1、第 29 卷第 10 期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.29No.10 2007 年 10 月 Journal of Electronics & Information Technology Oct. .2007 高效率星载 TWTA 用 EPC 预稳电路的设计与仿真 杨富花苏小保张万君(中国科学院电子学研究所 北京 100080) (中国科学院研究生院 北京 100039) 摘 要： 该文对星载 EPC 预稳电路的高效率问题进行了详细的研究，提出了提高效率的方法，着重介绍了一种提高效率的有效方法零电压软开关方法，并给出了其仿真结果。仿真结果表明，软开关方法对减少开关交流损耗，提高电路效
2、率有着显著的影响。 关键词： 电子功率调节器；开关损耗；零电压软开关 中图分类号：TN124, TN86 文献标识码：A 文章编号：1009-5896(2007)10-2537-04 Design and Simulation on High Efficiency in Pre-regulation Stage of EPC Used in Spaceborne TWTA Yang Fu-huaSu Xiao-baoZhang Wan-jun(Institute of Electronics, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, C
3、hina) (Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China) Abstract: The efficiency problem on pre-regulation stage of EPC used in spaceborne TWTA is studied in details. Some advice on how to improve the efficiency is given and the simulation results of Zero-Voltage-Switching
4、circuit (ZVS) are presented. The simulation results show that ZVS has a great effect on the improvement of the circuit efficiency. Key words: Electronic Power Conditioner (EPC)； Switching loss ； Zero-voltage-swi tching circuit 1 引言行波管放大器(Traveling Wave Tube Amplifier, TWTA)具有宽频带、高增益、高效率等优点，被广泛应用于微波通
5、信、雷达和电子对抗等技术领域中。星载 TWTA 是为满足星载使用要求而发展起来的 TWTA 的一个分支，是各类卫星 (通讯卫星、导航定位与军事测绘卫星等) 、星- 星、星- 地大功率转发器的核心部件。 星载 TWTA 由空间行波管 (Traveling Wave Tube, TWT)和电子功率调节器(Electronic Power Conditioner, EPC)组成。EPC 由指令电路、遥测电路、变换器及保护电路等功能模块组成，主要为 TWT 正常工作提供从一次母线电压到多路高电压( 上千伏) 输出的隔离匹配，以及完成系统对 TWTA 各种遥控、遥测信号接口。 DC-DC 变换器是 EP
6、C的重要组成部分。 EPC 可以直接由单级隔离 DC-DC 变换器组成，由于输入的母线电压不稳定，因此必须保证在输入的母线电压有较大变化的情况下，输出电压仍能保持稳定。这种电路效率会比较高，但是实现电压的稳定性会有一定的难度 。所以，在 EPC 的设计中，通常由两级拓扑来输出所要求的高压，即先通过预稳电路对母线馈入的直流电压实施预稳压，且升压到一稳定值，然后再通过隔离 DC-DC 变换12006-04-14 收到，2006-09-12 改回 器输出行波管所需要的高压。预稳电路是一个 boost 升压变换器，设置此电路的目的主要有两个：一是使后面的主逆变电路的输入稳定，有利于主逆变控制电路的设计
7、；二是降低高压变压器的变压比，以减少变压器的匝数和体积。这种情况下，通过合理的设计，效率和稳定性都能得到保证，比单级拓扑容易实现2。 星载器件在空间运行时，一般用太阳能电池供电，由于供电能力的限制，卫星分配给 TWTA 的能耗有严格限制，因此高效率是必备条件。在 EPC 的两级拓扑结构中，要想实现星载 EPC 的高效率，必须保证两级电路( 预稳电路和主逆变电路) 中每一级电路的效率都要高。为此，本文对预稳电路的效率进行了探讨，提出了高效率的实现途径，着重介绍了零电压软开关方法，并进行了仿真，给出了采用此方法后的仿真结果。 2 预稳电路的效率探讨 2.1 预稳电路的效率分析 某型号星载 TWTA
