專利名稱：用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域，采用具有低壓貯能電容的隔離閉環(huán)反饋高壓開關(guān) 電源實現(xiàn)了行波管放大器電源調(diào)制器。
背景技術(shù)：
行波管放大器廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中。由于開關(guān)電源體積小、重量輕、輸 出電壓紋波小，所以采用開關(guān)電源作為行波管電源調(diào)制器已經(jīng)成為發(fā)展方向。為了提高行 波管放大器(Traveling wave tubeAmplif ier, TffTA)微波輸出信號的相位穩(wěn)定性，要求行 波管供電高壓電源輸出電壓穩(wěn)定性很高，現(xiàn)代相干雷達(dá)系統(tǒng)中，對高壓電源輸出電壓穩(wěn)定 性要求達(dá)到10_4量級。在脈沖TWTA中，這一穩(wěn)定度通常是依靠高壓輸出端線性穩(wěn)壓電路和 高壓儲能電容實現(xiàn)的。線性穩(wěn)壓器形式很多，其主要缺點在于懸浮高壓輸出端在高電位上 帶來的問題，而且對于一次電源波動帶來的輸出電壓變化作用小，一般需要在電源輸入端 增加預(yù)穩(wěn)電路。高壓儲能電容的容量零點幾到幾個微法，其耐壓要求幾千伏到幾十千伏，其 體積、重量、可靠性、價格等問題都是設(shè)計師較難解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提出一種用于行波管電源調(diào)制器的體積 小、重量輕、價格低、高可靠性高壓開關(guān)電源。為了達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供了一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源， 該電源含有一輸入電路，用于對一次輸入電壓Uin整流、濾波形成所需直流電壓；一逆變電路，其交流和直流變換輸入端與輸入電路輸出端連接，其控制輸入端與 隔離反饋電路輸出端連接，由逆變電路接收輸入電路輸出的直流電壓和隔離反饋電路輸出 的含有高壓穩(wěn)定度信息的信號，轉(zhuǎn)換并輸出參數(shù)可調(diào)的交流電壓；—升壓變壓器，其原邊繞組與逆變電路的輸出端連接，升壓變壓器將逆變電路輸 出端的交流電壓轉(zhuǎn)換并通過副邊繞組輸出多組高壓交流電壓；一整流濾波電路，其多個輸入端分別與升壓變壓器的多個副邊繞組輸出端連接， 將升壓變壓器各個副邊繞組輸出的多組高壓交流電壓通過整流濾波電路形成并輸出每組 直流高壓電壓；一分壓采樣電路，其電阻分壓器與整流濾波電路的多組直流高壓輸出中的一個高 壓穩(wěn)壓輸出端連接，對高壓穩(wěn)壓輸出端輸出的高壓穩(wěn)壓信號進(jìn)行電壓采樣，采樣電壓與分 壓采樣電路的基準(zhǔn)電壓單元的基準(zhǔn)電壓比較形成含有高壓穩(wěn)定度信息的信號；隔離反饋電路兩端分別與分壓采樣電路的基準(zhǔn)電壓單元的輸出端和逆變電路的 控制電路輸入端相連，隔離反饋電路將分壓采樣電路輸出的含有高壓穩(wěn)定度信息的信號進(jìn) 行高壓隔離并輸入給逆變電路的控制電路。所述的用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源，還包括，在輸入電路和逆變電路間連接低壓儲能電容，而在整流濾波電路高壓穩(wěn)壓輸出端不連接或連接小容值的儲能電容。其中，所述的升壓變壓器采用分組繞制。其中，所述的整流濾波電路含有多組整流濾波單元，多組整流濾波單元的輸出端 串聯(lián)連接，每組輸出端的直流高壓電壓疊加形成并輸出疊加直流高壓電壓。其中，所述隔離反饋電路利用光耦或變壓器實現(xiàn)低壓端和高壓端的隔離。