高功率脈沖/連續波測試電源的研制

關鍵詞： 高壓開關電源，固態調制器，微波管

中圖分類號: TN248.1           文獻標識碼:A

引言

新研制的測試電源是給某型高功率連續波回旋管提供一個試驗平臺，在該測試平臺上可以滿足微波管的在脈沖和直流工作狀態的動態和靜態性能指標測試。該測試平臺包含四個主要功能部分：高壓高精度直流穩壓電源、具有0～占空系數可調的脈沖調制器、遠程和本地控制器、陽極調制和燈絲、鈦泵電源等輔助電源。其他如冷卻水、配電系統、微波饋線系統等由試驗現場提供。本文主要論述前面四個部分的主要技術指標及實現方案。

 1  高壓高精度直流穩壓電源

回旋管振蕩器測試臺的直流高壓電源的主要電性能指標如下：

電源輸出電壓：≤-35KV

電源輸出電流：≤4.5A，連續

電源輸出穩定度：≤±0.15% （開機30分鐘后）

電源輸出紋波：≤±0.15%

具有本地和遠程控制功能，輸出過壓、過流保護功能。

為了滿足測試電源遠程遙控及快速的故障保護功能，該測試平臺的直流高壓電源擬采用高頻開關電源。電源采用具有能夠承受負載短路能力的諧振式變換器，采用六臺開關電源并聯來滿足電源總功率160KW的要求；為了滿足紋波±0.15%的要求，六臺電源工作在同步狀態，開關相位相差30度，這樣在電源輸出端得到的電壓紋波頻率可以達到開關頻率12倍，紋波電壓也會大大下降，在同等的紋波電壓條件下，可以降低高壓電源的輸出濾波電容，減小電容的儲能，降低系統打火對回旋管的傷害。

Figure 1. Simplified block diagram of the 170kW HVPS system

圖1 170kW直流穩壓電源組成框圖

圖1為直流高壓開關電源系統的組成圖，這樣設計可提高系統工作的可靠性和使用的靈活性。六臺電源在電路構成上完全相同可以互換，即使在個別電源出現故障一時不能排除時，可以甩開有故障的電源分機，只使用其他電源工作在低工作比狀態，保證系統的運行；在要求脈沖峰值功率較小和初期調試時，可以只開啟部分電源分機供電，此時，輸出脈沖電壓的頂部頂降會大一些。

由于單臺電源的功率比較大，電源中的功率器件冷卻采用水冷的方式進行冷卻。六臺電源需要冷卻水帶走的功耗約3×6=18KW。

直流高壓開關電源采用并聯諧振式逆變器，V1～V4組成一個橋式變換器，諧振電感Lr和電容Cp組成并聯諧振網絡，高變比變壓器T1將500V的高頻電壓進行升壓，經過二極管整流、電容濾波后得到-35KV的直流高壓。

由于并聯諧振回路的存在，在負載短路的情況下，諧振電感充當限流電感，因此電源本身具有抵抗負載短路的能力，也就是說該電源具有電流源的輸出特性，因此，多臺電源通過簡單的直接并聯方式，不需要均流電路就能夠實現大電流的輸出。根據指標分配要求，每臺電源的額定輸出電流為0.8A，六臺電源并聯后的總電流為4.8A，滿足測試平臺輸出電流4.5A的要求。

Figure 2. Basic circuit diagram of the single HVPS

圖2 單臺直流高壓開關電源的原理簡圖

六臺電源的高頻開關信號的同步信號由一個信號源產生，它能夠依次產生六個相位相差30度的觸發信號給六臺電源，六臺電源的穩壓信號使用同一個基準，因此整個測試電源能夠獲得低紋波輸出，滿足測試平臺的要求。

