- 雷達(dá)發(fā)射機(jī)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(dá)發(fā)射機(jī)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(mǎn)足雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)改善因子的指標(biāo)要求，因而對(duì)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。現(xiàn)就某雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓電源設(shè)計(jì)的思路和設(shè)計(jì)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(mǎn)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(wú)故障時(shí)間
MTBF≥1000h
3 設(shè)計(jì)思路
1)設(shè)計(jì)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(wú)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(kāi)關(guān)型電源、線(xiàn)性串聯(lián)型電源和線(xiàn)性并聯(lián)型電源及初級(jí)穩(wěn)壓型電源。由于對(duì)高穩(wěn)定度和超低紋波的要求，本設(shè)計(jì)選用線(xiàn)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(jì)兩組穩(wěn)壓電源供電，該方式對(duì)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(mǎn)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(guò)大而引起行波管收集極對(duì)地打火而造成故障。
因而，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)具有獨(dú)特特點(diǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(zhuān)門(mén)做收集極高壓，這是該電路的獨(dú)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(diǎn)之間接一個(gè)高壓硅柱D3，對(duì)調(diào)整管G構(gòu)成過(guò)壓保護(hù)電路，調(diào)整管G出現(xiàn)的最高電壓就是整流器V1空載時(shí)的輸出電壓。所以調(diào)整管G可以選耐壓很低的管子。同時(shí)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(shí)，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(jìn)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(dá)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(dú)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算
當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)+5%而又是空載時(shí)(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(shí)管壓降值為UAK=Uin-UA=40.87-20=20.87kV
此時(shí)若調(diào)整管出現(xiàn)截止(輸出電壓UA=0)時(shí)，則管壓降值為
UAKmax=Uin=40.87kV
所以若采用兩組電源獨(dú)立分開(kāi)供電，則調(diào)整管耐壓必須>40.87kV，該類(lèi)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(dòng)+5%而調(diào)整管出現(xiàn)截止(輸出電壓UA=0)時(shí)，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(jì)算
PAM=UAK×IA(3)
式中：UAK為電網(wǎng)電壓波動(dòng)+5%,輸出電壓為20kV時(shí)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(jì)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(mǎn)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(jì)
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(yùn)放集成電路做比較放大電路,在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)成一個(gè)可獨(dú)立安裝調(diào)試的模塊。
7 雙回路高壓電源測(cè)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(yǔ)
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(qiáng),具有很好的保護(hù)功能。在同類(lèi)高壓電源中處于領(lǐng)先水平。