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源實現(xiàn)了多 級降壓收集級行波管電源調(diào)制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實現(xiàn)的用于行波管電源調(diào)制器 的高壓開關(guān)電源穩(wěn)壓性能好、降低了體積、重量、成本，提高了對高壓打火的保護(hù)性能和可 靠性。上述效果在實踐應(yīng)用中得以驗證。1. 一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓電源實現(xiàn)了含有1個或若干個幾千伏到幾 十千伏高壓電壓輸出、總功耗幾十到幾千瓦的行波管電源調(diào)制器，電源體積小，重量輕，成 本低，高壓電壓輸出穩(wěn)定性能好，可靠性高。2.利用低壓儲能電容替代或部分替代高壓儲能電容。當(dāng)脈沖負(fù)載行波管工作期 間，低壓儲能電容儲存的能量通過逆變電路、升壓變壓器和整流濾波電路輸出給高壓輸出 回路，保證電源輸出高壓穩(wěn)定度的同時，降低了電源的體積、重量和成本，提高了可靠性。使 用低壓儲能電容降低高壓儲能電容的容量可以保證輸出回路打火時低壓儲能電容儲存的 能量不會向輸出端釋放，從而降低了打火時高壓輸出端釋放的能量，降低了對行波管損壞 的可能性，提高了高壓開關(guān)電源的可靠性。3.采用閉環(huán)反饋高壓開關(guān)電源實現(xiàn)單級功率變換，從電源高壓穩(wěn)壓輸出端直接電 壓采樣，與電壓基準(zhǔn)比較后輸入逆變電路實現(xiàn)電源輸出電壓的穩(wěn)壓控制，這樣不但對由于 電源輸出端負(fù)載變化引起的輸出電壓不穩(wěn)定性起到了穩(wěn)壓作用，而且對輸入電壓不穩(wěn)定性 引起的輸出電壓不穩(wěn)定性也起到高穩(wěn)壓的作用。在輸入電壓額定值士 10%范圍內(nèi)，輸入負(fù) 載從滿載到30%滿載輸出的范圍內(nèi)實現(xiàn)輸出高壓電壓的穩(wěn)定性10_4量級。4.升壓變壓器副邊采用分組繞制，每個繞組輸出對應(yīng)一組整流濾波單元，每組整 流濾波單元輸出端的直流高壓電壓幾百到幾千伏，多組整流濾波單元的輸出端串聯(lián)連接， 每組輸出端的直流高壓電壓疊加形成并輸出幾千到幾十千伏疊加直流高壓電壓，在簡化變 壓器和整流濾波電路設(shè)計和元器件選擇難度的同時，方便形成多組疊加直流高壓輸出。5.在高壓分壓采樣電路和低壓逆變電路中使用了隔離反饋電路，隔離反饋電路利 用變壓器或光耦器件實現(xiàn)。這一方法有效地實現(xiàn)了高壓和低壓電路的隔離。在高壓端打火 時保護(hù)低壓電路，提高了電源的可靠性。 6.本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于其它領(lǐng)域高壓電源研制。


圖1本發(fā)明實施例的電原理框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的各個細(xì)節(jié)問題。應(yīng)指出的是， 所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
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一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源的電原理框圖見圖1。輸入電路1主要是根據(jù)需要將一次輸入電壓Uin整流、濾波形成所需的直流電壓。 如果一次電源Uin是直流電源，輸入電路1主要是電磁兼容濾波(EMI)電路。逆變電路2是開關(guān)電源的核心。逆變電路2的交流和直流變換輸入端與輸入電路 1輸出端連接，其控制輸入端與隔離反饋電路6輸出端連接，由逆變電路2接收輸入電路1 輸出的直流電壓和隔離反饋電路6輸出的含有高壓穩(wěn)定度信息的信號，轉(zhuǎn)換并輸出參數(shù)可 調(diào)的交流電壓。