专利名称：一种用于行波管电源调制器的高压开关电源的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电子信息技术领域，采用具有低压贮能电容的隔离 闭环反馈高压开关电源实现了行波管放大器电源调制器。
背景技术：
行波管放大器广泛应用在现代脉冲雷达系统中。由于开关电源体积 小、重量轻、输出电压纹波小，所以采用开关电源作为行波管电源调制
器已经成为发展方向。为了提高行波管放大器(Traveling wave tube Amplifier, TWTA)微波输出信号的相位稳定性，要求行波管供电高压 电源输出电压稳定性很高，现代相干雷达系统中，对高压电源输出电压 稳定性要求达到10—4量级。在脉冲TWTA中，这一稳定度通常是依靠高 压输出端线性稳压电路和高压储能电容实现的。线性稳压器形式很多， 其主要缺点在于悬浮高压输出端在高电位上带来的问题，而且对于一次 电源波动带来的输出电压变化作用小， 一般需要在电源输入端增加预稳 电路。高压储能电容的容量零点几到几个微法，其耐压要求几千伏到几 十千伏，其体积、重量、可靠性、价格等问题都是设计师较难解决的问 题。
实用新型内容
为了解决现有技术问题，本实用新型的目的是提出一种用于行波管 电源调制器的体积小、重量轻、价格低、高可靠性高压开关电源。
为了达成所述目的，本实用新型提供了一种用于行波管电源调制器 的高压开关电源，该电源含有
一输入电路，用于对一次输入电压Uin整流、滤波形成所需直流电
压；
4一逆变电路，其交流和直流变换输入端与输入电路输出端连接，其 控制输入端与隔离反馈电路输出端连接，逆变电路接收输入电路输出的 直流电压和隔离反馈电路输出的含有高压稳定度信息的信号，转换并输 出参数可调的交流电压；
一升压变压器，其原边绕组与逆变电路的输出端连接，升压变压器 将逆变电路输出端的交流电压转换并通过副边绕组输出多组高压交流 电压；
一整流滤波电路，其多个输入端分别与升压变压器的多个副边绕组 输出端连接，将升压变压器各个副边绕组输出的多组高压交流电压通过 整流滤波电路形成并输出每组直流高压电压；
一分压采样电路，其电阻分压器与整流滤波电路的多组直流高压输 出中的一个高压稳压输出端连接，对高压稳压输出端输出的高压稳压信 号进行电压采样，采样电压与分压釆样电路的基准电压单元的基准电压 比较形成含有高压稳定度信息的信号；'
隔离反馈电路两端分别与分压采样电路的基准电压单元的输出端 和逆变电路的控制电路输入端相连，隔离反馈电路将分压采样电路输出 的含有高压稳定度信息的信号进行高压隔离并输入给逆变电路的控制 电路。
所述的用于行波管电源调制器的高压开关电源，还包括，在输入电 路和逆变电路间连接低压储能电容，而在整流滤波电路高压稳压输出端 不连接或连接小容值的储能电容。
其中，所述的升压变压器采用分组绕制。
其中，所述的整流滤波电路含有多组整流滤波单元，多组整流滤波 单元的输出端串联连接，每组输出端的直流高压电压叠加形成并输出叠 加直流高压电压。
其中，所述隔离反馈电路利用光耦或变压器实现低压端和高压端的 隔离。
本实用新型的有益效果本实用新型一种用于行波管电源调制器的 高压开关电源实现了多级降压收集级行波管电源调制器。与现有技术相 比，本实用新型实现的用于行波管电源调制器的高压开关电源稳压性能好、降低了体积、重量、成本，提高了对高压打火的保护性能和可靠性。 上述效果在实践应用中得以验证。
1. 一种用于行波管电源调制器的高压电源实现了含有1个或若干个 几千伏到几十千伏高压电压输出、总功耗几十到几千瓦的行波管电源调 制器，电源体积小，重量轻，成本低，高压电压输出稳定性能好，可靠 性高。
2. 利用低压储能电容替代或部分替代高压储能电容。当脉冲负载行
