多路輸出正激變換器在雷達(dá)發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用*

柳拓鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

真空管雷達(dá)發(fā)射機(jī)電源配置中，經(jīng)常需要能夠隔離陰極電位的多路輔助電源，且多路輸出均要求具有穩(wěn)壓功能［1］。若每路輔助電源采用單獨(dú)的變換器和高壓隔離變壓器，勢必造成系統(tǒng)體積龐大，不利于發(fā)射機(jī)的小型化設(shè)計(jì)。同時(shí)，采用多個(gè)變換器使得輔助電源設(shè)計(jì)復(fù)雜化，不利于發(fā)射機(jī)可靠性指標(biāo)的提高。若采用多路輸出變換器拓?fù)?，可使電路設(shè)計(jì)大大簡化，對發(fā)射機(jī)的小型化設(shè)計(jì)及可靠性指標(biāo)的提高帶來便利。在真空管雷達(dá)發(fā)射機(jī)中，各路輔助電源的負(fù)載并不是固定不變的，其隨著發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)不同而變化。這樣就產(chǎn)生了多路輸出間交叉調(diào)節(jié)的問題。

本文以多路輸出正激變換器為例，對傳統(tǒng)多路輸出正激變換器中造成交叉調(diào)節(jié)的原因進(jìn)行了分析。對采用耦合濾波電感改善多路輸出單端正激變換器輸出繞組間交叉調(diào)節(jié)的原理進(jìn)行了探討，給出了輸出耦合濾波電感的設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)計(jì)實(shí)例，對分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 多路輸出正激變換器

1.1 普通多路輸出正激變換器

圖1為普通多路輸出正激變換器的例子，每路輸出都有一個(gè)濾波電感。為了分析方便，作以下假設(shè):

a.次級(jí)整流二極管D1、D3和續(xù)流二極管D2、D4的正向?qū)▔航迪嗟龋扔赩D;

b.開關(guān)管V2 導(dǎo)通壓降為0;

c.變壓器線圈壓降和次級(jí)濾波電感線圈壓降均為0;

圖1 多路輸出正激變換器

d.僅對Vo2 電壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

兩個(gè)支路電流均處于連續(xù)狀態(tài)時(shí)，兩路輸出電壓分別為

當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，調(diào)節(jié)占空比D 可以保證各路輸出穩(wěn)定，在各支路電感電流保證連續(xù)的情況下，輸出電壓的變化不大［2］。

當(dāng)某一支路輸出電流減小到零界電流以下時(shí)，該路輸出的電壓將隨負(fù)載電流變化，式(1）和式(2）將不再成立［3］。假定RL1 變化使得電感Lo1 電流進(jìn)入斷續(xù)狀態(tài)，由于Vo2 支路負(fù)載未發(fā)生變化，則驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比D 不會(huì)發(fā)生變化，則Co1 充電時(shí)間不變，負(fù)載電阻加大，電容Co1 放電不足，使得Vo1 穩(wěn)定在高于電流連續(xù)狀態(tài)電壓之上，開環(huán)支路的電壓輸出變化能達(dá)200%～300%［4］。

在負(fù)載變化較大的場合，采用多路輸出單獨(dú)濾波電感存在一定的局限性。

1.2 次級(jí)接有耦合濾波電感的正激變換器

為了使輸出濾波電感工作于電流連續(xù)狀態(tài)，減少交叉調(diào)節(jié)的問題，多路輸出可以共用一個(gè)耦合濾波電感。電路如圖2所示，同樣僅對Vo1 進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖2 次級(jí)接有耦合濾波電感的正激變換器

為了分析方便，現(xiàn)作以下假設(shè):

a.D1～D4 正向?qū)▔航禐?;

b.電容Co1、Co2為理想電容，其ESR1(等效電阻）、ESR2 均為0;

c.變壓器和電感繞組電阻壓降為0;

d.耦合電感的耦合系數(shù)等于1;

電感Lo1、Lo2 繞在同一個(gè)鐵芯上，且匝數(shù)比等于變壓器次級(jí)繞組的匝數(shù)比，即

以式(3）中n 作為換標(biāo)系數(shù)，將開環(huán)輸出之路折算到閉環(huán)調(diào)節(jié)支路。則有

通過歸一化處理后，對于同一輸入來講，相當(dāng)于兩個(gè)電感并聯(lián)，則圖2 可以簡化為圖3。

圖3 耦合電感歸一化等效電路

由于采用耦合電感，存儲(chǔ)和釋放能量是在一個(gè)磁芯中完成，每個(gè)支路的能量變化只占總能量的一部份，交叉調(diào)整的影響將大大的降低，一般只有10%～30%［4］。

