雷達發射機陽極電源的原理分析

   關鍵詞： 某雷達，高壓開關電源，PWM控制，微波管

The analyzing of the anode power supply operation principle of a radar transmitter

Abstract:The power system of a vacuum tube transmitter at the ground wave radar is introduced. The concept of deformed PWM control is proposed by analyzing the circuit principle of the anode high voltage switch power supply. Through the simulation and decomposition at the steady state waveform, the high reliability and efficiency of the power supply can be demonstrated. The crucial current and voltage waveform of the power supply are given ultimately.

Keywords: Ground wave radar, high voltage switch power supply, PWM control, vacuum tube

引言

某型雷達發射機，采用了“固態+電子管推動+電子管功率放大”的電路結構形式，其中A3、A4號機柜提供了發射機三級放大器所需的全部低壓、高壓電源。

提供前級固態放大器的48V直流穩壓電源采用的是標準的移相全橋變換器；提供電子管燈絲（8.5V/160A）的穩流電源采用的是交錯并聯的雙管正激方案；-400V截止偏壓和-90V開啟偏壓使用的是經典的串、并聯穩壓器；簾柵電源（1200V）采用的是固定死區時間的諧振式變換器；提供給大功率電子管陽極高壓的主電源采用了變形的PWM脈寬調制方案；而提供全機的700V直流供電采用的是交錯并聯的BOOST升壓變換器。一臺發射機采用了如此多的開關電源電路形式，設計師顯然是研究了以上各個用電設備的負載特性，有針對地選擇了合適的變換方式，但這也給設備的使用者和維護提出了很高的技術要求。本文主要介紹陽極電源的工作原理和注意事項。

 1  陽極電源的組成

在A4機柜中， 02分機負責提供推動級電子管4KV陽壓， 03分機提供末級電子管的8KV陽極高壓，陽極電源的控制、保護全部由01分機來完成。高壓電源的組成見圖1。

圖1 陽極電源的組成原理圖

02、03分機的電路結構形式一致，只是03的功率更大，二者都是全橋變換器，電容器C1、C2是直流700V輸入的濾波和儲能元件；IGBT功率模塊V1-V4組成了一個全橋逆變器；L1-1和L1-2繞在同一個磁芯的兩個臂上，接成串聯形式；T1是陽1或陽2的升壓變壓器，變比約1：8；電容器C3是并接在變壓器次級的諧振電容；V5-V8是高頻整流管；C4是高壓直流濾波電容；R為電子管陽極的等效負載，變壓器T及后接的電容C3、整流管V5-V8、濾波電容C4安裝在14號機柜的下部。

高壓電源不同于一般的低壓電源，由于電源的負載往往是電真空器件，在高壓下容易發生擊穿打火，造成電源短路，所以，高壓電源一般都采用電容直接濾波而不采用LC濾波的方式。

在電源的控制電正常，且700V主供電、溫度檢測、交流及直流電流檢測、過電壓檢測等都處于正常范圍內， 01分機得到加陽極高壓指令后，就會輸出IGBT模塊V1-V4的控制脈沖g1-g4?？刂泼}沖的頻率大約為8kHz，根據負載功率的大小，控制脈沖的寬度ton會相應進行調整。但不同于一般的PWM控制方式，在每一個開關周期內，V1、2和V3、4分別有一次工作在50%工作比狀態，而另一次工作在PWM方式，我們把它稱為變形PWM控制。

2  變形PWM控制原理

控制信號的產生由01分機的控制板完成，電路全部使用了CMOS門電路、比較器和模擬開關完成了這一復雜的功能。在此我們把01分機的控制板進行簡化，去掉那些保護功能，只保留與產生控制02分機、03分機工作脈沖有關的部分，來說明變形PWM的信號產生原理。

圖2變形PWM的控制原理簡圖

圖3變形PWM的控制脈沖產生的時序簡圖

在圖2中，DA14用來產生電源的控制時鐘，頻率為電源開關頻率的兩倍約16kHz，窄的CP正脈沖就是上下橋臂的死區時間，約2us。接下來CP脈沖被送到雙D觸發器DD2-1、DD2-2，分別產生二分頻脈沖Q1、Q1非；4分頻脈沖Q2、Q2非。另外，CP脈沖經DD1反向后，控制模擬開關DA17導通，快速短路電容Ct，從而在Ct上形成16kHz的鋸齒波。

電源的基準電平Vref（小于零）與高壓電源的反饋電壓Vf在運算放大器DA3的反相端相加放大，DA3的輸出在比較器DA13中與鋸齒波相比較，如果DA3的輸出高于鋸齒波，則DA13輸出為正，該部分也即是控制開關電源工作的PWM信號。該信號的時間長短ton與CP時鐘周期的一半T/2比值就是該電源的工作比D。

PWM信號經過DD3-1、DD4-1與Q2非、Q2或非運算，得到兩個信號X、Y。X、Y再與Q1非、Q1分別進行或非運算后形成全橋控制所需的四個控制信號g1、g2、g3、g4。在圖3中給出了圖2所示的控制框圖的各信號之間的時間關系。

觸發脈沖g1、g2和g3、g4分別去控制圖1中的兩個IGBT半橋模塊，從上圖中可以看到，在兩個工作周期內，g1、g2和g3、g4它們交替工作在PWM調制和50%工作比兩個狀態，因此我們把這種控制方式稱為——變形PWM的控制。在穩壓時，只調整PWM的工作眿寬ton就可以改變高壓電源的輸出。