波管工作期间，低压储能电容储存的能量通过逆变电路、升压变压器和 整流滤波电路输出给高压输出回路，保证电源输出高压稳定度的同时， 降低了电源的体积、重量和成本，提高了可靠性。使用低压储能电容降 低高压储能电容的容量可以保证输出回路打火时低压储能电容储存的 能量不会向输出端释放，从而降低了打火时高压输出端释放的能量，降 低了对行波管损坏的可能性，提高了高压开关电源的可靠性。
3. 采用闭环反馈高压开关电源实现单级功率变换，从电源高压稳压 输出端直接电压采样，与电压基准比较后输入逆变电路实现电源输出电 压的稳压控制，这样不但对由于电源输出端负载变化引起的输出电压不 稳定性起到了稳压作用，而且对输入电压不稳定性引起的输出电压不稳 定性也起到高稳压的作用。在输入电压额定值±10%范围内，输入负载 从满载到30%满载输出的范围内实现输出高压电压的稳定性IO"量级。
4. 升压变压器副边采用分组绕制，每个绕组输出对应一组整流滤波 单元，每组整流滤波单元输出端的直流高压电压几百到几千伏，多组整 流滤波单元的输出端串联连接，每组输出端的直流高压电压叠加形成并 输出几千到几十千伏叠加直流高压电压，在简化变压器和整流滤波电路 设计和元器件选择难度的同时，方便形成多组叠加直流高压输出。
5. 在高压分压采样电路和低压逆变电路中使用了隔离反馈电路，隔 离反馈电路利用变压器或光耦器件实现。这一方法有效地实现了高压和 低压电路的隔离。在高压端打火时保护低压电路，提高了电源的可靠性。
6. 本实用新型的原理可以应用于其它领域高压电源研制。
6图1本实用新型实施例的电原理框图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型技术方案中所涉及的各个细节 问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解， 而对其不起任何限定作用。
一种用于行波管电源调制器的高压开关电源的电原理框图见图1。
输入电路1主要是根据需要将一次输入电压Uin整流、滤波形成所 需的直流电压。如果一次电源Uin是直流电源，输入电路l主要是电磁 兼容滤波(EMI)电路。
逆变电路2是开关电源的核心。逆变电路2的交流和直流变换输入
端与输入电路1输出端连接，其控制输入端与隔离反馈电路6输出端连 接，由逆变电路2接收输入电路1输出的直流电压和隔离反馈电路6输 出的含有高压稳定度信息的信号，转换并输出参数可调的交流电压。逆 变电路2包括5个组成部分
DC/AC变换单元2.1，用于将经谐振电路2.4整形的输入电路1输 入的直流电压转换为脉宽、重复频率和初始相位等参数可调的交流电 压，以实现功率变换。DC/AC变换单元2.1可由不同拓扑结构的开关管 组实现。对于功率大的电路可以采用全桥、半桥拓扑结构，对于中小功 率电路可以采用推挽等拓扑结构。根据功率、开关频率，开关管可以选 择MOSFET开关管、IGBT开关管等。
驱动电路2.2和控制电路2.3与DC/AC变换单元2.1连接，用于实 现对DC/AC变换单元2.1中开关管组的驱动和控制，DC/AC变换单元 2.1的控制形式很多，比如脉冲宽度调制、脉冲频率调制、移相控制等。 驱动电路功能是将控制电路的输出信号放大整形实现开关管的驱动。
谐振电路2.4两端分别与输入电路1和逆变电路2的DC/AC变换单 元2.1连接，谐振电路2.4可以采用串联、并联、混合型等方式的谐振 电路，使DC/AC变换单元2.1中的开关管工作在零电压、零电流等形式 的工作模式，以提高电源效率。
低压供电电路2.5，形成驱动电路2.2和控制电路2.3所需的供电电源。
升压变压器3的原边绕组与逆变电路2的输出端连接，升压变压器
3将逆变电路2输出端的交流电压转换并通过副边绕组输出多组高压交 流电压。为了便于升压变压器3的设计以及整流滤波电路4元器件的选 择，升压变压器3的副边采用分组绕制，根据升压变压器3磁芯的尺寸 和整流滤波电路4元器件的工作电流和电压，升压变压器3的副边可以 分为若干组，升压变压器3可以为一个也可以是若干个。
