機(jī)載小功率行波管高壓直流電源設(shè)計(jì)
2017-5-17 21:08:52??????點(diǎn)擊：
機(jī)載小功率行波管高壓直流電源設(shè)計(jì)
1 引言
在雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)作為重要的組成部分，主要完成信號(hào)的放大輸出。行波管具有頻帶寬、輸出功率大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)中，是發(fā)射機(jī)的核心部件。行波管電源是行波管的能量來(lái)源，電源的性能對(duì)發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的質(zhì)量以及整個(gè)發(fā)射機(jī)的重量、體積、功耗、可靠性等起著重要的作用。
2 電源系統(tǒng)的組成
行波管的工作電源主要包括:螺旋線(xiàn)電源、收集極電源、燈絲電源、正偏電源、負(fù)偏電源等，其中高壓電源為螺旋線(xiàn)、收集極電源。本設(shè)計(jì)中，行波管高壓電源需求如表1 所示，所有電源電壓均指對(duì)陰極電壓。
由于發(fā)射機(jī)應(yīng)用于機(jī)載工作環(huán)境，為確保行波管電源很好地適應(yīng)這種工作環(huán)境并穩(wěn)定可靠地工作，遵循以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)思路。
1 ) 利用變壓器漏感參與諧振，從而減小甚無(wú)需外加諧振電感，減小高壓電源體積、重量。
2 ) 主功率開(kāi)關(guān)管工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從減小開(kāi)關(guān)損耗和提高效率，提升高壓電源的可靠性。
3 ) 盡可能降低高壓變壓器變比，從而減小布電容，以減輕由于分布電容帶來(lái)的不利影響。
本設(shè)計(jì)的行波管高壓電源框圖如圖1 所示。
3 具體電源設(shè)計(jì)
3 . 1 預(yù)穩(wěn)電源設(shè)計(jì)
由于載機(jī)供電電源的范圍為25V?32V，輸入電壓低，而高壓電源輸出為14k V 的電壓，其高頻變壓器的變比太高，導(dǎo)致分布電容很大，波形失真嚴(yán)重，使高壓電源的工作穩(wěn)定性(可靠性)和效率降低。因此，中電華星的工程師一般會(huì)在飛機(jī)的供電輸出和高壓電源的供電輸入之間增加一級(jí)預(yù)穩(wěn)電源。
預(yù)穩(wěn)壓電源采用模塊化的DC/DC變換器作為核心器件，外圍采取共模、差模濾波電路以及監(jiān)控電路來(lái)構(gòu)成，中電華星一般會(huì)采用Vicor等高可靠的模塊電源品牌。選擇模塊化的DC/DC變換器有明顯的優(yōu)點(diǎn):第一，成熟的模塊化電源，內(nèi)部器件高度集成，電路成熟，具有體積小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn);第二，DC/DC電源變換器具有隔離保護(hù)功能，使負(fù)載和飛機(jī)配電母線(xiàn)隔離，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過(guò)載和短路的時(shí)候，DC/DC電源變換器可以實(shí)施過(guò)流保護(hù)或短路保護(hù);第三，當(dāng)飛機(jī)供電母線(xiàn)電壓發(fā)生較大變化時(shí)，可以將輸入電壓調(diào)整至用電設(shè)備使用電壓的穩(wěn)定值。
根據(jù)行波管給定的參數(shù)中，可計(jì)算得高壓電源的輸出功率
高壓直流電源的效率按8 5 % 計(jì)算，則輸入功率為
考慮一定的余量，預(yù)穩(wěn)電源的輸出功率按100W 設(shè)計(jì)。
選用2 只中電華星提供的VICOR電源模塊VI-2WBMX串聯(lián)，以達(dá)到提高輸出電壓的目的。VI-2WBMX模塊的輸入電壓為18VDC?36VDC，輸出電壓為95VDC，輸出功率75W，故預(yù)穩(wěn)電源的輸出電壓為190V，功率為150W。
3 .2 高壓直流電源設(shè)計(jì)
3. 2. 1 高壓電源拓?fù)涞倪x擇
串聯(lián)諧振變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：串聯(lián)電容隔斷直流分量，避免高頻變壓器飽和，適合設(shè)計(jì)成全橋拓?fù)潆娐?開(kāi)關(guān)器件的電流隨負(fù)載的降低而減小，因而輕負(fù)載下效率高。缺點(diǎn):輸出直流濾波電容必須承受大的脈動(dòng)電流，因此只適合局壓小電流輸出。為了降低高壓變壓器的變比，從而降低分布參數(shù)，高壓變壓器輸出分成三個(gè)繞組，經(jīng)倍壓整流串聯(lián)后給行波管提供螺旋線(xiàn)電壓和收集極電壓。