3  陽極電源的穩態分析

對陽極電源的電路分析，一是可以采用計算機仿真，將圖1的電路拓撲、元件參數與圖3的控制信號形式加到電路的PSPICE模型中，運行仿真程序，就可以得到電路中的有關節點的電壓波形和有關回路的電流波形。

另外我們可以再從概念上對電路穩態工作的各時間段進行簡要分析，以加深對電路工作原理的理解。為了分析方便，擬將陽極電源高壓變壓器的次級諧振電容、負載都等效到變壓器的初級，等效電路見圖4。由于電源的輸出電容C4大大于諧振電容C3，在一個變換周期內，可以認為電源的輸出電壓、電流基本保持不變。

圖4 變形PWM控制陽極電源的工作波形圖

在t0時刻V1、V3受控開通，主回路電流Ir從0、諧振電容C3上電壓從上周期的剩余值換向開始上升，整流橋V5-V8全部截止，儲能電容C4單獨向負載提供能量，輸出電壓逐漸降低。此時電路簡化為圖5（1），主回路是一個標準的LC串聯諧振回路。電流Ir和C3上電壓按正弦規律變化。

在t1時刻，電容C3上電壓達到儲能電容C4上電壓時，整流管V7、V6恢復導通，C4與C3并聯，主回路電流Ir開始向負載和C4供電，輸出電壓會升高。此時電路簡化為圖5（2），此時的主回路是一個標準的LC并聯諧振回路，負載與諧振電容（C3+C4）并聯。電源、諧振電感的儲能、負載電阻的大小共同決定了回路電流Ir的大小和變化趨勢。

在t2時刻，V1受PWM信號控制關斷，V3繼續導通。電感中的電流不能突變，它會沿著V3、V2的反向并聯二極管繼續向電容C3、C4和負載提供能量，直到t3時刻，Ir線性降到零為止。該時段電路等效如圖5（3），t3時刻輸出電壓更高。

（1）t0-t1  V1、V3導通                        （2）t1-t2  V1、V3導通

（3）t2-t3  V1關斷、V3導通                  （4）t3-t4  V1關斷、V3導通

圖5 變形PWM控制的穩態分析簡圖

當Ir電流過零后，電容C3上的儲能開始提供導通的V3、V1的反向并聯二極管向電源釋放能量。該時段的等效電路如圖5（4），只是諧振電流方向相反，電流幅值低很多。半個周期后，在t4時刻，諧振電流到零，由于V1反向并聯二極管的阻斷，電流不能反向，只能一直等于零。

在t5-t6時段，Ir=0，C3上的剩余電壓也一直保持到下半個周期。一直到V3受控關斷為止。

在接下來的半個周期中，V2、V4受控導通，工作過程與上述類似，只是電流方向相反。在接下來的一個周期中，V1、V2工作在50%工作比狀態，V3、V4受PWM信號控制。

該電源由于在主回路中串入了一個電感，因此具有抵抗負載短路故障的能力，可靠性高。開關管的開啟時，主回路的電流為零，屬于零電流（ZCS）開通。管子關斷時，由于電感電流的連續，容易實現零電壓（ZVS）關斷，因此，該變換器的效率也比較高。

4  試驗結果

     (a) 多周期工作情況                         （b）半周期的波形細節

圖6 調制器的部分測試波形

圖6給出了02分機在01分機的控制下，一個橋臂的中點電壓V（A）和主回路的電流Ir。電路的工作條件直流母線電壓700V左右，回路電流峰值20A左右。圖6（a）可以看出兩個完整周期的工作情況，而圖6（b）可以看出半個周期的工作情況，波形很好地印證了圖4及以上穩態分析結果。

5 維修保障注意事項

理解電路的工作原理和控制方法，可以更好的幫助我們做好設備的維護和保養，甚至在發生故障后，能夠依靠自己所掌握的知識，迅速排除故障，更大限度地減少損失。陽極電源工作電壓高、功率大，是發射機的關鍵設備。維修前，首先要熟悉隨機的圖紙資料，在不加高壓的情況下，屏蔽掉01分機的欠壓保護功能，應該能夠看到g1、g2、g3、g4這四個控制脈沖，時間關系見圖4；然后，在不加電的情況下，用萬用表檢查02、03分機的IGBT模塊是否擊穿短路；如果正常，才能進行加電檢查?？梢允褂猛饨?/span>0~700V直流電源給02、03分機加主電，按照圖4，接上諧振電容、整流器、濾波電容和假負載，通電后，利用儀器觀察變換橋的中點電壓和回路電流，正常情況應與圖6相近，這樣，就說明陽極電源維修初步成功，待到發射機上實地驗證。

6 結束語

陽極電源是大功率某雷達發射機的重要設備，熟悉和掌握它的工作原理和維修保障手段，能夠更大限度的發揮設備的效能，更好的服務部隊，也能夠指導我們開展類似的研究工作。

參考文獻：

1． 熊吉，李網生，夏賢江，固態開關器件的串聯技術．電力電子技術，第38卷，第6期，2004年6月，PP92~93。

2． 李網生，徐功潛.使用零電流開關的電容器充電電源．現代雷達.第19卷，第5期，1997年10月：98～104