微波功率模块高压电源的设计

通信作者：刘玉云 收稿日期：2010-12-25
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Email： newlyy413@ sina． com 修订日期：2011-03-05
分为功率逆变电路、高压整流电路和调频控制电路 3 部分。功率逆变电路采用半桥电路，主要工作在零电 压开关多谐振变换模式 （ Zero-Voltage-Switching MoreResonant Converter，ZVSMRC） ，其中谐振电感 Lr 和高 压变压器 T1 采用扁平结构，以便于整个高压电源采用 薄型扁平封装。高频的交流电经过高压变压器升压 后，再通过次级高压整流电路产生 1 路阴极电压和 4 路收集极电压，向 MPM 中的小型化行波管供电。高 压整流电路分为 4 组输出，以满足多级降压收集极行 波管的需要。阴极电源采用倍压整流方式，收集极电 源采用二倍压整流，由于收集极 1 的电流比较小，阴极 与收集极 1 采用串联馈电，收集极 2、3、4 串联馈电，阴 极、收集极 1 和收集极 2、3、4 构成并联馈电。阴极电 源采用分压电阻分压，反馈给调频控制器。
Abstract： The design of high voltage power supply is presented． The operation principle is analyzed． And the zero-voltage-switching more-resonant converter，the high voltage transformer and high voltage rectifier are designed in detail． Miniaturization，high power density，high conversion efficiency and high reliability are achieved． The advantage and practicability are verified by experimental results and this power supply can apply to microwave power module transmitter． Key words： microwave power module； high voltage power supply； zero-voltage switching
本文的 MPM 高压电源的功率变换器选用半桥电 路，简化 了 电 路 拓 扑 结 构。工 作 在 ZVSMRC 变 换 模 式。零电压开关是提高高压电源性能和效率的关键技 术，它可以减小功率器件的瞬态电应力和开关损耗，从 而提高电源的效率，减小电源的体积。
为了便于 分 析，根 据 电 感 电 流 iL 和 开 关 管 电 压 VDS的波形，将 MPM 高压电源变换器的工作过程分为 4 个模式，如图 2 所示。图 3 为各工作模式的等效电 路图，图中 Vi 为输入直流电压； V1、V2 为主开关管； C3、C4 为半桥分压电容，C1、C2 为开关管两端并联电 容器，且 C1 = C2 = C； Lr 为谐振电感，其中包括变压 器的漏感； 不同模式下，变压器次级等效为电容 Co 或 者恒压源 Vo。V1 和 V2 的驱动信号相位相反并有一 定的死区。
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现代雷达
2． 3 高压变压器的设计 为了适应微波功率模块的体积要求，高压电源的高
度限制在 25 mm 之内。而高压变压器是高压电源的关 键器件，它的体积和重量对高压电源的功率密度起着至 关重要的作用。本文中要求高压变压器的次级对地耐 压达到 12 kV，输出功率达到 450 W，同时要求体积不超 过 50 mm × 50 mm × 25 mm。因此，在变压器体积有限 的情况下，其内部绝缘和散热是重点解决的难点。首 先，结构安装上采用扁平型封装，便于固定和散热； 其 次，选用开模定制的平板磁芯，尽可能增加有效截面积。 由于体积小、次级多、匝数多，变压器内部灌封导热绝缘 胶，确保绕组之间的散热和对地的绝缘。 2． 4 高压电源的高密度设计
高压倍压整流电路选用表贴的高压电容和高压硅 堆，用陶瓷基板作为高压硅堆倍压整流的安装板，利用 陶瓷基板良好的导热性能将高压硅堆的热耗带走。用 有机硅凝胶对高压整流部分采用真空固体灌封，实现 高压和周围低压之间的绝缘，且满足了体积小，重量轻 的要求。
3 实际电路设计
3． 1 电路主要参数 图 1 为原理设计了 MPM 高压电源的电路。直流输
调频控制电路是整个高压电源的控制核心，完成 对高压电源的控制、检测和保护。它将高压反馈信号 和基准信号进行比较，经放大器放大后输出调制信号， 控制芯片根据调制信号的大小输出一定频率一定脉宽 的驱动信号，驱动主回路的开关管 V1 和 V2。由于控 制芯片的驱动能力有限，激励电路将控制器送过来的 激励信号放大后再将驱动信号加在开关管上。
Design of High Voltage Power Supply for Microwave Power Module
LIU Yu-yun，MA Hui （ Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039，China）
