一種用於行波管電源調製器的高壓開關電源的製作方法

2023-06-30 20:20:01 1

專利名稱：一種用於行波管電源調製器的高壓開關電源的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電子信息技術領域，採用具有低壓貯能電容的隔離 閉環反饋高壓開關電源實現了行波管放大器電源調製器。
背景技術：
行波管放大器廣泛應用在現代脈衝雷達系統中。由於開關電源體積 小、重量輕、輸出電壓紋波小，所以採用開關電源作為行波管電源調製
器已經成為發展方向。為了提高行波管放大器(Traveling wave tube Amplifier, TWTA)微波輸出信號的相位穩定性，要求行波管供電高壓 電源輸出電壓穩定性很高，現代相干雷達系統中，對高壓電源輸出電壓 穩定性要求達到10—4量級。在脈衝TWTA中，這一穩定度通常是依靠高 壓輸出端線性穩壓電路和高壓儲能電容實現的。線性穩壓器形式很多， 其主要缺點在於懸浮高壓輸出端在高電位上帶來的問題，而且對於一次 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穩 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、價格等問題都是設計師較難解決的問 題。

實用新型內容
為了解決現有技術問題，本實用新型的目的是提出一種用於行波管 電源調製器的體積小、重量輕、價格低、高可靠性高壓開關電源。
為了達成所述目的，本實用新型提供了一種用於行波管電源調製器 的高壓開關電源，該電源含有
一輸入電路，用於對一次輸入電壓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定度信息的信號，轉換並輸 出參數可調的交流電壓；
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換並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 整流濾波電路形成並輸出每組直流高壓電壓；
一分壓採樣電路，其電阻分壓器與整流濾波電路的多組直流高壓輸 出中的一個高壓穩壓輸出端連接，對高壓穩壓輸出端輸出的高壓穩壓信 號進行電壓採樣，採樣電壓與分壓釆樣電路的基準電壓單元的基準電壓 比較形成含有高壓穩定度信息的信號；'
隔離反饋電路兩端分別與分壓採樣電路的基準電壓單元的輸出端 和逆變電路的控制電路輸入端相連，隔離反饋電路將分壓採樣電路輸出 的含有高壓穩定度信息的信號進行高壓隔離並輸入給逆變電路的控制 電路。
所述的用於行波管電源調製器的高壓開關電源，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，所述的升壓變壓器採用分組繞制。
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 單元的輸出端串聯連接，每組輸出端的直流高壓電壓疊加形成並輸出疊 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低壓端和高壓端的 隔離。
本實用新型的有益效果本實用新型一種用於行波管電源調製器的 高壓開關電源實現了多級降壓收集級行波管電源調製器。與現有技術相 比，本實用新型實現的用於行波管電源調製器的高壓開關電源穩壓性能好、降低了體積、重量、成本，提高了對高壓打火的保護性能和可靠性。 上述效果在實踐應用中得以驗證。
1. 一種用於行波管電源調製器的高壓電源實現了含有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 制器，電源體積小，重量輕，成本低，高壓電壓輸出穩定性能好，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。當脈衝負載行
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迴路，保證電源輸出高壓穩定度的同時， 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迴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，提高了高壓開關電源的可靠性。
3. 採用閉環反饋高壓開關電源實現單級功率變換，從電源高壓穩壓 輸出端直接電壓採樣，與電壓基準比較後輸入逆變電路實現電源輸出電 壓的穩壓控制，這樣不但對由於電源輸出端負載變化引起的輸出電壓不 穩定性起到了穩壓作用，而且對輸入電壓不穩定性引起的輸出電壓不穩 定性也起到高穩壓的作用。在輸入電壓額定值±10%範圍內，輸入負載 從滿載到30%滿載輸出的範圍內實現輸出高壓電壓的穩定性IO"量級。
4. 升壓變壓器副邊採用分組繞制，每個繞組輸出對應一組整流濾波 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連接，每組輸出端的直流高壓電壓疊加形成並 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. 在高壓分壓採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。這一方法有效地實現了高壓和 低壓電路的隔離。在高壓端打火時保護低壓電路，提高了電源的可靠性。
6. 本實用新型的原理可以應用於其它領域高壓電源研製。


