一种高效率LC谐振式移相全桥行波管高压电源的设计

高彧博，谢章贵，李 群, 王 鑫，刘文政

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



一种高效率LC谐振式移相全桥行波管高压电源的设计

高彧博，谢章贵，李 群, 王 鑫，刘文政

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

设计了一种高效率LC谐振式移相全桥高压电源，从变换器拓扑、控制模式、功率器件、开关频率等多个方面进行分析，最终设计了一种高稳定度(≤0.5‰)、高电压(10 kV)、小纹波(≤0.2‰)、高效率(不计输入整流滤波损耗满载效率达96.1%)、小型化(高压电源模块尺寸为200 mm×200 mm×50 mm)、中等功率量级(满载输出450 W)的高压电源。

行波管；高压电源；小纹波；移相全桥

0 引 言

随着行波管幅相一致性的逐渐提高，行波管组阵应用的场合也越来越多，对于行波管阵列功率放大模块而言，行波管高压电源有了新的要求：为了保证幅相一致性，对高压电源的纹波有了较高的要求；为了保证分布式供电的体积重量，对高压电源的小型化也有了新的要求。

本文介绍了一种应用于行波管阵列功率放大模块的高压电源技术，并应用LC谐振式移相全桥拓扑设计了一种小纹波、高效率的小型化高压电源。

1 LC谐振式移相全桥变换器的设计

1.1 移相全桥变换器的优点

移相全桥变换器的优点包括:

(1) 移相控制可以使开关管零电压开通、零电流关断，大大降低了开关电源的开关损耗，提高了开关电源的效率，同时也使得高压变压器传输的电压、电流波形趋于正弦化。这样既降低了功率器件(初级开关管以及次级整流管)的电压、电流应力，也提高了变压器的传输效率。

(2) 全桥拓扑具有中大功率的输出能力，本文中单个电源模块输出额定功率要求450 W，选用全桥拓扑可以使全桥4只开关管分担电压、电流应力，使得器件选择范围较宽，同时也提高了功率器件的可靠性。

(3) 移相控制模式可以有效避免高压桥式开关电源的两大设计难点：

(a) 可以通过完善设计避免桥式开关管的误导通。普通桥式开关电源一般为脉宽调制控制(PWM)模式，当负载发生变化时，由于系统反馈的作用，驱动开关管的脉冲宽度会发生变化。而在高压开关电源中使用的开关管一般均有较大的杂散参数(主要影响因素是寄生电容)，由于开关电源环路增益过高，如果负载变轻，这时脉宽会突然变得很窄。而由于开关管的寄生参数影响，开关管不一定会开通，从而在负载调整过程中处于混乱状态，容易引发上下桥臂的开关管共通而炸机。而移相控制模式的4只开关管始终是处于全脉宽(除死区外)导通状态，开关电源环路系统反馈调节的只是驱动的相位关系，并不改变开关管的驱动脉宽，从而不会引发此类问题。

(b) 可以避免高压桥式开关电源空载间歇振荡的问题。如图1所示，驱动开关管开通时驱动脉冲先通过Rg给寄生电容Cgs充电，到Cgs两端电压(开关管V的栅极电压Vo)超过阈值电压Vth后开关管导通。所以,在理想驱动能力下开关管开通上升沿有一个固定的时间τ。Vo与驱动电压Vg的关系为:

(1)

当Vo=Vth时，开关管导通，所以τ为:

(2)

图1 开关管驱动电路寄生参数分析

因此，普通调宽式高压桥式开关电源空载时，脉宽窄到小于τ时，则发生间歇振荡现象。而移相式控制则确保了开关管驱动脉宽恒定，只是对其相位进行调整，因而可调节出相对较窄脉宽的开关电压波形，从而避免了因此产生的空载间歇振荡问题(由于环路调整能力不佳引起的间歇振荡还需要调节环路参数，无法避免)，提高了电源的稳定性、可靠性。

1.2 LC谐振式变换器的优点

LC谐振式变换器如图2所示。LC谐振式变换器的优点包括：

(1) 在开关电压波形与变压器之间串联了一个电容Cr，可以起到隔直作用，避免了变压器的饱和，提高了可靠性。

图2 LC谐振式全桥变换器

(2) LC谐振式变换器增益可调，可以通过微调LC参数达到改变电压增益的效果，完成较宽范围电压输出的指标要求。

LC谐振式变换器增益曲线如图3所示，图3为LC拓扑增益G(n)与n及Q的关系曲线。

图3 LC谐振式变换器增益曲线

G，n，Q关系如下:

(3)

(4)

LC谐振式变换器的传递函数为:

(5)

其增益为:

(6)

从图3可以看出不同Q值的曲线在n=1处增益相同，也就是说n=1时，电路增益G与Q无关，即与负载无关。所以，当工作频率点选择在n=1时，电路增益不随负载变化，理论上负载空满载变化输出电压幅度不变。可以看出，通过调节Lr、Cr可以调节Q值以及n值，从而达到改变系统增益的目的(Lr、Cr不能任意调节，只能在一定范围内调节，否则无法满足软开关条件)。(3) LC谐振式变换器软开关状态相比LLC谐振变换器简单易调，可以在满载情况下达到很高效率的电能转换。因为本报告所使用行波管常态工作处于连续波状态，所以只有2种负载状态，即满载和空载，因而可以使用LC谐振式变换器，将电路满载状态调节为最佳状态，获得最高的效率，空载电源自身损耗小，效率影响可忽略。