摘要：介绍了一种微波功率模块高压电源的设计方案，分析了其工作原理，并详细介绍了零电压开关多谐振变换模式、高 压变压器和高压整流器等关键电路的设计。该高压电源具有小型化、高密度、高效率、高可靠性等优点。实验结果证明了 该高压电源的优越性和实用性，能满足微波功率模块发射机的要求。 关键词：微波功率模块； 高压电源； 零电压开关
提高高压电源的工作频率，电路中的高压变压器、 谐振电感等一些磁芯元件的重量将大大减小。因为， 频率提高后可以减小变压器和电感的磁芯尺寸及绕组 匝数，同时也减小了高压倍压电容及滤波电容的容量， 大大减少 了 高 压 电 容 的 体 积 和 重 量［4］。 从 而 有 利 于 高压电源 的 小 型 化。根 据 现 有 的 元 器 件 条 件，采 用 ZVSMRC 变换技术，本文中 MPM 高压电源的工作频率 在 180 kHz ～ 340 kHz 范围之间。
图 4 给出了在额定输入电压，电阻满负载情况下， 主回路的电流波形 iL、主开关管 DS 间的电压 VDS 及其 — 82 —
驱动电压 VGS的波形。可以看出主开关管实现了零电 压开通，减 小 了 开 关 管 的 开 通 损 耗，提 高 了 电 源 的 效 率。经测试，整个电源的效率达到 93% 。
始谐振。谐振频率为 ωo = 槡1 / LrCo ，特征阻抗为 Zo = 槡Lr / Co ，电路以谐振方式将 Co 贮存能量换向，该模式
内并没有向负载传递能量。 （ 4） 模式 4 ［t3 ～ t4］ Lr 与 Co 谐振结束，此时变压器次级等效为一个恒
压源 Vo。该模式内电感 Lr 直接向负载传递能量。这 样，电路就完成了半个周期的工作过程，后半周过程类 似。 2． 2 提高工作频率
由于高压电源的特殊性，传统的机载高压电源多 采用浸油的方式，即高压部分全部封装在油箱内，解决 了绝缘和散热的问题。但这种结构形式不仅增加了发 射机的体积和重量，也提高了外场维修和维护的难度， 同时在高空复杂的环境条件下，有漏油的隐患。
为了实现 MPM 高压电源的小型化，将高压电源 按照内部单元的功能划分为若干功能模块，合理布局， 以高密度封装在盒体中，形成一个紧凑的系统。低压 电路部分，包括调频控制器、驱动激励器和功率变换电 路，全部选用表贴元器件，集成在一块低压板上。有效 的减小了体积，充分利用了空间。
入电压为 270 V，输出额定功率约为 450 W，整个电源模 块高度为 25 mm。阴极电压 Uk = － 8 kV，收集极电压 （ 相对于阴极电压） UC1 = 6 kV，UC2 = 4． 5 kV，UC3 = 3 kV， UC4 = 1． 8 kV； 开关管选用 APT5016BLL 的 MOSFET， 主回 路 的 谐 振 电 感 为 Lr = 18 uH。 控 制 电 路 采 用 MC33066 高性能谐振控制芯片，开关频率 fs 控 制 在 180 kHz ～ 340 kHz 范围内。表贴硅堆采用 Z50FF3LL。 3． 2 试验结果
图 2 电感电流、开关管电压波形
图 3 各工作模式的等效电路
（ 1） 模式 1 ［t0 ～ t1］ 该模式内 V2 管关断，V1 管还未开通，V1、V2 管 工作在死区时间。此时变压器次级等效为一个恒压源 Vo。C1 和 Lr 以谐振方式将能量转移到 C2 中，谐振频
率为 ω1 = 槡1 / Lr2C，一直到 VC1 ，VC2 = Vi 为止。当 VC1
图 4 试验波形
4 结束语
本文设计了一种适用于微波功率模块发射机的小 型化高压电源。实际电路中，通过对整个高压电源各 部分的精心设计和合理的选择电路参数，并对关键电 路进行特殊设计，使该高压电源具有小型化、集成化、 高可靠性等特点，满足了 MPM 的使用要求。
参考文献
［1］ 江 志． 低功率高压电源的模块化设计［J］． 火控雷达 技术，2003，32（ 4） ： 55 － 59． Jiang Zhi． Modular design of low power high-voltage power ［J］． Fire Control Radar Technology，2003，32 （ 4） ： 55 － 59．
第 33 卷 第 4 期 2011 年 4 月
现代雷达 Modern Radar
Vol． 33 No． 4 Apr． 2011
·电源技术·
中图分类号：TN83
文献标志码：A
文章编号：1004 － 7859（2011）04 － 0080 － 03来自微波功率模块高压电源的设计
刘玉云，马 惠
（ 南京电子技术研究所， 南京 210039）
0引言
随着电子武器装备的更新换代，对雷达、通信及电 子战系统提出了越来越高的要求。而作为下一代电子 系统中非常关键的发射机技术，必须具备体积小、功率 大、频带宽等特点［1］。微波功率模块（ Microwave Power Module，MPM） 是一个高度集成的放大器［2］，与传统行 波管放大器相比，具有尺寸小、重量轻、效率高、大信噪 比的特点。MPM 在众多军事领域得到应用，包括无人 驾驶航空飞行器、军用卫星通信、电子对抗、合成孔径 雷达、气象雷达等。高压电源作为微波功率模块的重 要组成部分，不仅需要密度大，稳定性好，而且要求其 可靠性高，体积小，重量轻［3］。因此，高压电源小型化 是实现微波功率模块发射机的关键技术。