雷达发射机阳极电源的原理分析

   关键词： 某雷达，高压开关电源，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

某型雷达发射机，采用了“固态+电子管推动+电子管功率放大”的电路结构形式，其中A3、A4号机柜提供了发射机三级放大器所需的全部低压、高压电源。

提供前级固态放大器的48V直流稳压电源采用的是标准的移相全桥变换器；提供电子管灯丝（8.5V/160A）的稳流电源采用的是交错并联的双管正激方案；-400V截止偏压和-90V开启偏压使用的是经典的串、并联稳压器；帘栅电源（1200V）采用的是固定死区时间的谐振式变换器；提供给大功率电子管阳极高压的主电源采用了变形的PWM脉宽调制方案；而提供全机的700V直流供电采用的是交错并联的BOOST升压变换器。一台发射机采用了如此多的开关电源电路形式，设计师显然是研究了以上各个用电设备的负载特性，有针对地选择了合适的变换方式，但这也给设备的使用者和维护提出了很高的技术要求。本文主要介绍阳极电源的工作原理和注意事项。

 1  阳极电源的组成

在A4机柜中， 02分机负责提供推动级电子管4KV阳压， 03分机提供末级电子管的8KV阳极高压，阳极电源的控制、保护全部由01分机来完成。高压电源的组成见图1。

图1 阳极电源的组成原理图

02、03分机的电路结构形式一致，只是03的功率更大，二者都是全桥变换器，电容器C1、C2是直流700V输入的滤波和储能元件；IGBT功率模块V1-V4组成了一个全桥逆变器；L1-1和L1-2绕在同一个磁芯的两个臂上，接成串联形式；T1是阳1或阳2的升压变压器，变比约1：8；电容器C3是并接在变压器次级的谐振电容；V5-V8是高频整流管；C4是高压直流滤波电容；R为电子管阳极的等效负载，变压器T及后接的电容C3、整流管V5-V8、滤波电容C4安装在14号机柜的下部。

高压电源不同于一般的低压电源，由于电源的负载往往是电真空器件，在高压下容易发生击穿打火，造成电源短路，所以，高压电源一般都采用电容直接滤波而不采用LC滤波的方式。

在电源的控制电正常，且700V主供电、温度检测、交流及直流电流检测、过电压检测等都处于正常范围内， 01分机得到加阳极高压指令后，就会输出IGBT模块V1-V4的控制脉冲g1-g4。控制脉冲的频率大约为8kHz，根据负载功率的大小，控制脉冲的宽度ton会相应进行调整。但不同于一般的PWM控制方式，在每一个开关周期内，V1、2和V3、4分别有一次工作在50%工作比状态，而另一次工作在PWM方式，我们把它称为变形PWM控制。

2  变形PWM控制原理

控制信号的产生由01分机的控制板完成，电路全部使用了CMOS门电路、比较器和模拟开关完成了这一复杂的功能。在此我们把01分机的控制板进行简化，去掉那些保护功能，只保留与产生控制02分机、03分机工作脉冲有关的部分，来说明变形PWM的信号产生原理。

图2变形PWM的控制原理简图

图3变形PWM的控制脉冲产生的时序简图

在图2中，DA14用来产生电源的控制时钟，频率为电源开关频率的两倍约16kHz，窄的CP正脉冲就是上下桥臂的死区时间，约2us。接下来CP脉冲被送到双D触发器DD2-1、DD2-2，分别产生二分频脉冲Q1、Q1非；4分频脉冲Q2、Q2非。另外，CP脉冲经DD1反向后，控制模拟开关DA17导通，快速短路电容Ct，从而在Ct上形成16kHz的锯齿波。

电源的基准电平Vref（小于零）与高压电源的反馈电压Vf在运算放大器DA3的反相端相加放大，DA3的输出在比较器DA13中与锯齿波相比较，如果DA3的输出高于锯齿波，则DA13输出为正，该部分也即是控制开关电源工作的PWM信号。该信号的时间长短ton与CP时钟周期的一半T/2比值就是该电源的工作比D。

PWM信号经过DD3-1、DD4-1与Q2非、Q2或非运算，得到两个信号X、Y。X、Y再与Q1非、Q1分别进行或非运算后形成全桥控制所需的四个控制信号g1、g2、g3、g4。在图3中给出了图2所示的控制框图的各信号之间的时间关系。

触发脉冲g1、g2和g3、g4分别去控制图1中的两个IGBT半桥模块，从上图中可以看到，在两个工作周期内，g1、g2和g3、g4它们交替工作在PWM调制和50%工作比两个状态，因此我们把这种控制方式称为——变形PWM的控制。在稳压时，只调整PWM的工作眿宽ton就可以改变高压电源的输出。

