空間行波管用 LCLC 諧振變換器的研究

趙 斌 王 剛 王東蕾 陳 宇 畢 磊

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空間行波管用 LCLC 諧振變換器的研究

趙 斌*①②王 剛②王東蕾②陳 宇②畢 磊②

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所空間行波管研究發(fā)展中心 北京 100190)②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

該文研究了LCLC諧振變換器在空間行波管放大器中的應(yīng)用。基于電路分析的方法，研究了工作于零電壓和零電流狀態(tài)下的LCLC諧振電路的工作原理，并得到了各個(gè)工作模式的等效電路；基于該電路的工作原理，推導(dǎo)了該電路的參數(shù)；為驗(yàn)證分析的正確性，在PSIM仿真軟件中對(duì)其進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果與分析結(jié)果高度一致；最后，設(shè)計(jì)了輸入20 V，輸出4600 V，開(kāi)關(guān)頻率200 kHz，輸出功率280 W，效率高達(dá)93.38%的LCLC諧振變換器。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了分析的有效性。

空間行波管放大器；LCLC諧振電路；零電流；零電壓

1 引言

空間行波管放大器由兩部分組成：電子功率調(diào)節(jié)器(EPC)和空間行波管?？臻g行波管放大器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通訊與電子對(duì)抗。電子功率調(diào)節(jié)器作為空間行波管放大器的重要組成部分，為行波管的陰極、燈絲、收集級(jí)以及磁聚焦等部分提供合適的電壓。因此，其性能的好壞直接影響到整個(gè)空間行波管放大器[4,5]。

在空間行波管放大器中，通常采用兩級(jí)變換[6]。通常，第1級(jí)變換是具有功率因數(shù)校正模塊的Buck或Boost預(yù)穩(wěn)電路，將太陽(yáng)能電池板上的電能，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于第2級(jí)變換的電能，同時(shí)需要保持較高的效率。在第2級(jí)變換中，通常是諧振電源，保證效率，同時(shí)得到負(fù)載需要的電壓與電流。因此，第2級(jí)變換是整個(gè)2級(jí)變換器的關(guān)鍵部分，決定整個(gè)變換器的性能。因此，本文主要研究第2級(jí)變換。

在之前的研究中， LCLC, LCC和LLC被應(yīng)用于高壓諧振電源。在LCC[7,8]諧振電路中，忽略了變壓器的勵(lì)磁電感。但是在高壓應(yīng)用中，為得到高電壓輸出，初級(jí)的匝數(shù)有限(一般小于5匝)，初級(jí)勵(lì)磁電感的影響不能忽略；在LLC諧振電路中，由于變壓器等效到初級(jí)的電容阻抗大而被忽略。然而，在高壓應(yīng)用中，由于高電壓的變比，變壓器初級(jí)存在等效電容，此等效電容不能忽略。LCLC諧振電路具有4個(gè)諧振元件，即串聯(lián)電感(一般使用變壓器漏感)，串聯(lián)電容(需要外加)，變壓器初級(jí)的等效電容()以及變壓器的勵(lì)磁電感。此外，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)頻率與占空比，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管和高壓整流二極管的零電壓零電流開(kāi)關(guān)。因此，LCLC諧振電路更適合第2級(jí)變換。

本文包含以下部分。在第2節(jié)，主要闡述了LCLC的工作原理；在第3節(jié)，推導(dǎo)了LCLC諧振變換的計(jì)算公式；第4節(jié)，在PSIM軟件中，仿真了LCLC諧振變換器；第5節(jié)，設(shè)計(jì)了輸入20 V，輸出4600 V，輸出功率280 W的LCLC諧振變換器，證明了該諧振變換器的優(yōu)勢(shì)；第6節(jié)，總結(jié)全文。

2 LCLC諧振變換器的工作原理

這一節(jié)主要討論LCLC諧振變換器(圖1)的工作原理。理論上，LCLC諧振變換器的波形如圖2所示。LCLC諧振變換器的分析基于以下假設(shè)：

圖1 倍壓整流輸出全橋LCLC諧振變換器

圖2 理論波形

(1)電路中的元件為理想元件，變換器效率為100%。

(2)C和L的諧振周期遠(yuǎn)大于模式2和模式5的時(shí)間(和)，即：,。

模式1的等效電路如圖3(a)所示。階段1開(kāi)始之前，諧振電流()為0，開(kāi)關(guān)管和的寄生電容和上的電壓也為0，整流二極管的電壓、電流也為0。此外，變壓器初級(jí)等效電容上的電壓已上升至，整流二極管導(dǎo)通，被鉗位。在時(shí)刻，開(kāi)通和，由于諧振電流為0,和的寄生電容和上的電壓也為0，因此，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電壓零電流開(kāi)通；此外，整流二極管的電壓電流也為0，因此，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了整流二極管的零電壓零電流開(kāi)通。