整流滤波电路4中的多个输入端分别与升压变压器3的多个副边绕 组输出端连接，将升压变压器各个副边绕组输出的多组高压交流电压通 过整流滤波电路4形成并输出每组直流高压电压，多组整流滤波单元的 输出端串联连接，每组输出端的直流高压电压叠加形成并输出叠加直流 高压电压。整流滤波电路4整流形式可以采用全桥、半桥、倍压等形式， 滤波可以通过电容、电感、混合滤波等形式完成。
分压采样电路5包括由电阻R1和R2组成的电阻分压器和基准电压 比较单元，电阻分压器Rl和R2与整流滤波电路4的高压稳压输出端连 接，对高压稳压输出端Uh进行电压采样，该采样电压与基准电压比较 单元的基准电压比较，基准电压单元输出含有高压稳压输出端Uh稳定 度信息的信号。
隔离反馈电路6两端分别与分压采样电路5的基准电压单元输出端 和逆变电路2的控制电路2.3输入端相连，隔离反馈电路6可以由变压 器或光耦等器件实现，当电源高压电路端出现打火时隔离反馈电路隔离 了高压打火能量向和电源低压端逆变电路2的传输，从而保护了逆变电 路2，提高了电源的可靠性。
分压采样电路5输出的含有高压稳定度的信号通过隔离反馈电路6 反馈输入给逆变电路2中的控制电路2.3，实现稳定高压稳压输出端Uh 电压的闭环稳压控制，无论是由于输入电压变化，还是输出负载变化造 成的高压稳压输出端Uh电压的变化均可以通过调节控制电路2.3的输 出得到补偿，从而实现稳定高压稳压输出端Uh电压的目的。
对于脉冲行波管等脉冲负载，为了保持脉冲间电源输出电压Ub， 通常在高压整流滤波后与行波管的接口端连接高压储能电容C2，其容值
8零点几到几个微法。由于应用在几千伏到几十千伏的高压输出端，其体 积、重量很大，价格较高。而且如果高压储能电容C2的容量过高会造 成高压输出端打火放电的能量过大，从而对脉冲负载造成损坏。因此高 压储能电容C2的选择是脉冲行波管高压电源设计的关键。本实用新型 提出电源电路的关键点之一在于利用本实用新型电源输入端的低压储
能电容C/替代或部分替代输出端的高压储能电容c2。开关电源的工作
频率为几十到几百千赫兹，行波管脉冲持续时间几十微妙，如果在脉冲
持续时间内开关管导通2次以上，脉冲间低压储能电容CV的能量能够 传递到电源高压输出端，从而保持高压稳压输出端Uh电压在脉冲间的 顶降满足要求。根据能量守恒原则，低压储能电容CV的容量应该是高 压储能电容G容量的i^倍，K表示变压器的变比。利用低压储能电容 G替代或部分替代高压储能电容G虽然电容容量变大了，但是由于使 用在低压端，所以无论从价格、体积、可靠性等指标方面考虑都优于高 压储能电容C2。除此以外，低压储能电容G替代或部分替代高压储能 电容C2的最大优势在于低压储能电容G储存的能量在输出回路打火时 不会向行波管端释放，从而保护了行波管，提高了行波管放大器的可靠 性。这是因为在输出回路打火时整流滤波电路4的B点电压高于A点 电压，整流电路输入端的能量被抑制。
根据本实用新型所述原理，完成了一部行波管电源调制器高压电源 的设计和研制。实施例的电源调制器高压电源包括一个行波管慢波线电 压输出Uh，三个行波管收集极电压输出Ucl， Uc2， Uc3，行波管慢波 线电压仏-一10kV，电压稳定性AL4/C/;^5xl04，行波管慢波线平均 电流/『25mA，行波管收集极电压(相对与行波管慢波线)Uc^2kV， Uc2=5kV， Uc3 = 8kV。电源功率容量Pin= IOOOW，降额系数0.5，最大 脉冲宽度T二4(His，脉冲重复频率PRF二l 4kHz， 一次电源电压42±3V， 电源的效率90%左右。
