空投型雷达发射机阴极高压电源设计

摘要 阴极高压电源纹波是影响发射机频谱的关键因素，针对空投型雷达强冲击、低气压、安装空间受限的应用环境，提出了一种空投型雷达发射机阴极高压电源设计方法。采用软开关谐振技术减少功率开关管损耗，以串级式倍压电路输出高压，采取有效措施减小输出高压纹波，提高了系统可靠性，并对强冲击和低气压环境有较好的适应性。该阴极高压电源小型化效果好、功率密度大、对发射机工作比适应性宽，有利于提高发射机系统的功率容量、效率和频谱质量，为发射机高压电源的研制提供了新的思路，具有较好的应用前景。
关键词 阴极高压电源；发射机；空投型雷达

    现代战争对陆军全地域和高机动性的作战能力提出了较高的要求，在精确空投技术和大负荷空投技术迅速发展的基础上，为实现陆军装备快速部署，急需研制空投型炮位侦校雷达。在空投环境中载荷体积重量有限，而且还带来强冲击和低气压环境等不利因素，对于某空投型雷达的关键部件发射机而言，在其小型化和可靠性方面提出了严格的考验。为提高空投雷达发射机的工作效率，选用了进口多降压收集极栅控行波管作为射频放大机，其工作电源有灯丝电源、正偏压电源、负偏压电源、阴极高压电源以及两个收集极高压电源等。研制的多降压收集极栅控行波管发射机框图，如图1所示。

    虽然增多收集极数目可以提高行波管的工作效率，但这对高压电源的控制却带来一定困难。其中，阴极高压电源的电压高，其稳定度和纹波直接影响发射机射频输出的频谱纯度，在发射机电源中对发射频谱影响最大；收集极高压电源功率较大，其精度和稳定度指标要求相对宽松，而且为了精确调整多降压收集极行波管发射机的工作点，还需要单独调试收集极电压。因此，抛开以前单降压收集极行波管所常用的单个高压电源输出阴极和收集极多路高压的形式，发射机高压电源采用了新的设计方案，分别研制独立的阴极高压电源，以及独立的收集极高压电源，并且阴极高压电源采用了新的串级式倍压方式输出高压。实践证明，这种方法行之有效，使行波管工作点的调试更加精确和便捷，同时提高了发射机的整机效率和可靠性。

1 整体方案
1．1 性能指标
    输出电压15kV，输出电流>10mA，工作效率>90％，满足低气压环境下高压绝缘要求，海拔4000m下大气压为61．5kPa，容差±1kPa。此外，要求耐冲击指标为X、Y、Z 3个方向、峰值加速度30g、持续时间25ms；阴极高压电源重量要求<10kg，且具有较高的抗振和散热性能。
1．2 系统方案
    阴极高压电源采用高频开关电源形式，以驱动能力较强、效率较高的全桥谐振逆变器作为主电路形式。阴极高压电源原理如图2所示，它采用二次升压技术，即通过高频隔离变压器的一次升压和串级倍压电路的二次升压得到阴极高压输出。这样，一方面可以降低对高频隔离变压器和高压电路元件的耐压要求，减少高频隔离变压器的次级匝数，降低变压器的设计难度；另一方面高压电路元件可以直接选用成熟的货架产品，不必专门定制，提高系统可靠性并缩短研制周期。