(1)

(3)

由于開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，諧振電流為0，同時(shí)開(kāi)關(guān)管寄生電容上的電壓為0，因此實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷。

圖3 等效電路

模式3的等效電路如圖3(c)所示。當(dāng)1和4關(guān)斷之后，階段3開(kāi)始。在模式3中，在開(kāi)關(guān)管的寄生電容(,,和)、漏感()、變壓器初級(jí)的等效電容()、串聯(lián)電容()以及勵(lì)磁電感()之間發(fā)生復(fù)雜的諧振過(guò)程。模式3的域等效電路如圖4所示。

圖4中的等效電路用方程組表示為

由式(5)可以解得

(6)

(8)

(9)

3 LCLC諧振變換器的設(shè)計(jì)公式

在這一節(jié)，推導(dǎo)LCLC諧振變換器的公式，包含：傳遞函數(shù)、初始條件以及諧振變換器工作過(guò)程中的主要參數(shù)。

3.1 傳遞函數(shù)

(11)

3.2 初始勵(lì)磁電流

在穩(wěn)態(tài)下，勵(lì)磁電流滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)性，再由式(2)得到，初始勵(lì)磁電流為

在半個(gè)周期內(nèi)，初級(jí)電流的平均值為

此外，初級(jí)繞組的平均電流可以通過(guò)次級(jí)計(jì)算，即

(14)

結(jié)合式(13)和式(14)，可得

由式(1)和式(15)可得，諧振電流峰值為

由LCLC諧振變換器的理論波形可知，開(kāi)關(guān)周期為

(20)

由有效值的定義，諧振電流有效值為

4 PSIM軟件仿真論證

本文首先提出了一種基于相等輸出功率的簡(jiǎn)化高壓變壓器結(jié)構(gòu)的單次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)；其次，在PSIM仿真軟件中對(duì)LCLC諧振電路進(jìn)行了仿真分析，并與第3節(jié)得到的公式所計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。仿真參數(shù)如表1所示，仿真與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。

4.1 簡(jiǎn)化高壓變壓器的單次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)

由于行波管工作時(shí)需要多個(gè)電壓，因此，通常使用如圖6(a)所示的高壓變壓器結(jié)構(gòu)。在圖6(a)所示的高壓變壓器中，初級(jí)有1個(gè)繞組，次級(jí)往往有多個(gè)繞組，每個(gè)繞組接倍壓整流電路后串聯(lián)，從而得到多個(gè)電壓輸出。但圖6(a)所示的結(jié)構(gòu)，增加了仿真與設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度?；谙嗤妮敵龉β逝c輸出電壓，本文提出了如圖6(b)所示的單次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)。為得到相同的功率輸出，兩種結(jié)構(gòu)的負(fù)載為

仿真結(jié)果如圖7所示。

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)諧振電流為0、開(kāi)關(guān)管1和4寄生電容電壓為0時(shí)，開(kāi)通和，實(shí)現(xiàn)了和的零電壓零電流開(kāi)通；當(dāng)諧振電流為0、開(kāi)關(guān)管和寄生電容電壓為0時(shí)，關(guān)斷和，實(shí)現(xiàn)了和的零電壓零電流關(guān)斷。同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了整流二極管的零電流零電壓開(kāi)啟與關(guān)斷。與理論分析一致。

圖4 模式3的s域等效電路????????????圖5 模式3的部分電路

圖6 原始結(jié)構(gòu)與單次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)

圖7 原始結(jié)構(gòu)與單次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果

表1 仿真參數(shù)

表2 仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

此外，3種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果完全一致(只有整流二極管的電壓不同，但不影響對(duì)整個(gè)電路的分析)。因此，分立負(fù)載結(jié)構(gòu)和單次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)可以用于研究LCLC諧振變換器。由表2可知，對(duì)LCLC諧振變換器的主要參數(shù)的計(jì)算，與仿真結(jié)果高度一致，從而證實(shí)了計(jì)算結(jié)果的正確性。

5 實(shí)驗(yàn)論證

基于對(duì)LCLC諧振變換器的分析，設(shè)計(jì)了輸入20 V，輸出4600 V，功率280 W，開(kāi)關(guān)頻率為200 kHz，效率高達(dá)93.38%的LCLC諧振變換器。并搭建了高壓測(cè)試平臺(tái)，對(duì)所設(shè)計(jì)的變換器進(jìn)行了測(cè)試。仿真波形如圖8(a)所示，測(cè)試結(jié)果如圖8(b)所示。