采用了图1所示的电路框图，输入电路1的回路采用了"7C"型滤波； 逆变电路2中DC/AC变换单元2.1采用MOSFET开关管全桥拓扑结构， 驱动电路2.2和控制电路2.3分别利用专用驱动芯片MPIC2113和脉宽 调制芯片UC1825实现，谐振电路2.4采用串联谐振电容，低压供电电路2.5利用三端稳压器LM7805和LM7815实现，开关频率100kHz，利 用了 2个升压变压器3，每个升压变压器3的副边有4组绕组，整流滤 波电路4使用二极管全桥整流和电容滤波Cf，每组整流滤波单元输出 1 1.5kV直流高压电压，多组整流滤波单元的输出端串联，形成-10kV 行波管慢波线高压输出，同时形成三个行波管收集极的输出。从串联叠 加形成的-10kV行波管慢波线高压输出端电压采样，与基准电压比较后， 利用变压器作为隔离反馈电路6反馈给控制电路2.3实现闭环稳压控制； 本实例的输入端采用了 C产20X10^F的储能电容，高压端只采用了 C2 二O.l[iF的滤波电容。与完全采用高压储能电容的方案相比，采用低压 电容的电源体积425mmX120mmX120mm，降低了 1/4;重量3.5kg， 降低了 10%，成本降低了 50%。行波管慢波线-10kV电压稳定性优于 5X10'4，具备很好的打火保护功能。
以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式
，但本实用新型的保 护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术 范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围 之内。
权利要求1、一种用于行波管电源调制器的高压开关电源，其特征在于，含有一输入电路，用于对一次输入电压Uin整流、滤波形成所需直流电压；一逆变电路，其交流和直流变换输入端与输入电路输出端连接，其控制输入端与隔离反馈电路输出端连接，由逆变电路接收输入电路输出的直流电压和隔离反馈电路输出的含有高压稳定度信息的信号，转换并输出参数可调的交流电压；一升压变压器，其原边绕组与逆变电路的输出端连接，升压变压器将逆变电路输出端的交流电压转换并通过副边绕组输出多组高压交流电压；一整流滤波电路，其多个输入端分别与升压变压器的多个副边绕组输出端连接，升压变压器各个副边绕组输出的多组高压交流电压通过整流滤波电路形成并输出每组直流高压电压；一分压采样电路，其电阻分压器与整流滤波电路的多组直流高压输出中的一个高压稳压输出端连接，对高压稳压输出端输出的高压稳压信号进行电压采样，采样电压与分压采样电路的基准电压单元的基准电压比较形成含有高压稳定度信息的信号；隔离反馈电路两端分别与分压采样电路的基准电压单元的输出端和逆变电路的控制电路输入端相连，隔离反馈电路将分压采样电路输出的含有高压稳定度信息的信号进行高压隔离并输入给逆变电路的控制电路。
2、 如权利要求1所述的用于行波管电源调制器的高压幵关电源， 其特征在于，还包括，在输入电路和逆变电路间连接低压储能电容，而 在整流滤波电路高压稳压输出端不连接或连接小容值的储能电容。
3、 如权利要求1所述的用于行波管电源调制器的高压开关电源， 其特征在于，所述的升压变压器采用分组绕制。
4、 如权利要求1所述的用于行波管电源调制器的高压开关电源，其特征在于，所述的整流滤波电路含有多组整流滤波单元，多组整流滤 波单元的输出端串联连接，每组输出端的直流高压电压叠加形成并输出 叠加直流高压电压。
5、如权利要求1所述的用于行波管电源调制器的高压开关电源， 其特征在于，所述隔离反馈电路利用光耦或变压器实现低压端和高压端 的隔离。
专利摘要本实用新型属于电子信息领域，提供一种用于行波管电源调制器的高压开关电源，包括输入电路、低压储能电容、逆变电路、升压变压器、整流滤波电路、分压采样电路和隔离反馈电路，本实用新型实现了行波管放大器的电源调制器，其特点是采用隔离闭环反馈开关电源和低压储能电容，这些措施不但保证了行波管放大器电源调制器的输出电压稳定性高、体积小重量轻，而且提高了可靠性，降低了成本。
文档编号H02M3/337GK201435678SQ200920109729
公开日2010年3月31日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者徐成前, 戈 董, 宇 陈, 陈仲林 申请人:中国科学院电子学研究所