新型靶标发射机阴极高压电源的设计

中国电子科技集团公司第三十八研究所 汪 平

新型靶标发射机阴极高压电源的设计

中国电子科技集团公司第三十八研究所 汪 平

介绍了一种适用于新型靶标发射机行波管阴极高压充电电源设计方法。本设计采用移相全桥零电压脉宽调制变换技术，此变换器结合PWM技术与谐振技术的优点于一身，充分利用线路杂散电感和器件寄生电容，既实现功率管的零电压开关又实现恒频控制，有利于磁性元件的优化设计。文章最后给出了高压电源的实际工作波形。

高压电源；移相；谐振；零电压

1.引言

阴极高压电源是行波管发射机中必不可少的单元，为行波管发射机提供主要的脉冲能量。由于输出电压高，充电电流大，该类高压充电电源通常采用脉冲频率调节的串联谐振变换技术（SRC），SRC电路具有近似恒流工作的特性，抗负载短路能力强，但是存在峰值电流大，负载变化时工作频率也随之大范围变化的缺点，导致对高压整流硅堆要求高，变压器设计困难，空载输出特性差。本文设计了一种采用移相控制串联谐振变换技术的高压充电电源，既保留了原有SRC电路的优点，同时采用恒频控制弥补了变频工作的不足[2]。该高压电源输入电压为AC220V，输出电压-20kV，输出平均电流50mA，峰值电流10A。

2.主要技术问题

与通常的低压开关电源相比较，高压充电电源有以下三个特点：

（1）无输出电感：一般输出电感的选择应保证在规定的最小负载下其电流也连续，在几千伏高压以上输出情况下，输出电感的体积和价格都是很难接受的，并且在工作中电感两端会承受与输出电压相等的电压，容易导致电晕和飞弧，所以在较高的电压应用中通常不考虑输出电感[1]。

（2）变压器副边存在较大的分布电容：变压器变比高、副边匝数多，绕组之间存在较大的分布电容，极大的影响开关电源的工作稳定性。需要尽量减小变压器分布电容。

（3）负载变化范围宽：在脉冲源等设备的应用中，由于工作状态多，峰值电流大，要求高压充电电源有很宽的负载变化范围，需要要选择适用宽范围运行的电路形式[4]。

3.电源工作原理及分析

为解决上述主要技术问题，阴极高压电源采用移相全桥脉宽调制技术来适应宽的负载变化范围，解决了动态负载时工作频率变化大的问题。对高压变压器次级采用多分段绕制的方法，尽量减小分布电容。高压电源主变换器的工作原理如下。

如图1所示，VS为输入直流电压。Tri(i=1,2,3,4)为功率MOS管，其体二极管为Di(i=1,2,3,4)，Ci(i=1,2,3,4)为功率管寄生电容或寄生电容与外部谐振电容并联等效值，Lr是变压器漏感或漏感与外加谐振电感串联等效值。变压器副边电压Vs＇经过桥式整流和滤波器给负载供电。图2-2给出变压器原边电压VAB、副边电压Vs＇和原边电流i的波形图，Ip为原边电流峰值。

图1 移相变换器原理图

一周期内可以分成六个运行模式，如表1所示。

表1 FB-ZVS-PWM变换器一周运行模式

其原理是利用变压器漏感Lr和电容Ci谐振，漏感储能向Ci释放过程中，使Ci电压逐步下降到零，体二极管Di开通，创造了Tri的ZVS条件。为了改变占空比D以便实现调节控制，采用了移相技术。左右两桥臂的开关管分别为Tr1、Tr3和Tr4、Tr2，在两者的驱动信号脉冲之间保持一定的相位差，只要改变这个相位差(即移动一组驱动脉冲的相位)，就可使占空比改变，也就改变输出电压大小[5]。由此变换器构成的阴极高压电源组成框图见图2。

图2 高压电源组成框图

4.参数设计

4.1 前端整流设计

前端整流采用L A M B D A公司的P F C模块，模块型号为PF1000A-360，性能指标见表2，该模块具有以下特点: 可实现功率因素和谐波校正，带有过压保护、过热保护和输入浪涌保护等保护电路，模块内部将功率电路和控制电路集合在一起，使用起来非常方便。

表2 PF 1000A-360性能指

模块输出端需要连接滤波电容，设定输出电压纹波峰峰值不大于15V，则电容容量依据下式来计算，f为整流电路的工作频率，整流电路的输入为单相电时，f=2×50Hz=100Hz。

