mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2025-13-1-103-114UORVPMmireabulletin-1077Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSРезонансный источник электропитания для мощных сверхвысокочастотных устройствResonant power supply for high-power microwave deviceshttps://orcid.org/0009-0004-2662-0299ХафизовД. Р.HafizovDamir R.

Хафизов Дамир Ринатович, инженер; аспирант, кафедра наноэлектроники, Институт перспективных технологий и индустриального программирования,

125190, Москва, Ленинградский пр-т, д. 80, корп. 16;

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78.

E-mail: hafizov98@yandex.ru. 

Damir R. Hafizov, Engineer; Postgraduate Student, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming,

80/16, Leningradskii pr., Moscow, 125190;   

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454.

hafizov98@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0003-6741-825XЛобовИ. Н.LobovIlya N.

Лобов Илья Николаевич, начальник отдела, 

125190, Москва, Ленинградский пр-т, д. 80, корп. 16. 

Ilya N. Lobov, Head of the Department,

80/16, Leningradskii pr., Moscow, 125190.

https://orcid.org/0000-0002-3699-4321ФетисовЛ. Ю.FetisovLeonid Y.

Фетисов Леонид Юрьевич, д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры наноэлектроники, Институт перспективных технологий и индустриального программирования, 

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78.

Scopus AuthorID: 26431336600,

ResearcherID: D-1163-2013.

Leonid Y. Fetisov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming, 

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454.

Scopus AuthorID: 26431336600,

ResearcherID: D-1163-2013.

fetisovl@yandex.ruПАО «НПО «Алмаз» имени академика А.А. Расплетина; ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»РоссияA.A. Raspletin NPO Almaz; MIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationПАО «НПО «Алмаз» имени академика А.А. РасплетинаРоссияA.A. Raspletin NPO AlmazRussian FederationФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»РоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation202505022025131103114Copyright © Хафизов Д.Р., Лобов И.Н., Фетисов Л.Ю., 20252025Хафизов Д.Р., Лобов И.Н., Фетисов Л.Ю.Hafizov D.R., Lobov I.N., Fetisov L.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1077Цели

Цели. Постоянно растущие требования к техническим параметрам радиопередающих сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств вызывают необходимость искать способы повышения их эффективности и надежности, а также уменьшения массогабаритных показателей. Эти требования в значительной мере касаются источников вторичного электропитания. Целью данной работы является разработка источников вторичного электропитания цепей накала и смещения для пролетного многолучевого клистрона, способных работать под высоким потенциалом катода клистрона и обеспечивать стабильное напряжение во всех рабочих режимах.

Методы

Методы. Для расчета параметров резонансного контура использован метод аппроксимации первой гармоники.

Результаты

Результаты. Описан метод разработки источников вторичного электропитания, разработаны источники питания накала и смещения для пролетного многолучевого клистрона. Представлен метод расчета и апробирована конструкция обмоток трансформатора, позволяющие отказаться от использования дросселей как отдельных элементов путем их интеграции внутри одной магнитной системы и обеспечить развязку по высокому потенциалу вторичной обмотки. Проведены испытания источника питания в составе комплексного испытательного моделирующего стенда, получены осциллограммы основных параметров. Показана работа источника питания в режиме переключения при нулевом напряжении для минимального, номинального и максимального входного напряжения в области с индуктивным сопротивлением контура, когда фаза напряжения опережает фазу тока.

Выводы

Выводы. Коэффициенты полезного действия источников накала и смещения составили 85% и 92% соответственно. Разработанные источники имеют меньшие габариты по сравнению с трансформаторными аналогами и позволяют поддерживать стабильное выходное напряжение при изменении входного напряжения, а использование метода плавного пуска позволит продлить срок службы клистрона.

Objectives

Objectives. The ever-increasing demands on the technical parameters of microwave radio transmission devices necessitate a search for ways of improving their efficiency and reliability, as well as means for reducing their weight and size parameters. Since such requirements largely relate to secondary power supplies, the present work set out to develop secondary power supplies for the cathode heating and bias circuits of a floating-drift multibeam klystron capable of operating at a high potential of the klystron cathode and providing stable voltage in all operating modes.

Methods

Methods. In order to calculate the parameters of the resonant circuit, the first harmonic approximation method is used.

Results

Results. Approaches for designing secondary supplies are described along with the method for developing the cathode heating and bias supplies for a floating-drift multipath klystron. The calculation method used for testing the design of the transformer windings is presented. The design avoids the use of chokes as separate elements by integrating them inside a magnetic system and providing isolation by high potential of the secondary winding. The results of testing the power supply using complex test bench waveforms are given along with the main obtained parameters. The operation of the power supply is demonstrated in switching mode at zero voltage for the minimum, nominal, and maximum input voltages in the range of the inductive resistance of the circuit when the voltage phase precedes the current phase.

