- 雷達發射機高壓穩壓電源
- 采用柵控功率行波管
- 采用收集極降壓方式
1 引言
現代雷達發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，為了滿足雷達系統對改善因子的指標要求，因而對其管體高壓的穩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，一組是管體高壓穩壓電源，一組是收集極高壓不穩壓電源。現就某雷達發射機高壓電源設計的思路和設計方法作一介紹。
2 主要技術要求
1)輸入電壓 ～220V/400Hz(±5%)。
2)輸出管體高壓
電壓 UA=20～25kV，穩壓，連續可調;
電流 Ia≥15mA，脈沖電流Iap≥1A;
電壓穩定度Sv≤10-3(輸入電壓±5%變化);
負載穩定度Si≤2.5×10-3(負載由空載到滿載);
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)環境溫度
工作環境溫度(-15～55)℃;
貯存溫度(-45～75)℃;
濕度+40℃，(95±3)%。
5)平均無故障時間
MTBF≥1000h
3 設計思路
1)設計宗旨高可靠性、低故障率，在高溫、高濕、高鹽霧的工作環境中確保電源穩定可靠工作,無放電、電暈、跳火等現象發生，并要求體積小、重量輕,便于安裝調試和維修。
2)技術指標
——目前一般高壓穩壓電源有開關型電源、線性串聯型電源和線性并聯型電源及初級穩壓型電源。由于對高穩定度和超低紋波的要求，本設計選用線型電路。
——由于柵控行波管采用收集極降壓，因而需要一組穩壓電源和一組不穩壓電源，一般是設計兩組穩壓電源供電，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，經調整管G穩壓后輸出穩定度很高的直流電壓(UA=20～25kV，Ia≥15mA，穩壓可調)給行波管的同步極。在調整管G的陰極和兩整流器串聯點之間接一個高壓硅柱D3，對調整管G構成過壓保護電路，調整管G出現的最高電壓就是整流器V1空載時的輸出電壓。所以調整管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電壓進行比較放大后送至調整管的柵極，以改變柵極上的控制電壓，從而改變了調整管上的管壓降，使其輸出電壓保持不變，達到穩壓的效果。
為了有效地消除高壓放電、電暈和高濕環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 調整管的選用
5.1 調整管電流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 調整管耐壓值計算
1)最小管壓降值UAKmin
UAKmin=UA0+US(2)
式中：UA0為調整管正常工作時的管壓降，取UA0=2.5kV;
US為穩壓輸出的電壓調整范圍，US=25-20=5kV。
則UAKmin=2.5kV+5kV=7.5kV
2)最大管壓降值
(1)傳統穩壓電路的最大管壓降值計算
當電網電壓波動+5%而又是空載時(采用容性濾波)，調整管輸入電壓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
此時若調整管出現截止(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，則調整管耐壓必須>40.87kV，該類調整管目前是很難選到的。而雙回路型高壓電源,使調整管耐壓大大降低了。
(2)雙回路型高壓電源的調整管最大管壓降值
由于調整管輸入電壓是由U1和UC串聯提供的，UA=U1+UC
當電網電壓波動+5%而調整管出現截止(輸出電壓UA=0)時，調整管最大管壓降UAKmax為
UAKmax=UA-UC=40.87kV-18.9kV=21.97kV
則可選用耐壓大于21.97kV的調整管即可，該調整管就容易選了。
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5.3 調整管最大功耗PAM計算
PAM=UAK×IA(3)
式中：UAK為電網電壓波動+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，性能穩定可靠,完全滿足雙回路穩壓電源調整管的要求。其主要技術參數為
最大耐壓 30kV
最大電流 300mA
最大功耗 300W
6 比較放大電路的設計
該電路采用三極管分壓取樣反饋,精密穩壓管做基準,運放集成電路做比較放大電路,在結構上設計成一個可獨立安裝調試的模塊。
7 雙回路高壓電源測試數據
1)管體高壓
電壓 UA=20～25kV穩壓，連續可調;
電流 IA=15mA;
電壓穩定度 SV=0.1%;
電流穩定度 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 結語
該電源在使用中性能良好,工作穩定可靠。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先水平。
