CN103391078A

CN103391078A - 一种小型高效的大功率固态调制器

Info

Publication number: CN103391078A
Application number: CN2013103034560A
Authority: CN
Inventors: 杨景红; 戴广明; 何秀华; 汤长岭
Original assignee: CETC 14 Research Institute
Current assignee: CETC 14 Research Institute
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种小型高效的大功率固态调制器，属于脉冲功率的技术领域，包括固态调制器组件和脉冲变压器（T），其中固态调制器组件包括直流电源（E1）、储能电容（C1）、固态开关（V1），其中所述直流电源（E1）用于提供给储能电容（C1）进行充电；通过所述储能电容（C1）、固态开关（V1）以及脉冲变压器（T）形成放电回路后，经脉冲变压器（T）得到调制器的输出脉冲。本发明使用单个固态开关，无须考虑固态开关的均压以及导通的一致性，电压较低，绝缘设计较容易实现，大大改善了调制器的输出波形质量，电路拓扑结构简单、体积小、效率高，易于实现模块化，可适合于多种平台使用。

Description

一种小型高效的大功率固态调制器

技术领域

本发明涉及一种固态调制器，尤其涉及一种大功率固态调制器，属于脉冲功率的技术领域。

背景技术

调制器是高功率发射机的关键设备，调制器的输出脉冲波形直接影响雷达射频信号的质量。高功率MW级发射机使用的单注速调管工作电压一般为几十千伏，工作电流一般为几十安培，效率30%左右。雷达要求工作波形从小于1微秒到数十微秒，重复频率最高达上千赫兹。为此，大功率调制器的输出峰值功率要超过3MW，输出脉冲幅度达到70kV到80kV，脉冲电流达到40A到50A，脉冲宽度能够从1微秒到数十微秒可调，重复频率超过上千赫兹。同时，为满足不同平台需求，要求调制器体积小，质量轻。而且，为了降低对高压电源以及冷却的要求，要求调制器的效率高，损耗小。

以往由于受器件的限制，如此大功率的调制器，传统技术是使用电子管作为开关。这样的调制器电路较为复杂，调制管需要灯丝、偏压、帘栅、预调器、撬棒等辅助电源和电路，体积庞大。调制管的灯丝功率和板极损耗都较大，整个调制器的效率较低，必须采用水冷，另外调制管还存在打火和寿命较短等问题。

若采用以SCR为开关的软管固态调制器，一般都是以人工线为储能器件，当有多种脉冲宽度要求时，需要多种人工线封装在一起，导致此类调制器体积大、重量重。而且当需要切换宽度时，需要先关掉高压，然后才能切换脉冲宽度，由此导致调制器输出脉冲宽度不能实时切换。

而采用常规拓扑结构的固态钢管调制器，则需要大量的器件进行串、并组合应用才能达到使用目的。这就要求，所有的触发电路以及电源和控制电路进行绝缘设计，实现难度较大。需要对串联开关均压，要求各个串联开关器件的通断一致。因此驱动、动态静态均压、均流、保护相对比较复杂。并且，大量的固态开关串、并组合应用，在重复频率较高时，损耗较大，导致调制器效率较低。

文献《基于多路初级绕组脉冲变压器的固态调制器设计》，作者为朱永亮，王玮，其中，提出采用多路励磁单元驱动带多路初级绕组的升压脉冲变压器，实现多只固态开关之间的均流，避免固态开关直接串并联应用带来的均流均压问题。但从论文可知，方案中采用了多路励磁回路（即初级组件），电路拓扑稍显复杂，设备量较多，体积较大；同时，为保证多路励磁回路的均流，方案要求每组励磁回路的器件和布局尽量一致，并且对触发电路的同步和时延要求较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种电路拓扑结构简单、体积小、效率高，适合于多种平台使用，并且具有工作方式实时调整、对外接口简单、易于实现模块化、工程难度小以及性能可靠等优势的大功率调制器。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种小型高效的大功率固态调制器，包括固态调制器组件和脉冲变压器，其中固态调制器组件包括直流电源、储能电容、固态开关，其中所述直流电源用于给储能电容进行充电；当触发电路为固态开关的驱动电路提供触发脉冲时，通过所述储能电容、固态开关以及脉冲变压器形成放电回路后，经脉冲变压器得到调制器的输出脉冲。

