一种大功率高压线性电源

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一种大功率高压线性电源

【导读】为了满足雷达系统对改善因子的指标要求，因而对其管体高压的稳定度和纹波均有很高的要求。又为了提高行波管的效率，普遍采用收集极降压方式，所以其高压电源由两组组成，一组是管体高压稳压电源，一组是收集极高压不稳压电源。

3 p1 j9 r( p; N$ d/ {; o; K

现就某雷达发射机高压电源设计的思路和设计方法作一介绍。

主要技术要求
　　
/ D6 t- H) C$ e4 f$ |6 ?) \1)输入电压 ～220V/400Hz(±5%)。

2)输出管体高压
/ B/ ^6 g* K6 N6 I电压 UA=20～25kV，稳压，连续可调;
5 u, _6 s" V0 M5 v, r% m电流 Ia≥15mA，脉冲电流Iap≥1A;
* f1 A/ {% C" C电压稳定度Sv≤10-3(输入电压±5%变化);
3 w+ C$ @% S/ J3 k( |负载稳定度Si≤2.5×10-3(负载由空载到满载);
! h- U# z0 \, N2 g纹波≤10-4。
# F! ?# r0 q' B; q' e3 q　　
9 L; Z5 J- V+ q, X0 p$ U" M3)输出收集极高压
! V5 `8 w5 ~2 D  O( W+ h电压Uc=15～18kV;
! d3 @$ h3 b" F( G" U" I  g: Y电流Ic≥85mA，脉冲电流Icp≥5.5A;
纹波≤5×10-3。
2 c- J) O/ A& Z　　
$ r* G; k% N" d, f4)环境温度
工作环境温度(-15～55)℃;
" @) O6 Y$ D; G( ~  ?& K贮存温度(-45～75)℃;
6 R( M% l9 x5 z+ x8 W$ v湿度+40℃，(95±3)%。
; i; S( q! R& Z9 Y% y( K1 g2 i4 t0 H　　
  e6 K; s; s9 r2 U5)平均无故障时间
MTBF≥1000h

设计思路

1)设计宗旨高可靠性、低故障率，在高温、高湿、高盐雾的工作环境中确保电源稳定可靠工作,无放电、电晕、跳火等现象发生，并要求体积小、重量轻,便于安装调试和维修。

2)技术指标
/ Y( {6 _( }3 n5 f8 ^+ N$ b——目前一般高压稳压电源有开关型电源、线性串联型电源和线性并联型电源及初级稳压型电源。由于对高稳定度和超低纹波的要求，本设计选用线型电路。
' @; d6 M) V: D7 [) r6 r——由于栅控行波管采用收集极降压，因而需要一组稳压电源和一组不稳压电源，一般是设计两组稳压电源供电，该方式对行波管有以下的缺陷：需要两只高压变压器，且整流桥和滤波电容器需要耐压很高(输出直流电压+管压降)。两组高压供电，不能满足行波管同步加电和同步断电要求，易造成两组输出电压的压差过大而引起行波管收集极对地打火而造成故障。
* N' y1 u, K* @% S9 N: d6 f　　
因而，我们设计了一个具有独特特点的双回路高压电源，完全克服了以上的缺陷，非常适用于行波管的使用。

双回路高压电源的工作原理简介

原理框图
$ |6 R( u( R  J) [9 i1 O7 N. ~. {　　
原理框图如图1所示。

! F3 \  \5 z; ~

图题：原理框图

* V5 o! K# c, u; L( w8 R1 f/ S! K

原理简介
$ Y# W, p! V' c% f6 ^+ F; i0 ?$ d　　
! t( E; A% ?% P" Y) @- Z输入400Hz/220V电源，经高压变压器升压变换后，输出两路交流高压分别送入两组整流器及滤波器，其中一组作为收集极电压(Uc=15～18kV，Ic=85mA，而不需要专门做收集极高压，这是该电路的独特之处)送入行波管收集极。另外，将整流滤波后的两组直流电压串联，经调整管G稳压后输出稳定度很高的直流电压(UA=20～25kV，Ia≥15mA，稳压可调)给行波管的同步极。在调整管G的阴极和两整流器串联点之间接一个高压硅柱D3，对调整管G构成过压保护电路，调整管G出现的最高电压就是整流器V1空载时的输出电压。所以调整管G可以选耐压很低的管子。同时滤波电容C1、C2的耐压也相应降低了，因而大大减小了体积和重量。特别是消除了两组电压因充放电不一致引起高压差而打火。
7 M; _8 L' ]* S  G5 h0 ~. M0 C, Q　　
+ U8 y) |: ]$ T5 s3 C; D如果输出电压受某种因素的影响发生变化时，取样电路将其变化量采样放大，送入比较放大器中与基准电压进行比较放大后送至调整管的栅极，以改变栅极上的控制电压，从而改变了调整管上的管压降，使其输出电压保持不变，达到稳压的效果。
　　
为了有效地消除高压放电、电晕和高湿环境中的飞弧打火故障，将高压变压器、高压整流模块和滤波器组成一独立的油浸式高压整流器模块，即“高压组件”，且外壳接地，这样又大大缩小了体积和重量，更便于安装，与一般行波管电源比较重量减轻了很多，体积缩小了一半以上。
　
调整管的选用

