專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開(kāi)關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電子信息技術(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(kāi)關(guān)電源實(shí)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(kāi)關(guān)電源體積 小、重量輕、輸出電壓紋波小，所以采用開(kāi)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 tube Amplifier, TWTA)微波輸出信號(hào)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(duì)高壓電源輸出電壓 穩(wěn)定性要求達(dá)到10—4量級(jí)。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(chǔ)能電容實(shí)現(xiàn)的。線性穩(wěn)壓器形式很多， 其主要缺點(diǎn)在于懸浮高壓輸出端在高電位上帶來(lái)的問(wèn)題，而且對(duì)于一次 電源波動(dòng)帶來(lái)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(chǔ)能電容的容量零點(diǎn)幾到幾個(gè)微法，其耐壓要求幾千伏到幾 十千伏，其體積、重量、可靠性、價(jià)格等問(wèn)題都是設(shè)計(jì)師較難解決的問(wèn) 題。

實(shí)用新型內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型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(jià)格低、高可靠性高壓開(kāi)關(guān)電源。
為了達(dá)成所述目的，本實(shí)用新型提供了一種用于行波管電源調(diào)制器 的高壓開(kāi)關(guān)電源，該電源含有
一輸入電路，用于對(duì)一次輸入電壓Uin整流、濾波形成所需直流電
壓；
4一逆變電路，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，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(hào)，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(guò)副邊繞組輸出多組高壓交流 電壓；
一整流濾波電路，其多個(gè)輸入端分別與升壓變壓器的多個(gè)副邊繞組 輸出端連接，將升壓變壓器各個(gè)副邊繞組輸出的多組高壓交流電壓通過(guò) 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(gè)高壓穩(wěn)壓輸出端連接，對(duì)高壓穩(wěn)壓輸出端輸出的高壓穩(wěn)壓信 號(hào)進(jìn)行電壓采樣，采樣電壓與分壓釆樣電路的基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧幕鶞?zhǔn)電壓 比較形成含有高壓穩(wěn)定度信息的信號(hào)；'
隔離反饋電路兩端分別與分壓采樣電路的基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧妮敵龆?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(hào)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(kāi)關(guān)電源，還包括，在輸入電 路和逆變電路間連接低壓儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)低壓端和高壓端的 隔離。
本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型一種用于行波管電源調(diào)制器的 高壓開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了多級(jí)降壓收集級(jí)行波管電源調(diào)制器。與現(xiàn)有技術(shù)相 比，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的用于行波管電源調(diào)制器的高壓開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓性能好、降低了體積、重量、成本，提高了對(duì)高壓打火的保護(hù)性能和可靠性。 上述效果在實(shí)踐應(yīng)用中得以驗(yàn)證。
1. 一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓電源實(shí)現(xiàn)了含有1個(gè)或若干個(gè) 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(chǔ)能電容替代或部分替代高壓儲(chǔ)能電容。當(dāng)脈沖負(fù)載行
波管工作期間，低壓儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存的能量通過(guò)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(shí)， 降低了電源的體積、重量和成本，提高了可靠性。使用低壓儲(chǔ)能電容降 低高壓儲(chǔ)能電容的容量可以保證輸出回路打火時(shí)低壓儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存的 能量不會(huì)向輸出端釋放，從而降低了打火時(shí)高壓輸出端釋放的能量，降 低了對(duì)行波管損壞的可能性，提高了高壓開(kāi)關(guān)電源的可靠性。
3. 采用閉環(huán)反饋高壓開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單級(jí)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(shí)現(xiàn)電源輸出電 壓的穩(wěn)壓控制，這樣不但對(duì)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(duì)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±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(shí)現(xiàn)輸出高壓電壓的穩(wěn)定性IO"量級(jí)。
4. 升壓變壓器副邊采用分組繞制，每個(gè)繞組輸出對(duì)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(jiǎn)化變壓器和整流濾波電路 設(shè)計(jì)和元器件選擇難度的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)。這一方法有效地實(shí)現(xiàn)了高壓和 低壓電路的隔離。在高壓端打火時(shí)保護(hù)低壓電路，提高了電源的可靠性。
6. 本實(shí)用新型的原理可以應(yīng)用于其它領(lǐng)域高壓電源研制。


6圖1本實(shí)用新型實(shí)施例的電原理框圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型技術(shù)方案中所涉及的各個(gè)細(xì)節(jié) 問(wèn)題。應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本實(shí)用新型的理解， 而對(duì)其不起任何限定作用。
一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開(kāi)關(guān)電源的電原理框圖見(jiàn)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l主要是電磁 兼容濾波(EMI)電路。
逆變電路2是開(kāi)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(hào)，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(gè)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(shí)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(kāi)關(guān)管 組實(shí)現(xiàn)。對(duì)于功率大的電路可以采用全橋、半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)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(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)管可以選 擇MOSFET開(kāi)關(guān)管、IGBT開(kāi)關(guān)管等。
驅(qū)動(dòng)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(shí) 現(xiàn)對(duì)DC/AC變換單元2.1中開(kāi)關(guān)管組的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路功能是將控制電路的輸出信號(hào)放大整形實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。
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(kāi)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(dòng)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(guò)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(jì)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(gè)也可以是若干個(gè)。