此外，LLC谐振变换器多了一个电感，浪费了一定空间，而且中大功率的高压开关电源中变压器以及功率器件的杂散参数较大，LLC谐振参数难以精确调节。本文所设计的LC谐振式移相全桥高压电源原理框图如图4所示。

图4 高压电源原理框图

2 PWM控制及开关驱动电路的设计

选择了拓扑以及控制方式后，进行对控制驱动电路的选择。

本文设计选用UCC1895作为控制芯片。但由于UCC1895的驱动能力较差，所以后级必须加驱动器，如图5所示。UCC1895输出到驱动电路(IR2110)，2路驱动电路的输出接隔离驱动变压器(为减小体积，选用EPC17磁芯，Φ0.21漆包线，初次级均为40匝)，驱动变压器次级则悬浮于桥式变换器的上端和下端。驱动电路芯片IR2110驱动电流2 A，可以满足后级驱动要求。

图5 开关控制驱动电路

为了防止MOSFET误导通，在MOSFET栅极和源极之间并联430 Ω的电阻, MOSFET栅极接入8 Ω电阻，可以给栅极去耦，以防止干扰和产生振荡。栅极驱动串入3个串联的二极管，其目的是降低死区期间的电平，使其低于零电位[1]，这样可以确保MOSFET在死区期间维持关断。当然由于工作频率高，这些二极管必须采用快速恢复二极管。

图5所示的开关电路实际工作时的波形如图6所示，B通道为变换器斩波输出的电压波形，A通道是通过自制电流互感器采样的电流波形(100 V约2 A)。

图6 变换器电压电流波形

3 新型功率半导体器件的应用

为了提高电源模块的效率，选择相应小功耗的功率半导体器件显得尤为重要。随着Coolmos工艺的发展，高压功率MOS管的发展有了巨大的变化，Infineon公司研制出了一种超级结功率器件，大幅度减小了栅极电荷Qg以及输出电容Eoss，也使得导通电阻Rds大幅减小。上一代Coolmos工艺的高压功率MOS管以ATP公司的ATP5020为代表在高频高压开关电源中应用最广，而ATP5020的Rds为0.2 Ω，是IPW65R037C6(封装形式均为TO247)的5倍多(如表1所示)，所以，使用IPW65R037C6可以大幅度降低开关电源的导通损耗，从而提高开关电源的效率[2]。

表1 IPW65R037C6的主要电参数

从图7中可以看出该MOS管的安全工作范围，根据单个电源模块的功率容量以及电源设计可知，MOS管的漏源电压最大约400 V，漏源电流有效值约2 A，可知MOS管工作于安全范围内，且留有较大余量。

图7 IPW65R037C6的安全工作范围(ID=f(VDS)，TC=25 ℃，Vgs>7 V)

4 高压开关电源的满载效率

完成高压电源的研制后进行加电测试，在接电阻负载时的测试数据如表2所示。

表2 高压开关电源的满载效率统计

可以看出高压电源满载时最大效率可达96.1%。

5 结束语

本文所设计的行波管高压电源模块用PQ40/40磁芯作为高压变压器[3]，整流滤波部分使用高压贴装元件并进行灌封。

本文设计了一种在满载时具有高效率的小纹波小型化高压开关电源，满载效率(不计输入整流滤波损耗)可达96.1%，纹波≤ 0.2‰。但是本文所设计的高压开关电源采用的是LC谐振式移相变换器，该拓扑仅在某一工作点(如满载情况)效率最高，难以达到全负载范围均有高效率的要求(类似80PLUS标准[4])。

[1] 宫力.LLC串联谐振全桥DC_DC变换器的研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[2] Infineon.650 V CoolMosC6 Power Transistor [EB/OL].http://www.infineon.com,2012-01-01.

[3] 高彧博.行波管高压电源中变压器的优化设计[J].舰船电子对抗，2014(1)：92-95.

[4] Minjae Joung.Dynamic analysis and optimal design of high efficiency full bridge LLC resonant converter for server power system[A].APEC[C].Orlando,FL,2012：1292-1297.

Design of A High Voltage Power Supply Based on High Efficiency LC Resonant Phase-shift Full-bridge TWT

GAO Yu-bo,XIE Zhang-gui,LI Qun,WANG Xin,LIU Wen-zheng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper designs a high voltage power supply based on high efficiency LC resonant phase-shift full-bridge,analyzes the convertor topology,control mode,power device,switch frequency,etc.,finally designs a high voltage with high stability(≤0.5‰),high voltage(10 kV),low ripple of voltage(≤0.2‰),high efficiency (fully loaded efficiency is 96.1% when input commute filtering loss is ignored),small size(200 mm×200 mm×50 mm) and midding power(fully loaded output is 450 W).

travelling wave tube;high voltage power supply;low ripple;phase-shift full-bridge

2014-05-15

TN86

B

CN32-1413(2015)01-0110-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.026