功率10KW的回扫充电电源技术
1实验原因
因某雷达发射机的线性调制器一直采用400Hz升压整流的电源加充放电开关的谐振充电方式。为减小体积而采用400Hz的电站,这严重阻碍了雷达机动性和可靠性的提高,所以我们考虑采用优点突出的回扫充电技术,其优点具体表现在:
a.无须电源变压器,可由电网直接整流;
b.由于充电回扫变压器的隔离作用,调制开关组件的开关管与直流电源向回扫变压器储能在时间上是错开的,因而调制器不易连通,具有很强的承受正失配之能力;
c.可通过控制比较电平调节输出脉冲幅度,无需大功率调压器;
d.精确控制充电变压器的电流大小可得到好于10-3量级的脉冲幅度稳定度。
回扫充电具有以上优点且在我所几种雷达上都成功使用,但功率都较小(<4KW),而功率容量是限制回扫充电技术广泛应用的因素之一,某雷达每个调制器单元的功率高达10KW,对其采用回扫充电技术,需要克服诸多困难,如充电回扫变压器的温升和充电开关管的选择等。其次因主回路工作在硬开关状态,开关损耗较大,对开关管要求较苛刻。另外回扫所需储存、传输能量的元件体积相对较大。为了解决以上问题,我们将大功率回扫充电技术作为一个专题进行研究。
2实验方案
2.1基本原理
本试验采用的回扫充电主电路如图1所示。
主要包括:充电开关管V2、V3,充电回扫变压器B1,整流滤波电路,控制电路,充电隔离二极管V6。主回路极为简单,因此对可靠性提高提供了必要条件。
其工作过程为:用相控整流模块直接对3Φ、380V、50Hz的电网进行整流,经Г型滤波器滤波,得到500V的直流;V2、V3受控制电路控制同时开关。V2、V3导通时,在B1次级产生的电压使V6反偏而阻断,能量储存在B1初级的电感中,一旦B2对B1初级储能电流的取样达到设计的电平时,比较器立即产生结束充电指令,使V2、V3受控截止,B1次级的电压立即反向,使V6正偏,开始向人工线充电,人工线的充电电压取决于B1的储能,即B1初级的电流,因此严格地控制这一电流的大小,就可精确地控制人工线的充电电压。其工作波形如图2所示。
2.2回扫充电电路主要参数的确定
a.已知条件及待求参数
已知:人工线的总电容:CN=3.41μF
人工线最高工作电压:UN=4000V
最小重复周期:Tr=2.8ms
取充电效率:η=0.9
待求:储能时间T1,充电时间T2,充电回扫变压器B1的变比n,B1初级的电感L1,通过充电开关管V2、V3的最大电流iQmax、平均电流iQav,电源输出平均功率Pav。
b.储能时间T1,充电时间T2的确定
为保证电路正常工作,T1和T2必须满足下式:
取T3=500μs(包括充电后的等待、脉宽、放电后的等待时间)
则 T1+T2=Tr-T3=2.3ms
令T2/T1=πη1/2/1.6=1.9
解得:T1=0.793ms,T2=1.506ms
c.求B1的变比n:
从380V电网直接整流得到的直流UDC=500V,则:
n=10。
d.求B1的初级电感L1。
e.充电开关管V2、V3的选择
V2、V3两端最高电压Uqmax=UDC=500V,通过V2、V3的最大电流iQmax、平均电流iQav分别为:
根据此计算结果,V2、V3选用FIJI公司300A/1200V的IGBT(IMBI300L-120)。
f.回扫充电电源的功率
由于整流电源输出的平均电流就是流过V2、V3的平均电流,则回扫电源输出的平均功率为:
2.3实验结果
达到的性能指标:本实验中,调制器输出电流波形如图3所示,(PRF=350Hz,E0=470V)
根据图3所得负载电流波形,在调制器负载为7.4欧,脉冲半宽约为56微秒的情况下,其输出功率为:
同时其前后沿及脉冲顶部宽度都达到了某发射机调制器的指标要求,经过十小时的考机,未出现故障,实验取得成功。
