两级式高压电源变换器的设计与分析
针对小型化行波管对高压电源的特殊应用要求，提出了两级式Boos-t 半桥谐振倍压高压变换器结构。高压变换器第二级半桥电路利用变压器漏感和开关管寄生电容进行谐振，实现了主开关管的软开关。通过对前级Boost 电路进行设计以及后级半桥电路稳态工作原理分析，给出了系统的控制方案，并对后级半桥变换器的软开关实现条件及其与死区时间的关系进行了讨论与分析。仿真结果和实验波形验证了后级半桥变换器具有良好的软开关特性，验证了理论分析的正确性。实验数据表明两级式高压电源变换器具有较高的效率。
行波管放大器正广泛应用于各类雷达、通信、导航和电子对抗等领域中，是当前军事装备中最重要的核心电子器件之一。高压电源为行波管的稳定工作提供多路输出电压，是行波管不可或缺的重要组成部分。
高压电源关键技术难点是分布参数对电路的影响，特别是高频功率变压器，由于输出电压高，变压器原副边匝比较大，导致漏感增加，对电源的稳定性和效率都有很大影响。为降低分布参数的影响，在高频高压电源中，谐振电路拓扑结构成为最优选择,这样可以充分利用高频变压器和电路的寄生参数参与谐振，减小寄生参数造成的影响，还可以利用这些寄生参数实现电路主开关管的软开关，减小开关损耗，有效地提高系统效率。
行波管高压电源的输入电压通常有270 VDC、28 VDC 和115 V/ AC/ 400 Hz 三相交流输入，本文主要对输入电压为270 VDC 的高压电源进行研究。相对于输入端，输出端则要求多路输出，而且输出电压值也高达千伏，甚至数千伏。由于输入电压与输出电压相差悬殊，隔离式变换器成为必须的选择。当前国内外行波管高压电源的研究设计通常以单级结构为主，采用全桥或半桥隔离变换器拓扑结构，通过添加辅助网络实现软开关。这样的结构在一定程度上满足了行波管对高压电源的要求,但辅助网络增加了系统复杂性，降低了可靠性。单级变换器主要存在以下缺点：首先，带辅助网络的全桥或半桥变换器开关管一般多于四个，其工作频率接近100 kHz。开关管数量多，频率高，将直接导致开关管损耗增加，系统效率与可靠性降低。其次，在负载发生变化或者轻载条件下，会导致主变换器软开关特性急剧变差，电路在短时间内损耗迅速增加，效率降低，不利于系统稳定以及行波管正常工作，甚至会损坏行波管。最后，单级隔离变换器要求变压器的升压比更高，原副边匝比更大，这样导致绕组间耦合不紧密，漏感较大，不利于变压器设计。因此在行波管高压电源应用中，本文提出两级式软开关谐振倍压变换器。两级变换器前级采用低频boost 变换器，后级采用定频定宽开环控制半桥变换器，利用高频变压器漏感和开关管寄生电容进行谐振实现软开关，而无需任何辅助网络，无论满载或空载效率还是可靠性方面都优于单级隔离变换器。
1、两级式变换器的结构
1.1、拓扑选择
两级式变换器通常是由单级非隔离变换器与单级隔离变换器以不同方式级联而成，综合了二者的优点，因此与普通单级变换器相比有更多优异性能。在级联方式上，不同应用有不同级联方式，而不同的级联方式也表现出不同的特点。当前两级变换器从级联方式上总体可以分为两类：第一类是采用非隔离变换器作为前级，隔离变换器作为后级。例如前级为Buck 或者Boost 基本电路，后级采用接近50% 占空比的半桥或者全桥LLC，输出端采用全波或者倍压整流方式。第二类是采用隔离变换器作为前级，非隔离变换器作为后级。例如前级采用半桥变换器，输出端同步整流结构，在整流输出端级联buck 变换器。通过对比分析可以看出,以上方案主要应用于高压输入低压输出或者低压输入低压输出场合，对于高压小电流应用场合显得明显不足。
在控制方式上，由于两级变换器每一级都可以进行控制，因此控制方式有多种选择，针对不同应用可以选择控制前级或者控制后级，也可以选择两级同时控制。当前两级变换器电路结构以单级控制为主，通常采用后级输出电压作为反馈信号来控制前级，而后级采用开环控制。
由于行波管是一种特殊的真空电子器件，对供电电源要求较高，采用单级变换器和常用的两级式变换器的普通电源远远不能满足其要求。依据DC/DC 变换器拓扑基本筛选标准，综合考虑输入输出电压级差以及系统效率，本文采用Boost- 半桥谐振倍压变换器。变换器通过前级Boost 电路将输入电压进行一次提升，提升后电压作为后级半桥输入电压; 后级半桥变换器通过隔离变压器对电压进行二次提升; 变压器次级输出端采用倍压整流电路结构对电压进行三次提升。次级采用倍压整流电路结构，提高了输出电压，减轻了变压器变比压力。由于倍压整流电路可以成倍提升电路输出电压，所以可以通过使用多级倍压整流单元，使用常规耐压要求的整流滤波器件就可以得到高压输出。主变换器通过三次电压提升后很容易实现低压到高压的转换，解决了输入输出电压级差大的难题，非常适合输入输出电压相差悬殊的应用场合，例如真空电子器件，医疗，静电除尘等领域。
1.2、基本组成
Boos-t 半桥谐振倍压变换器主电路结构如图1所示，主要由三部分组成。其中：L b 为前级Boost 变换器的储能电感，Sb 为功率开关管，Db 为整流二极管，Cb 为滤波电容; C h1、C h2 为半桥变换器桥臂电容，两电容容值相等，S1、S 2 为半桥桥臂主功率开关管，Lr 为变压器漏感与外加电感之和，Cr 为变压器原边寄生电容以及副边绕组折算到原边的寄生电容之和。二极管D1、D2 和电容C1、C2 组成倍压整流电路结构。
图1 Boos-t 半桥谐振倍压变换器
结论
本文研究了一种新型Boos-t 半桥谐振倍压变换器，该两级变换器通过Boost 级，变压器，倍压整流三部分，实现了三级升压，很好地解决了输入输出电压级差大的难题。变换器利用隔离变压器漏感以及开关管寄生电容参与谐振，实现了开关管的软开关。在输出端采用倍压整流电路结构，解决了常规变换器高压输出端需要高耐压等级电容的限制，降低了电路设计成本，减小了设计难度。文章重点对半桥变换器稳态工作过程进行了分析，详细地阐述了半桥电路实现软开关条件及其与死区时间的关系。仿真和实验结果验证了半桥变换器具有良好的软开关特性，测试数据表明单级半桥变换器与两级变换器都具有较高效率，能够很好地满足小型化行波管对高压电源的需求。
