平面变压器与LCLC谐振变换器在空间行波管放大器中的应用研究

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空间行波管放大器具有宽带宽、高效率、高可靠、长寿命以及体积小等优点,广泛应用在卫星通信、合成孔径雷达、精确制导以及电子对抗等军事与民用领域中。现代军事应用对空间行波管放大器提出了更高效率、更小体积以及更长寿命等要求。空间行波管放大器包含两部分:空间行波管和电子功率调节器。电子功率调节器作为空间行波管放大器的主要组成部分,对其性能有着重要的影响,研究小体积、高效率的电子功率调节器对于提升空间行波管放大器的技术指标具有深刻的意义。  该论文的主要研究内容有:以空间行波管用电子功率调节器为应用背景,对LCLC谐振拓扑进行了深入研究,得到了不同工作模式下的等效电路,并对不同模式下的电路参数进行了计算;基于对LCLC谐振拓扑的理论分析,研究了实际测试中出现的“反向谐振电流问题”以及“谐振电流不归零问题”,并给出了解决方案;第三,研究了LCLC谐振变换器的优化设计,并给出了相应的优化设计方法;第四,将平面变压器引入到电子功率调节器,提高了开关频率,达到了缩小电子功率调节器体积,提高功率密度的目的;第五,对平面变压器的绕组结构进行了深入分析,并提出了一种用于高压、高频平面变压器的部分交错绕组结构,并进行了实验测试。  该论文的主要创新点如下:  (1)对用于两级变换结构的LCLC谐振变换器进行了深入的研究。分析了LCLC谐振变换器的工作模式,并对各个工作模式的主要电路参数进行了计算,给出了主要电路参数的解析解;通过软件仿真与计算结果相对比的方法,验证了计算公式的正确性(实际误差小于10%)。  (2)提出了一种LCLC谐振变换器的优化设计方法。变换器优化设计的目标在于提高变换器的效率。本论文从优化变压器的动态寄生电容出发,提出了一种LCLC谐振变换器的优化设计方法。  (3)对高压平面变压器的绕组结构进行了深入研究,并提出了一种用于高压平面变压器的部分交错绕组结构。变压器的绕组结构对于变压器的寄生参数(漏感、动态寄生电容以及交流电阻)具有重要的影响,变压器的寄生参数将作为谐振腔中的参数,影响LCLC谐振变换器的谐振状态,进而影响变换器效率。该论文对多种绕组结构进行了对比,提出了一种用于高压平面变压器的部分交错绕组结构,并对该结构进行了仿真与测试。仿真结构与测试结构均表明,与其他结构相比,该绕组结构具有漏感小、动态寄生电容小以及交流损耗小的特点,适用于高压、高频LCLC谐振变换器。  (4)将平面变压器引入到LCLC谐振变换器中,并研制了高频率、高效率的LCLC谐振变换器。基于对LCLC谐振变换器工作原理的研究以及对于高压平面变压器绕组结构的研究,采用了部分交错绕组结构设计了高压平面变压器,并基于该高压平面变压器搭建了LCLC谐振变换器,实测结果表明,该谐振变换器开关频率为500kHz,效率为96.8%。与当前行波管上使用的LCLC谐振变换器对比,达到了相同的效率,但开关频率由小于100kHz提高到了500kHz,能够缩小磁芯的体积以及整流滤波电容的容量,对于行波管电源的小型化具有重要的意义。  (5)解决了实际电路测试中降低变换器效率的“谐振电流不归零问题”以及“反向谐振电流问题”。基于对LCLC谐振变换器的理论分析,得到了产生上述两个问题的原因,并提出了Tm2与Trp比值的经验数值(即Tm2与Trp的比值为2%)用于消除这两个问题,指导变换器设计。实际电路测试表明,采用该方法,与存在“谐振电流不归零”时相对比,变换器效率由94.8%提高到95.7%,同时有效地抑制了开关管寄生电容上电压的震荡;与存在反向谐振电流时相比,变换器效率由94.0%提高到95.7%。
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