袁湘輝

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院， 武漢 430033)

·電源技術(shù)·

雷達(dá)發(fā)射機(jī)陽極電源的原理分析

袁湘輝

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院， 武漢 430033)

地波雷達(dá)是從事海洋環(huán)境研究以及電波傳播相關(guān)理論探索的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備安裝和使用條件惡劣，并且處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，如何通過良好的維護(hù)來保證地波雷達(dá)的可靠運(yùn)行，尤其是雷達(dá)的大功率發(fā)射設(shè)備，已成為使用和保障部門的重要課題。文中主要介紹了一種地波雷達(dá)微波管發(fā)射機(jī)的電源系統(tǒng)的組成，重點(diǎn)分析了陽極高壓開關(guān)電源的電路原理，提出了變形脈寬調(diào)制控制的概念。經(jīng)過仿真和穩(wěn)態(tài)工作波形分解，得出了該電源高可靠性和高效率的結(jié)論，給出了電源的主要工作電流、電壓波形，希望為設(shè)備的使用和維護(hù)提供參考。

地波雷達(dá)，高壓開關(guān)電源，脈寬調(diào)制控制，微波管

0 引 言

一種地波雷達(dá)是用于我國(guó)海洋環(huán)境全天候測(cè)量的整機(jī)引進(jìn)的大型精密設(shè)備。雷達(dá)工作地點(diǎn)在海邊，高溫、鹽霧等環(huán)境因素對(duì)于雷達(dá)的正常工作有著十分不利的影響。特別是對(duì)于大功率發(fā)射機(jī)的陽極電源而言，故障率明顯上升。因缺乏完整的技術(shù)圖紙和維修資料，如何保障設(shè)備的正常運(yùn)行和進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)是一個(gè)急待解決的問題。因此，對(duì)陽極電源的工作原理進(jìn)行分析研究進(jìn)而提高對(duì)該型雷達(dá)的保障及維護(hù)是重中之重。

該雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用了“固態(tài)+電子管推動(dòng)+電子管功率放大”[1]的放大鏈路結(jié)構(gòu)形式，其中13、14號(hào)機(jī)柜提供了發(fā)射機(jī)三級(jí)放大器所需的全部低壓、高壓電源。14柜中的陽極高壓電源是大功率微波電子管的高壓供電電源，工作電壓8 kV，電流10 A。該型高壓電源采用700 V的直流供電，“單片機(jī)+模擬電路”的混合控制模式，其中單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電源各種參數(shù)的設(shè)置、采集、遠(yuǎn)程傳輸和故障保護(hù)；模擬電路負(fù)責(zé)開關(guān)電源所需的控制信號(hào)的產(chǎn)生和穩(wěn)壓控制；開關(guān)管采用了絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)功率模塊；高電壓部分采用“升壓變壓器+橋式整流”方式。

通過觀測(cè)比較，該型電源的控制方式不同于常見的脈寬調(diào)制(PWM)[2]、頻率調(diào)制[3]、相位調(diào)制[4-5]等原理，給使用維護(hù)帶來一定的困難。因而，我們通過與使用單位合作進(jìn)行電路仿真和實(shí)際波形觀測(cè)，對(duì)該型高壓電源的工作原理有了一定的理解，得出了“變形PWM控制”方式的結(jié)論，通過實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了文中觀點(diǎn)的正確性。本文的研究工作能夠有效地解決該型地波雷達(dá)的維修保障工作困難，對(duì)維修工作中需要注意的事項(xiàng)和步驟進(jìn)行了具體說明，對(duì)從事高壓電源的研發(fā)人員也具有一定的指導(dǎo)作用。

1 陽極電源的組成

在14機(jī)柜中， 02分機(jī)負(fù)責(zé)提供推動(dòng)級(jí)電子管

4 kV陽壓， 03分機(jī)提供末級(jí)電子管的8 kV陽極高壓，兩臺(tái)陽極電源的控制、保護(hù)全部由01分機(jī)來完成。高壓電源的組成，如圖1所示。

圖1 陽極電源的組成原理圖

02、03分機(jī)的電路結(jié)構(gòu)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700 V輸入的濾波和儲(chǔ)能元件；IGBT功率模塊V1～V4組成了一個(gè)全橋逆變器；L1-1和L1-2繞在同一個(gè)磁芯的兩個(gè)臂上，接成串聯(lián)形式；T是陽極電源的升壓變壓器，變比約1∶8；電容器C3是并接在變壓器次級(jí)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(fù)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(hào)機(jī)柜的下部。

高壓電源不同于一般的低壓電源，由于電源的負(fù)載往往是電真空器件，在高壓下容易發(fā)生擊穿打火進(jìn)而造成電源短路，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。