Conclusions

Conclusions. The calculated efficiencies of the presented cathode heating and bias supplies are 85% and 92%, respectively. The developed supplies, which have smaller dimensions than their transformer analogues, allow a stable output voltage to be maintained when the input voltage varies, while the use of the soft start method allows the life of the klystron to be extended.

преобразователь напряжениярезонансный преобразовательэлектропитание СВЧ-устройствимпульсный трансформаторклистронvoltage converterresonant converterpower supply of microwave devicespulse transformerklystronReferencesСуходолец Л.Г. Мощные вакуумные СВЧ приборы. Учебное пособие по изучению ЭВП СВЧ. М.: ИКАР; 2014. 272 с.Sukhodolets L.G. Moshchnye vakuumnye SVCh pribory (Powerful Vacuum Microwave Devices). Textbook on the Study of Microwave Vacuum Devices. Moscow: IKAR; 2014. 272 p. (in Russ.).Заболотная С.В., Емельянов Е.В., Цыцарев А.Ю., Албутов А.Н. Система автоматизированного управления, защиты и контроля выходного усилителя передающего устройства многофункционального радиолокатора. Вестник воздушно- космической обороны. 2017;2(14):70–76. https://elibrary.ru/ysdqqrZabolotnaya S.V., Emelyanov E.V., Tsytsarev A.Yu., Albutov A.N. Automatic control, monitoring and protection system of multifunctional radar transmitter output amplifier. Vestnik vozdushno-kosmicheskoi oborony = Aerospace Defense Herald. 2017;2(14):70–76 (in Russ.). https://elibrary.ru/ysdqqrЛобов И.Н., Березин О.К. Высоковольтный импульсный модулятор для аппаратуры передающего устройства МФР. Вестник воздушно-космической обороны. 2020;3(27):22–30. https://www.elibrary.ru/atttkkLobov I.N., Berezin O.K. A High-voltage pulse modulator for the MFR transmitter. Vestnik vozdushno-kosmicheskoi oborony = Aerospace Defense Herald. 2020;3(27):22–30 (in Russ.). https://www.elibrary.ru/atttkkБаранов В.В., Лобов И.Н., Хафизов Д.Р. Высоковольтный импульсный модулятор для лампы бегущей волны радиопередающей аппаратуры МРЛС. Вестник воздушно-космической обороны. 2023;2(38):55–62. https://www.elibrary.ru/cqkgfdBaranov V.V., Lobov I.N., Khafizov D.R. High-voltage pulse modulator for a traveling wave lamp of radio transmitting equipment MRL. Vestnik vozdushno-kosmicheskoi oborony = Aerospace Defense Herald. 2023;2(38):55–62 (in Russ.). https://www.elibrary.ru/cqkgfdЗиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Часть 2. Новосибирск: НГТУ; 2000. 197 с.Zinov’ev G.S. Osnovy silovoi elektroniki (Fundamentals of Power Electronics). Part 2. Novosibirsk: NGTU; 2000. 197 p. (in Russ.).Полищук А. Высокоэффективные источники вторичного электропитания высокого напряжения для радиопередающих устройств СВЧ. Силовая электроника. 2004;2:66–70. https://elibrary.ru/mvrpnbPolishchuk A. Highly efficient sources of secondary high-voltage power supply for microwave radio transmitters. Silovaya Elektronika. 2004;2:66–70 (in Russ.). https://elibrary.ru/mvrpnbLee S.-S., Moon G.-W. Full ZVS-Range Transient Current Buildup Half-Bridge Converter with Different ZVS Operations to Load Variation. IEEE Trans. Ind. Electron. 2008;55(6):2557–2559. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.921239Lee S.-S., Moon G.-W. Full ZVS-Range Transient Current Buildup Half-Bridge Converter with Different ZVS Operations to Load Variation. IEEE Trans. Ind. Electron. 2008;55(6):2557–2559. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.921239Steigerwald R.L. A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies. IEEE Trans. Power Electron. 1988;3(2): 174–182. http://doi.org/10.1109/63.4347Steigerwald R.L. A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies. IEEE Trans. Power Electron. 1988;3(2): 174–182. http://doi.org/10.1109/63.4347Zhang B., Zhao M., Huang P., Wang Q. Optimal design of GaN HEMT based high efficiency LLC converter. Energy Rep. 2022;8(5):1181–1190. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.02.276Zhang B., Zhao M., Huang P., Wang Q. Optimal design of GaN HEMT based high efficiency LLC converter. Energy Rep. 2022;8(5):1181–1190. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.02.276Zhang S., Li L., Zhao Z., Fan S., Wang C. Optimal trajectory based start-up control of LCC resonant converter for X-ray generator applications. Energy Rep. 2022;8(5):957–965. