兩級式高壓電源變換器的設(shè)計與分析
針對小型化行波管對高壓電源的特殊應用要求，提出了兩級式Boos-t 半橋諧振倍壓高壓變換器結(jié)構(gòu)。高壓變換器第二級半橋電路利用變壓器漏感和開關(guān)管寄生電容進行諧振，實現(xiàn)了主開關(guān)管的軟開關(guān)。通過對前級Boost 電路進行設(shè)計以及后級半橋電路穩(wěn)態(tài)工作原理分析，給出了系統(tǒng)的控制方案，并對后級半橋變換器的軟開關(guān)實現(xiàn)條件及其與死區(qū)時間的關(guān)系進行了討論與分析。仿真結(jié)果和實驗波形驗證了后級半橋變換器具有良好的軟開關(guān)特性，驗證了理論分析的正確性。實驗數(shù)據(jù)表明兩級式高壓電源變換器具有較高的效率。
行波管放大器正廣泛應用于各類雷達、通信、導航和電子對抗等領(lǐng)域中，是當前軍事裝備中最重要的核心電子器件之一。高壓電源為行波管的穩(wěn)定工作提供多路輸出電壓，是行波管不可或缺的重要組成部分。
高壓電源關(guān)鍵技術(shù)難點是分布參數(shù)對電路的影響，特別是高頻功率變壓器，由于輸出電壓高，變壓器原副邊匝比較大，導致漏感增加，對電源的穩(wěn)定性和效率都有很大影響。為降低分布參數(shù)的影響，在高頻高壓電源中，諧振電路拓撲結(jié)構(gòu)成為最優(yōu)選擇,這樣可以充分利用高頻變壓器和電路的寄生參數(shù)參與諧振，減小寄生參數(shù)造成的影響，還可以利用這些寄生參數(shù)實現(xiàn)電路主開關(guān)管的軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗，有效地提高系統(tǒng)效率。
行波管高壓電源的輸入電壓通常有270 VDC、28 VDC 和115 V/ AC/ 400 Hz 三相交流輸入，本文主要對輸入電壓為270 VDC 的高壓電源進行研究。相對于輸入端，輸出端則要求多路輸出，而且輸出電壓值也高達千伏，甚至數(shù)千伏。由于輸入電壓與輸出電壓相差懸殊，隔離式變換器成為必須的選擇。當前國內(nèi)外行波管高壓電源的研究設(shè)計通常以單級結(jié)構(gòu)為主，采用全橋或半橋隔離變換器拓撲結(jié)構(gòu)，通過添加輔助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟開關(guān)。這樣的結(jié)構(gòu)在一定程度上滿足了行波管對高壓電源的要求,但輔助網(wǎng)絡(luò)增加了系統(tǒng)復雜性，降低了可靠性。單級變換器主要存在以下缺點：首先，帶輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋或半橋變換器開關(guān)管一般多于四個，其工作頻率接近100 kHz。開關(guān)管數(shù)量多，頻率高，將直接導致開關(guān)管損耗增加，系統(tǒng)效率與可靠性降低。其次，在負載發(fā)生變化或者輕載條件下，會導致主變換器軟開關(guān)特性急劇變差，電路在短時間內(nèi)損耗迅速增加，效率降低，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定以及行波管正常工作，甚至會損壞行波管。最后，單級隔離變換器要求變壓器的升壓比更高，原副邊匝比更大，這樣導致繞組間耦合不緊密，漏感較大，不利于變壓器設(shè)計。因此在行波管高壓電源應用中，本文提出兩級式軟開關(guān)諧振倍壓變換器。兩級變換器前級采用低頻boost 變換器，后級采用定頻定寬開環(huán)控制半橋變換器，利用高頻變壓器漏感和開關(guān)管寄生電容進行諧振實現(xiàn)軟開關(guān)，而無需任何輔助網(wǎng)絡(luò)，無論滿載或空載效率還是可靠性方面都優(yōu)于單級隔離變換器。
1、兩級式變換器的結(jié)構(gòu)
