【正文】 含高電位燈絲電源、陽(yáng)極電源)、收集極電源，及陽(yáng)極控制電路等。高壓電源由于其高壓與大功耗等特點(diǎn)，是發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)、重點(diǎn)。其收集極電壓為6～，陰極電壓約10kV，工作效率約88%。高壓電源采用串聯(lián)饋電，即陰極電源、收集極電源采用串聯(lián)模式，燈絲為浮動(dòng)于高電位上的低壓電源。行波管陰極電源與收集極電源的饋電采用并聯(lián)方式，陽(yáng)極控制電壓則是從陰極電壓中分壓獲得。近年來(lái)，隨著零電流、零電壓諧振變換器的出現(xiàn)，為電源向著小型化、高密度的發(fā)展創(chuàng)造了條件。該高壓電源采用了零電壓諧振變換器技術(shù)的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源，它具有零電壓開(kāi)通，開(kāi)關(guān)損耗小，di/dt、dy/dt及干擾小等特點(diǎn)。整個(gè)高壓電源采用開(kāi)關(guān)逆變體制，開(kāi)關(guān)頻率約為50～20OKHz。如此設(shè)計(jì)提高了電源的可靠性同時(shí)減小的體積。圖43示出脈沖行波管發(fā)射機(jī)高壓電源的基本組成。其中功率變換橋部分采用了諧振電容電壓箝位方式的串聯(lián)諧振電路。與轉(zhuǎn)統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路相比，增加了4只二極管(VD5～VD8)。高壓變壓器T1采用扁平結(jié)構(gòu)，以便于整個(gè)高壓電源采用薄形封裝。高壓整流部分分為4組輸出，以滿(mǎn)足多級(jí)降壓收集極行波管的需要?？刂票Ｗo(hù)電路完成對(duì)高壓電源的控制、檢測(cè)和保護(hù)．以及與發(fā)射視系統(tǒng)同步通訊功能。驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用移相控制方式調(diào)整變換器的輸出電壓。 行波管高壓電源組成Fig. The position of high voltage power TWT為了提供脈沖峰值功率，高壓電源在次級(jí)接有大的濾波電容，等效為電壓源。將變換器的次級(jí)負(fù)載和電壓源等效到變壓器初級(jí)分別為RL/2和U0/2。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs大于諧振頻率fr時(shí)，在額定負(fù)載及過(guò)載條件下，電路中的4只功率開(kāi)關(guān)管均工作在ZVS，ZCS狀態(tài)。電路的工作過(guò)程如下：模式l[to～t1]開(kāi)關(guān)功率管VS1和VS5處于同時(shí)導(dǎo)通狀態(tài)．在此期間串聯(lián)諧振回路所有的參數(shù)參與電路工作，電路處于完全諧振期，諧振頻率為諧振阻抗諧振，諧振電流Ip和Ip2都產(chǎn)生諧振，諧振電容Cr上的電壓Ucr諧振上升。當(dāng)ucr達(dá)到輸入電壓Uin時(shí)，傳輸給負(fù)載的功率達(dá)到最大值。模式2[t1～t1] 由于Ucr已經(jīng)達(dá)到Uin，二極管VD5導(dǎo)通，將Ucr箝位在Uin，不再有功率輸入諧振回路。Cr不再起諧振元件作用，在諧振電感Lr的作用下，電感和變壓器的儲(chǔ)能分別通過(guò)兩條回路維持Ipl和Ip2續(xù)流。模式3[t2～t3] 當(dāng)t2時(shí)刻，電路中VS1關(guān)斷，為了減少關(guān)斷損耗，在開(kāi)關(guān)管兩端增加一小電容C1，以減小開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷損耗。VS1關(guān)斷后，Ip2依然按原方向續(xù)流，但I(xiàn)p1的續(xù)流回路變?yōu)閁in()→VD2→LR1→RL/2→VD5→Uin(+)。在VD2導(dǎo)通期間，VS2導(dǎo)通，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)啟。模式4[t3～t4] 當(dāng)t=t3時(shí)Ip1換向，VD5關(guān)斷。Cr上的能量將泄放。由于Lr，和Cr的存在，回路的電流從零開(kāi)始諧振，即VS2獲得了零電流、零電壓開(kāi)啟。這時(shí)VD8中流過(guò)的電流是ip1 +ip2。此時(shí)的諧振頻率，諧振阻抗所以諧振產(chǎn)生的峰值電流高于完全諧振的峰值。模式5 [t4～t5] VS4關(guān)斷以后，在電感作用下，VD3導(dǎo)通，Ip2續(xù)流回路變成Uin()→VD8→RL/2 →LR1→VD3→Uin(+)。模式6[t5～t6] 由于VD3提前導(dǎo)通，VS3可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)啟。當(dāng)t=t5時(shí)，隨著ip2換向，VD8關(guān)斷。Ip1，ip2產(chǎn)生諧振，電流諧振流過(guò)整個(gè)諧振回路，此時(shí)電路輸出功率最大。 