CN102436995A - 应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法，本通过高压侧电路中的采样电路采样行波管高压电源的高压信号，经过V/I转换电路完成V/I转换后，通过霍尔电流传感器完成信号隔离，霍尔电流传感器把电流信号传送至低压侧电路进行信号处理得到电压输出控制信号。本发明不仅保证了高、低压侧具有良好电气隔离性能，而且避免了光纤调制传输中的信号延时问题，同时显著降低了控制的复杂性。

Description

应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法

技术领域

本发明涉及行波管高压电源电压检测控制领域，具体为一种应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法。

背景技术

行波管高压电源以阴极高压为参考，而控制电路一般以保护地(大地)为参考点，要实现直流高压电源的稳定控制，必须在电压反馈取样电路与控制电路之间进行高压隔离处理实现稳压。通常采用以下几种隔离取样方法：1、光耦隔离2、磁隔离3、分压器降压差分取样。然而一般的光耦隔离度较低(一般在5kV以下)；磁隔离电路由于放大器及参考基准都浮动在阴极电压上，无法满足电压程控调整功能；分压器降压差分取样可将以阴极为参考的高输出电压转换为以保护地为参考的差分信号，该信号可直接反馈高压输出，实现稳压控制。但由于阴极电压与保护地在电气上无法隔离，当其它极高压叠加在阴极上输出时，其取样信号通过保护地势必构成通道，影响高压取样输出。显然，以上三种方案无法满足多路程控高压输出的稳定控制。

基于以上原因，在输出电压较高(大于10kV)的行波管程控高压电源设计中，多采用光纤调制传输控制技术。该技术通过取样器对电压信号取样，利用有源器件调制技术，将取样信号转换为数字信号，用电/光转换器件，将数字电信号转换成数字光信号，再耦合进光纤传输。光纤中的光信号由光/电转换器件(光电二极管)转换为电信号，经数字解调，还原为模拟信号进行处理。采用光纤传输技术，改变了传统电路中利用电缆进行信号传输的方法，有效地解决了高、低压侧电气隔离问题。但是，由于该技术控制过程复杂，而且信号在数字化转换和还原过程中，会产生较大的延时，因此，在高电压实时检测与控制中，响应速度不高，无法实现输出电压的快速调整。基于以上原因，在高性能行波管程控高压电源的设计中，需要采用新的高压检测控制技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法，以解决现有技术中光纤调制传输控制技术存在的动态响应慢，控制方式复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法，其特征在于：采用高压侧电路采集行波管高压电源的高压信号，并将高压信号转换成线性对应的电流信号，采用霍尔电流传感器对高压侧电路输出的电流信号实现信号隔离后输出，采用低压侧电路对霍尔电流传感器输出的电压信号处理后得到电压输出控制信号；

所述高压侧电路包括采样电路和V/I转换电路，所述采样电路采集行波管高压电源的高压信号，并将所述高压信号输出至V/I转换电路，所述V/I转换电路将高压信号转换成线性对应的电流信号后输出至霍尔电流传感器；

所述霍尔电流传感器采用闭环的磁补偿式霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器中的高压导线引入V/I转换电路输出的电流信号，所述高压导线穿过霍尔电流传感器中的磁芯，利用磁平衡原理，在霍尔电流传感器中的次级线圈获得与V/I转换电路输出的电流信号线性对应的电压信号，霍尔电流传感器次级线圈上的电压信号输出至低压侧电路；

所述低压侧电路为运算放大电路，低压侧电路将霍尔电流传感器次级线圈输出电压信号放大后，得到电压输出控制信号。

所述的应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法，其特征在于：所述高压侧电路中，采样电路由高精度的双运算放大器构成，双运算放大器的同相输入端通过两个电阻构成的分压器引入行波管高压电源的高压信号。

所述的应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法，其特征在于：所述低压侧电路为高精度的仪用差分放大器构成的运算放大电路。