1.1、拓撲選擇
兩級式變換器通常是由單級非隔離變換器與單級隔離變換器以不同方式級聯(lián)而成，綜合了二者的優(yōu)點，因此與普通單級變換器相比有更多優(yōu)異性能。在級聯(lián)方式上，不同應用有不同級聯(lián)方式，而不同的級聯(lián)方式也表現(xiàn)出不同的特點。當前兩級變換器從級聯(lián)方式上總體可以分為兩類：第一類是采用非隔離變換器作為前級，隔離變換器作為后級。例如前級為Buck 或者Boost 基本電路，后級采用接近50% 占空比的半橋或者全橋LLC，輸出端采用全波或者倍壓整流方式。第二類是采用隔離變換器作為前級，非隔離變換器作為后級。例如前級采用半橋變換器，輸出端同步整流結(jié)構(gòu)，在整流輸出端級聯(lián)buck 變換器。通過對比分析可以看出,以上方案主要應用于高壓輸入低壓輸出或者低壓輸入低壓輸出場合，對于高壓小電流應用場合顯得明顯不足。
在控制方式上，由于兩級變換器每一級都可以進行控制，因此控制方式有多種選擇，針對不同應用可以選擇控制前級或者控制后級，也可以選擇兩級同時控制。當前兩級變換器電路結(jié)構(gòu)以單級控制為主，通常采用后級輸出電壓作為反饋信號來控制前級，而后級采用開環(huán)控制。
由于行波管是一種特殊的真空電子器件，對供電電源要求較高，采用單級變換器和常用的兩級式變換器的普通電源遠遠不能滿足其要求。依據(jù)DC/DC 變換器拓撲基本篩選標準，綜合考慮輸入輸出電壓級差以及系統(tǒng)效率，本文采用Boost- 半橋諧振倍壓變換器。變換器通過前級Boost 電路將輸入電壓進行一次提升，提升后電壓作為后級半橋輸入電壓; 后級半橋變換器通過隔離變壓器對電壓進行二次提升; 變壓器次級輸出端采用倍壓整流電路結(jié)構(gòu)對電壓進行三次提升。次級采用倍壓整流電路結(jié)構(gòu)，提高了輸出電壓，減輕了變壓器變比壓力。由于倍壓整流電路可以成倍提升電路輸出電壓，所以可以通過使用多級倍壓整流單元，使用常規(guī)耐壓要求的整流濾波器件就可以得到高壓輸出。主變換器通過三次電壓提升后很容易實現(xiàn)低壓到高壓的轉(zhuǎn)換，解決了輸入輸出電壓級差大的難題，非常適合輸入輸出電壓相差懸殊的應用場合，例如真空電子器件，醫(yī)療，靜電除塵等領(lǐng)域。
1.2、基本組成
Boos-t 半橋諧振倍壓變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由三部分組成。其中：L b 為前級Boost 變換器的儲能電感，Sb 為功率開關(guān)管，Db 為整流二極管，Cb 為濾波電容; C h1、C h2 為半橋變換器橋臂電容，兩電容容值相等，S1、S 2 為半橋橋臂主功率開關(guān)管，Lr 為變壓器漏感與外加電感之和，Cr 為變壓器原邊寄生電容以及副邊繞組折算到原邊的寄生電容之和。二極管D1、D2 和電容C1、C2 組成倍壓整流電路結(jié)構(gòu)。
圖1 Boos-t 半橋諧振倍壓變換器
結(jié)論
本文研究了一種新型Boos-t 半橋諧振倍壓變換器，該兩級變換器通過Boost 級，變壓器，倍壓整流三部分，實現(xiàn)了三級升壓，很好地解決了輸入輸出電壓級差大的難題。變換器利用隔離變壓器漏感以及開關(guān)管寄生電容參與諧振，實現(xiàn)了開關(guān)管的軟開關(guān)。在輸出端采用倍壓整流電路結(jié)構(gòu)，解決了常規(guī)變換器高壓輸出端需要高耐壓等級電容的限制，降低了電路設(shè)計成本，減小了設(shè)計難度。文章重點對半橋變換器穩(wěn)態(tài)工作過程進行了分析，詳細地闡述了半橋電路實現(xiàn)軟開關(guān)條件及其與死區(qū)時間的關(guān)系。仿真和實驗結(jié)果驗證了半橋變換器具有良好的軟開關(guān)特性，測試數(shù)據(jù)表明單級半橋變換器與兩級變換器都具有較高效率，能夠很好地滿足小型化行波管對高壓電源的需求。
