- 雷達發(fā)射機高壓穩(wěn)壓電源
- 采用柵控功率行波管
- 采用收集極降壓方式
1 引言
現(xiàn)代雷達發(fā)射機已廣泛采用柵控功率行波管，由于行波管相位靈敏度的提高，為了滿足雷達系統(tǒng)對改善因子的指標(biāo)要求，因而對其管體高壓的穩(wěn)定度和紋波均有很高的要求。又為了提高行波管的效率，普遍采用收集極降壓方式，所以其高壓電源由兩組組成，一組是管體高壓穩(wěn)壓電源，一組是收集極高壓不穩(wěn)壓電源?，F(xiàn)就某雷達發(fā)射機高壓電源設(shè)計的思路和設(shè)計方法作一介紹。
2 主要技術(shù)要求
1)輸入電壓 ～220V/400Hz(±5%)。
2)輸出管體高壓
電壓 UA=20～25kV，穩(wěn)壓，連續(xù)可調(diào);
電流 Ia≥15mA，脈沖電流Iap≥1A;
電壓穩(wěn)定度Sv≤10-3(輸入電壓±5%變化);
負(fù)載穩(wěn)定度Si≤2.5×10-3(負(fù)載由空載到滿載);
紋波≤10-4。
3)輸出收集極高壓
電壓Uc=15～18kV;
電流Ic≥85mA，脈沖電流Icp≥5.5A;
紋波≤5×10-3。
4)環(huán)境溫度
工作環(huán)境溫度(-15～55)℃;
貯存溫度(-45～75)℃;
濕度+40℃，(95±3)%。
5)平均無故障時間
MTBF≥1000h
3 設(shè)計思路
1)設(shè)計宗旨高可靠性、低故障率，在高溫、高濕、高鹽霧的工作環(huán)境中確保電源穩(wěn)定可靠工作,無放電、電暈、跳火等現(xiàn)象發(fā)生，并要求體積小、重量輕,便于安裝調(diào)試和維修。
2)技術(shù)指標(biāo)
——目前一般高壓穩(wěn)壓電源有開關(guān)型電源、線性串聯(lián)型電源和線性并聯(lián)型電源及初級穩(wěn)壓型電源。由于對高穩(wěn)定度和超低紋波的要求，本設(shè)計選用線型電路。
——由于柵控行波管采用收集極降壓，因而需要一組穩(wěn)壓電源和一組不穩(wěn)壓電源，一般是設(shè)計兩組穩(wěn)壓電源供電，該方式對行波管有以下的缺陷：需要兩只高壓變壓器，且整流橋和濾波電容器需要耐壓很高(輸出直流電壓+管壓降)。兩組高壓供電，不能滿足
行波管同步加電和同步斷電要求，易造成兩組輸出電壓的壓差過大而引起行波管收集極對地打火而造成故障。
因而，我們設(shè)計了一個具有獨特特點的雙回路高壓電源，完全克服了以上的缺陷，非常適用于行波管的使用。
4 雙回路高壓電源的工作原理簡介
4.1 原理框圖
原理框圖如圖1所示。
圖1 原理框圖
4.2 原理簡介
輸入400Hz/220V電源，經(jīng)高壓變壓器升壓變換后，輸出兩路交流高壓分別送入兩組整流器及濾波器，其中一組作為收集極電壓(Uc=15～18kV，Ic=85mA，而不需要專門做收集極高壓，這是該電路的獨特之處)送入行波管收集極。另外，將整流濾波后的兩組直流電壓串聯(lián)，經(jīng)調(diào)整管G穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定度很高的直流電壓(UA=20～25kV，Ia≥15mA，穩(wěn)壓可調(diào))給行波管的同步極。在調(diào)整管G的陰極和兩整流器串聯(lián)點之間接一個高壓硅柱D3，對調(diào)整管G構(gòu)成過壓保護電路，調(diào)整管G出現(xiàn)的最高電壓就是整流器V1空載時的輸出電壓。所以調(diào)整管G可以選耐壓很低的管子。同時濾波電容C1、C2的耐壓也相應(yīng)降低了，因而大大減小了體積和重量。特別是消除了兩組電壓因充放電不一致引起高壓差而打火。
如果輸出電壓受某種因素的影響發(fā)生變化時，取樣電路將其變化量采樣放大，送入比較放大器中與基準(zhǔn)電壓進行比較放大后送至調(diào)整管的柵極，以改變柵極上的控制電壓，從而改變了調(diào)整管上的管壓降，使其輸出電壓保持不變，達到穩(wěn)壓的效果。