整流濾波電路4中的多個(gè)輸入端分別與升壓變壓器3的多個(gè)副邊繞 組輸出端連接，將升壓變壓器各個(gè)副邊繞組輸出的多組高壓交流電壓通 過(guò)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(guò)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R1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(duì)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?jiǎn)卧敵龊懈邏悍€(wěn)壓輸出端Uh穩(wěn)定 度信息的信號(hào)。
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?jiǎn)卧敵龆?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(shí)現(xiàn)，當(dāng)電源高壓電路端出現(xiàn)打火時(shí)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(hào)通過(guò)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(shí)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(wú)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(guò)調(diào)節(jié)控制電路2.3的輸 出得到補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高壓穩(wěn)壓輸出端Uh電壓的目的。
對(duì)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Ub， 通常在高壓整流濾波后與行波管的接口端連接高壓儲(chǔ)能電容C2，其容值
8零點(diǎn)幾到幾個(gè)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(jià)格較高。而且如果高壓儲(chǔ)能電容C2的容量過(guò)高會(huì)造 成高壓輸出端打火放電的能量過(guò)大，從而對(duì)脈沖負(fù)載造成損壞。因此高 壓儲(chǔ)能電容C2的選擇是脈沖行波管高壓電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本實(shí)用新型 提出電源電路的關(guān)鍵點(diǎn)之一在于利用本實(shí)用新型電源輸入端的低壓儲(chǔ)
能電容C/替代或部分替代輸出端的高壓儲(chǔ)能電容c2。開(kāi)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(shí)間幾十微妙，如果在脈沖
持續(xù)時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通2次以上，脈沖間低壓儲(chǔ)能電容CV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(chǔ)能電容CV的容量應(yīng)該是高 壓儲(chǔ)能電容G容量的i^倍，K表示變壓器的變比。利用低壓儲(chǔ)能電容 G替代或部分替代高壓儲(chǔ)能電容G雖然電容容量變大了，但是由于使 用在低壓端，所以無(wú)論從價(jià)格、體積、可靠性等指標(biāo)方面考慮都優(yōu)于高 壓儲(chǔ)能電容C2。除此以外，低壓儲(chǔ)能電容G替代或部分替代高壓儲(chǔ)能 電容C2的最大優(yōu)勢(shì)在于低壓儲(chǔ)能電容G儲(chǔ)存的能量在輸出回路打火時(shí) 不會(huì)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?yàn)樵谳敵龌芈反蚧饡r(shí)整流濾波電路4的B點(diǎn)電壓高于A點(diǎn) 電壓，整流電路輸入端的能量被抑制。
根據(jù)本實(shí)用新型所述原理，完成了一部行波管電源調(diào)制器高壓電源 的設(shè)計(jì)和研制。實(shí)施例的電源調(diào)制器高壓電源包括一個(gè)行波管慢波線電 壓輸出Uh，三個(gè)行波管收集極電壓輸出Ucl， Uc2， Uc3，行波管慢波 線電壓仏-一10kV，電壓穩(wěn)定性AL4/C/;^5xl04，行波管慢波線平均 電流/『25mA，行波管收集極電壓(相對(duì)與行波管慢波線)Uc^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T二4(His，脈沖重復(fù)頻率PRF二l 4kHz， 一次電源電壓42±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"7C"型濾波； 逆變電路2中DC/AC變換單元2.1采用MOSFET開(kāi)關(guān)管全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 驅(qū)動(dòng)電路2.2和控制電路2.3分別利用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片MPIC2113和脈寬 調(diào)制芯片UC1825實(shí)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(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)頻率100kHz，利 用了 2個(gè)升壓變壓器3，每個(gè)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-10kV 行波管慢波線高壓輸出，同時(shí)形成三個(gè)行波管收集極的輸出。從串聯(lián)疊 加形成的-10kV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(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓控制； 本實(shí)例的輸入端采用了 C產(chǎn)20X10^F的儲(chǔ)能電容，高壓端只采用了 C2 二O.l[iF的濾波電容。與完全采用高壓儲(chǔ)能電容的方案相比，采用低壓 電容的電源體積425mmX120mmX120mm，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-10kV電壓穩(wěn)定性?xún)?yōu)于 5X10'4，具備很好的打火保護(hù)功能。
以上所述，僅為本實(shí)用新型中的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保 護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實(shí)用新型所揭露的技術(shù) 范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的包含范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，含有一輸入電路，用于對(duì)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(hào)，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(guò)副邊繞組輸出多組高壓交流電壓；一整流濾波電路，其多個(gè)輸入端分別與升壓變壓器的多個(gè)副邊繞組輸出端連接，升壓變壓器各個(gè)副邊繞組輸出的多組高壓交流電壓通過(guò)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(gè)高壓穩(wěn)壓輸出端連接，對(duì)高壓穩(wěn)壓輸出端輸出的高壓穩(wěn)壓信號(hào)進(jìn)行電壓采樣，采樣電壓與分壓采樣電路的基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧幕鶞?zhǔn)電壓比較形成含有高壓穩(wěn)定度信息的信號(hào)；隔離反饋電路兩端分別與分壓采樣電路的基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧妮敵龆撕湍孀冸娐返目刂齐娐份斎攵讼噙B，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(hào)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)制器的高壓幵關(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(chǔ)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(chǔ)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shí)現(xiàn)低壓端和高壓端 的隔離。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型屬于電子信息領(lǐng)域，提供一種用于行波管電源調(diào)制器的高壓開(kāi)關(guān)電源，包括輸入電路、低壓儲(chǔ)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，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了行波管放大器的電源調(diào)制器，其特點(diǎn)是采用隔離閉環(huán)反饋開(kāi)關(guān)電源和低壓儲(chǔ)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(hào)H02M3/337GK201435678SQ200920109729
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)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, 戈 董, 宇 陳, 陳仲林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所