线性调制器中直流充电变压器的设计分析
Design and Analysis of DC Charge Transformer in Lineal Modulator

摘 要： 本文通过刚研制成功的某线性调制器中反馈型de-Q充电电路，对其中的充电变压器的工作状态进行了分析，并简述了充电变压器的设计过程。
关 键 词：充电电路 充电变压器 设计分析

1．引言
线性调制器在雷达发射机中应用十分广泛，它为发射机中高频电子管提供调制脉冲。图1给出了典型线性调制器方框原理图。

图1
其工作原理是直流高压电源通过充电元件向储能元件充电，充电电压达到电源电压的两倍，借助开关管，将储存的能量通过脉冲变压器放给负载，从而在负载得到一个矩形脉冲。由图1可知，它包涵若干个特殊元件，本文将以某调制器为例来简述一下其中之一的充电变压器的设计过程。
2．充电电路形式与充电元件的选择
一般情况，线性调制器充电回路由充电电感、充电二极管和人工线（PFN）组成谐振充电电路，但本发射机对输出脉冲的脉间幅度一致性提出了较高的要求，因此，采用了反馈型de-Q充电电路，充电电感设计为低漏感充电变压器。加以de-Q控制工作，不仅提高了调制器输出脉冲幅度的脉间稳定性，又可以起到调整功率的作用。电路形式如图2。

图2 T1——充电器；T2——升压回馈变压器；T3——脉冲变压器
3．充电变压器设计参数
图3为充电变压器的电路形式，初级 N1的1端始终处于1.8KV的电位上，2端在充电结束后达到1端的两倍电位。

图3
充电电感量Lc为4.6mH，重复频率PRF为275Hz，充电周期1.5ms。初级最大充电电流为183A，有效电流Ice1为91A，次级N2与初级N1的升压比n为2，次级有效电流Ice2为21A，变压器要求漏感Ls<1%Lc。次级N3绕组主要用来测量和观察充电波形，N4绕组用于de-Q 触发的取样。温升要求小于400C。
4．设计分析
充电变压器（或充电电感）与普通滤波电感的工作状态存在很大的不同：
1．充电变压器承受着较大的直流和交流的同时磁化，也就是说，充电变压器的初级绕组中的电量以及磁芯中的磁感应强度和磁场强度都是一个很强的周期性变量，而滤波电感的这些参数是一个不变量（略去纹波分量不计）。
2．充电变压器同时处于直流交流高电位上，因此在绝缘上的考虑要比滤波电感严格的多。
3．在选择铁芯时，充电变压器同样要比滤波电感严格的多，为防止损耗和过热，一般根据频率选择冷轧薄硅钢片0.05mm~0.2mm。而滤波电感选择冷轧热轧硅钢片均可，带厚一般为0.35mm。
4．充电变压器对电感量的线性度和品质因素要求很高。一般要求充电电流从50%~100%变化时，电感量的变化不得超过5%。
由公式
谐振充电电感量

最大充电电流

有效电流

平均电流
可知充电电感量对充电电流的影响很大，充电电流的变化将影响充电电路谐振周期，进而影响线性调制器工作的稳定性。因此，要求变压器电感值稳定性要好，要近似于线性。
在工程应用上，一般要求充电电感效率应达到92%。
最大充电电压表达式
其中，称为充电变压器品质因素。
充电变压器的效率η定义为平均电压与电源电压之比，即

从式中可以看出，Q值越高，效率就越高，当Q值>10时，η>92%。
以上对充电变压器的工作状态做了一些分析，这对后面的设计是非常有意义的。
5．设计过程
1．铁芯的确定
由于充电电压不高，变压器可设计成干式，大功率时，可按相当容量的电力变压器考虑，得到

——充电电流平均值，
KVA——平均功率容量 KVA值。
由此将铁芯设计成插片式，铁芯截面为4级阶梯圆截面。
可以根据电磁感应定律来估算铁芯体积

但按上式计算较麻烦，我们一般直接按下式估算体积

其中 K取80~130。
在这里我们取130，
得
考虑绕组形式、安装结构、温升等多方面因素，我们将铁芯几何截面 确定为162，根据频率，选择硅钢带厚0.2mm，那么铁芯净截面为

2．匝数的确定
气隙的选取不能超出的范围
我们取
气隙的等效截面积为

为单个气隙的长度，后一项考虑气隙长度使磁通向外扩散，即受边缘效应的影响而增加的面积，越大，边缘效应越严重，对等效截面积的影响也越大。最好不要超过2.5%。
匝数
次级匝数N2=70×2=140 T
3．验算铁芯中的磁通密度
气隙中的磁场强度

气隙中的磁通密度


则铁芯中的磁通密度

值必须保证在铁芯磁化曲线弯曲部分以下，若太大铁芯进入饱和区就不能保证线性度，太小铁芯体积就会变大，这都可视为设计不合理。根据冷轧硅钢的磁化曲线取8600GS是合理的。
4．变压器效率
将式代入下式
则
效率
6.检测与上机结果
用 LRC仪在1KHz条件下测量电感量为4.67mH，漏感为12.7μH，即漏感
温升 40℃，
线性度 1‰，
变压器初次级通过了直流8KV耐压，一分钟不击穿，不飞弧，
以上指标都满足了设计任务书的要求。
本文得到了张建华高级工程师的热心指点，在此表示衷心的感谢，同时恳请各位专家及同行多提宝贵意见。

参考文献：
1．《雷达发射设备》 西北电讯工程学院 1975年
2．《线性脉冲调制器》 东冲 1978年
3．《XXX线性调制器工程实施方案》 张建华 2001年
4．《电感器件的工程计算》 变压器文献编辑部
5．《直流充电电感》 钟先进
6．《电子变压器设计手册》 中国电子学会电子变压器专委会编