ITPM在雷达发射机高压电源中的应用

1 引 言

　　速调管因其高功率、高效率等显著特点在雷达发射机中有着广泛的应用[1]，本文介绍的速调管阴极高压电源功率达到60 kW。为了避免速调管阴极高压电源突加对电站的巨大冲击造成电站跳闸或发射系统工作的不稳定甚至电站机组的损毁；为了新速调管工作初期的需要，其阴极电压要求从较低的电压逐步上升到额定值；同时考虑到速调管功率带宽调试的方便以及速调管额定工作电压参数的离散性等因素，常规的方法都是增加一个附属设备--大功率调压器。而该大功率速调管雷达发射机通过三相交流晶闸管智能模块的成功应用，圆满地解决了上述所有问题，同时减少了雷达的设备量，提高了雷达的机动性能，ITPM调压技术成为该雷达的闪光点之一，受到用户的广泛好评。

　　2 晶闸管智能模块的性能特点

　　2．1模块的性能特点

　　晶闸管智能控制模块的最大特点是采用全数字移相触发集成电路，控制电路与晶闸管主电路集成于一体后，使模块具备了强大的电力调控功能[2]。模块输出对称性高，无直流分量。模块压降小、功耗低，效率高、节电效果好。大规格模块具有过热、过流、缺相保护功能。触发控制电路采用进口贴片元件，保证了良好的可靠性。直流控制信号输入0～10 V，可对主电路输出电压进行平滑调节。

　　2．2 三相交流ITPM原理图

　　图1中，DCl2 V为外接直流12 V控制电源正极；GND1为控制电源地线及屏蔽线；GND2为控制电源地线，内部与GND1相通；CON1为O～10V直流信号输入；ECON为方便用户检测模块功能使用，此端在模块内部通过1 kΩ电阻与控制电源+12 V连接，输出10 V直流信号，可外接10～100 kV电位器，但不宜作给定信号使用(此端一般空置)。

　　2．3模块的导通角要求

　　模块在较小导通角时(即模块高输入电压、低输出电压)输出较大电流，会使模块严重发热甚至烧毁。因为在非正弦波状态下用普通仪表测出的电流值，不是有效值。所以，尽管仪表显示的电流值并未超过模块的标称值，但有效值会超过模块标称值的几倍。因此，要求模块应在较大导通角下(100°以上)工作。模块在不同输出电压下允许的最大输出电流比例可参见表1。

　　表1中，U实为模块实际输出电压；U标为模块能输出的最高电压；I实为模块实际输出电流；I标为模块标称最大电流。 
 
　　2．4模块的主要参数

　　(1)工作频率f为50 Hz,

　　(2)输入线电压范围VIN(RMS)为300～450 V AC；

　　(3)三相交流输出电压不对称度<6％；

　　(4)控制电源电压12 V DC,

　　(5)控制信号电压VCON1为0～10 V DC；

　　(6)控制信号电流ICON1≤10μA；

　　(7)输出电压温度系数<600 PPM／℃；

　　(8)模块绝缘电压VISO(RMS)≥2 500 V；

　　(9)工作壳温≤80℃；

　　(10)最大输出电流150 A；

　　(11)电流上升率di／dt：100 A／μs；

　　(12)电压上升率dv/dt：500 V／μs。

　　2．5 控制、输出特性曲线

　　图2中，上曲线为三相整流模块控制、输出特性曲线，下曲线为三相交流模块特性曲线。横坐标为控制电压VCON1的电平，纵坐标为主电路输出电压与输入电压(电源电压)之比。

　　3 ITPM在高压电源中的应用

　　3.1 高压电源的设计

　　高压电源技术参数如下：输出功率60 kW；输出电压1 500 V；输出电流40 A；输入线电压380 V；输入线电流92 A。

　　因高压电源输出功率较大并考虑到适当调压功能，将电源分为3档，电源变压器分成3个，3个变压器初级并联接到ITPM的输出端。每个变压器的初级均为△型接法，变压器的次级均有2个绕组，一个为△型接法，另一个为Y型接法，以便实现12相整流并获得较好的电源纹波特性，2个绕组整流后串联输出。3档串联叠加输出的最高电压为1 500 V，第一档变压器整流输出950 V，第二档变压器整流输出400 V，第三档变压器整流输出150 V。

　　高压电源整流后采用对纹波衰减效果较好的 型滤波器，LC的滤波常数选得比较大，有利于对电源纹波的衰减，使电源的输出纹波满足发射系统的要求，尤其是滤波电容C选的比较大，达到2 000μF，是脉冲形成网络(即PFN)总容量的40多倍，使得高压电源在对PFN进行脉冲充电时更接近于恒压源，从而使PFN的充电电压更趋于恒定值。

　　3．2 ITPM的应用

　　ITPM在高压电源中的应用如图3所示。

　　图3中阻容吸收回路是为了模块的过压保护：电容器把过电压的电磁能量变成静电能量存贮，电阻防止电容与电感产生谐振。这种吸收回路能抑制晶闸管由导通到截止时产生的过电压，有效避免晶闸管被击穿。因高压电源的输入线电流约为92 A，考虑到留有适当的电流余量，模块宜选用MJYS-QKJL-150型。模块的输入端接电站输出端口，输出端接电源变压器的初级，控制端口的直流控制电平由工控机(PLC)的D／A转换单元直接控制。通过PLC中CPU软件的设置，可以根据需要随意地设置和改变导通角初始值和控制调压的速率，方便地实现了调整电源变压器初级电压，达到高压电源电压软启动的目的。

　　3．3 ITPM的应用效果

　　高压电压的最终负载是大功率速调管，为此，有必要简单介绍一下速调管的负载特性。在阴极脉冲调制时，速调管对脉冲调制器和阴极高压电源呈现的负载是一个非线性电阻[3]，其电流电压关系为：

　　I=pU3/2

　　其中：p=2．3×10-5扑，由上式可知，在较低的电压下，速调管呈现的负载阻抗很大，随着电压的逐渐上升所呈现的负载阻抗逐渐减小。因此，可以适当提高高压电源的起始调整电压，这与ITPM模块的导通角要求不谋而合，通过一定的降额系数，为模块在大功率速调管雷达发射机的正常使用奠定了基础。

　　经过充分的试验，我们确定高压电源一档(最低档)的电压软启动调整初始值为电源电压的60％，二档的初始值为电源电压的70％，三档的初始值为电源电压的90％，基本实现了速调管阴极电流的线性调整。调整结果如表2所示。

　　由表2可以看出，ITPM模块对高压电源输出功率的调整范围为4．7～60 kW，完全能够满足大功率速调管对于其阴极高压电源的调压要求。而且，在特殊需要的情况下，我们还可以单独加高压电源二档或三档并设置适当的电压软启动调整初始值来获得更低的速调管阴极电压。

　　综合表1和表2能够看出，ITPM模块在高压电源各档对应的初始电压下，模块实际的输出电流远远小于模块在相应输出电压下的电流输出能力，切实保证了模块的安全使用和可靠性。

　　4结语

　　ITPM是电力电子产品数字化、智能化、模块化的集中体现，高度展示了现代电力电子技术在电气控制中的作用。由于其高开关速度和无弧关断等优良特点，在配电系统内的电气控制、交／直流电机调速、电源和控制等方面有着广泛的应用[4]。在高功率雷达发射机中，应用ITPM成功实现速调管阴极高压电源的软启动控制，经过多批次生产、调试和用户使用，表现出极高的可靠性和良好的使用性。由于其所具有的优越性能和鲜明特点，使得他在民用和军事领域都具有良好的应用前景。