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1．2．1 全桥控制保护电路
    使用SG1525加驱动脉冲变压器作为全桥PWM控制电路，对阴极高压输出采用高压电阻分压器取样，对高频隔离变压器的初级电流取样，并把取样信号送往SG1525进行反馈闭环控制。同时，还设置了有效的阴极电流检测和过流故障保护电路，确保行波管安全工作。在所有开关电源逆变拓扑中，全桥逆变电路功率输出大，且逆变电压高，可减少高频变压器的初级匝数。
1．2．2 减小阴极高压电源高频纹波
    雷达发射机频谱的寄生调制边带，会造成检测电路中出现虚假目标，降低雷达系统在杂波背景下的可见度。行波管各极电源相位调制灵敏度中，阴极电源的相位调制灵敏度最大。也就是说，阴极电源纹波对行波管放大器频谱纯度的影响最大。因此，滤除阴极高压电源的高频纹波是关键。这可以通过两个有效方法实现：一是增大储能滤波电容；二是提高逆变频率。为消除纹波，经常使用大容量的电容器进行滤波，但必须权衡电容器的容量上限，以确保放电能量低于行波管的最大承受能量值。
    另外，从发射机测试的频谱来看，寄生输出处正是高压电源的逆变频率。由于行波管电源纹波的频率取决逆变频率，逆变频率采用100 kHz，其相位噪声峰将相隔200 kHz，离开载频距离很远，对整体来说相位噪声则小得多。因此，在器件性能和工作条件许可的条件下，提升阴极高压电源的逆变频率，可以改善发射机频谱纯度，且利于阴极高压电源的小型化和逆变效率提高。
1．2．3 全桥逆变器的软开关谐振
    高压开关电源的开关管工作在开关状态，大幅提高开关频率，就可以提高变换效率。在原20 kHz左右硬开关工作方式时，开关损耗较小，在开关频率提高后，已变得十分严重。将传统的PWM技术与谐振技术相互结合，采用软开关谐振变换技术，实现了零电压状态的开关变换，有效解决了高频条件下的开关损耗问题，极大地减小阴极高压电源的体积、减轻重量，并减少对散热系统的技术压力，为发射机的小型化提供必要的基础。文中采用变压器的漏感和MOSFET的结电容以及谐振电感构成谐振电路。
1．2．4 串级式输出高压
    以往高压电源的高压隔离变压器通常只有一个次级，随着输出电压增高，次级绕组电压变得更高，同时高耐压的高压电路元件稀少且昂贵，这些都增大了设计难度。而阴极高压电源采用新的串级式倍压输出形式，即采用一个高压变压器输出多个串联的次级绕组，每个次级绕组可以选用较大功率的整流电路，然后将它们的输出端串接在一起，相当于将多个高压电源串接在一起，这样每一路都可选用耐压要求低的元器件，容易在货架产品中选型。此外，高压变压器次级为多个串联绕组，每个绕组耐压要求低，也简化了高压绝缘要求。这为解决大功率高输出和对发射机占空比适应性宽提供了很好的解决途径。串级式输出阴极高压电源的效率高、功率密度大，对发射机占空比适应性宽，研制周期短，有利于提高发射机的系统性能。

2 阴极高压电源的工程实现
2．1 主电路关键元件的选定
    (1)半导体功率开关器件的选定。阴极高压电源逆变频率较高，因此全桥电路中功率开关器件选择MOSFET。根据峰值功率估算谐振回路中的峰值电流和平均电流并考虑到足够的余量，选用IR公司峰值电流500 V／20 A的IRF460，就能够满足阴极高压电源功率转换电路可靠工作的需要。
    (2)谐振电感。根据对全桥电路的分析，要提高阴极高压电源的效率，就必须减小开关损耗，实现MOSFET的软开关，于是谐振回路的谐振电感量就成为关键因素。要实现MOSFET软开关的必要条件是，储存在谐振电感中能量，必须要大于在最大过渡时间内储存在MOSFET输出电容和变压器初级绕组电容中的能量的总和，谐振回路中的能量转换可表示为

    其中，Cmos为MOSFET的结电容，已知IR460的结电容为860 pF，可以求得谐振电感为
   
    实际取谐振电感240μH。
    (3)高频隔离变压器。阴极高压电源的高频隔离变压器，采用相应功率容量大且损耗低的高频非晶矩形磁芯。初级绕组匝数
   
    取整数为11匝，考虑到变压器的损耗以及在电网电压最低时也应当保证高压输出值保持在15 kV，选择初级绕组匝数为16匝。因为采用串级式高压电路，由5个二倍压电路串联输出高压，所以次级绕组可以分为5个相同并互相隔离的次级小绕组，以其中一个小绕组匝数的计算为例。
   