调整管电流IM计算

IM=IA+I0(1)
式中：IA为行波管管体电流IA=15mA;
I0为取样电路及泄放电阻上的电流，I0=3mA。
* X- ^; d) f# I& `则IM=15+3=18mA

调整管耐压值计算

1)最小管压降值UAKmin

UAKmin=UA0+US(2)
式中：UA0为调整管正常工作时的管压降，取UA0=2.5kV;
+ n* Y" ]: s. eUS为稳压输出的电压调整范围，US=25-20=5kV。
则UAKmin=2.5kV+5kV=7.5kV

2)最大管压降值

(1)传统稳压电路的最大管压降值计算

6 S1 q2 J) N0 ^

当电网电压波动+5%而又是空载时(采用容性滤波)，调整管输入电压Uin为

5 |) W  D0 K+ |" \5 Q% ~

此时管压降值为UAK=Uin-UA=40.87-20=20.87kV

此时若调整管出现截止(输出电压UA=0)时，则管压降值为

UAKmax=Uin=40.87kV

2 C$ T' V- m: j9 A) U( I! o

所以若采用两组电源独立分开供电，则调整管耐压必须>40.87kV，该类调整管目前是很难选到的。而双回路型高压电源,使调整管耐压大大降低了。

9 D+ \9 W1 S! U% q  k1 r+ v9 m7 o
+ p+ s* ]* j( d% K6 F

(2)双回路型高压电源的调整管最大管压降值

$ b9 _7 r5 y# [. u3 g; L

由于调整管输入电压是由U1和UC串联提供的，UA=U1+UC

当电网电压波动+5%而调整管出现截止(输出电压UA=0)时，调整管最大管压降UAKmax为

UAKmax=UA-UC=40.87kV-18.9kV=21.97kV

4 e/ R0 ]3 {6 {; q4 f

则可选用耐压大于21.97kV的调整管即可，该调整管就容易选了。

调整管最大功耗PAM计算
* M2 r) `4 c! U　　
PAM=UAK×IA(3)
% \+ I/ B; r% v; L0 e2 }式中：UAK为电网电压波动+5%,输出电压为20kV时的管压降，
4 D. O# t0 F4 g+ NUAK=(20+7.5)×1.05-20=8.88kV;
$ k8 r- i& S  Z, T, p" oIA=18mA。
则 PAM=UAKIA=8.88×103×18×10-3=159.84W
　　
% G/ r7 K. N: r, U: F根据以上计算,选用了北京某所新研制的小型金属陶瓷三极管T9730,该管体积小重量轻，性能稳定可靠,完全满足双回路稳压电源调整管的要求。其主要技术参数为

最大耐压 30kV
! N/ t/ b- i3 ]2 S最大电流 300mA
8 o! D# a# h" x) ^! ^! N- {最大功耗 300W

比较放大电路的设计
: |$ g/ Z9 E8 @2 j　　
该电路采用三极管分压取样反馈,精密稳压管做基准,运放集成电路做比较放大电路,在结构上设计成一个可独立安装调试的模块。

双回路高压电源测试数据

1)管体高压
　　
电压 UA=20～25kV稳压，连续可调;
8 C( {9 I6 q) e- t电流 IA=15mA;
电压稳定度 SV=0.1%;
电流稳定度 Si=0.1%;
; X1 N7 C( G# |) N. W. I: t纹波 2V。
　　
2)收集极高压
　　
. {7 n* j3 f! ^0 l# @2 q4 d" F电压 UC=18kV±2kV;
电流 IC=70mA;
纹波电压 13V。

该电源在使用中性能良好,工作稳定可靠。并且抗行波管打火的能力强,具有很好的保护功能。在同类高压电源中处于领先水平。

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为了有效地消除高压放电、电晕和高湿环境中的飞弧打火故障，将高压变压器、高压整流模块和滤波器组成一独立的油浸式高压整流器模块，即“高压组件”，且外壳接地，这样又大大缩小了体积和重量，更便于安装，与一般行波管电源比较重量减轻了很多，体积缩小了一半以上