串聯(lián)諧振拓?fù)鋱D如圖2 所示
其中，電感Lr和電容Cr組成諧振網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)關(guān)管S1 和S4、S2 和S3 分別同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，S1 和S4與S2 和S3 為180°互補(bǔ)導(dǎo)通。
3. 2. 2 全橋串聯(lián)諧振模式選擇
串聯(lián)諧振根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率fs和諧振頻率fr比較有三種不同的工作模式：
1) fs≤ fr/2 時(shí)，為電流斷續(xù)模式。開(kāi)關(guān)器件工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)通關(guān)斷均可實(shí)現(xiàn)零電流。
2) fs≤fr/2≤fr時(shí)，為電流連續(xù)模式。開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)電流為零，開(kāi)通時(shí)電流較大。
3) fs≥fr時(shí)，為電流連續(xù)模式。開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)電流為零，關(guān)斷時(shí)電流較大。
三種模式的電流波形分別如圖3 所示。
因此，采用電流斷續(xù)工作模式，開(kāi)關(guān)管均工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)通關(guān)斷均實(shí)現(xiàn)低損耗。
3. 2. 3 高壓電源主要參數(shù)計(jì)算
由于變壓器次級(jí)高壓整流硅堆反向恢復(fù)時(shí)間的限制，諧振頻率fr取100KHz，因此開(kāi)關(guān)頻率fs= 0. 5fr = 50KHz，變換比 M= Vo/VB= 0. 9 ，電源效率η=0. 85，輸入電壓VIN= 190V。
其中:Z0為諧振阻抗，R'為負(fù)載等效電阻，POUT為輸出功率;η為效率；Vin為預(yù)穩(wěn)電源輸出電壓；fr為諧振頻率。
計(jì)算諧振電感：
諧振電容：
考慮到變壓器分布電容的影響，適當(dāng)加大諧振電谷，取 C= 0. 01μF ，則 L≈254μH。
特征阻抗：
諧振回路有效值及峰值電流：
變壓器變比：
高壓直流電源采用次級(jí)串聯(lián)供電模式，對(duì)總電壓(螺旋線(xiàn)電壓)進(jìn)行采樣閉環(huán)，次極采用三繞組分開(kāi)繞制，其中一組全橋整流輸出電壓為4. 3KV，為收集極供電，變比：N1= V1/Vp= 4. 3KV/(190 X 0?8)≈29;另外兩個(gè)繞組經(jīng)二倍壓整流后串聯(lián)輸出，提供收集極對(duì)地電壓。變比：N2=N3= (14-4.3)KV/(2X2 X 190X0. 8)≈16。
高壓儲(chǔ)能電容計(jì)算：
行波管最大工作比10% ，最大脈寬為100μS，收集極脈內(nèi)頂降小于50V ，螺旋線(xiàn)脈內(nèi)頂降小于100V ，因此：
高壓直流電源電路簡(jiǎn)圖如圖4 所示。
3. 3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
基于以上的設(shè)計(jì)步驟，研制一臺(tái)行波管高壓電源，輸人直流電壓Vin= 28V ，輸出電壓Vk = -14KV,Vc = -4. 3kV，輸出功率 POUT= 65W，變換器工作頻率fs=50kHZ。
4 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了雷達(dá)直流電源工程師開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一款機(jī)載行波管高壓電源，該電源采用兩級(jí)電壓變換，高壓變換部分采用零電流全橋串聯(lián)諧振拓?fù)洹Ｔ撔胁ü茈娫淳哂畜w積小、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)，目前已完成試飛試驗(yàn)，滿(mǎn)足各項(xiàng)指標(biāo)要求。據(jù)了解，該款高壓電源還被應(yīng)用在機(jī)載、
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