通過仿真計算，整個電源的高壓濾波電容約0.33uF×4=1.32 uF，就能夠滿足輸出紋波±0.15%的指標，在高壓35KV時，電容器的儲能僅為808J。

2  脈沖調制器

回旋管振蕩器測試臺的脈沖電源的主要電性能指標如下：

工作電壓：≤-35KV（-5 ～-35KV可調）

輸出電流：≤4.5A

重復頻率：0.1Hz～1000Hz（1Hz步進或連續調節或直接數字輸入或外同步輸入）

工作比：0～（直接數字輸入）

脈沖寬度：由工作比與頻率確定

脈沖前沿：≤3us（10%～90%）

脈沖后沿：≤10us（90%～50%）

脈沖頂沖：≤2%

頂部波動：≤0.3%（包括頂降和波動）

根據測試系統對調制器的指標要求，必須采用可關斷開關與主放電回路相串聯的方法才能滿足工作比由0～的調整要求。從工作電流和脈沖前、后沿的要求看，選擇由多IGBT相互串聯組成的晶體管開關就能夠滿足測試系統工作電壓和電流輸出的需要。由于測試平臺的負載為回旋管，具有磁控管的工作特性，在脈沖后沿管子可能不發射，分布電容沒有放電回路，后沿會大一些，但輸出射頻脈沖的后沿應該是較小的。

根據本測試平臺的總電壓和常用IGBT開關管1200V耐壓能力的現狀，分配給每一只IGBT的工作電壓為600V，考慮系統故障的冗余性，選擇66只IGBT進行串聯，保證具有足夠的電壓余量。整個調制開關分為11個組件，每個組件由6組開關管串聯。設計每個組件的額定工作電壓3600V，實際工作電壓為3200V。在工作電流4.5A時，按每組IGBT導通壓降3V計算，則每個組件（6只串聯）的更大導通損耗（工作比D=）約：

所有串聯開關電路均工作在硬開關狀態，除導通損耗外我們把開關損耗分為兩部分：一是開關管的容性開通損耗，它與開關管的結電容、工作電壓的平方、開關頻率成正比；二是通常所講的開關損耗，它與開關管的工作電壓、電流、開關時間、開關頻率成正比，設開關管的結電容3000pf，總開關時間為，系統的工作頻率F=1KHz。則每組開關組件（N=6）的

容性開通損耗

開關損耗 

則一組開關的總損耗約更大為87W，可以看出調制器在低重復頻率下，導通損耗起了決定作用。11組開關組件的總損耗為1000W，設計時按1000W功耗考慮采用一般的風冷散熱就可以。

Figure 3. Simplified circuit diagram of the solid-switch composed of IGBT in series

圖3 IGBT串聯調制開關的組成原理圖

由于脈沖調制器的工作比要達到0～的覆蓋范圍，采用了光纖將調制脈沖送到11塊調制組件上，以實現高電位隔離和脈沖觸發信號的傳輸。每一塊調制組件將接收的信號進行放大后，再供給本組件的6只串聯的IGBT專用驅動器，實現對IGBT開關管的控制，這樣可以大大減少組件對外連接的光纖數量。11塊調制組件共66只IGBT的驅動電源采用初級1匝，次級多匝的電流耦合變壓器供電形式，這樣可以容易獲得高電位隔離，由于變壓器初、次級間是空氣絕緣，空間距離比較大，能夠大大降低供電回路對各組件對地分布電容的影響。

在脈沖調制器的控制回路中，串入了霍爾電流傳感器來采樣放電回路的電流幅值和脈沖寬度，通過與設定值進行比較，實現過脈沖寬度和過電流幅度的故障保護，快速（5us之內）切斷調制器控制脈沖并立即切斷高壓電源，實現與高壓電源的連鎖保護。

在每一個IGBT基本驅動單元內，都內置了過電流保護、直流均壓和脈沖均壓網絡，即使外置的保護電路偶然失效，內置的保護電路仍然能夠起到保護作用，從而可以更大限度地保護所接微波管負載和調制開關本身，提高了測試臺的工作可靠性。在使用球隙放電模擬負載打火的試驗中，調制器保護迅速可靠。