直流高压检测控制的重点在于实时、线性地将高压信号转换为低压侧控制电压信号。本发明通过高压侧电路中的采样电路采样行波管高压电源的高压信号，经过V/I转换电路完成V/I转换后，将高压信号转换为线性对应的电流信号，通过霍尔电流传感器，完成信号隔离，霍尔电流传感器把电流信号传送至低压侧电路进行信号处理得到电压输出控制信号。为获得快速的响应时间和良好的线性度，采用闭环、磁补偿式的零磁通霍尔电流传感器技术实现电气隔离。在霍尔电流传感器中，使用高压导线引入V/I转换电路输出的电流信号，高压导线穿过霍尔电流传感器中的磁芯，利用磁平衡原理，在过霍尔电流传感器次级线圈获得线性对应的电压信号，以实现高、低压侧电气的高度隔离。显然本发明中，在电压信号取样传输过程中，不需要将模拟信号数字化处理，从而避免了信号的还原过程，既消除了信号的延迟效应，提高了信号传输的实时性能，又降低了电路实现的复杂程度。

本发明的有益效果是：本发明不仅保证了高、低压侧具有良好电气隔离性能，而且避免了光纤调制传输中的信号延时问题，同时显著降低了控制的复杂性。在控制电路中，没有信号延迟环节，有效提高了电源的动态响应速度(频率响应)；控制过程中取消了数字化变换和解调还原过程，显著降低了控制的复杂性。因此，本发明在行波管程控高压电源的设计中具有良好的应用价值。

附图说明

图1是本发明整体电路原理图。

图2是闭环的磁补偿式霍尔电流传感器原理图。

具体实施方式

如图1所示。Vo+和Vo-分别为行波管高压电源的正、负高压信号，Va为采样电路利用分压器降压和双运算放大器跟随后得到的直流高压的电压取样信号，V_M为霍尔电流传感器次级线圈输出的电压信号，Vc为低压侧电路最后输出的电压输出控制信号。

高压侧电路包括采样电路和V/I转换电路。采样电路由电阻R1和电阻R2构成的分压器、双运算放大器N1-A构成，可实现高压侧电压取样和信号缓冲，将高压信号输出转化为阻抗匹配的电压取样信号Va，作为后级V/I转换电路的参考。V/I转换电路由双运算放大器N1-B、取样电阻R5、功率MOS管V5构成，通过闭环控制，将电压取样信号Va转换成线性对应的电流信号Ip，同时电流信号Ip流过霍尔电流传感器A1的初级线圈，可在次级线圈获得隔离后的电压信号。显然，电路在稳态下有下式成立：

$\mathrm{Va}=\frac{R2}{R1+R2}\mathrm{Vo}=\mathrm{kp}1\·\mathrm{Vo};$ $(\mathrm{kp}1=\frac{R2}{R1+R2});$

$\mathrm{Ip}=\frac{1}{R5}\mathrm{Va}=\mathrm{kp}2\·\mathrm{Vo};$ $(\mathrm{kp}2=\frac{R2}{R5(R1+R2)}),$

本发明中，霍尔电流传感器A1采用闭环的磁补偿式霍尔电流传感器，闭环的磁补偿式霍尔电流传感器原理见图2。它利用磁场平衡实现电流隔离检测，其工作原理是：被测电流Ip在聚磁环中所产生的磁场，通过次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态，由于霍尔器件处于零磁通状态，因此可以防止剩磁和磁饱和对响应时间和精度的影响。具体过程是：当初级回路有电流Ip通过时，导线电流产生的磁场被聚磁环聚集，感应霍尔器件使之有一个信号输出，该信号驱动相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反，从而补偿了原来的磁场，使霍尔器件处于零磁通状态。因此，从宏观上看，次级线圈的补偿电流安匝数在任意时刻都与初级线圈被测电流的安匝数相等，即：Np*Ip＝Ns*Is。(其中，Np为初级线圈匝数，Ns为次级线圈补偿绕组匝数，Ip为初级电流，Is为次级补偿电流。)，补偿电流I_s可精确反映原边电流Ip值。从而，可以通过Is来测试控制Ip，通过在次级回路串联电阻R_M，将输出信号由电流方式转换为电压方式。由此可得输出信号V_M：

