机载小功率行波管高压直流电源设计

1 引言

在雷达系统中，发射机作为重要的组成部分，主要完成信号的放大输出。行波管具有频带宽、输出功率大等特点，被广泛应用在雷达系统中，是发射机的核心部件。行波管电源是行波管的能量来源，电源的性能对发射机输出信号的质量以及整个发射机的重量、体积、功耗、可靠性等起着重要的作用。

2 电源系统的组成

行波管的工作电源主要包括:螺旋线电源、收集极电源、灯丝电源、正偏电源、负偏电源等，其中高压电源为螺旋线、收集极电源。本设计中，行波管高压电源需求如表1 所示，所有电源电压均指对阴极电压。

由于发射机应用于机载工作环境，为确保行波管电源很好地适应这种工作环境并稳定可靠地工作，遵循以下几点设计思路。

1 ) 利用变压器漏感参与谐振，从而减小甚无需外加谐振电感，减小高压电源体积、重量。

2 ) 主功率开关管工作于软开关状态，从减小开关损耗和提高效率，提升高压电源的可靠性。

3 ) 尽可能降低高压变压器变比，从而减小布电容，以减轻由于分布电容带来的不利影响。

本设计的行波管高压电源框图如图1 所示。

 

3 具体电源设计

3 . 1 预稳电源设计

由于载机供电电源的范围为25V〜32V，输入电压低，而高压电源输出为14k V 的电压，其高频变压器的变比太高，导致分布电容很大，波形失真严重，使高压电源的工作稳定性(可靠性)和效率降低。因此，中电华星的工程师一般会在飞机的供电输出和高压电源的供电输入之间增加一级预稳电源。

预稳压电源采用模块化的DC/DC变换器作为核心器件，外围采取共模、差模滤波电路以及监控电路来构成，中电华星一般会采用Vicor等高可靠的模块电源品牌。选择模块化的DC/DC变换器有明显的优点:第一，成熟的模块化电源，内部器件高度集成，电路成熟，具有体积小，可靠性高等优点;第二，DC/DC电源变换器具有隔离保护功能，使负载和飞机配电母线隔离，当负载出现过载和短路的时候，DC/DC电源变换器可以实施过流保护或短路保护;第三，当飞机供电母线电压发生较大变化时，可以将输入电压调整至用电设备使用电压的稳定值。

根据行波管给定的参数中，可计算得高压电源的输出功率

高压直流电源的效率按8 5 % 计算，则输入功率为

考虑一定的余量，预稳电源的输出功率按100W 设计。

选用2 只中电华星提供的VICOR电源模块VI-2WBMX串联，以达到提高输出电压的目的。VI-2WBMX模块的输入电压为18VDC〜36VDC，输出电压为95VDC，输出功率75W，故预稳电源的输出电压为190V，功率为150W。

3 .2 高压直流电源设计

3. 2. 1 高压电源拓扑的选择

串联谐振变换器有下列优点：串联电容隔断直流分量，避免高频变压器饱和，适合设计成全桥拓扑电路;开关器件的电流随负载的降低而减小，因而轻负载下效率高。缺点:输出直流滤波电容必须承受大的脉动电流，因此只适合局压小电流输出。为了降低高压变压器的变比，从而降低分布参数，高压变压器输出分成三个绕组，经倍压整流串联后给行波管提供螺旋线电压和收集极电压。

串联谐振拓扑图如图2 所示

 

其中，电感Lr和电容Cr组成谐振网络，开关管S1 和S4、S2 和S3 分别同时开通和关断，S1 和S4与S2 和S3 为180°互补导通。

3. 2. 2 全桥串联谐振模式选择

串联谐振根据开关频率fs和谐振频率fr比较有三种不同的工作模式：

1) fs≤ fr/2 时，为电流断续模式。开关器件工作在软开关状态，开通关断均可实现零电流。

2) fs≤fr/2≤fr时，为电流连续模式。开关器件关断时电流为零，开通时电流较大。

3) fs≥fr时，为电流连续模式。开关器件开通时电流为零，关断时电流较大。

三种模式的电流波形分别如图3 所示。

 

因此，采用电流断续工作模式，开关管均工作在软开关状态，开通关断均实现低损耗。

3. 2. 3 高压电源主要参数计算

由于变压器次级高压整流硅堆反向恢复时间的限制，谐振频率fr取100KHz，因此开关频率fs= 0. 5fr = 50KHz，变换比 M= Vo/VB= 0. 9 ，电源效率η=0. 85，输入电压VIN= 190V。

其中:Z0为谐振阻抗，R'为负载等效电阻，POUT为输出功率;η为效率；Vin为预稳电源输出电压；fr为谐振频率。

计算谐振电感：

谐振电容：

考虑到变压器分布电容的影响，适当加大谐振电谷，取 C= 0. 01μF ，则 L≈254μH。

特征阻抗：

谐振回路有效值及峰值电流：

变压器变比：

高压直流电源采用次级串联供电模式，对总电压(螺旋线电压)进行采样闭环，次极采用三绕组分开绕制，其中一组全桥整流输出电压为4. 3KV，为收集极供电，变比：N1= V1/Vp= 4. 3KV/(190 X 0•8)≈29;另外两个绕组经二倍压整流后串联输出，提供收集极对地电压。变比：N2=N3= (14-4.3)KV/(2X2 X 190X0. 8)≈16。

高压储能电容计算：

行波管最大工作比10% ，最大脉宽为100μS，收集极脉内顶降小于50V ，螺旋线脉内顶降小于100V ，因此：

高压直流电源电路简图如图4 所示。

3. 3 实验及结果

基于以上的设计步骤，研制一台行波管高压电源，输人直流电压Vin= 28V ，输出电压Vk = -14KV,Vc = -4. 3kV，输出功率 POUT= 65W，变换器工作频率fs=50kHZ。

 

4 结语

本文介绍了雷达直流电源工程师开发设计的一款机载行波管高压电源，该电源采用两级电压变换，高压变换部分采用零电流全桥串联谐振拓扑。该行波管电源具有体积小、重量轻、可靠性高等特点，目前已完成试飞试验，满足各项指标要求。据了解，该款高压电源还被应用在机载、