8、 用 EPC 预稳电路的组成如图 1 所示，该电路工作在电流连续模式下，由功率开关电路、控制电路、滤波电路和采样电路组成。其中，损耗主要发生在功率开关电路中，其损耗大小直接决定了预稳电路效率的高低。 2538 电 子 与 信 息 学 报 第 29 卷 作为开关使用的 MOS管的功率损耗主要来自 3个方面：导通损耗、截止损耗和开关损耗。一般截止损耗与其他两项 图 1 预稳电路组成框图 相比要小得多，可以忽略。通过对开关变换器连续状态下的分析 ，计算损耗如下： 3,4设开关周期为 T ，开关管导通时间为 ，二极管的导通时间为 ，由于工作在电流连续模式，则 。在开关管和二极管导通时间内，其电流平均值
9、均为输入电流。设开关管的饱和压降为 ，二极管的导通压降为 ，通常两者相同，均为 ，则导通损耗功率 可以表示为 onToffToff onTTT+=iIcesVdVcesVdcPon offdc ces ces cesiiTTPVI VI VI=+=i(1) 在图 2 所示的情况下，开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行，关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗。开通时，开关管电流从零( 由于漏电流非常小，可以忽略) 上升到 的同时，其 iI电压从最大值 下降到饱和压降 ，设开通时间为 ， oVcesVont则导通过程的损耗为： onon ces on011d
10、63tio iiv t IV t IV t=+，导通时的平均损耗功率为：on ces on63io iIVt IV tTT+ 。同理，设关断时间为 ，关断时的平均损耗功率为offtoff ces off63io iIVt IV tTT+ 。设 ,则总开关损耗功率 为 on off stt=tacPon ces on off ces offacces6363233io i io iios i sIVt IV t IVt IV tPTTTTIVt IV tTT=+ +=+ (2) 图 2 电压和电流动态变化曲线 然而，实际电路中，器件开通时会有开通电流尖峰，器件关断时会有电压尖峰，故实际开关损耗要
11、大于以上计算出的值，在此取为 。因此，总损耗功率 为 ac1.5PlossPcesloss dc ac ces1.52ios i siIVt IV tPP PVITT=+ = + + (3) 设输入功率为 ，输出功率为 ，则效率 为 inPoPcescesin lossin inces ces22ios i sii ioiiosisiIVt IV tVI V IPPPTTPP VIVtfVV VtfV = = = (4) 其中 为开关频率， ， 为输入电压， 为输出电压。 f 1/fT=iVoV2.2 高效率预稳电路的设计 由式 (4)可见，若想提高效率，可以采取以下方法： (1) 增大开关周
12、期，即减小开关频率； (2) 使用导通压降小的二极管和开关管； (3) 尽量减小开关管的导通和关断时间； (4) 采用软开关技术，降低交流开关损耗。 以上方法中，虽然减小开关频率能提高效率，但是，受限于火箭的运载能力，对星载 EPC 的体积、重量方面提出了严格的限制，要求实现小体积、轻重量，开关频率的减小会导致 EPC 体积、重量的加大，所以要在全面权衡后选择合适的的开关频率；选择器件时，应注意选择导通压降低的肖特基二极管和 VMOS 场效应管，以减少导通损耗；设计良好的驱动电路，使开关管能快速开通，快速关断，以减少开关过程中的损耗。在设计中，应全面考虑以上因素，使得电路能以较高效率工作在较高
13、的频率下。 某型号 TWTA 用 EPC 输入母线电压大小为 28 ，在设计预稳电路的输出时，综合考虑后级电路的拓扑结构和元器件的降额及选用等因素，将输出电压设计为 ，通过选择合适的器件，开关管和二极管的导通压降为 。开关管的驱动信号由 SG1525 产生，电路的开关频率，开通和关断时间 。当母线电压为时，由式 (4)可以计算出效率为 3V50V0.7Vf = 200kHzst = 0.3 s28V0.7 0.3 50 0.328 0.7525100% 91.99%28 = 受限于 EPC 前级系统的输出，本电路母线输入电压大小为 28 ，电压波动幅度不是很大，图 3 给出了效率随输入母线电压
14、的变化曲线，可以看出，效率随输入电压的升高而增大。 3V图 3 效率随输入电压的变化曲线 在电路开关频率、元器件参数均相同的条件下，如果采用软开关技术将交流开关损耗降为原来的 ，则电路的效率为 30%0.7 0.3 50 0.328 0.7 ( ) 30%5 2528100% 95.85% +=第 10期 杨富花等：高效率星载 TWTA用 EPC预稳电路的设计与仿真 2539 因此，在相同的条件下，采用软开关技术可以将效率提高近 4 个百分点，是减少开关损耗的一种有效的方法，以下将对其进行重点介绍。 3 零电压软开关电路 3.1 硬开关电路仿真结果与分析 图 4 所示是未采用软开关时的功率开关
15、电路原理图。针对以上的电路参数，使用 PSPICE 进行仿真。其中，开关管选择用 IRF150，模型采用 MOS3 半经验模型，其参数为 . model IRF150 NMOS(Level=3, Gamma=0, Delta=0, Eta=0, Theta=0, Kappa=0.2, Vmax=0, Xj=0, Tox=100n, Uo=600, Phi=.6, Rs=1.624m, Kp=20.53, W=.3, L=2, Vto=2.831, Rd=1.031m, Rds=444.4k, Cbd=3.229n, Pb=.8, Mj=.5, Fc=.5, Cgso=9.027n, Cgdo=