    高频隔离变压器的处的工作频率较高，为减少集肤效应产生的铁损，减低铁芯温升，因此选用0．2 mm的铜箔制作初级绕组，共15匝；次级绕组选用0．2 mm的漆包线绕制5个相同并互相隔离的小绕组，每个105匝。[!--empirenews.page--]
    (4)高压整流二极管。高压整流二极管是倍压电路的重要元件，选定原则有3个：高压输出平均电流、耐压余量、反向恢复时间。因为阴极高压电源采用串级倍压电路输出15 kV高压，使用了5组二倍压整流电路串联，每组倍压电路只承受3 kV电压，所以大大降低了对高压整流二极管的耐压要求，只要选择1．5倍以上耐压即可。高压整流二极管的耐压要求降低后，就选择输出平均电流大，反向恢复时间短的型号，以降低二极管的导通损耗，选择5只1 000 V／1 A／75 ns的快恢复二极管串联就能满足使用要求。
    (5)高压储能电容。选择阴极高压电源的高压储能电容器时，在满足耐压值前提下要尽量滤除输出高频纹波。设整机效率η，输出峰值功率Pout，脉冲占空比D，则输出的脉冲电流为
   
    设当最大脉宽为τ时，储能电容的顶降不大于2％，则可以求得储能电容的容量为
   
    实际取高压储能电容为20 kV／0．2μF。
2．2 结构设计
    由于该空投型雷达发射机直接安装于雷达天线的背面，其体积和重量都受到严格限制，并且在空投及落地阶段冲击振动强烈。所以阴极高压电源的小型化和抗振设计就成为结构设计所关注的重点，以下是阴极高压电源结构设计的特点。
    (1)高低压分别在两侧布局。阴极高压电源的内部钎焊有铝合金隔板，将高低压电路分开在两边布局，充分利用空间互不干扰，如图3所示。在隔板上安装有穿墙插座，实现了高低压电路之间的有效电气连接。

    (2)真空钎焊铝合金壳体。阴极高压电源采用轻巧坚同的铝合金外壳，由真空铝钎焊工艺完成。钎焊的壳体确保很高的结构强度，其密闭性不仅存高压灌封时防止漏胶，还避免了孔缝泄漏电磁干扰的影响。
    (3)铝钎焊散热器底板。阴极高压电源的散热器底板散热面积大且重量轻，外加铝保护薄板不易变形。
它接入发射机机箱的散热风墙通道，整机散热效果良好。
    (4)导热绝缘胶干式固态封装。考虑到高海拔和高冲击振动环境适应性的需要，采用导热绝缘胶干式固态封装方式。将高压侧全部用双组份导热硅胶TPS-213-H进行真空灌封，并加热固化与外壳凝结成一个整体，有良好的高压绝缘强度。该胶液态时流动性强使真空消泡用时短，固化后能把高压电路及高压隔离变压器的热量迅速传导至外壳，同时同化后的弹性还对冲击振动有一定缓冲作用。

3 结束语
    介绍了一种多降压收集极栅控行波管发射机的阴极高压电源设计，如图4所示。其效率最高达到94％，重量<5 kg，输出电压纹波以及抗冲击振动性能均能很好地满足指标要求。目前，该阴极高压电源已经成功应用在某空投雷达发射机系统，交付总站工作状态良好，并顺利通过空投试验。

    阴极高压电源提高效率和小型化设计的成功，为空投雷达发射机的小型化提供了必要条件。在研制过程中，采用软开关谐振技术减少功率开关管损耗，以串级倍压电路输出高压，简化设计提高系统可靠性，并对强冲击、低气压环境具有很好的适应性，这将对今后发射机高压电源进一步优化设计提供技术支撑。应开展串级倍压输出多路高压、进一步提升高压电源效率、以及高压电源大功率输出等方面研究，适应发射机系统多样化功能的需求。该阴极高压电源小型化效果好、功率密度大、对发射机工作比适应性宽、研制周期短，有利于提高发射机系统的功率容量、效率和频谱质量。