3关键技术的突破是回扫充电技术在大功率情况下成功应用的前提
3.1合理解决了回扫充电主回路在大功率应用下存在的问题,将回扫充电调制器的功率提高到10kW。
a.充电回扫变压器的设计:因储能较大,该变压器的体积和重量及散热应重视,同时初次级的漏感和分布电容要小,初级漏感中的能量不能传送到PFN,它反馈回供电电源中,同时,副边绕组漏感大将使在向PFN充电时使副边绕组电流输出缓慢形成,变压器中储能的一部分将返回电源,效率降低。分布电容较大会使充电开关管导通和关断时形成振荡,可能使控保板误报故障,对效率和精度都有影响。
b.抗电磁干扰:因充电开关管工作在硬关断状态,而且功率大,漏感和分布电容中的储能大,关断时振铃大,干扰较严重,所以在实验中我们主要采取以下几个措施:主回路的面积应小,各器件间的连线应短,流过大电流的连线用镀银铜条代替,以减小趋肤效应;认真设计充电开关管和充电回扫变压器的缓冲电路;续流二极管和充电隔离二极管应选用快速二极管;监控及充电管触发电路的地线应和放电主回路地线分走。
c.充电开关管的选择:因充电电流较大,而且选择时必须留有一定的余量,所以选管子比较困难,本实验成功地将开关管作为充电开关管应用于大功率调制器中,选取了合适的缓冲回路和吸收网络,很好地解决了问题。
3.2首次采用普通可控硅作为放电管,放电回路串联饱和电感来减小管子的开通损耗,这样仅需要一只放电管就可满足耐压要求,避免了多只高频可控硅串联所需要解决的均压和触发问题,使可靠性得到提高。
3.3稳定度的保证
a.取样比较电路采用高速比较器使其延迟小。我们借用某控保板并作了改进,将原取样电压比较器(运放OP37)改为高速比较器LM311,将原故障电平比较器(运放LM324)改为比较器LM239。以提高稳定度,因OP37的增益带宽积约为63MHz,当增益较大时反应速度至少在1μs以上,而LM311响应速度为ns量级,电流到达预定值后可立即给出关断信号。将LM324改为LM239的原因和以上一样,在电流太大时将快速报出故障。同时在比较器前加RC取样网络进行时间补偿,因为当电流电压波动时会引起电流增长斜率的变化,从而对于具有固定延迟时间ΔT的线路,电流达到预定值I后的ΔI也不同,为弥补这种误差,加入补偿网络使输出信号在时间上超前于输入信号,超前量与电源电压波动量成正比。
b.使用更快速关断的充电开关管,且驱动电路使充电开关管导通时处于浅饱和状态,关断时提供反偏使其迅速关断。
c.在重复频率允许的情况下增大充电回扫变压器的初级励磁电感,降低电流变化率。
3.4用相控整流模块做成软启动电路,这是一种比较新颖的电路,原来我们设计软启动电路时,基本都采用在滤波电容充电回路中串联电阻,同时在电阻上并联一个继电器,这样就存在隐患,因为假若继电器开路时电阻会一直发热且可能烧毁,而本实验中使用的软启动电路则不会出现这样的情况。
4需注意的问题及解决措施
首先是调制器组合应用时的电磁干扰问题,因多个调制器组合时相互之间也有干扰,有可能造成别的监控板和触发电路的误操作,影响整机工作,所以实际应用时各调制器机柜和控制板屏蔽盒的屏蔽效果要好,各机柜之间的走线应特别重视。
其次是温升问题,实验中有的器件温升较高,如充电回扫变压器,需采取风冷措施,并对其在机柜中的位置以及和其他器件的距离进行考虑,设计充电回扫变压器时应在满足其指标要求的前提下合理地选择铁心和线包,使铁损、铜损为最小。
5结束语
以上分析可知,只要进行合理的电路设计以消除回扫充电技术的固有弊端,在大功率的雷达发射机调制器中采用此技术是可行的。
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