3  本地和遠程控制部分

測試臺內置一臺OMRON的CJC1型PLC控制器，它能夠完成整臺電源的開關量、模擬量和脈沖參數的設置與采集。主要實現交流主電源、冷卻、低壓、高壓的開關控制；可以設置高壓電源的輸出電壓；可以采集高壓電源的實際輸出電壓、輸出電流、調制器的脈沖電流和陽極電流；可以設置調制脈沖的工作頻率和工作比。

另外，控制器還具有：6臺電源的水流量、散熱器溫度、IGBT過流故障接點，高壓過壓、過流接點，調制器故障、門開關、燈絲、鈦泵、磁場、高頻等故障連鎖接點。

在測試設備的面板上有一塊觸摸屏，在屏上可以實現控制參數的設定，也可以顯示機器的工作狀態和各種故障信息，通過光纖能夠在遠程計算機上實現對測試臺各種功能的遙控操作。

4  輔助電源部分

在測試臺調制輸出端與地之間安裝了100只陽極分壓電阻網絡，電阻通流能力0.225A。通過改變電阻抽頭的位置可以滿足陽極電壓30%～80%步長1%的調節要求，陽極電流通過串聯電阻取樣，由V/F變送器通過光纖隔離傳輸到控制系統的采集電路，再經過F/V反變換，獲得陽極電流的讀數，同時完成陽極電流的過流保護。

該測試設備的燈絲和鈦泵電源均需懸浮在-35KV的陰極上，設計采用一臺高電位低電容隔離變壓器實現燈絲與鈦泵電源的供電隔離，燈絲電源（20V/10A）和鈦泵電源（4KV/1mA）均采用高頻開關電源方案，體積小重量輕效率高，故障信號通過光纖傳送到控制系統。

5  試驗結果

對該測試電源進行了連續8小時滿功率160kW的考機，直流電壓波動≤±0.1%；在6.5k電阻負載情況下，分別在低工作比（0.1%），高工作比（10%），直流（100/%）情況下進行了脈沖參試測試，試驗結果滿足指標要求。試驗現場進行了球隙放電模擬打火試驗，設備可以實現快速保護，滿足設計要求。

圖4（a）表示在低工作比情況下模擬負載打火時的電路試驗情況，其中CH3是脈沖輸出電壓（1kV讀數表示2kV），CH1是霍爾傳感器采集的脈沖輸出電流（1V表示0.5A），CH2是由電流互感器采集的電流波形（1V表示5A），打火保護動作時間小于4us；圖4（b）表示在高工作比情況下的輸出情況，其中CH1是脈沖輸出電壓（1kV讀數表示2kV），CH2是由電流互感器采集的電流波形（1V表示5A）。

   (a) protecting at the output short circuit               （b）wide pulse output with 1.1ms

Figure 4. Pulse modulator output waveforms

圖4 調制器的部分測試波形

6  結束語

大功率連續波微波管振蕩器測試電源是國產新型高功率微波管研制和測試的重要設備，它能夠工作在脈沖和連續兩種狀態，具有良好的脈沖響應能力和高輸出電壓穩定精度，如何解決好這對矛盾是測試臺成功的關鍵。測試臺總效率接近90%，為使該型微波器件從試驗室走向工程實用創造了條件。

感謝中科院電子所粟亦農、蔡振平等專家的鼎立支持，感謝徐功潛教授的精心指導!

參考文獻：

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4． 蔡振平．180kW全固態高壓脈沖調制器的設計．高電壓技術，第33卷，第3期，2007年3月，PP167~170。

Researching on High Power Pulse/Continuous Wave Testing Power Supply

2.GLORY MV Electronics CO.,LTD    241007)

Abstract：A testing power supply is designed for high power microwave tube oscillators, the method of multiple parallel high voltage power supplies(HVPS) working in synchronism is raised for high average power and low ripple. Optic-fiber insulated solid-state modulator of multiple transistors in series follows behind, which realize duty ratio can be adjusted from 0 to 100 percent, and meet both pulse and continuous ways. Therefore the problem of fast respond to pulse load for the HVPS is solved. Finally main testing results of the facility are presented.

Keywords：HVPS; Solid-state Modulator; Microwave tube