为发射机系统组成的方框图，其前向波管的输出峰值功率为100 kW，平均输出功率为6 kW，效率为45%，调制方式采用直流工作方式，负直流高压电源直接加在管子的阴极上，电压为-21 kV。前向波管要求高压电源的功率为13.3 kW，考虑到应有的功率余量，设计电源的输出电压为22 kV，输出功率为16 kW。

图1 发射机方框图

2 高压电源

2.1 电源拓扑选择［3-4］

因前向波管的输出功率跟阴极电流成线性关系，故控制前向波的阴极电流大小，就能够控制前向波管的输出功率。选择采用2DCM串联谐振变换器拓扑形式，是由于不连续串联谐振变换器的输出电流具有恒流特性，并具备以下两个优点:

(1)串联谐振变换器具有较强的抗短路和耐打火特性，很适用于高压电源;(2)串联谐振电路具有零电流软开关特性，开关损耗小，电源效率高。

2.2 电源构成

考虑到16 kW功率较大，将其分成2个8 kW电源分机，通过并联合成来实现，不仅可以使电源分机减小，便于拆装，而且在一路电源出现故障时，另一路电源能继续工作，发射机的可靠性可以得到提高。

16 kW高压电源由2个直整分机、2个变整分机和一个控保电路板构成。2个直整分机并排放置在上层，2个变整分机并排放置在下层，2个电源共用一个控保电路板，电源照片如图2所示。电源原理图，如图3所示。

图2 16 kW高压电源照片

图3 16 kW高压电源原理图

电源主开关管采用IGBT管GA200TD120K;IGBT驱动电路采用IGD515EI。根据文献［5］，计算出电源的谐振参数，谐振电容采用高频电容C48A-1 μF，谐振电感为20 μH自制电感，硅堆采用FDQL325高压整流桥。

2.3 变压器设计［6］

由于铁氧体具有导磁率高、低损耗、价格便宜等优点，故采用铁氧体铁心，考虑到高压绝缘和绕制方便等因素，决定采用C型铁心，变压器铁心选择如下。

变压器的视在功率

式中:η为效率;K0为窗口系数;Kj为允许温升25°;Bw为磁感应强度;fs为工作频率。

考虑到给予3倍的余量，选择铁氧体铁芯为DT-150，其 AP=574 cm2，截面积 Ae=16.4 mm2，尺寸是150 mm×130 mm×40 mm，初级匝数

为了减小漏感和绕组的集肤效应及邻近效应，初级导线采用多股丝包线和初级并联、次级串联的方式，由于铁氧体的温度稳定性较差，故变压器散热就很重要。因此，将铁心和高压整流硅堆放在油箱里，这样既解决了变压器和硅堆的散热问题，又解决了高压绝缘问题。

2.4 电源储能电容的设计［6］

高压电源的储能电容的选择主要是根据射频脉冲的顶降要求来决定，前向波管阴极脉冲电流

式中:Pout为前向波管的输出峰值功率，Pout=100 kW;η=0.45为前向波管的效率;τ=60 μs，为前向波管的最大工作脉宽;ΔU=2% ×Uo为假设电容电压有的2%的顶降。

2.5 电流闭环设计

由于前向波管的动态阻抗很低，阴极电压变化1%，就会导致阴极电流变化5% ～10%，而电流跟管子的输出功率又是线性关系，因此高压电源实行稳流方式要好于稳压方式。通过电流互感器对前向波管的阴极电流进行取样，取样后的电平跟基准电平进行负反馈闭环调整，实现电流闭环，从而提高了发射机的功率稳定度，减小了频带内功率起伏。

2.6 电源开关机设计

由于16 kW电源的功率很大，开关机将产生很大的电流电压应力，不仅会损坏开关器件，而且会带来很大的电磁干扰，影响电源自身及与发射机有着共同交流输入电压的其他用电设备的正常工作，因此，电源采用了2级软起动开机方式。

频率软启动是电源开机瞬间将电源的工作频率下拉到最低值，随着软启动电容电压的逐渐升高，电源的工作频率也逐渐提高，直到电流闭环电路自动起作用为止;采用的第二种软启动为电阻限流软启动，电源原理图，如图3所示。电阻R1和继电器K1并联，刚开机时，电容充电电流通过电阻限流，输出电压因电阻有压降而降低，当继电器动作后电阻被短路，输出电压很快上升到额定值。

2.7 实验波形图及效率统计表

本文所采用的不连续串联谐振技术属于零电流开启，零电流关断，所以电源的开关损耗较小，效率很高。图4为该电源的谐振工作电流波形。

图4 谐波电流波形

表1是实验测得的逆变电路效率统计表，这里统计的效率为输出功率和直流输入功率的比值，即逆变电路效率，达到了90%以上，在包括交流输入整流后电源效率降低到88%。

表1 逆变电路效率

3 结束语

本文着重介绍了高压变压器的设计方法，变压器作为电源的关键器件，效率达到88%，各项指标满足设计要求，目前电源仍稳定可靠地工作。证明串联谐振变换器是一种较好的高压电源拓扑电路，尤其适合用作前向波管等电真空管的高压电源，具有较高的实用性和借鉴价值。

［1］ 郑 新，李文辉，潘厚忠.雷达发射技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.Zheng Xin，Li Wenhui，Pan Houzhong.Technology of radar transmitter［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［2］ 强伯涵，魏 智.现代雷达发射机理论设计和实践［M］.北京:国防工业出版社，1985.Qiang Bohan，Weizhi.Theory design and practice of modern radar transmitters technology［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1985.

［3］ 叶慧贞，杨兴洲.开关稳压电源［M］.北京:国防工业出版社，1990.Ye huizhen，Yang Xingzhou.Switching regulated power supply［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1990.

［4］ 魏 智.用于雷达发射机的140 kW的高压开关电源［J］. 现代雷达，2000，22(3):56-60.Wei Zhi.140 kW high voltage switching power supply for radar transmitter［J］.Modern Radar ，2000，22(3):56-60.

［5］ 范 鹏，刘星辉.10 kW高压电源的研制［J］.现代雷达，2006，28(12):97-99.Fan Peng，Liu Xinghui.Developing of 10 kW high voltage power supply［J］.Modern Radar，2006，28(12):97-99.

［6］ 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京:电子工业出版社，1998.Zhang Zhansong，Cai Xuansan.Principle and practice of switching power supply［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.