高壓側(cè)(整流二極管的電壓電流波形)的仿真波形如圖9(a)所示，測(cè)試波形如圖9(b)所示。由圖9可知，類(lèi)似于圖8，高壓側(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流開(kāi)通和關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析、仿真結(jié)果一致。

在不同的輸入電壓條件下，測(cè)試了變壓器的效率，為保證所測(cè)試效率的準(zhǔn)確性，所有的測(cè)試均在變換器工作10 min之后進(jìn)行。變換器效率隨輸入電壓的變化如圖10所示。

由測(cè)試結(jié)果可知，在輸入電壓為20 V，輸出電壓為4600 V，輸出功率為280 W，開(kāi)關(guān)頻率為198 kHz的工作狀態(tài)下，變換器效率為93.38%。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)LCLC諧振變換器進(jìn)行了研究。LCLC諧振變換器的優(yōu)勢(shì)有：功率開(kāi)關(guān)管(全橋開(kāi)關(guān)管和高壓側(cè)整流二極管)工作于零電壓零電流狀態(tài)，從而提高了變換器效率；采用LCLC諧振拓?fù)?，諧振腔利用了高壓變壓器的所有寄生參數(shù)。

基于兩個(gè)假設(shè)，給出了LCLC諧振拓?fù)涞墓ぷ髟恚煌ㄟ^(guò)理論計(jì)算與PSIM仿真，證實(shí)了LCLC諧振拓?fù)涞墓ぷ髟?；?duì)LCLC主要電路參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，理論計(jì)算結(jié)果與軟件仿真結(jié)果具有很好的一致性，計(jì)算公式可用于電路以及變壓器設(shè)計(jì)；最后，設(shè)計(jì)了輸入為20 V，輸出電壓為4600 V，輸出功率為280 W，開(kāi)關(guān)頻率為198 kHz的LCLC諧振變換器，變換器效率為93.38%。

由于開(kāi)關(guān)管的損耗被降到最低，因此，本文提出的LCLC諧振變換器適于高頻率、高功率密度、高效率與高壓應(yīng)用。接下來(lái)的工作將集中在LCLC諧振變換器的參數(shù)優(yōu)化。

圖8 低壓側(cè)(開(kāi)關(guān)管)的仿真與實(shí)測(cè)波形

圖9 高壓側(cè)(整流二極管)仿真波形與實(shí)測(cè)波形???????????圖10 輸入效率隨輸入電壓的變化

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Application of LCLC Resonant Converters for Space Travelling-wave Tube Amplifiers

ZHAO Bin①②WANG Gang②WANG Donglei②CHEN Yu②BI Lei②

①(,,,100190,)②(,100049,)

The application of LCLC resonant converters for space Travelling-Wave Tube Amplifiers (TWTAs) is investigated in this paper. Based on the working principles under Zero Current Switching (ZCS) and Zero Voltage Switching (ZVS), the equivalent circuit of each mode is derived. In addition, the parameters in each mode are also calculated. In order to validate the effectiveness of the analysis, PSIM simulations are carried out and the results are in accordance with the calculated results. Finally, an LCLC resonant converter with 20 V input, 4600 V output, switching frequency 200 kHz, 280 W output power, 93.38% efficiency is designed. Both the simulation results and the experimental results validate the effectiveness of the analysis.

Space Travelling-Wave Tube Amplifiers (TWTAs); LCLC resonant converters; Zero Current Switching (ZCS), Zero Voltage Switching (ZVS)

TN124; TN86

A

1009-5896(2017)02-0482-07

10.11999/JEIT160334

2016-04-07；改回日期：2016-10-14；

2016-12-02

趙斌 zkyzhaobin@sina.com

趙 斌： 男，1988年生，博士生，研究方向?yàn)槠矫孀儔浩髟贚CLC諧振變換器中的應(yīng)用.

王 剛： 男，1971年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭臻g用高壓電源技術(shù)、微波電子信息系統(tǒng)與電路.

王東蕾： 男，1974年生，研究員，研究方向?yàn)楦邏弘娫醇夹g(shù).

陳 宇： 男，1976年生，助理研究員，研究方向?yàn)榭臻g行波管電源技術(shù).

畢 磊： 男，1981年生，工程師，研究方向?yàn)榭臻g行波管電源技術(shù).