converter equivalent circuit of the working mode這樣，電路便完成了半個(gè)周期的工作過(guò)程，另半個(gè)周期的工作過(guò)程與此類(lèi)似，不贅述。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，諧振回路電流較小，電路中Ip2續(xù)流時(shí)間較短，在兩只滯留管VS3，VS4關(guān)斷前已經(jīng)為零，雖然失去了零電壓開(kāi)通條件，但可以獲得零電流關(guān)斷條件。這樣電路仍能實(shí)現(xiàn)兩只功率開(kāi)關(guān)管處于ZVS，兩只功率管處于ZCS工作狀態(tài)，保持了較高的變換效率。行波管發(fā)射機(jī)模塊的輸入電壓Uin=270 V，行波管負(fù)載的額定平均功率約為520 W，整個(gè)模塊厚度為30 mm。選擇開(kāi)關(guān)頻率fs=250 kHz，脈寬1．8 μs。當(dāng)fr = fs時(shí)，在額定負(fù)載條件下，諧振回路的Q值選擇在0．5左右時(shí)，電路可以很好地實(shí)現(xiàn)ZVS。電源的初級(jí)等效受載為140 歐姆，總的諧振電感量L=25μH，分別取LR1= LR2=10Μh,變壓器的漏感限制在5μH左右。取諧振電容Cr=。第五章 行波管輔助電源和調(diào)制器的設(shè)計(jì)分析 輔助電源的設(shè)計(jì)本發(fā)射機(jī)采用柵控行波管放大器，行波管發(fā)射機(jī)的輔助電源包括燈絲電源、鈦泵電源和調(diào)制電源。行波管發(fā)射機(jī)的核心是行波管放大器，它將模擬射頻信號(hào)放大到滿(mǎn)足發(fā)射功率的要求。行波管放大器是一種高增益的寬帶微波功率放大器件， 行波管放大器的結(jié)構(gòu)示意圖 Traveling wave tube amplifier schematic 行波管放大器主要由輸入輸出裝置、電子槍、慢波結(jié)構(gòu)、收集極、聚焦磁場(chǎng)、衰減器等部分組成，其工作原理為:射頻信號(hào)通過(guò)同軸電纜或波導(dǎo)(本項(xiàng)目采用的是同軸電纜)由輸入端口進(jìn)入放大器的慢波結(jié)構(gòu):同時(shí)，電子槍產(chǎn)生的電子束也被注入慢波結(jié)構(gòu)。慢波結(jié)構(gòu)可以是螺旋線、禍合腔體、環(huán)圈或環(huán)桿結(jié)構(gòu)(本項(xiàng)目采用的是螺旋線結(jié)構(gòu))。在慢波結(jié)構(gòu)中，射頻信號(hào)以行波的方式沿慢波結(jié)構(gòu)前進(jìn)，其相速被放慢到與電子速度基本相同，在軸向上產(chǎn)生一個(gè)交變的電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子束中的電子速度進(jìn)行調(diào)制，處于加速場(chǎng)中的電子速度加快。處于減速場(chǎng)中的電子速度減小。加速的電子從射頻信號(hào)電場(chǎng)獲得能量，減速的電子又將能量還給射頻信號(hào)，這樣射頻信號(hào)就與電子束發(fā)生了相互作用，并進(jìn)行了能量交換。由于穿過(guò)慢波結(jié)構(gòu)的電子的速度低于其進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)時(shí)的初速度，因此能量交換的最終結(jié)果是電子束的能量降低了，而射頻信號(hào)電場(chǎng)的能量增加了，從而使射頻信號(hào)得以放大閣。被放大的射頻信號(hào)由輸出端口經(jīng)同軸電纜或波導(dǎo)(本項(xiàng)目采用的是波導(dǎo))饋送至天線。穿過(guò)慢波結(jié)構(gòu)的電子己經(jīng)和射頻信號(hào)電場(chǎng)交換完能量，需要用收集極來(lái)吸收。此時(shí)的電子仍然具有剩余速度，打到收集極上時(shí)將轉(zhuǎn)化為熱量。剩余速度越高，轉(zhuǎn)化的熱量越大，效率越低。為了提高效率，可采用降壓式收集極以降低電子的剩余速度。電子束從電子槍出來(lái)后要穿過(guò)細(xì)長(zhǎng)的慢波結(jié)構(gòu)，但是電子束中的電子都帶負(fù)電荷，相互之間的斥力會(huì)使電子束很快發(fā)散，打到慢波線結(jié)構(gòu)上去而失去將能量交換的機(jī)會(huì)。因此需要一個(gè)聚焦磁場(chǎng)來(lái)約束電子束使其能順利通過(guò)慢波結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)放大。在慢波結(jié)構(gòu)中間一般還有一個(gè)或兩個(gè)集中衰減器，它們的作用是吸收因射頻信號(hào)輸出不匹配而導(dǎo)致的反射波。本論文的工作為行波管燈絲供電電路的設(shè)計(jì)和控制保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，其它部分由他人負(fù)責(zé)。 