（西安电子工程研究所陕西西安710100）
摘要：脉冲行波管发射机被广泛的应用在通讯、雷达、电子对抗等领域。它具有效率高、频带宽、功率高和小型化的优点。它的高压电源功率变换主电路是由固定频率控制或频率调节控制方式的桥式串联谐振型变换器转换来的。因为高源电压具有升压比高和功率大的特点。为适应复杂探测的需要，要求行波管雷达发射机工作脉冲形式在瞬间进行变化，为了满足脉冲行波管的这种负载特性，描述了一种适用于脉冲行波管雷达发射机的高压电源设计方案。分析移相控制方式串联谐振变换器的工作原理。该变换器在传统的串联谐振变换桥中，增加了4只二极管对回路中谐振电容电压加以箝位，使电路具有良好的脉冲负载适应特性，同时功率开关器件具有较宽的软开关范围，在高频工作状态下，仍然具有高的变换效率。最后给出该电源的实际工作波形。
关键词：脉冲行波管；雷达发射机；高压电源设计
1、前言
脉冲行波管发射机以其高功率、高效率、宽频带、小型化等优点而广泛应用在雷达、电子对抗、通讯等领域。其高压电源由于功率大，升压比高等因素往往采用频率调节控制或固定频率控制方式的桥式串联谐振型变换器（SRC）作为功率变换主电路。这种电路以其结构简单，易实现，抗不平衡能力强等优点而广泛应用于高压电源中。但是电源的输出性会因为宽范围的负载变化或是软开关范围变窄、开关频率过低而变差。为了解决这个问题，要求行波管雷达发射机的工作脉冲形式必须在瞬间发生变化。为了适应负载特性，笔者提出了一种适用于脉冲行波管雷达发射机的高压电源设计方案。
2、电源组成及其工作原理
图1展示了脉冲行波管发射机高压电源的组成。
图1行波管高压电源组成
其中高压变压器采用T1采用的是扁平的结构，以便于用薄形来封整个高压电源。功率变换桥采用的是串联谐振电路运用的是谐振电容电压箝位的方法。它比传统的串联谐振电路多了4只二极管。控制保护电路的功能是检测、控制和保护高压电源，以及和发射机系统进行同步通讯。高压整流有4组输出，以便于多级降压收集极行波管。驱动信号在调整变换器的输出电压时采用的是移相控制的方法。高压电源在次级接有等效为电压源的虑波电容，以提供脉冲峰值功率。然后将变换器的电压源和次级负数同变压器初级等效，分别是Uo/2和RL/2。在图2中就展示了变换器工作模式的等效电路。当谐振频率fr小于开关频率fs时，在额定过载或是负载的情况下，电路中的4只功率开关都在ZVS，ZCS的状态下工作。工作的过程是这样的：
1）模式1[t0~t1]：当开关功率管VS4和VS1同时处于导通状态时，所有串联谐振回路的参数都会参与到工作当中，此时谐振电流ip1和ip2都会产生谐振，谐振的电容上的电压会上升。当υCr达到输入电压Uin时，负载的功率呈现最大值；
2）模式2[t1~t2]：因为υCr已经达到了Uin，所以二极管VD5将导通把uCr箝位在Uin，功率不会再输入谐振回路。Cr将失去谐振元件的功能。电感和变压器会在谐振电感的作用下通过两条线路保持ip1和ip2续流；
3）模式3[t2~t3]：在t2的时间段，电路中将关断VS1，并在开关管的两端添加电容C1，以减小因关断带来的损耗。在关断VS1后，ip2仍然会按照原来的方向续流。此时ip1的续流回路则变为Uin（-）→VD2→Lr1→RL/2→VD5→Uin（+）。当VD2导通时，VS2也处于导通状态，此时可以开启零电压；
4）模式4[t3~t4]：当t=t3时，VD5关断，ip1换方向。Cr上的能量将会被释放。由于有Cr和Lr，所以回路的电流会最开始进行谐振。此时VD8中的电流是ip1+ip2，此时谐振产生的电流处于最高值；