6圖1本實用新型實施例的電原理框圖。
具體實施方式

以下結合附圖詳細說明本實用新型技術方案中所涉及的各個細節 問題。應指出的是，所描述的實施例僅旨在便於對本實用新型的理解， 而對其不起任何限定作用。
一種用於行波管電源調製器的高壓開關電源的電原理框圖見圖1。
輸入電路1主要是根據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是開關電源的核心。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 出的含有高壓穩定度信息的信號，轉換並輸出參數可調的交流電壓。逆 變電路2包括5個組成部分
DC/AC變換單元2.1，用於將經諧振電路2.4整形的輸入電路1輸 入的直流電壓轉換為脈寬、重複頻率和初始相位等參數可調的交流電 壓，以實現功率變換。DC/AC變換單元2.1可由不同拓撲結構的開關管 組實現。對於功率大的電路可以採用全橋、半橋拓撲結構，對於中小功 率電路可以採用推挽等拓撲結構。根據功率、開關頻率，開關管可以選 擇MOSFET開關管、IGBT開關管等。
驅動電路2.2和控制電路2.3與DC/AC變換單元2.1連接，用於實 現對DC/AC變換單元2.1中開關管組的驅動和控制，DC/AC變換單元 2.1的控制形式很多，比如脈衝寬度調製、脈衝頻率調製、移相控制等。 驅動電路功能是將控制電路的輸出信號放大整形實現開關管的驅動。
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可以採用串聯、並聯、混合型等方式的諧振 電路，使DC/AC變換單元2.1中的開關管工作在零電壓、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換並通過副邊繞組輸出多組高壓交 流電壓。為了便於升壓變壓器3的設計以及整流濾波電路4元器件的選 擇，升壓變壓器3的副邊採用分組繞制，根據升壓變壓器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形成並輸出每組直流高壓電壓，多組整流濾波單元的 輸出端串聯連接，每組輸出端的直流高壓電壓疊加形成並輸出疊加直流 高壓電壓。整流濾波電路4整流形式可以採用全橋、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。
分壓採樣電路5包括由電阻R1和R2組成的電阻分壓器和基準電壓 比較單元，電阻分壓器Rl和R2與整流濾波電路4的高壓穩壓輸出端連 接，對高壓穩壓輸出端Uh進行電壓採樣，該採樣電壓與基準電壓比較 單元的基準電壓比較，基準電壓單元輸出含有高壓穩壓輸出端Uh穩定 度信息的信號。
隔離反饋電路6兩端分別與分壓採樣電路5的基準電壓單元輸出端 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，當電源高壓電路端出現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，從而保護了逆變電 路2，提高了電源的可靠性。
分壓採樣電路5輸出的含有高壓穩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，實現穩定高壓穩壓輸出端Uh 電壓的閉環穩壓控制，無論是由於輸入電壓變化，還是輸出負載變化造 成的高壓穩壓輸出端Uh電壓的變化均可以通過調節控制電路2.3的輸 出得到補償，從而實現穩定高壓穩壓輸出端Uh電壓的目的。
對於脈衝行波管等脈衝負載，為了保持脈衝間電源輸出電壓Ub， 通常在高壓整流濾波後與行波管的接口端連接高壓儲能電容C2，其容值
8零點幾到幾個微法。由於應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，從而對脈衝負載造成損壞。因此高 壓儲能電容C2的選擇是脈衝行波管高壓電源設計的關鍵。本實用新型 提出電源電路的關鍵點之一在於利用本實用新型電源輸入端的低壓儲
能電容C/替代或部分替代輸出端的高壓儲能電容c2。開關電源的工作
頻率為幾十到幾百千赫茲，行波管脈衝持續時間幾十微妙，如果在脈衝
持續時間內開關管導通2次以上，脈衝間低壓儲能電容CV的能量能夠 傳遞到電源高壓輸出端，從而保持高壓穩壓輸出端Uh電壓在脈衝間的 頂降滿足要求。根據能量守恆原則，低壓儲能電容CV的容量應該是高 壓儲能電容G容量的i^倍，K表示變壓器的變比。利用低壓儲能電容 G替代或部分替代高壓儲能電容G雖然電容容量變大了，但是由於使 用在低壓端，所以無論從價格、體積、可靠性等指標方面考慮都優於高 壓儲能電容C2。除此以外，低壓儲能電容G替代或部分替代高壓儲能 電容C2的最大優勢在於低壓儲能電容G儲存的能量在輸出迴路打火時 不會向行波管端釋放，從而保護了行波管，提高了行波管放大器的可靠 性。這是因為在輸出迴路打火時整流濾波電路4的B點電壓高於A點 電壓，整流電路輸入端的能量被抑制。
