大功率行波管测试设备高压电源的研究

摘要：介绍了一种适用于大功率行波管测试设备的高压电源系统设计方案。采用模块化的设计方法，阴极电源模块和各收集极电源模块功能独立，便于功率扩展。单电源模块可实现输出电压-1～25 kV，输出电流0～500mA，输出功率5 kW。详细阐述了零电压多谐振软开关条件下，4种工作模式的谐振过程和能量传递。提出了闭环稳压的间歇控制策略，减小了电源在轻载或空载条件下的开关损耗。最后给出不同工况下电源的主要工作波形，证明该设计方案的正确性和有效性。
关键词：高压电源；大功率行波管；间歇控制

1 引言
行波管是一种昂贵的电真空器件，要求测试设备工作可靠、保护灵敏、便于调试且兼顾功率扩展功能。这里设计一种适用于行波管测试设备的宽电压调节范围，良好负载特性的模块化高压电源系统。该模块具有独立的主电路、控制电路和保护电路，能够独立控制，便于功率扩展。采用零电压多谐振软开关技术，降低开关损耗，提高开关频率，减小电源体积。

2 高压电源系统构成和工作原理
图1为高压电源的系统框图。三相电压经继电器延时防冲后送往各电源模块，包括阴极电源模块和各收集极电源模块。收集极电源模块的个数可根据行波管的需要设定，各电源模块的高压输出端经限流电阻和高压硅堆进行共阴极连接。阴极电源模块输出直流负高压-1～-25 kV可调，收集极电源模块输出直流负高压-1～-20 kV可调，两者电流0～500 mA可调，最大功率5kW。

这种模块化的高压电源系统，既保证了行波管高压电源的总输出功率，又降低了单个电源模块的输出功率，减小了器件应力，提高了系统可靠性。同时模块化的设计能够实现阴极电压和各收集极电压的独立调节，满足不同行波管的电压和功率要求。

3 电源模块的工作原理
图2为电源模块的原理框图。三相电压整流滤波后产生500 V直流电，经零电压多谐振软开关逆变全桥变换成60 kHz的高频交流电。高压变压器进行隔离升压，适当的变比和次级分槽绕制的制作工艺可有效减小各种寄生参数对电路的影响。全波倍压整流和电容储能滤波后产生低纹波的直流负高压，为行波管提供功率源。直流高压采样经稳压控制电路和隔离驱动电路产生PWM驱动信号，控制逆变全桥的开关器件，形成闭环稳压控制系统，实现直流高压的稳定输出。控保电路完成高压电源的开关机控制、电压基准设定以及电压和电流等状态量的检测和保护功能，同时负责与上位机的实时通讯。

4 零电压多谐振软开关技术
图3以阴极电源为例，给出了零电压多谐振软开关变换器高压电源的原理图。

其中，VT1～VT4为MOSFET，组成逆变全桥；C1～C4为MOSFET漏源两端谐振电容；C0为隔直电容；Lr为串联谐振电感；T1为升压变压器；Cr为变压器次级谐振电容；全波倍压整流电路产生直流负高压，可等效为恒压源。
一个开关周期分为两个谐振周期，各谐振周期按开关器件导通情况和能量的传递方向分为4种工作模式。图4为单个谐振周期的主要工作波形。图5给出了4种工作模式的等效电路。

模式1[t0～t1] VT1，VT4导通，VT2，VT3截止，变压器次级电路折算到初级等效为一个恒压源Uo，在此过程中，Uin经VT1，Lr，VT4将能量传递给Uo。设M=Uo／Uin，表示电压传递系数。
模式2[t1～t2] VT1～VT4均截止，即死区时间内的谐振过程，谐振电感电流iL维持原方向，将C2，C3两端的电量传递给C1，G4。只要Lr的能量足够大，死区时间足够长，当C2，C3的电压降为零，C1，C4的电压升为Uin，就能实现VT2，VT3的零电压导通条件。此过程Lr将储存的能量传递给Uo。
模式3[t2～t3] iL由VD2，VD3续流维持原方向，直至谐振到零。如图4所示，VT2，VT3的导通信号需在此区间内到达，否则C2，C3会再被充电，无法实现VT2，VT3的零电压导通。此过程Lr将储存的能量传递给Uo，并将一部分能量回馈给Uin。
模式4[t3～t4]VT2，VT3导通，变压器次级电路折算到初级不再等效为恒压源，而等效为电容Ca，即变压器次级谐振电容折算到初级的等效电容。谐振电容两端电压由Uo谐振至-Uo，iL由零谐振至，完成变压器的谐振换向。此过程Uin经VT2，VT3将能量储存在Lr中，Uo靠自身储能电容上的能量向负载供电。
变压器换向结束后，变压器次级电路折算到初级可等效为一个反向的恒压源-Uo，VT2，VT3导通，VT1，VT4截止，Uin经VT2，Lr，VT3将能量传递给-Uo，电路进入下一个谐振周期，谐振过程相似，不再赘述。这种零电压多谐振软开关电路拓扑结构简单，能够实现功率开关器件的零电压导通，减小开关损耗，提高电源效率。

5 稳压控制电路的设计
控制电路采用谐振型集成芯片MC33066产生PWM脉冲信号。高压采样由阻容网络分压得到，以提高电源的响应速度。由运放LF347对高压采样和基准电压之差进行PI调节，输出的控制电平使能或关闭MC33066的PWM脉冲信号，使电源工作在间歇状态实现高压电源的闭环稳压控制。与PWM控制方式相比，间歇控制方式脉宽和死区都固定，能实现高压电源在全功率范围和宽电压范围内的零电压多谐振软开关，便于谐振参数的设计。与频率调制控制方式相比，间歇控制方式开关频率固定，在空载或轻载下开关损耗小、电源效率高，且可等效为一种线性控制方式，具有更宽泛的稳定域，有利于PI控制参数的调节整定。
在此采样收集极与地之间的电压差，在控制电路中增加一个负逻辑环节，既能简化采样电路，又能实现收集极电源的稳压控制。

6 样机研制
高压电源模块采用零电压多谐振软开关技术和稳压闭环间歇控制方式，能实现高压电源在全功率、宽电压范围的稳定工作，并满足脉冲行波管占空比切换的响应要求。由于谐振电感串联在变压器初级，因此电路具备抗高压打火的功能，即使在高压电路短路的情况下，也能有效限制逆变器的峰值电流，不会造成开关管和整流管的损坏。
以阴极电源为例，逆变全桥开关管选用两个APT8015JVFR并联，C1～C4取4700 pF，Lr取52 μH，开关频率60 kHz，变压器次级谐振电容取200 pF，高压电路采用7倍压全波整流，倍压电容取0．1μF／5 kV，高压硅堆选K50UF。考虑负载短路的极限情况，逆变器峰值电流不大于Uin ／(4fLr)，约40 A，两个APT8015JVFR并联的最大电流为88 A，还有较大裕量。图6示出阴极电源6种负载情况下的逆变器电流波形。图6a中，输出电压25 kV，输出功率5 kW时，电流波形近似于方波，M≈1，峰值电流20 A，电源刚刚启稳，处于轻度间歇状态；图6b中，输出电压25 kV、输出功率2．5 kW时，电源的间隙程度加深；图6c中，输出电压25 kV、输出功率空载时，电源进入深度间歇状态；图6d中，输出电压15 kV，输出功率5 kW时，电流波形上翘，M1，峰值电流30 A，电源刚刚启稳，处于轻度间歇状态；图6e中，输出电压15 kV，输出功率2．5 kW时，电源间隙程度加深；图6f中，输出电压15 kV，输出功率空载时，电源进入深度间歇状态。