為了有效地消除高壓放電、電暈和高濕環(huán)境中的飛弧打火故障，將高壓變壓器、高壓整流模塊和濾波器組成一獨立的油浸式高壓整流器模塊，即“高壓組件”，且外殼接地，這樣又大大縮小了體積和重量，更便于安裝，與一般行波管電源比較重量減輕了很多，體積縮小了一半以上。
5 調(diào)整管的選用
5.1 調(diào)整管電流IM計算
IM=IA+I0(1)
式中：IA為行波管管體電流IA=15mA;
I0為取樣電路及泄放電阻上的電流，I0=3mA。
則IM=15+3=18mA
5.2 調(diào)整管耐壓值計算
1)最小管壓降值UAKmin
UAKmin=UA0+US(2)
式中：UA0為調(diào)整管正常工作時的管壓降，取UA0=2.5kV;
US為穩(wěn)壓輸出的電壓調(diào)整范圍，US=25-20=5kV。
則UAKmin=2.5kV+5kV=7.5kV
2)最大管壓降值
(1)傳統(tǒng)穩(wěn)壓電路的最大管壓降值計算
當(dāng)電網(wǎng)電壓波動+5%而又是空載時(采用容性濾波)，調(diào)整管輸入電壓Uin為
Uin=(UAKmin+UA)×1.05×=(7.5+20)×1.05×=40.87kV
此時管壓降值為UAK=Uin-UA=40.87-20=20.87kV
此時若調(diào)整管出現(xiàn)截止(輸出電壓UA=0)時，則管壓降值為
UAKmax=Uin=40.87kV
所以若采用兩組電源獨立分開供電，則調(diào)整管耐壓必須>40.87kV，該類調(diào)整管目前是很難選到的。而雙回路型高壓電源,使調(diào)整管耐壓大大降低了。
(2)雙回路型高壓電源的調(diào)整管最大管壓降值
由于調(diào)整管輸入電壓是由U1和UC串聯(lián)提供的，UA=U1+UC
當(dāng)電網(wǎng)電壓波動+5%而調(diào)整管出現(xiàn)截止(輸出電壓UA=0)時，調(diào)整管最大管壓降UAKmax為
UAKmax=UA-UC=40.87kV-18.9kV=21.97kV
則可選用耐壓大于21.97kV的調(diào)整管即可，該調(diào)整管就容易選了。
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5.3 調(diào)整管最大功耗PAM計算
PAM=UAK×IA(3)
式中：UAK為電網(wǎng)電壓波動+5%,輸出電壓為20kV時的管壓降，
UAK=(20+7.5)×1.05-20=8.88kV;
IA=18mA。
則 PAM=UAKIA=8.88×103×18×10-3=159.84W
根據(jù)以上計算,選用了北京某所新研制的小型金屬陶瓷三極管T9730,該管體積小重量輕，性能穩(wěn)定可靠,完全滿足雙回路穩(wěn)壓電源調(diào)整管的要求。其主要技術(shù)參數(shù)為
最大耐壓 30kV
最大電流 300mA
最大功耗 300W
6 比較放大電路的設(shè)計
該電路采用三極管分壓取樣反饋,精密穩(wěn)壓管做基準(zhǔn),運放集成電路做比較放大電路,在結(jié)構(gòu)上設(shè)計成一個可獨立安裝調(diào)試的模塊。
7 雙回路高壓電源測試數(shù)據(jù)
1)管體高壓
電壓 UA=20～25kV穩(wěn)壓，連續(xù)可調(diào);
電流 IA=15mA;
電壓穩(wěn)定度 SV=0.1%;
電流穩(wěn)定度 Si=0.1%;
紋波 2V。
2)收集極高壓
電壓 UC=18kV±2kV;
電流 IC=70mA;
紋波電壓 13V。
8 結(jié)語
該電源在使用中性能良好,工作穩(wěn)定可靠。并且抗行波管打火的能力強,具有很好的保護功能。在同類高壓電源中處于領(lǐng)先水平。