The overall thesis block diagram of integrated power以上介紹的集成電源屬于開(kāi)關(guān)電源。它以低成本、小體積和高效率為發(fā)展方向，因此不同于傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源。傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源，技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外由于調(diào)整管上消耗較大的功率，需要采用大功率的調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿(mǎn)足現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展要求。20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開(kāi)發(fā)了開(kāi)關(guān)電源。在近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源因具有體積小、重量輕效率高發(fā)熱量低性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中。20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成了計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開(kāi)關(guān)電源在電子、電器設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管為例，當(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩端的壓將接近零。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零。所以其功耗小，效率可高達(dá)70%95%。功耗小散熱器也隨之減小。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波、調(diào)整，然后由開(kāi)關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開(kāi)關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此重量輕、體積小、機(jī)內(nèi)溫升低，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍為220177。10%，而開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在110～260V范圍內(nèi)變化時(shí)，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。: 開(kāi)關(guān)電源的基本組成Fig. The basic ponents of switching power supply 燈絲電源的設(shè)計(jì)燈絲供微波管陰極加熱，與陰極同電位，其燈絲電源應(yīng)該是浮動(dòng)在陰極高電位上的一種低壓電源，燈絲電源的饋電也應(yīng)經(jīng)隔離器件傳輸，常規(guī)的隔離器件有具有直流電位隔離的高電位隔離變壓器（包括工頻、中頻和高頻變壓器），也有具有脈沖電位隔離的高阻抗隔離器（包括脈沖變壓器次級(jí)雙繞組或電感）。燈絲電源的種類(lèi)隨微波管和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)要求而定，通常包括交流燈絲電源、直流燈絲電源和同步間斷燈絲電源等幾種，燈絲電源的供電過(guò)程及穩(wěn)定度，應(yīng)滿(mǎn)足發(fā)射機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)要求，由于各類(lèi)型微波管的燈絲相位推移因子相對(duì)都很小，其燈絲電源的穩(wěn)定度要求并不高。但是由于燈絲的冷態(tài)阻抗很低，要求燈絲電源應(yīng)具有電流限制能力，故燈絲電源一般應(yīng)設(shè)計(jì)成具有穩(wěn)流特性的電流源，其穩(wěn)流的實(shí)現(xiàn)既可在低壓端進(jìn)行，也可在經(jīng)隔離后的高電位上實(shí)現(xiàn)。在低壓端實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)流電源應(yīng)通過(guò)高電位隔離變壓器傳輸給微波管燈絲，在高電位上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流的電源，通常是將低壓端不太穩(wěn)定的交變電壓加至高電位隔離變壓器的初級(jí)，在變壓器的次級(jí)進(jìn)行電源變換，徑高壓端的燈絲電流取樣采控制電源電流的輸出穩(wěn)定度，在高電位上進(jìn)行電源變換需要解決高壓結(jié)構(gòu)和冷卻問(wèn)題。