在電源控制電壓正常，且700 V主供電、溫度檢測(cè)、交流及直流電流檢測(cè)、過電壓檢測(cè)等都處于正常范圍內(nèi)時(shí)，01分機(jī)得到加陽極高壓指令后就會(huì)輸出IGBT模塊V1～V4的控制脈沖g1～g4?？刂泼}沖的頻率大約為8 kHz，根據(jù)負(fù)載功率的大小，控制脈沖的寬度ton會(huì)相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。但不同于一般的PWM控制方式，在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，V1、V2和V3、V4分別有一次工作在50%工作比狀態(tài)，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(hào)的產(chǎn)生由01分機(jī)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(guān)完成了這一復(fù)雜的功能。在此我們把01分機(jī)的控制板進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉那些保護(hù)功能，只保留與產(chǎn)生控制02分機(jī)、03分機(jī)工作脈沖有關(guān)的部分，來說明變形PWM的信號(hào)產(chǎn)生原理，原理圖如圖2所示。

在圖2中，DA14用來產(chǎn)生電源的控制時(shí)鐘，頻率為電源開關(guān)頻率的兩倍約16 kHz，窄的CP正脈沖就是上下橋臂的死區(qū)時(shí)間，約2 μs。接下來CP脈沖被送到雙D觸發(fā)器DD2-1、DD2-2，分別產(chǎn)生二分頻脈沖Q1、Q1非；4分頻脈沖Q2、Q2非。另外，CP脈沖經(jīng)DD1反向后，控制模擬開關(guān)DA17導(dǎo)通，電容Ct被快速短路，從而在Ct上形成16 kHz的鋸齒波。

圖2 變形PWM的控制原理簡(jiǎn)圖

電源的基準(zhǔn)電平Vref(小于零)與高壓電源的反饋電壓Vf(正電壓)在運(yùn)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(guān)電源工作的PWM信號(hào)。該信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短ton與CP時(shí)鐘周期的一半(T/2)比值就是該電源的工作比D。

PWM信號(hào)經(jīng)過DD3-1、DD4-1與Q2非、Q2或非運(yùn)算，得到兩個(gè)信號(hào)X、Y。X、Y再與Q1非、Q1分別進(jìn)行或非運(yùn)算后形成全橋控制所需的四個(gè)控制信號(hào)g1、g2、g3、g4。在圖3中給出了圖2所示的控制框圖的各信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系。

圖3 變形PWM的控制脈沖產(chǎn)生的時(shí)序簡(jiǎn)圖

觸發(fā)脈沖g1、g2和g3、g4分別控制圖1中的兩個(gè)IGBT半橋模塊，從上圖中可以看到，在兩個(gè)工作周期內(nèi)，g1、g2和g3、g4它們交替工作在PWM調(diào)制和50%工作比兩個(gè)狀態(tài)，不同于一般的PWM控制方式，因此，我們把這種控制方式稱為變形PWM的控制。在穩(wěn)壓時(shí)，只調(diào)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(wěn)態(tài)分析

對(duì)陽極電源的電路分析，可以采用計(jì)算機(jī)仿真，將圖1的電路拓?fù)洹⒃?shù)與圖3的控制信號(hào)形式加到電路的PSPICE模型中，運(yùn)行仿真程序，就可以得到電路中的有關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓波形和有關(guān)回路的電流波形。

另外，我們可以再?gòu)母拍钌蠈?duì)電路穩(wěn)態(tài)工作的各時(shí)間段進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，以加深對(duì)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(jí)諧振電容、負(fù)載都等效到變壓器的初級(jí)，等效電路如圖4所示。由于電源的輸出電容C4大于諧振電容C3，在一個(gè)變換周期內(nèi)，可以認(rèn)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(shí)刻V1、V3受控開通，主回路電流Ir從0開始上升、諧振電容C3的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(chǔ)能電容C4單獨(dú)向負(fù)載提供能量，輸出電壓逐漸降低。此時(shí)電路簡(jiǎn)化如圖5a)所示，其主回路是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LC串聯(lián)諧振回路，電流Ir和C3電壓按正弦規(guī)律變化。

在t1時(shí)刻，電容C3電壓達(dá)到儲(chǔ)能電容C4電壓時(shí)，整流管V7、V6恢復(fù)導(dǎo)通，C4與C3并聯(lián)，主回路電流Ir開始向負(fù)載和C4供電，輸出電壓會(huì)升高。此時(shí)電路簡(jiǎn)化如圖5b)所示，此時(shí)的主回路是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LC并聯(lián)諧振回路，負(fù)載與諧振電容(C3+C4)并聯(lián)。電源、諧振電感的儲(chǔ)能、負(fù)載電阻的大小共同決定了回路電流Ir的大小和變化趨勢(shì)。

在t2時(shí)刻，V1受PWM信號(hào)控制關(guān)斷，V3繼續(xù)導(dǎo)通。電感中的電流不能突變，它會(huì)沿著V3、V2的反向并聯(lián)二極管繼續(xù)向電容C3、C4和負(fù)載提供能量，直到t3時(shí)刻，Ir線性降到零為止。該時(shí)段電路等效如圖5c)所示，t3時(shí)刻輸出電壓最高。