作为本发明的一种优选技术方案：所述固态调制器组件和脉冲变压器的连接为：所述直流电源的正端分别与储能电容的一端、脉冲变压器的高电位端连接；所述脉冲变压器的低电位端与固态开关的一端连接；所述固态开关的另一端分别与储能电容的另一端、直流电源的负端连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述固态调制器组件和脉冲变压器的连接为：所述直流电源的正端分别与储能电容、固态开关的一端连接；所述固态开关的另一端与脉冲变压器的高电位端连接；所述脉冲变压器的低电位端分别与储能电容的另一端、直流电源的负端连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述固态调制器组件还包括充电电感，其中直流电源的正端与充电电感的一端连接；所述充电电感的另一端分别与固态开关、储能电容的一端连接；所述储能电容的另一端与脉冲变压器的高电位端连接；所述直流电源的负端分别与固态开关的另一端、脉冲变压器的低电位端连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述固态调制器组件还包括用于保护固态开关的电容，所述电容连接在与固态开关的两端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述固态调制器组件还包括二极管、电阻，所述二极管、电阻的一端分别与固态开关的一端连接，二极管、电阻的另一端分别和电容的一端连接；通过所述二极管、电阻和电容形成缓冲电路，用于吸收脉冲变压器漏感和放电回路分布电感引起的尖峰电压。

作为本发明的一种优选技术方案：所述脉冲变压器包括次级绕组和N个初级绕组，其中N个初级绕组并联在所述脉冲变压器的高电位端和低电位端之间，N为1以上的自然数；所述次级绕组作为调制器的输出端输出脉冲。

作为本发明的一种优选技术方案：所述储能电容为隔直电容。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）电路拓扑结构简单，设备量少，体积小，重量轻，适合各种平台使用；（2）固态调制器组件位于脉冲变压器的初级，电压很低，绝缘设计较容易实现；（3）脉冲变压器采用多个初级绕组并联，大大改善了调制器的输出波形质量，调制器的效率较高；（4）固态调制器组件使用的元器件很少，结构设计简单，能有效降低组件分布参数，输出脉冲波形较好，有效提高了调制器效率；（5）固态开关及其触发电路的参考电位为低电位端，无须考虑触发电路的绝缘要求；（6）仅使用单个固态开关，驱动电路设计非常简单，并且无须考虑固态开关的均压以及导通的一致性；（7）调制器负载短路时，脉冲变压器次级电感能有效降低短路电流的上升率，固态调制器组件放电回路中无须串联限流电阻，能有效减少调制器损耗，大大提高了调制器的效率；（8）该电路拓扑结构相当于为高压电源设置了缓冲区，调制器负载短路时，除非调制器的过流保护无法有效保护调制器，否则高压电源基本不受调制器负载短路的影响。

附图说明

图1为本发明的一种小型高效的大功率固态调制器的第一种实施例的电路拓扑图。

图2为本发明的一种小型高效的大功率固态调制器的第二种实施例的电路拓扑图。

图3为本发明的一种小型高效的大功率固态调制器的第三种实施例的电路拓扑图。

图4为本发明的一种小型高效的大功率固态调制器的脉冲变压器的电路拓扑图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行描述。

参考说明书附图，本发明提供了一种小型高效的大功率固态调制器，包括固态调制器组件和脉冲变压器T，其中固态调制器组件包括直流电源E1、储能电容C1、固态开关V1，其中所述直流电源E1用于给储能电容C1进行充电；当触发电路为固态开关V1的驱动电路提供触发脉冲时，通过所述储能电容C1、固态开关V1以及脉冲变压器T形成放电回路后，经脉冲变压器T得到调制器的输出脉冲。固态开关V1的一端与另一端有极性要求。若固态开关V1采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，则固态开关V1的一端为集电极C，固态开关的另一端为发射极E。固态开关V1还可采用其他器件。

固态调制器组件还包括用于保护固态开关V1的电容C2，所述电容C2连接在固态开关V1的两端。还包括二极管D1、电阻R1，所述二极管D1、电阻R1的一端分别与固态开关V1的一端连接，二极管D1、电阻R1的另一端分别和电容C2的一端连接，通过所述二极管D1、电阻R1和电容C2形成缓冲电路，用于吸收脉冲变压器T漏感和放电回路分布电感引起的尖峰电压。