逆變電路2包括5個組成部分DC/AC變換單元2. 1，用于將經(jīng)諧振電路2. 4整形的輸入電路1輸入的直流電壓轉(zhuǎn) 換為脈寬、重復(fù)頻率和初始相位等參數(shù)可調(diào)的交流電壓，以實現(xiàn)功率變換。DC/AC變換單元 2. 1可由不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)管組實現(xiàn)。對于功率大的電路可以采用全橋、半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 對于中小功率電路可以采用推挽等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)功率、開關(guān)頻率，開關(guān)管可以選擇MOSFET 開關(guān)管、IGBT開關(guān)管等。驅(qū)動電路2. 2和控制電路2. 3與DC/AC變換單元2. 1連接，用于實現(xiàn)對DC/AC變 換單元2. 1中開關(guān)管組的驅(qū)動和控制，DC/AC變換單元2. 1的控制形式很多，比如脈沖寬度 調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、移相控制等。驅(qū)動電路功能是將控制電路的輸出信號放大整形實現(xiàn)開 關(guān)管的驅(qū)動。諧振電路2. 4兩端分別與輸入電路1和逆變電路2的DC/AC變換單元2. 1連接， 諧振電路2.4可以采用串聯(lián)、并聯(lián)、混合型等方式的諧振電路，使DC/AC變換單元2. 1中的 開關(guān)管工作在零電壓、零電流等形式的工作模式，以提高電源效率。低壓供電電路2. 5，形成驅(qū)動電路2. 2和控制電路2. 3所需的供電電源。升壓變壓器3的原邊繞組與逆變電路2的輸出端連接，升壓變壓器3將逆變電路 2輸出端的交流電壓轉(zhuǎn)換并通過副邊繞組輸出多組高壓交流電壓。為了便于升壓變壓器3 的設(shè)計以及整流濾波電路4元器件的選擇，升壓變壓器3的副邊采用分組繞制，根據(jù)升壓變 壓器3磁芯的尺寸和整流濾波電路4元器件的工作電流和電壓，升壓變壓器3的副邊可以 分為若干組，升壓變壓器3可以為一個也可以是若干個。整流濾波電路4中的多個輸入端分別與升壓變壓器3的多個副邊繞組輸出端連 接，將升壓變壓器各個副邊繞組輸出的多組高壓交流電壓通過整流濾波電路4形成并輸出 每組直流高壓電壓，多組整流濾波單元的輸出端串聯(lián)連接，每組輸出端的直流高壓電壓疊 加形成并輸出疊加直流高壓電壓。整流濾波電路4整流形式可以采用全橋、半橋、倍壓等形 式，濾波可以通過電容、電感、混合濾波等形式完成。分壓采樣電路5包括由電阻Rl和R2組成的電阻分壓器和基準(zhǔn)電壓比較單元，電 阻分壓器Rl和R2與整流濾波電路4的高壓穩(wěn)壓輸出端連接，對高壓穩(wěn)壓輸出端Uh進(jìn)行電 壓采樣，該采樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較單元的基準(zhǔn)電壓比較，基準(zhǔn)電壓單元輸出含有高壓穩(wěn) 壓輸出端Uh穩(wěn)定度信息的信號。隔離反饋電路6兩端分別與分壓采樣電路5的基準(zhǔn)電壓單元輸出端和逆變電路2 的控制電路2. 3輸入端相連，隔離反饋電路6可以由變壓器或光耦等器件實現(xiàn)，當(dāng)電源高壓 電路端出現(xiàn)打火時隔離反饋電路隔離了高壓打火能量向和電源低壓端逆變電路2的傳輸， 從而保護(hù)了逆變電路2，提高了電源的可靠性。分壓采樣電路5輸出的含有高壓穩(wěn)定度的信號通過隔離反饋電路6反饋輸入給逆變電路2中的控制電路2. 3，實現(xiàn)穩(wěn)定高壓穩(wěn)壓輸出端Uh電壓的閉環(huán)穩(wěn)壓控制，無論是由于 輸入電壓變化，還是輸出負(fù)載變化造成的高壓穩(wěn)壓輸出端Uh電壓的變化均可以通過調(diào)節(jié) 控制電路2. 