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.02.266Zhang S., Li L., Zhao Z., Fan S., Wang C. Optimal trajectory based start-up control of LCC resonant converter for X-ray generator applications. Energy Rep. 2022;8(5):957–965. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.02.266Wei Y., Luo Q., Mantooth H.A. Synchronous Rectification for LLC Resonant Converter: An Overview. IEEE Trans. Power Electron. 2021;36(6):7264–7280. https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3040603Wei Y., Luo Q., Mantooth H.A. Synchronous Rectification for LLC Resonant Converter: An Overview. IEEE Trans. Power Electron. 2021;36(6):7264–7280. https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3040603Li N., Cao Y., Zhang Y., Li Z., Jiang L., Zhang X.P. Parameter optimization strategy of LLC converter soft start-up process based on a simplified numerical calculation model. Energy Rep. 2023;9(10):909–919. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.05.118Li N., Cao Y., Zhang Y., Li Z., Jiang L., Zhang X.P. Parameter optimization strategy of LLC converter soft start-up process based on a simplified numerical calculation model. Energy Rep. 2023;9(10):909–919 https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.05.118Kucka J., Dujic D. Equal Loss Distribution in Duty-Cycle Controlled H-Bridge LLC Resonant Converters. IEEE Trans. Power Electron. 2021;36(5):4937–4941. https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3028879Kucka J., Dujic D. Equal Loss Distribution in Duty-Cycle Controlled H-Bridge LLC Resonant Converters. IEEE Trans. Power Electron. 2021;36(5):4937–4941. https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3028879Смирнова В. Высокоэффективный, компактный резонансный ZVS мостовой конвертер на основе 1200 ВSiC-MOSFET. Силовая электроника. 2016;6(63):54–60. https://www.elibrary.ru/xrngcdSmirnova V. A highly efficient, compact resonant ZVS bridge converter based on a 1200 V SiC MOSFET. Silovaya Elektronika. 2016;6(63):54–60 (in Russ.). https://elibrary.ru/xrngcdНовиков Ю., Соломатин М. Разработка полумостового резонансного преобразователя на основе IRS2795. Электронные компоненты. 2011;3:103–111.Novikov Yu., Solomatin M. Development of a half-bridge resonant converter based on IRS2795. Elektronnye komponenty. 2011;3:103–111 (in Russ.).Duerbaum T. First harmonic approximation including design constraints. In: INTELEC – Twentieth International Telecommunications Energy Conference (Cat. No. 98CH36263). 1998. P. 321–328. https://doi.org/10.1109/INTLEC.1998.793519Duerbaum T. First harmonic approximation including design constraints. In: INTELEC – Twentieth International Telecommunications Energy Conference (Cat. No.98CH36263). 1998. P. 321–328. https://doi.org/10.1109/INTLEC.1998.793519Скуто А., Гайто А. Выбор полумостового резонансного LLC-преобразователя и MOSFET первичной стороны. Силовая электроника. 2016;2(59):30–32. https://elibrary.ru/waoxqtSkuto A., Gaito A. The choice of a half-bridge resonant LLC converter and a MOSFET of the primary side. Silovaya Elektronika. 2016;2(59):30–32 (in Russ.). https://elibrary.ru/waoxqtСеменов Б.Ю. Силовая электроника от простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс; 2005. 416 с.Semenov B.Yu. Silovaya elektronika ot prostogo k slozhnomu (Power Electronics from Simple to Complex). Moscow: SOLON-Press; 2005. 416 p. (in Russ.).Chen Q., Long X., Chen Y., Xu S., Chen W. The Structure and Its Leakage Inductance Model of Integrated LLC Transformer With Wide Range Value Variation. CPSS Trans. Power Electron. Appl. 2022;7(4):409–420. https://doi.org/10.24295/CPSSTPEA.2022.00037Chen Q., Long X., Chen Y., Xu S., Chen W. The Structure and Its Leakage Inductance Model of Integrated LLC Transformer With Wide Range Value Variation. CPSS Trans. Power Electron. Appl. 2022;7(4):409–420. https://doi.org/10.24295/CPSSTPEA.2022.00037Хныков А.В. Теория и расчет трансформаторов источников вторичного электропитания. М.: СОЛОН-Пресс; 2004. 128 с.Khnykov A.V. Teoriya i raschet transformatorov istochnikov vtorichnogo elektropitaniya (Theory and Calculation of Transformers of Secondary Power Supply Sources). Moscow: SOLON-Press; 2004. 128 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.