3  阳极电源的稳态分析

对阳极电源的电路分析，一是可以采用计算机仿真，将图1的电路拓扑、元件参数与图3的控制信号形式加到电路的PSPICE模型中，运行仿真程序，就可以得到电路中的有关节点的电压波形和有关回路的电流波形。

另外我们可以再从概念上对电路稳态工作的各时间段进行简要分析，以加深对电路工作原理的理解。为了分析方便，拟将阳极电源高压变压器的次级谐振电容、负载都等效到变压器的初级，等效电路见图4。由于电源的输出电容C4大大于谐振电容C3，在一个变换周期内，可以认为电源的输出电压、电流基本保持不变。

图4 变形PWM控制阳极电源的工作波形图

在t0时刻V1、V3受控开通，主回路电流Ir从0、谐振电容C3上电压从上周期的剩余值换向开始上升，整流桥V5-V8全部截止，储能电容C4单独向负载提供能量，输出电压逐渐降低。此时电路简化为图5（1），主回路是一个标准的LC串联谐振回路。电流Ir和C3上电压按正弦规律变化。

在t1时刻，电容C3上电压达到储能电容C4上电压时，整流管V7、V6恢复导通，C4与C3并联，主回路电流Ir开始向负载和C4供电，输出电压会升高。此时电路简化为图5（2），此时的主回路是一个标准的LC并联谐振回路，负载与谐振电容（C3+C4）并联。电源、谐振电感的储能、负载电阻的大小共同决定了回路电流Ir的大小和变化趋势。

在t2时刻，V1受PWM信号控制关断，V3继续导通。电感中的电流不能突变，它会沿着V3、V2的反向并联二极管继续向电容C3、C4和负载提供能量，直到t3时刻，Ir线性降到零为止。该时段电路等效如图5（3），t3时刻输出电压更高。

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

（3）t2-t3  V1关断、V3导通                  （4）t3-t4  V1关断、V3导通

图5 变形PWM控制的稳态分析简图

当Ir电流过零后，电容C3上的储能开始提供导通的V3、V1的反向并联二极管向电源释放能量。该时段的等效电路如图5（4），只是谐振电流方向相反，电流幅值低很多。半个周期后，在t4时刻，谐振电流到零，由于V1反向并联二极管的阻断，电流不能反向，只能一直等于零。

在t5-t6时段，Ir=0，C3上的剩余电压也一直保持到下半个周期。一直到V3受控关断为止。

在接下来的半个周期中，V2、V4受控导通，工作过程与上述类似，只是电流方向相反。在接下来的一个周期中，V1、V2工作在50%工作比状态，V3、V4受PWM信号控制。

该电源由于在主回路中串入了一个电感，因此具有抵抗负载短路故障的能力，可靠性高。开关管的开启时，主回路的电流为零，属于零电流（ZCS）开通。管子关断时，由于电感电流的连续，容易实现零电压（ZVS）关断，因此，该变换器的效率也比较高。

4  试验结果

     (a) 多周期工作情况                         （b）半周期的波形细节

图6 调制器的部分测试波形

图6给出了02分机在01分机的控制下，一个桥臂的中点电压V（A）和主回路的电流Ir。电路的工作条件直流母线电压700V左右，回路电流峰值20A左右。图6（a）可以看出两个完整周期的工作情况，而图6（b）可以看出半个周期的工作情况，波形很好地印证了图4及以上稳态分析结果。

5 维修保障注意事项

理解电路的工作原理和控制方法，可以更好的帮助我们做好设备的维护和保养，甚至在发生故障后，能够依靠自己所掌握的知识，迅速排除故障，更大限度地减少损失。阳极电源工作电压高、功率大，是发射机的关键设备。维修前，首先要熟悉随机的图纸资料，在不加高压的情况下，屏蔽掉01分机的欠压保护功能，应该能够看到g1、g2、g3、g4这四个控制脉冲，时间关系见图4；然后，在不加电的情况下，用万用表检查02、03分机的IGBT模块是否击穿短路；如果正常，才能进行加电检查。可以使用外接0~700V直流电源给02、03分机加主电，按照图4，接上谐振电容、整流器、滤波电容和假负载，通电后，利用仪器观察变换桥的中点电压和回路电流，正常情况应与图6相近，这样，就说明阳极电源维修初步成功，待到发射机上实地验证。

6 结束语

阳极电源是大功率某雷达发射机的重要设备，熟悉和掌握它的工作原理和维修保障手段，能够更大限度的发挥设备的效能，更好的服务部队，也能够指导我们开展类似的研究工作。

参考文献：

1． 熊吉，李网生，夏贤江，固态开关器件的串联技术．电力电子技术，第38卷，第6期，2004年6月，PP92~93。

2． 李网生，徐功潜.使用零电流开关的电容器充电电源．现代雷达.第19卷，第5期，1997年10月：98～104