為了獲得很高的 MTI 改善因子，也需要提高燈絲電源的穩(wěn)定度，使脈沖間的燈絲電流或電壓保持基本一致，其辦可采用如下三種電路來(lái)實(shí)現(xiàn)：Q交流電源（同步或不同步）Q阻斷交流電源Q直流電源（浮動(dòng)燈絲，或使用雙繞組步降）微波管中燈絲的作用是加熱陰極，要求燈絲保持合適的溫度，燈絲在最初的冷態(tài)到最終的穩(wěn)定工作狀態(tài)，隨著燈絲溫度的上升，阻抗由很小的阻值穩(wěn)定到相對(duì)穩(wěn)定的、正常阻值。所以需要限制燈絲電源接通時(shí)的浪涌電流，為了保證燈絲的長(zhǎng)壽命，燈絲浪涌電流不允許超過(guò)穩(wěn)定值的 2 倍。考慮到行波管燈絲電路小型高效的要求，該變換器采用UC3842A作為PWM控制芯片，穩(wěn)壓元件采用精密電壓基準(zhǔn)調(diào)節(jié)器TL431及光耦P0形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定輸出電壓。UC3842A芯片的最大優(yōu)點(diǎn)是外接元件少、接線簡(jiǎn)單、可靠性高、成本極低。這些特點(diǎn)非常適用于小功率、小體積、高性能場(chǎng)合。本電路頻率選定為100KHz，最大占空比qmax=。考慮到燈絲電阻值預(yù)熱前后變化較大，限流電路單獨(dú)設(shè)計(jì)。該電路在輸出端采樣后，通過(guò)光耦的輸出端直接反饋到UC3842A的1腳，略過(guò)了其內(nèi)部放大器，既縮短傳輸時(shí)間，使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，又減少元件使電路簡(jiǎn)潔。同時(shí)利用LM431內(nèi)部的高增益誤差放大器，保證了很高的控制精度。采用平面變壓器的原因是:平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):高電流密度。平面變壓器的導(dǎo)線實(shí)際上是一些平面的導(dǎo)體，因而電流密度大。高效率。效率可達(dá)98%99%。低漏感。%。熱傳導(dǎo)好。熱通道距離短，溫升低。低EMI輻射。良好的磁芯屏蔽可使輻射降到很低。體積小。采用小型磁芯可相應(yīng)減小體積。參數(shù)可重復(fù)性好。因?yàn)槔@組結(jié)構(gòu)固定，預(yù)先加工好，所以參數(shù)穩(wěn)定。絕緣性好。平面變壓器由導(dǎo)電電路與絕緣片互相重疊構(gòu)成，從而保證繞組之間、初次級(jí)之間有很好的高壓絕緣隔離。工作頻率范圍寬。頻率可從50kHz—2MHz。工作溫度范圍寬。工作溫度為40℃—130℃。因此，使用平面變壓器有利于燈絲電源體積減小，效率提高。: 燈絲電路原理圖 Filament circuit diagram(Rl，DW，Q3，C3)的設(shè)計(jì)UC3842的啟動(dòng)電壓vcc=16V，啟動(dòng)的偏置電流，Icc=lmA，工作時(shí)的偏置電流Icc=15mA，輸入電壓為vm=28V，穩(wěn)壓二極管DW的穩(wěn)壓值選為18v，電流為10ma，因此Rl=(28V一18V)/=1K，功耗PR1=(10ma)178。R1=,()。三極管Q3的型號(hào)為9013，其發(fā)射極輸出電壓為18V～=，C3的值為10uF/20V。(R3，C5)的設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率為100KHz，故將3842的振蕩頻率設(shè)置在100KHz，選時(shí)間電容C5=470Pf，則由振蕩公式f=(RtCT)得:時(shí)間電阻R3≈38K，取標(biāo)稱(chēng)值R11=30K。(R7)和濾波網(wǎng)絡(luò)(R6，C6)的選取由于3腳的正常值大于IV時(shí)，3842的輸出端關(guān)閉，開(kāi)關(guān)管的最大電流值約為,考慮到沉余量，，則電流檢測(cè)電阻R7=。R6和C6組成的濾波網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)近似等于電流尖峰持續(xù)時(shí)間，取為R6=1K，C6=1000PF。(R4，R5)電阻R4是為抑制寄生振蕩而加入的，取R4=100歐姆，電阻R5為開(kāi)關(guān)管的輸入電容提供能量泄放回路，取R5=22K。電壓控制回路(R9，R，R12，R10，R13，C12，ML431)本電路中的電壓控制回路使用精密電壓基準(zhǔn)調(diào)節(jié)器TL431提供輸出電壓的控制，實(shí)驗(yàn)證明該方法提供的輸出電壓精度很高。計(jì)算時(shí)首先固定光禍的增益為1，，的計(jì)算依據(jù)是把輸出電壓分割為L(zhǎng)M431的分壓器，計(jì)算公式為: ，此處=,設(shè)定的值，即可計(jì)算的值，此處，取=3K，則R9=4K，為方便調(diào)試串接一電位器=5K。C12用于穩(wěn)定控制回路，補(bǔ)償由于穿過(guò)變壓器引起的相移?！?。光禍選用PC817，R13=1K。為抑制噪聲，3842的8腳與5腳(地)之間接一個(gè)小的CBB旁路電容C4。Cl，C2為輸入濾波電容，都取值為100uF/35V，輸