5）模式5[t4~t5]：当关断VS4以后，电感的作用会导通VD3，ip2会继续的续流回路，变为Uin（-）→VD8→RL/2→Lr2→VD3→Uin（+）；
6）模式6[t5~t6]：因为提前导通了VD3，所以可以开启VS3中的零电压。当t=t5时，VD8会关断，ip2会换向。ip2和ip1会同时产生谐振然后流过整个谐振回路。这时电路输出的功率达到最高。
图2变换器各工作模式的等效电路
这就是电路半个周期的工作过程。另外一般的工作过程和这半个相似。在这里就不一一列举了。当负载比较轻时，谐振回路的电流会变小，由于电路中的ip2续流时间很短，所以在关断滞后管VS3和VS4后它的电流为零，虽然不能再开通零电压，但可以关断零电流。这样仍能使两只功率开关管处于ZVS的工作状态和较高的变换频率。
3、实际电路设计
3.1变换器桥路参数设计
行波管发射机模块的输入电压Uin=270V，行波管负载的额定平均功率约为520W，整个模块厚度为30mm。选择开关频率fs=250kHz，脉宽1.8μs。当fr=fs时，在额定负载条件下，谐振回路的Q值选择在0.5左右时，电路可以很好地实现ZVS。电源的初级等效负载为140Ω，总的谐振电感量L=25μH，分别取Lr1=Lr2=10μH，变压器的漏感限制在5μH左右。取谐振电容Cr=0.02μF。
3.2变压器的设计
为了适应行波管发射模块的要求，将电源体积限制在30mm的高度内。磁性元件的安装为扁平型结构，同时尽可能地减少变压器的分布电容。常用方法是采用绕组分段绕制的方式。采用导线绕制这种平面结构的变压器绕组有相当的难度，加上高压变压器的次级匝数多，而导线又较细，在绕制前需要设计专用的工装工具，线圈绕制好用绝缘膜固定，同时绝缘膜起到层间绝缘作用。
4、实验结果
图3给出了额定输入电压、不同负载条件下超前管工作电压uglead和滞后管工作电压ulagg波形。由图3a，b可见，在重载情况下，4只开关管的电流均较大。开关管关断时为硬关断，但在开通时，电流为负值，功率管处于ZVS开通条件。从图3c超前管电流ilead和滞后管电流ilagg波形可见，当负载功率为额定功率的20%时，超前管依然可以获得ZVS开通条件，而滞后管可获得ZCS开通和关断条件。图3d给出了谐振回路中uCr和iCr波形，在额定负载下，uCr被箝位，电源输出特性为电流源特性，有利于给脉冲负载的储能电容充电。
图3不同负载下的实验波形
在无输出取样闭环控制的情况下，进行了从额定负载到空载的瞬态跳变试验，电压最大增加量为31%。由实验结果可见，该变换器较传统串联谐振变换器其输出特性有了明显改善。通过电源效率测试得出，高压电源在额定功率大于40%时，效率可维持在85%以上，虽然开关频率已非常高，但保持了传统串联谐振变换器高变换效率的特点，这有利于模块化结构行波管发射机的热设计。
5、结语
采用谐振电容电压箝位型串联谐振变换器构成行波管雷达发射机高压电源，既保留了串联谐振变换器易于升压的特点，又增加了适合脉冲负载的特点：电流源固有的伏-安特性保证了电路在足够短的时间内完成过载保护；在负载宽范围变化（包括空载到短路）情况下，可实现输出电压的全程控制。因此，该变换器非常适合应用于模块化中小功率的脉冲负载高压电源中。
参考文献：
[1]郑新，李文辉，潘厚忠．雷达发射机技术[M].北京：电子工业出版社，2006.
[2]杨旭，裴去庆，王兆安．开关电源技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3]郭高峰.栅控行波管雷达发射机的控制与保护[J].元器件与应用，2009，22：200-202.