一體化固態(tài)T/R組件前級(jí)電源設(shè)計(jì)

汪 軍 張維平

(1.中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所 合肥 230088;2.中航工業(yè)合肥江航飛機(jī)裝備有限公司 合肥 230051)

0 引言

在采用交流供電的發(fā)射機(jī)中，電源變換器和固態(tài)功率組件通常為兩個(gè)獨(dú)立的功能單元。隨著固態(tài)發(fā)射機(jī)和電源變換技術(shù)的發(fā)展，將固態(tài)組件用電源變換(或調(diào)節(jié))設(shè)備集成到固態(tài)組件結(jié)構(gòu)體中，使組件功能相對(duì)完善，形成一體化組件，這樣有利于的發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成和擴(kuò)展，同時(shí)也有利于整機(jī)設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)［1］。一體化固態(tài) T/R組件中采用隔離Sepic電路構(gòu)成第一級(jí)電源變換，利用其具有的PFC特性保證輸入電流的連續(xù)性，減少了輸入EMI，同時(shí)隔離降壓為后級(jí)多路調(diào)節(jié)器提供預(yù)穩(wěn)電源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)組件的多種電壓需要。

1 組件電源需求及組成

整個(gè)一體化固態(tài)T/R組件中各功能單元的供電均由220V/50Hz輸入電源提供，其中發(fā)射通道為最大用電單元，是電源設(shè)計(jì)主要考慮的負(fù)載特性。具體要求如下:

輸入電壓:220V/50Hz±10%

輸出電壓:30～36VDC

輸出電流: 最大20A(連續(xù))

輸出端負(fù)載電容:大于10000μF

輸入功率因數(shù): 大于0.87

整個(gè)電源采用冷板散熱結(jié)構(gòu)，整個(gè)電源高度小于20mm。

根據(jù)組件對(duì)電源指標(biāo)的要求，為了實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和功率因數(shù)校正，考慮采用兩級(jí)變換的方式構(gòu)成一體化T/R組件電源，整個(gè)電源組成如圖1。其中由Sepic-PFC變換器、T1及AC/DC構(gòu)成前級(jí)電源，主要完成輸入功率因數(shù)校正，降壓、隔離及初步穩(wěn)壓的作用。這種零電流過渡非連續(xù)導(dǎo)通模式的變換器(ZCS-DCM)屬于諧振型軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。變換器具有零電流開關(guān)、在寬變換比和負(fù)載變化范圍內(nèi)可以保持較小開關(guān)損耗，并具有“自然”的PFC特點(diǎn)，因此適合在高頻的ac/dc中應(yīng)用［2］。

后級(jí)電源采用多路Buck-SCRC變換器并聯(lián)工作(圖1中僅標(biāo)出一路)，實(shí)現(xiàn)多路電源的調(diào)節(jié)，保證射頻負(fù)載的電壓需要。Buck-SCRC為非隔離的電壓調(diào)整電路，最終輸出電壓為30～36V，電源負(fù)載調(diào)整由這級(jí)變換器實(shí)現(xiàn)。同時(shí)變換器可以實(shí)現(xiàn)射頻脈沖內(nèi)緊閉的功能［1］。

圖1 一體化固態(tài)T/R組件電源組成框圖

2 前級(jí)Sepic電路的工作原理

圖2給出了基于零電流非連續(xù)導(dǎo)通模式Sepic(ZCS-Sepic-PFC)構(gòu)成的前級(jí)電源電路圖。

圖2 前級(jí)電源電路圖

考慮電路分析方便，忽略輸入、輸出電壓波動(dòng)，在單個(gè)開關(guān)時(shí)間內(nèi)為輸入電流if，輸出電壓Vo。忽略變壓器的漏感，且變壓器的勵(lì)磁電感用Lm表示，將變壓器的次級(jí)折算帶初級(jí)后將圖2簡化后得到等效的Sepic變換器，如圖3所示。