$V_M=\mathrm{Is}\·R_M=\frac{\mathrm{Np}}{\mathrm{Ns}}{R}_M\·\mathrm{Ip}=k1\·\mathrm{Vo};$ $(k1=\frac{R2\·R_M\·\mathrm{Np}}{R5\·(R1+R2)\·\mathrm{Ns}})$

经仪用差分放大器N2后，可得电压输出控制信号Vc：

V_C＝k2·V_M＝k1·k2·Vo＝k·Vo；(k2为仪表放大器的放大倍数)    (1)

在图1中，电阻R1、R2与R5的取值，与行波管高压电源的高压信号值Vo、双运算放大器N1-A和N1-B、霍尔电流传感器A1的工作范围有关。本发明中行波管高压电源的高压信号值Vo最大检测值为20kV，霍尔电流传感器A1最大电流为200mA，因而取R1为10MΩ，R2为5kΩ，R5为100Ω；

如图2所示。霍尔电流传感器A1初次级线圈匝比和检测电阻决定次级输出信号的大小，本发明中霍尔电流传感器A1初级线圈采用高压绝缘导线穿绕1匝，次级线圈取100匝，检测R_M取为100Ω；双运算放大器N1-A和N1-B分别为型号为LT1013的高精度的双运算放大器；仪用差分放大器N2为高精度仪用差分放大器IC，型号为AD622，比例系数k2由外置电阻R8确定(即

)。本发明中R8取为10kΩ，放大倍数k2＝6。由式1可得Vc＝5.992×10^-5Vo。

本发明中Vo＝20kV，则对应Vc＝599.2mV。将Vc进行如下标定：Vc为599.2mV代表输出电压Vo＝20kV，由样机电路测试数据结果见表1：

表1测试数据

从表1中可以看出，直流电压的最大检测误差为0.98％，说明电路具有良好的线性传递功能。

为测试本发明电路的响应时间，在Va处注入幅值5V，频率为10kHz的方波信号，测试信号从输入端到输出端的延时时间为1.6μs，可见，相对于光纤高压传输控制电路中10μs以上的延时，其响应速度达到了数量级的提高。

Claims (3)

1.应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法，其特征在于： 采用高压侧电路采集行波管高压电源的高压信号，并将高压信号转换成线性对应的电流信号，采用霍尔电流传感器对高压侧电路输出的电流信号实现信号隔离后输出，采用低压侧电路对霍尔电流传感器输出的电压信号处理后得到电压输出控制信号；

所述高压侧电路包括采样电路和V/I转换电路，所述采样电路采集行波管高压电源的高压信号，并将所述高压信号输出至V/I转换电路，所述V/I转换电路将高压信号转换成线性对应的电流信号后输出至霍尔电流传感器；

所述霍尔电流传感器采用闭环的磁补偿式霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器中的高压导线引入V/I转换电路输出的电流信号，所述高压导线穿过霍尔电流传感器中的磁芯，利用磁平衡原理，在霍尔电流传感器中的次级线圈获得与V/I转换电路输出的电流信号线性对应的电压信号，霍尔电流传感器次级线圈上的电压信号输出至低压侧电路；

所述低压侧电路为运算放大电路，低压侧电路将霍尔电流传感器次级线圈输出电压信号放大后，得到电压输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法，其特征在于：所述高压侧电路中，采样电路由高精度的双运算放大器构成，双运算放大器的同相输入端通过两个电阻构成的分压器引入行波管高压电源的高压信号。

3.根据权利要求1所述的应用于行波管程控高压电源的霍尔高压检测控制方法，其特征在于：所述低压侧电路为高精度的仪用差分放大器构成的运算放大电路。

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