由圖3 可以看出，Lo 流過負(fù)載紋波電流的總和，則開關(guān)管導(dǎo)通期間輸入電流的變化率為

其中，Uin為開環(huán)繞組折算到閉環(huán)支路的輸入電壓，Uo為開環(huán)繞組折算到閉環(huán)支路的輸出電壓，Lo為電感，△I為折算總紋波電流，Ton為初級(jí)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。為了得到較好的調(diào)整效果，則要求折算電流處于連續(xù)狀態(tài)。則歸一化電感量:

其中，Uo為開環(huán)繞組折算到閉環(huán)支路的輸出電壓;△I為折算總紋波電流，一般取負(fù)載總這算電流的10%;Toff為初級(jí)開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間。由式(4）和式(5）可知，只要保證耦合電感折算總電流處于連續(xù)狀態(tài)，可以得到較好的輸出電壓調(diào)節(jié)效果。若采用雙向同步整流技術(shù)，則完全可以消除系統(tǒng)最小電流的問題。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

三路輸出:

Vo1=7V Io1=1A(閉環(huán)調(diào)節(jié)）

Vo2=3.5V Io2=1～50mA(開環(huán)）

Vo3=24V Io3=1～10mA(開環(huán)）

變換器工作參數(shù):

供電電壓:24 V±10%

工作頻率:100 kHz

最大占空比:45%

變換器電路原理圖如圖4所示。

圖4 變換器原理圖

次級(jí)整流管正向?qū)▔航蛋? V 考慮，初級(jí)開關(guān)V2 導(dǎo)通壓降和初級(jí)線圈壓降0.6 V 計(jì)算，則變壓器初次級(jí)變比:

耦合電感匝比為

由于Vo2、Vo3 支路輸出電流較小，在此只考慮Vo1 支路的輸出電流。最大紋波電流按額定電流的10%計(jì)算，則歸一化耦合電感電感量:

取Lo1=470 μH，則

第一路輸出紋波電壓為額定輸出的1%，則

其中f為開關(guān)頻率。第二路和第三路輸出電容亦取10μF。

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)μ4.1 仿真分析

3.1 仿真分析

基于以上計(jì)算，采用PSpice 軟件對電源進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果見圖5、圖6所示。仿真參數(shù)設(shè)置如下:

輸入電壓:21.6 V

占空比:45%

變換器頻率:100 kHz

輸出濾波電容:Co1=Co2=Co3=10 μF

滿載條件下輸出電壓比為

空載條件下，穩(wěn)態(tài)輸出電壓比為

圖5 滿載仿真結(jié)果

圖6 空載仿真結(jié)果

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算及仿真分析結(jié)果，在不同的負(fù)載條件下對該變換器進(jìn)行了閉環(huán)測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 變換器測試結(jié)果

仿真結(jié)果及表1的測試結(jié)果可以看出，變換器次級(jí)采用耦合電感后，在不同負(fù)載條件下次級(jí)各繞組之間的交叉調(diào)節(jié)效果明顯地降低。即使在空載條件下，交叉調(diào)節(jié)的效果也得到了明顯的改善。

4 結(jié)束語

本文對正激變換器次級(jí)采用耦合濾波電感減小多次級(jí)繞組之間交叉調(diào)節(jié)的原理進(jìn)行了分析。并結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例，對采用耦合濾波電感的多次級(jí)正極變換器設(shè)計(jì)步驟及方法進(jìn)行了闡述。該變換器在真空管雷達(dá)發(fā)射機(jī)輔助電源設(shè)計(jì)及其他要求變換器多次級(jí)輸出的場合具有很好的應(yīng)用前景。

［1］鄭新，李文輝，潘厚忠，等.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1998.

［3］付繼有，丁耀.開關(guān)電源濾波電感電流間斷模式的分析［J］.電工電能新技術(shù)，1997(1）:61-63.

［4］趙修科.實(shí)用電源技術(shù)手冊磁性元器件分冊［M］.遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002.