根據本實用新型所述原理，完成了一部行波管電源調製器高壓電源 的設計和研製。實施例的電源調製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 線電壓仏-一10kV，電壓穩定性AL4/C/;^5xl04，行波管慢波線平均 電流/『25mA，行波管收集極電壓(相對與行波管慢波線)Uc^2kV， Uc2=5kV， Uc3 = 8kV。電源功率容量Pin= IOOOW，降額係數0.5，最大 脈衝寬度T二4(His，脈衝重複頻率PRF二l 4kHz， 一次電源電壓42±3V， 電源的效率90%左右。
採用了圖1所示的電路框圖，輸入電路1的迴路採用了"7C"型濾波； 逆變電路2中DC/AC變換單元2.1採用MOSFET開關管全橋拓撲結構， 驅動電路2.2和控制電路2.3分別利用專用驅動晶片MPIC2113和脈寬 調製晶片UC1825實現，諧振電路2.4採用串聯諧振電容，低壓供電電路2.5利用三端穩壓器LM7805和LM7815實現，開關頻率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使用二極體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，形成-10kV 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。從串聯疊 加形成的-10kV行波管慢波線高壓輸出端電壓採樣，與基準電壓比較後， 利用變壓器作為隔離反饋電路6反饋給控制電路2.3實現閉環穩壓控制； 本實例的輸入端採用了 C產20X10^F的儲能電容，高壓端只採用了 C2 二O.l[iF的濾波電容。與完全採用高壓儲能電容的方案相比，採用低壓 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電壓穩定性優於 5X10'4，具備很好的打火保護功能。
以上所述，僅為本實用新型中的具體實施方式
，但本實用新型的保 護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本實用新型所揭露的技術 範圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本實用新型的包含範圍 之內。
權利要求1、一種用於行波管電源調製器的高壓開關電源，其特徵在於，含有一輸入電路，用於對一次輸入電壓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定度信息的信號，轉換並輸出參數可調的交流電壓；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換並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，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並輸出每組直流高壓電壓；一分壓採樣電路，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壓輸出端連接，對高壓穩壓輸出端輸出的高壓穩壓信號進行電壓採樣，採樣電壓與分壓採樣電路的基準電壓單元的基準電壓比較形成含有高壓穩定度信息的信號；隔離反饋電路兩端分別與分壓採樣電路的基準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採樣電路輸出的含有高壓穩定度信息的信號進行高壓隔離並輸入給逆變電路的控制電路。
2、 如權利要求1所述的用於行波管電源調製器的高壓幵關電源， 其特徵在於，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壓輸出端不連接或連接小容值的儲能電容。
3、 如權利要求1所述的用於行波管電源調製器的高壓開關電源， 其特徵在於，所述的升壓變壓器採用分組繞制。
4、 如權利要求1所述的用於行波管電源調製器的高壓開關電源，其特徵在於，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連接，每組輸出端的直流高壓電壓疊加形成並輸出 疊加直流高壓電壓。
5、如權利要求1所述的用於行波管電源調製器的高壓開關電源， 其特徵在於，所述隔離反饋電路利用光耦或變壓器實現低壓端和高壓端 的隔離。
專利摘要本實用新型屬於電子信息領域，提供一種用於行波管電源調製器的高壓開關電源，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、分壓採樣電路和隔離反饋電路，本實用新型實現了行波管放大器的電源調製器，其特點是採用隔離閉環反饋開關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製器的輸出電壓穩定性高、體積小重量輕，而且提高了可靠性，降低了成本。
文檔編號H02M3/337GK201435678SQ200920109729
公開日2010年3月31日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者徐成前, 戈 董, 宇 陳, 陳仲林 申請人:中國科學院電子學研究所