16、1.679n, Rg=13.89, Is=194E-18, N=1, Tt=288n) 图 4 硬开关电路原理图 开关管的驱动信号是由脉宽调制芯片 SG1525A产生的，它可以直接驱动 MOS 场效应晶体管。芯片 SG1525 的频率是由外接的电阻 、电容 决定的，而模型中直接设定所需频率参数就可以。为保证电路的连续模式工作，选取电感值为 。 tRtC80 H图 5 给出了硬开关的仿真波形，从中可以看出，开关过程中电压和电流存在相互交叠的部分，即有交流开关损耗存在；而且，存在开通电流尖峰，这是因为开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内，频率越高
17、，开通电流尖峰越大，可能会引起器件过热。为了减小开关损耗和开通电流尖峰，可以采用零电压软开关技术。 3.2 零电压软开关电路仿真结果与分析 零电压软开关是利用电容与电感谐振，使开关器件中电压按正弦或准正弦规律变化，为开关器件提供零电压开关的条件 。电路原理图如图 6 所示， 为谐振电感， 为谐振电容。 5rL rC图 5 硬开关电路仿真波形 图 6 零电压电路原理图 其工作过程如下：开始，开关管导通，输入电流经开关管续流，谐振电容电压为零，谐振电感电流为零。关断开关管时，输入电流从开关管中转移到谐振电容中，给电容充电，电压从零开始线性增加，电容限制了电压的上升率，使开关管实现了零电压关断。当电
18、容电压上升到输出电压时，二极管导通， 与 开始谐振工作，谐振电感电流从零开始增加，经过 后，电流等于 ，此时谐振电容电压达到最大值。此后，电感电流大于 ， 开始放电，其电压开始降低，当减小到零时，开关管的反并联二极管导通，将开关管的电压箝位在零，此时开通开关管，则为零电压开通。之后，开关管开通，输入电流流经开关管，此时加在谐振电感两端的电压为 ，电流线性减小，当减小到零时，由于二极管的阻断作用，电流不能反方向流动。然后， 与 停止工作，输入电流经开关管续流，负载由输出滤波电容提供能量。 rLrC/4rTiIiIrCoVrLrC使用软件 PSPICE 来仿真零电压软开关电路，电路主要元件参数为：
19、电感 为 ，电容 , 为 100 ，电阻为 200 ，谐振电感 为 60 ，谐振电容 为 ，仿真波形如图 7 所示。 1L 80 H1C3C F2R rL HrC 6500pF2540 电 子 与 信 息 学 报 第 29 卷 图 7 零电压电路仿真波形 从图 7 的仿真波形可以看出，开关管两端电压在开通与关断时幅值很小，接近于零，减小了交流开关损耗，而且，开关管的开通电流尖峰也有所减少。故采用软开关技术，在提高效率的同时，还减缓了开关过程的电压、电流的变化速率，减小了电磁干扰。但是，也应该看到，在谐振过程中，谐振电压峰值会达到 100 ，因此在选择器件时，应该选择耐压高的开关管。 V值得注意
20、的是，为了要在不同负载和不同输入电压下得到要求的稳定输出电压，必须采用脉冲频率调制方法。对于特定的负载和输入电压，为了达到预期的效果，必须选取合理的谐振频率，仿真过程中可以通过对谐振电感或者电容进行参数扫描来实现。 4 结束语 针对星载 EPC 电路的高效率问题，对预稳级电路进行了详细分析，并通过 PSPICE 仿真验证了零电压软开关理论分析的正确性。零电压软开关的实现不仅会降低电路开关损耗，提高电路的效率，而且会降低开通电流尖峰，减少电磁干扰。因此，对 EPC 设计者来说，它是一种理想的参考方案。 参 考 文 献 1 Gules R and Barbi I. A high efficienc
21、y isolated DC-DC converter with high-output voltage for TWTA telecommunication satellite application. Power Electronics Specialists Conference, Vancouver, Canada, 2001, 4: 1982- 1987. 2 Barbi I and Gules R. Isolated DC-DC converters with high- output voltage for TWTA telecommunication satellite appl
22、ications. IEEE Trans on Power Electronics, 2003, 18(4): 975-984. 3 张占松，蔡宣三. 开关电源原理与设计. 北京：电子工业出版社，2004: 27 -40. 4 Abraham I. Pressman(著). 王志强 (译). 开关电源设计( 第二版). 北京：电子工业出版社，2005: 17- 22. 5 阮新波，严仰光. 直流开关电源的软开关技术. 北京：科学出版社， 2000: 99-106. 杨富花： 女， 1981 年生，硕士生，研究方向为高效率高可靠性星载 TWTA 用 EPC 的设计. 苏小保： 男， 1963 年生，研究员，现从事微波电子学、低温等离子体及应用等方面的研究. 张万君： 男， 1965 年生，博士后，主要研究方向为物理电子学.