3的輸出得到補償，從而實現(xiàn)穩(wěn)定高壓穩(wěn)壓輸出端Uh電壓的目的。對于脈沖行波管等脈沖負(fù)載，為了保持脈沖間電源輸出電壓Uh，通常在高壓整流 濾波后與行波管的接口端連接高壓儲能電容C2，其容值零點幾到幾個微法。由于應(yīng)用在幾 千伏到幾十千伏的高壓輸出端，其體積、重量很大，價格較高。而且如果高壓儲能電容C2的 容量過高會造成高壓輸出端打火放電的能量過大，從而對脈沖負(fù)載造成損壞。因此高壓儲 能電容C2的選擇是脈沖行波管高壓電源設(shè)計的關(guān)鍵。本發(fā)明提出電源電路的關(guān)鍵點之一在 于利用本發(fā)明電源輸入端的低壓儲能電容C1替代或部分替代輸出端的高壓儲能電容C2。開 關(guān)電源的工作頻率為幾十到幾百千赫茲，行波管脈沖持續(xù)時間幾十微妙，如果在脈沖持續(xù) 時間內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通2次以上，脈沖間低壓儲能電容C1的能量能夠傳遞到電源高壓輸出端， 從而保持高壓穩(wěn)壓輸出端Uh電壓在脈沖間的頂降滿足要求。根據(jù)能量守恒原則，低壓儲能 電容C1的容量應(yīng)該是高壓儲能電容C2容量的K2倍，K表示變壓器的變比。利用低壓儲能電 容(^替代或部分替代高壓儲能電容C2雖然電容容量變大了，但是由于使用在低壓端，所以 無論從價格、體積、可靠性等指標(biāo)方面考慮都優(yōu)于高壓儲能電容C2。除此以外，低壓儲能電 容C1替代或部分替代高壓儲能電容C2的最大優(yōu)勢在于低壓儲能電容C1儲存的能量在輸出 回路打火時不會向行波管端釋放，從而保護(hù)了行波管，提高了行波管放大器的可靠性。這是 因為在輸出回路打火時整流濾波電路4的B點電壓高于A點電壓，整流電路輸入端的能量 被抑制。根據(jù)本發(fā)明所述原理，完成了一部行波管電源調(diào)制器高壓電源的設(shè)計和研制。實 施例的電源調(diào)制器高壓電源包括一個行波管慢波線電壓輸出Uh，三個行波管收集極電壓輸 出Ucl，Uc2，Uc3，行波管慢波線電壓Uh = -IOkV,電壓穩(wěn)定性Δ Uh/Uh ( 5 X 10_4，行波管慢波 線平均電流Ih = 25mA，行波管收集極電壓(相對與行波管慢波線)Ucl = 2kV,Uc2 = 5kV, Uc3 = 8kV。電源功率容量Pin = IOOOW,降額系數(shù)0. 5，最大脈沖寬度τ = 40μ s,脈沖重 復(fù)頻率PRF = 1 4kHz，一次電源電壓42 士 3V，電源的效率90%左右。采用了圖1所示的電路框圖，輸入電路1的回路采用了“ π ”型濾波；逆變電路2 中DC/AC變換單元2. 1采用MOSFET開關(guān)管全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，驅(qū)動電路2. 2和控制電路2. 3分 別利用專用驅(qū)動芯片MPIC2113和脈寬調(diào)制芯片UC1825實現(xiàn)，諧振電路2. 4采用串聯(lián)諧振 電容，低壓供電電路2. 5利用三端穩(wěn)壓器LM7805和LM7815實現(xiàn)，開關(guān)頻率100kHz，利用了 2個升壓變壓器3，每個升壓變壓器3的副邊有4組繞組，整流濾波電路4使用二極管全橋 整流和電容濾波Cf，每組整流濾波單元輸出1 1. 5kV直流高壓電壓，多組整流濾波單元的 輸出端串聯(lián)，形成-IOkV行波管慢波線高壓輸出，同時形成三個行波管收集極的輸出。從串 聯(lián)疊加形成的-IOkV行波管慢波線高壓輸出端電壓采樣，與基準(zhǔn)電壓比較后，利用變壓器 作為隔離反饋電路6反饋給控制電路2. 3實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓控制；本實例的輸入端采用了 C1 = 20 X IO3 μ F的儲能電容，高壓端只采用了 C2 = 0.1uF的濾波電容。