2.1 變換器開關(guān)工作描述

該變換器在一個(gè)開關(guān)周期中有四個(gè)工作過程。工作過程如圖4所示。

工作模式1［0，t1］，如圖4(a)所示，諧振電感電流iLr(t)從零線性增長到(ILf+ILm)，ILf和ILm分別等于平均輸入和輸出電流，在此期間Lr中的電流為:

圖3 ZCS-Sepic變換器

此工作期的持續(xù)時(shí)間Δt1可以表示為:

如果變換器的變換效率為1，輸入功率為Pi，輸出功率為PO:

持續(xù)時(shí)間可以表示如下:

工作模式2［t1，t2］，如圖4(b)所示，從 t1起，Lr和Cr開始諧振，由于諧振電容向諧振電感放電使得二極管反向偏置截止，等效電路見圖2(b)。諧振電容電壓Vcr(t)以正弦的形式減少并且最終達(dá)到負(fù)值。

圖4 變換器單周期工作過程

在t2時(shí)刻，iLr(t)諧振達(dá)到零為S關(guān)斷提供了零電流軟開關(guān)的條件。

此工作期的持續(xù)時(shí)間:

工作模式3(t2，t3)，如圖4(c)所示，該階段為諧振電容充電階段，等效電路如圖4(c)所示。諧振電容Cr繼續(xù)充電到平均輸入電流和輸出電流之和(Ii+Io)充電，其電壓可表示為:

當(dāng)Vcr(t)達(dá)到(Vin+VO)時(shí)，該工作模式結(jié)束，持續(xù)時(shí)間為:

工作模式4［t3，t4］，如圖4(d)所示，此階段為自然續(xù)流階段，在t3時(shí)刻，電容Cr的電壓上升到(Vin+Vo)，續(xù)流二極管由于正偏而導(dǎo)通，等效電路見圖4(d)所示，該工作模式在t4時(shí)刻結(jié)束，一個(gè)新的循環(huán)開始。變換器一個(gè)周期的工作波形如圖5所示。

上面曲線中為:開關(guān)電流is(t)、電容電壓vcr(t)和續(xù)流二極管電流iD(t)

2.2 電源PFC工作描述

ZCS-Sepic在進(jìn)行電壓變換的同時(shí)，同時(shí)利用其電流斷續(xù)狀態(tài)下自然實(shí)現(xiàn)的PFC特性，保證電源的具有良好的功率因數(shù)。

圖5 變換器的典型工作波形

在每一個(gè)開關(guān)周期中，輸入功率Pi為:

假設(shè)M=VO/Vin為變換器的直流變換比。由(7)式可得開關(guān)頻率的表達(dá)式:

當(dāng)電路工作輸入為工頻交流時(shí)，輸入電壓及電流表示為:

代入式(8)，則式(8)可以表示為:

由上式可以看出，對(duì)于輸入電壓的變化，變換器的開關(guān)頻率變化很小，輸入平均電流“自然”跟隨輸入電壓的變換，保持了良好的功率因數(shù)。開關(guān)頻率的變化僅在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)才進(jìn)行調(diào)整。故Sepic電路可以僅采用電壓閉環(huán)控制的方式，實(shí)現(xiàn)功率校正［3］。

3 前級(jí)電源設(shè)計(jì)和工作波形

根據(jù)上述分析，可以看出為了保證在任意負(fù)載條件，電源變換器工作在ZCS狀態(tài)，最佳的工作點(diǎn)是δ=1，但考慮到輸入和隔離變壓器勵(lì)磁電流的紋波等因數(shù)，實(shí)際電源設(shè)計(jì)時(shí)考慮δ＜1，確保開關(guān)工作在零電流狀態(tài)，但會(huì)降低變化器的效率。

a.開關(guān)頻率和隔離變壓器變比的確定

組件的輸入電源為220V/50Hz，作為前級(jí)的Sepic電源輸出最大功率為800W，考慮到后級(jí)BUCK輸出的最大電壓為36V，同時(shí)考慮其他輔助電源集成DC-DC模塊的輸入需求，前級(jí)電源輸出穩(wěn)定在48VDC，最大輸出電流為16.7A。這樣電路設(shè)計(jì)計(jì)算需要采用的直流變換比為0.22。即VO*n/Vin=0.22，考慮到折算到初級(jí)的直流變換比M=VO/Vin的最佳值為0.5左右［4］，所以隔離變壓器的變比設(shè)計(jì)為1:0.44，即n=0.44。