當(dāng)Ir電流過零后，電容C3上的儲(chǔ)能開始提供導(dǎo)通的V3、V1的反向并聯(lián)二極管向電源釋放能量。該時(shí)段的等效電路如圖5d)所示，此時(shí)諧振電流方向相反，電流幅值低很多。半個(gè)周期后，在t4時(shí)刻，諧振電流到零，由于V1反向并聯(lián)二極管的阻斷，電流不能反向，只能一直等于零。

圖5 變形PWM控制的穩(wěn)態(tài)分析圖

在t5～t6時(shí)段，Ir=0，C3上的剩余電壓也一直保持到下半個(gè)周期，直至V3受控關(guān)斷為止。在接下來的半個(gè)周期中，V2、V4受控導(dǎo)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(gè)周期中，V1、V2工作在50%工作比狀態(tài)，V3、V4受PWM信號(hào)控制。

該電源由于在主回路中串入了一個(gè)電感，因此，具有抵抗負(fù)載短路故障的能力，可靠性高。開關(guān)管在開啟時(shí)，主回路的電流為零，屬于零電流(ZCS)開通。管子關(guān)斷時(shí)，由于電感電流的連續(xù)，容易實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)關(guān)斷，因此，該變換器的效率也比較高。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖6給出了02分機(jī)在01分機(jī)的控制下，左橋臂中點(diǎn)A的電壓和主回路電流Ir的實(shí)際波形。電路的工作條件是直流母線電壓700 V左右，回路電流峰值20 A左右。從圖6a)中可以看出兩個(gè)完整周期的工作情況，從圖6b)中看出半個(gè)周期的工作情況，波形很好地印證了圖4及以上穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果。

圖6 電源變換器的主回路電流、電壓測(cè)試波形

5 維修保障注意事項(xiàng)

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(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，甚至在發(fā)生故障后，能夠依靠自己所掌握的知識(shí)，迅速排除故障，最大限度地減少損失。陽極電源工作電壓高、功率大，是發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。維修前首先，要熟悉隨機(jī)的圖紙資料，在不加高壓的情況下，屏蔽掉01分機(jī)的欠壓保護(hù)功能，應(yīng)該能夠看到g1、g2、g3、g4這四個(gè)控制脈沖，時(shí)間關(guān)系如圖4所示。然后，在不加電的情況下，用萬用表檢查02、03分機(jī)的IGBT模塊是否擊穿短路；如果正常，才能進(jìn)行加電檢查?？梢允褂猛饨?～700 V直流電源給02、03分機(jī)加主電，按圖4所示，接上諧振電容、整流器、濾波電容和假負(fù)載，通電后，利用儀器觀察變換橋的中點(diǎn)電壓和回路電流，正常情況應(yīng)與圖6相近，這樣，就說明陽極電源維修初步成功，待到發(fā)射機(jī)上實(shí)地驗(yàn)證。

6 結(jié)束語

本文對(duì)一種地波雷達(dá)發(fā)射機(jī)的陽極電源采用變形PWM控制方式進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從圖4的仿真波形和圖6的實(shí)測(cè)波形可以看到，該電源能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT開關(guān)管的零電流開通和零電壓關(guān)斷，且具有抵抗負(fù)載短路故障的能力，可靠性和變換效率較高，該方案特別適合于真空管發(fā)射機(jī)高壓電源采用，對(duì)于從事電源開發(fā)研制而言，該技術(shù)具有一定的推廣價(jià)值。另外，希望通過對(duì)電源工作原理的分析和關(guān)鍵信號(hào)波形的觀測(cè)，能夠幫助設(shè)備的使用與維護(hù)人員進(jìn)一步了解設(shè)備的性能特點(diǎn)，提升業(yè)務(wù)水平，從而最大限度的發(fā)揮設(shè)備的效能。

[1] 鄭 新，李文輝，潘厚忠．雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006． ZHENG Xin, LI Wenhui, PAN Houzhong．Technology of radar transmitter[M]．Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006．

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袁湘輝 男，1970年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理與電子裝備技術(shù)保障。

Analysis of the Anode Power Supply Operation Principle for Radar Transmitter

YUAN Xianghui

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The ground wave radar is the key device in the research on marine environment, radio wave propagation and related fields. Because of the poor usage and installation environment, as well as continuous running status, how to ensure reliable operation of radar, especially for the high power transmitting devices on the radar, through good maintenance has become an important subject of the use and maintenance department. The power system of a vacuum tube transmitter at the ground wave radar is introduced in this paper. 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. It is hoped to provide a reference for the usage and maintenance of other eupipment.

ground wave radar; high voltage switch power supply; pulse width modulation control; vacuum tube

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.017

袁湘輝 Email：xiangvui@163.com

2016-09-17

2016-11-19

TN957.3

A

1004-7859(2016)12-0083-04