與完全采用高壓儲能電 容的方案相比，采用低壓電容的電源體積425mmX120mmX 120mm，降低了 1/4 ；重量3. 5kg， 降低了 10%，成本降低了 50%。行波管慢波線-IOkV電壓穩(wěn)定性優(yōu)于5 X 10_4，具備很好的 打火保護(hù)功能。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源，其特征在于，含有一輸入電路，用于對一次輸入電壓Uin整流、濾波形成所需直流電壓；一逆變電路，其交流和直流變換輸入端與輸入電路輸出端連接，其控制輸入端與隔離反饋電路輸出端連接，由逆變電路接收輸入電路輸出的直流電壓和隔離反饋電路輸出的含有高壓穩(wěn)定度信息的信號，轉(zhuǎn)換并輸出參數(shù)可調(diào)的交流電壓；一升壓變壓器，其原邊繞組與逆變電路的輸出端連接，升壓變壓器將逆變電路輸出端的交流電壓轉(zhuǎn)換并通過副邊繞組輸出多組高壓交流電壓；一整流濾波電路，其多個輸入端分別與升壓變壓器的多個副邊繞組輸出端連接，將升壓變壓器各個副邊繞組輸出的多組高壓交流電壓通過整流濾波電路形成并輸出每組直流高壓電壓；一分壓采樣電路，其電阻分壓器與整流濾波電路的多組直流高壓輸出中的一個高壓穩(wěn)壓輸出端連接，對高壓穩(wěn)壓輸出端輸出的高壓穩(wěn)壓信號進(jìn)行電壓采樣，采樣電壓與分壓采樣電路的基準(zhǔn)電壓單元的基準(zhǔn)電壓比較形成含有高壓穩(wěn)定度信息的信號；隔離反饋電路兩端分別與分壓采樣電路的基準(zhǔn)電壓單元的輸出端和逆變電路的控制電路輸入端相連，隔離反饋電路將分壓采樣電路輸出的含有高壓穩(wěn)定度信息的信號進(jìn)行高壓隔離并輸入給逆變電路的控制電路。
2.如權(quán)利要求1所述的用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源，其特征在于，還包括， 在輸入電路和逆變電路間連接低壓儲能電容，而在整流濾波電路高壓穩(wěn)壓輸出端不連接或 連接小容值的儲能電容。
3.如權(quán)利要求1所述的用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源，其特征在于，所述的 升壓變壓器采用分組繞制。
4.如權(quán)利要求1所述的用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源，其特征在于，所述的 整流濾波電路含有多組整流濾波單元，多組整流濾波單元的輸出端串聯(lián)連接，每組輸出端 的直流高壓電壓疊加形成并輸出疊加直流高壓電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源，其特征在于，所述隔 離反饋電路利用光耦或變壓器實現(xiàn)低壓端和高壓端的隔離。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子信息領(lǐng)域，提供一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開關(guān)電源，包括輸入電路、低壓儲能電容、逆變電路、升壓變壓器、整流濾波電路、分壓采樣電路和隔離反饋電路，本發(fā)明實現(xiàn)了行波管放大器的電源調(diào)制器，其特點是采用隔離閉環(huán)反饋開關(guān)電源和低壓儲能電容，這些措施不但保證了行波管放大器電源調(diào)制器的輸出電壓穩(wěn)定性高、體積小重量輕，而且提高了可靠性，降低了成本。
文檔編號G05F1/46GK101931328SQ200910088390
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者徐成前, 董戈, 陳仲林, 陳宇 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所