電源變換器的開關(guān)頻率選為80kHz。在ωt=π/2時(shí)，M=0.5，δ=0.9時(shí)，由式(9)計(jì)算的諧振頻率為260kHz。

b.諧振參數(shù)Lr和Cr設(shè)計(jì)

Lr和Cr設(shè)計(jì)取決于諧振頻率fr和最大輸出電流。

考慮到元件選型，因此實(shí)際取電感為16 μH，電容取 0.022 μF，

c.開關(guān)管和二極管的選擇

由式(4)可知，通過開關(guān)的諧振電流最大為:ILrmax=IOmax+Vin/Zr，將電流變換比代入

開關(guān)管S流過的最大電流Ismax＞2IOMAX＞35A，承受的最大正向電壓為Vin+VO，續(xù)流二極管D所流過的最大電流為IDmax=Iomax/n=36A。

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)的電源，實(shí)測(cè)效率為87%，PF=0.91。部分工作波形如圖6、圖7。開關(guān)管電流測(cè)試采用電流探頭的100mV/A檔，電容電壓測(cè)試采用差分探頭的100:1檔。

由圖6的開關(guān)管電流波形可以看出，電流為一近似的正弦波，在開通和關(guān)斷的時(shí)刻電流為零，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。由于實(shí)際變壓器漏感和MOSFET管的Coss的影響，實(shí)際諧振頻率略低于設(shè)計(jì)頻率。

圖6 變換器實(shí)測(cè)工作波形

圖7為整個(gè)電源的50Hz交流輸入側(cè)測(cè)得的電網(wǎng)電流、電壓波形和電源直流輸出中的交流50Hz電壓紋波的波形，由圖中可見高頻成份較少，對(duì)整機(jī)的干擾小。同時(shí)電網(wǎng)電流、電壓波形相差極小，保持了好的功率因素。

圖7 電源交流輸入端實(shí)測(cè)波形

4 結(jié)束語

采用ZCS-Sepic-PFC變換器構(gòu)成的一體化固態(tài)T/R組件前級(jí)電源，可以實(shí)現(xiàn)高頻化的整流和隔離，滿足了組件對(duì)電源體積和高度的要求。因變換器的開關(guān)工作在軟開關(guān)的狀態(tài)，在高頻化的同時(shí)獲得了好的效率。同時(shí)電路在電壓單環(huán)控制的條件下，保持了高的功率因數(shù)，為組件提供了較好電磁兼容環(huán)境，減低了工頻濾波的需求，避免了使用笨重的EMI濾波器。有效的保證了組件在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的外控簡單、易于擴(kuò)展、方便檢修、輕小型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

［1］ 汪邦金，汪軍，邵世東.高增益、大功率、一體化固態(tài) T/R組件設(shè)計(jì)［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2009，38(3):59-63.

［2］Carlos Oliveira and Dragan Maksimovic.Zero-Current-Transition Converters For High-Power-Factor AC/DC Applications［C］.IEEE APEC，1996，159-165.

［3］A.Lazaro，J.A.Cobos，A.BARRADO，E.Olias.Design of A Zero-Current-Switched Quasi-Resonant Sepic Used as Power Factor Pre-Regulator With Voltagen Follower Control［C］.INTELEC ＇1996，271-278.

［4］Martin H.L.Chow，Yim-SHU Lee，Chi K.Tse.Single-Stage Single-Switch Isolated PFC Regulator with Unity Power Factor，F(xiàn)ast Transient Response，and Low-Voltage Stress［C］.IEEE Trans.on PE，2000，15(1):156-163.