下面结合本发明的三种具体实施例进行说明：

本发明的第一种实施例的电路拓扑图如图1所示，所述直流电源E1的正端分别与储能电容C1的一端、脉冲变压器T的高电位端连接；所述脉冲变压器T的低电位端与固态开关V1的一端连接；所述固态开关V1的另一端分别与储能电容C1的另一端、直流电源E1的负端连接。当触发电路为固态开关V1的驱动电路提供触发脉冲时，通过所述储能电容C1、固态开关V1以及脉冲变压器T形成放电回路后，经脉冲变压器T得到调制器的输出脉冲。储能电容C1可以作为直流电源E1的滤波电容，直流电源E1的滤波电容可以选择较小的容量，有利于减小调制器的体积。

本发明的第二种实施例的电路拓扑图如图2所示，所述直流电源E1的正端分别与储能电容C1、固态开关V1的一端连接；所述固态开关V1的另一端与脉冲变压器T的高电位端连接；所述脉冲变压器T的低电位端分别与储能电容C1的另一端、直流电源E1的负端连接；当触发电路为固态开关V1的驱动电路提供触发脉冲时，通过所述储能电容C1、固态开关V1以及脉冲变压器T形成放电回路后，经脉冲变压器T得到调制器的输出脉冲。储能电容C1可以作为直流电源E1的滤波电容，直流电源E1的滤波电容可以选择较小的容量，有利于减小调制器的体积。

本发明的第三种实施例的电路拓扑图如图3所示，所述固态调制器组件还包括充电电感L1，其中直流电源E1的正端与充电电感L1的一端连接；所述充电电感L1的另一端分别与固态开关V1、储能电容C1的一端连接；所述固态开关V1的另一端和直流电源E1的负端连接；所述储能电容C1的另一端与脉冲变压器T的高电位端连接，所述直流电源E1的负端与脉冲变压器T的低电位端连接。

大功率固态调制器包括一个固态调制器组件和一个脉冲变压器T，脉冲变压器T有10个初级绕组，10个初级绕组全部并联且并联在所述脉冲变压器T的高电位端和低电位端之间，脉冲变压器T仅有一个次级绕组，次级绕组作为调制器的输出端输出脉冲。固态调制器组件的输出高电位端与脉冲变压器T的初级高电位端连接，固态调制器组件的输出低电位端与脉冲变压器T的初级低电位端连接。固态调制器组件产生的脉冲波形经脉冲变压器T耦合输出。

本调制器的三种实施方式中，还包括用于保护固态开关V1的电容C2，所述电容C2连接在固态开关V1的两端。所述固态调制器组件还包括二极管D1、电阻R1，所述二极管D1、电阻R1的一端分别与固态开关V1的一端连接，二极管D1、电阻R1的另一端分别和电容C2的一端连接；通过所述二极管D1、电阻R1和电容C2形成缓冲电路，用于吸收脉冲变压器T漏感和放电回路分布电感引起的尖峰电压。

所述脉冲变压器T的电路拓扑图如图4所示，脉冲变压器T有10个初级绕组，每个初级绕组有一端4和另一端5。脉冲变压器T仅有一个次级绕组。10个初级绕组全部并联在脉冲变压器T的高电位端和低电位端之间，即将所有初级绕组的一端4均并联连接在一起，作为脉冲变压器T的高电位端；所有初级绕组的另一端5均并联连接在一起，作为脉冲变压器T的低电位端。固态调制器组件的输出高电位端与脉冲变压器T的初级高电位端连接，固态调制器组件的输出低电位端与脉冲变压器T的初级低电位端连接。固态调制器组件产生的脉冲波形经脉冲变压器T的次级绕组耦合输出。