4.2 控制电路设计

移相控制脉冲发生回路主要由UC2879构成，工作时产生4组控制信号，UC2879最高工作频率可以达到300kHz,输出延迟时间编程可控，谐振开关过程在输出级插入的死区时间内实现。本设计采用电压工作模式，工作频率为100kHz。振荡器的工作频率由外接定时电阻RT和定时电容CT共同决定,由于定时电容的选取比定时电阻的选取要困难一些，因此预先选取CT=680pF,

在电压型逆变器中，因为输入的为电压源，为防止电源中上下桥臂开关管出现直通现象，必须遵循先关断后开通的原则，即预留适当的死区时间。对于UC2879，死区时间由下式给出[3]。

4.3 变换器参数设计

如图1所示，开关管Vs1和Vs4、Vs2和Vs3分别受两组互补的驱动信号控制。 Lr为谐振电感，利用电感和功率MOSFET输出电容的谐振，可使四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。Cr为隔直电容，其作用是避免因电路特性不对称产生直流偏磁而导致的变压器饱和。

(1)谐振电感参数计算：

高压电源的输出为多级绕组不利于设计计算，高压电源的输出电流按功率输出取平均输出电流为60mA。考虑到空载状态下因存在取样电阻和高压电容漏电流的存在，空载电流设为0.06mA。

计算槽路和负载之间的变压器的变换比M：

如果VON(max)近似为0.9的话，那么：

考虑到无功功率和保证输出的调整，选择Iav(max)=1.5。阻抗ZO计算如下：

开关频率如为100kHz，按归一化频率0.8，则谐振频率为125kHz，谐振脉宽3.5μS。

电容Cr可选择聚丙烯薄膜电容，工程上电容容值可按下式计算：，这里选择三个0.47μF电容并联使用。

(2)功率开关管的选择：

全桥电路开关管所承受的电压就为输入电压，取2倍冗余，故额定电压为720V。考虑到最恶劣情况：线电压最低负载最大，有效占空比最大值Deff=0.7，可得功率管最大通态电流峰值为10A，一般取开关管的电流定额为电流峰值的两倍，综合考虑后，功率开关管选择APT公司的APT48M80L。

(3)高压变压器参数

高压输出阴极电压为-22kV，原边直流电压值为360V，选择逆变器的原边增益为0.85，那么变压器原边的高频交流峰值为0.85×360＝306V。输出采用6个绕组桥式整流串联方式，各绕组匝数相同，单一绕组电压为3667V,因此匝比n1为：

4.4 高压整流电路设计

5 性能测试结果

图3给出了电源开启时输出高压由0～-20KV建立过程的波形，由图可见，电压在建立过程中呈线性平稳上升，全过程无电压尖峰，最终输出电压即是最高电压，有利于行波管的正常工作。图4为移相变换器满载时的初级电流波形，可以看出与原理分析时的电流波形较为吻合，变换器工作时无开关噪声以及电流尖峰，实现了软开关工作。由实现结果可见，该电源很好的实现了设计要求，效率高，工作稳定可靠。

图3 开启时电压建立波形

图4 变换器初级电流波形

6 结论

本设计成功的将全桥移相变换技术应用在高压电源中，实现了恒频软开关，简化了高压变压器的设计。产品已应用于新型靶标行波管发射机，较好的适应了行波管发射机脉冲工作以及负载宽范围的变化的特点，工作稳定可靠。

[1]黄峥嵘.几种高压开关电源软开关电路的研究[J].电源技术应用,2008,3.

[2]汪军.脉冲行波管雷达发射机高压电源设计[J].电力电子技术,2008,2.

[3]倪海东,蒋玉萍.高频开关电源集成控制器[M].北京:机械工业出版社,2004.

[4]Sanjaya Manikala.Switching Power Supplies A to Z[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[5]刘胜利.高频开关电源实用新技术[M].北京:机械工业版社,2005.

Design of a Kathode High Voltage Power for Novel Target Transmitter

WANG Ping
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088，China)

A design of kathode high volagte power supply for novel target transmitter is presented in this paper. A new the full-bridge phase-shifted PWM ZVS(zero-voltage-swicth ) converter is applied in This design. This converter operte at PWM while retaining desired features of resonant converters. This converter successfully utilized distribution inductance of circuit and parasitize capacitances of devices as elements in resonant tank ,and these devices can achieved ZVS under constant-frequency control mode. With this operation ,the magnetic elements can be optimized in the converter.Finally, the operation waveforms of the High-Voltage-Power are given.

high voltage power；phase shifting；resonant；zero voltage

汪平（1980—），男，江西樟树人，大学本科，中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师，主要研究方向为功率电子技术及雷达配电系统。