本发明的调制器的工作原理如下：电路中直流电源E1用于提供给储能电容C1进行充电，对于第三实施例中直流电源E1、充电电感L1、储能电容C1以及脉冲变压器T的初级绕组形成了充电回路。储能电容C1、固态开关V1以及脉冲变压器T形成了放电回路；调制器工作时，直流电源E1经充电电感L1与脉冲变压器T的初级绕组，对储能电容C1充电；当触发电路为固态开关V1的驱动电路提供触发脉冲时，固态开关V1导通，此时，储能电容C1经固态开关V1放电，并经脉冲变压器T耦合输出，在脉冲变压器T次级绕组得到调制器的输出脉冲，输出脉冲电压最高80kV，输出电流最大50A，脉冲平顶宽度从0.8us到几十us连续可调，重复频率超过1.2kHz；固态调制器组件的二极管D1、电阻R1和电容C2组成了缓冲电路，用于吸收脉冲变压器漏感和放电回路分布电感引起的尖峰电压，保护固态开关V1。其中，储能电容亦可作为隔直电容。电路拓扑结构相当于为高压电源设置了缓冲区，调制器负载短路时，除非调制器的过流保护无法有效保护调制器，否则高压电源基本不受调制器负载短路的影响。当调制器负载短路时，脉冲变压器次级电感能有效降低短路电流的上升率，固态调制器组件放电回路中无须串联限流电阻，能有效减少调制器损耗，大大提高了调制器的效率。

因此，本发明的调制器采用固态调制器组件和脉冲变压器，仅使用单个固态开关，无须考虑固态开关的均压以及导通的一致性。固态调制器组件位于脉冲变压器的初级，电压很低，绝缘设计较容易实现，大大改善了调制器的输出波形质量。电路拓扑结构简单、体积小、效率高，适合于多种平台使用，并且是具有工作方式实时调整、对外接口简单、易于实现模块化、工程难度小以及性能可靠等优势的大功率调制器。

Claims

1.一种小型高效的大功率固态调制器，其特征在于：包括固态调制器组件和脉冲变压器（T），其中固态调制器组件包括直流电源（E1）、储能电容（C1）、固态开关（V1），其中所述直流电源（E1）用于给储能电容（C1）进行充电；当触发电路为固态开关（V1）的驱动电路提供触发脉冲时，通过所述储能电容（C1）、固态开关（V1）以及脉冲变压器（T）形成放电回路后，经脉冲变压器（T）得到调制器的输出脉冲。

2.根据权利要求1所述的小型高效的大功率固态调制器，其特征在于：所述固态调制器组件和脉冲变压器（T）的连接为：所述直流电源（E1）的正端分别与储能电容（C1）的一端、脉冲变压器（T）的高电位端连接；所述脉冲变压器（T）的低电位端与固态开关（V1）的一端连接；所述固态开关（V1）的另一端分别与储能电容（C1）的另一端、直流电源（E1）的负端连接。

3.根据权利要求1所述的小型高效的大功率固态调制器，其特征在于：所述固态调制器组件和脉冲变压器（T）的连接为：所述直流电源（E1）的正端分别与储能电容（C1）、固态开关（V1）的一端连接；所述固态开关（V1）的另一端与脉冲变压器（T）的高电位端连接；所述脉冲变压器（T）的低电位端分别与储能电容（C1）的另一端、直流电源（E1）的负端连接。

4.根据权利要求1所述的小型高效的大功率固态调制器，其特征在于：所述固态调制器组件还包括充电电感（L1），其中直流电源（E1）的正端与充电电感（L1）的一端连接；所述充电电感（L1）的另一端分别与固态开关（V1）、储能电容（C1）的一端连接；所述储能电容（C1）的另一端与脉冲变压器（T）的高电位端连接；所述直流电源（E1）的负端分别与固态开关（V1）的另一端、脉冲变压器（T）的低电位端连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的小型高效的大功率固态调制器，其特征在于：所述固态调制器组件还包括用于保护固态开关（V1）的电容（C2），所述电容（C2）连接在固态开关（V1）的两端。

6.根据权利要求5所述的小型高效的大功率固态调制器，其特征在于：所述固态调制器组件还包括二极管（D1）、电阻（R1），所述二极管（D1）、电阻（R1）的一端分别与固态开关（V1）的一端连接，二极管（D1）、电阻（R1）的另一端分别和电容（C2）的一端连接；通过所述二极管（D1）、电阻（R1）和电容（C2）形成缓冲电路，用于吸收脉冲变压器（T）漏感和放电回路分布电感引起的尖峰电压。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的小型高效的大功率固态调制器，其特征在于：所述脉冲变压器（T）包括次级绕组和N个初级绕组，其中N个初级绕组并联在所述脉冲变压器（T）的高电位端和低电位端之间，N为1以上的自然数；所述次级绕组作为调制器的输出端输出脉冲。

8.根据权利要求4所述的小型高效的大功率固态调制器，其特征在于：所述储能电容（C1）为隔直电容。