CN103929847A - 可调集成高压栅极脉冲调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调集成高压栅极脉冲调制器，对灯丝、正偏、负偏电源等3路高电位电源电路和栅极脉冲调制电路进行改进设计，实现了3路高电位电源和栅极脉冲调制电路的高密度集成；改进高电位电源的反馈电路，采用磁反馈高压隔离采样技术，实现了在低压侧分别独立调整各路高电位电源输出电压值；增加高电位集成故障检测电路，将高电位电源多路故障集成为一路信号；改进脉冲驱动电路，增加双级消噪电路；改进栅极浮动板调制电路，增加抗打火保护电路保护调制器和行波管；改进调制器所用高压变压器结构，减小体积实现高压隔离。

Description

可调集成高压栅极脉冲调制器

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及一种可调集成高压栅极脉冲调制器，用于提供灯丝电压，并将常规的简单矩形脉冲列调制到比较复杂的编码脉冲或脉冲串调制，对栅控行波管的栅极进行调制，使行波管产生大功率毫米波信号。

背景技术

毫米波技术在雷达领域有着广泛的应用前景，随着高压脉冲调制技术、电力电子技术和高电压技术的发展，高压栅极脉冲调制器作为基础技术拓宽了毫米波雷达领域应用。雷达发射机广泛采用脉冲调制方式，包括常规的简单矩形脉冲列调制到比较复杂的编码脉冲或脉冲串调制。高压栅极脉冲调制器的任务，就是要给发射机常用的栅控行波管的栅极提供合适的视频调制脉冲。高压栅极脉冲调制器作为雷达发射机的核心部件之一，直接影响栅控行波管的工作性能。在雷达发射机中，灯丝电源为行波管的阴极加热用，该电源的电压一般在10V以内，其输出功率在几瓦到几百瓦之间；正偏电源和负偏电源为行波管栅极提供调制电压，正偏电源供调制器形成正脉冲，使得行波管产生电子束，其脉冲电压相对于阴极为零到数百伏范围内，其脉冲电流在数十毫安以内；负偏电源使得行波管电子束截止，其输出电压在几百伏到几千伏的范围内，但电流小至可以忽略。灯丝、正偏、负偏等高电位电源都悬浮在阴极高电位上，其绝缘和保护问题很重要。

目前国内使用的高压栅极脉冲调制器，多采用浮动板栅极调制方式，耐行波管打火能力较差；而灯丝、正偏、负偏等高电位电源，悬浮在发射机行波管阴极几千伏到几十千伏的高压上，高压隔离采样和调压困难，通常多为体积重量庞大的简单线性电源，或是不可调整电压的无反馈开环控制的开关电源，或是少数使用光耦、光缆、电压/频率变换等复杂高压隔离采样电路的开关电源；如果3组电源共用一个开关变换器，则只有一组电源能稳压和小范围调压，另外两组输出稳定性差、容易互相干扰或超出要求的输出范围；传统上高压隔离变压器的研制首先是制作绝缘骨架、使用漆包线绕制变压器，然后使用电工纸绕制绝缘层，再经过浸漆工艺，体积重量大。不能直接移植到毫米波小型化高机动雷达发射机上，还具有以下不足之处：

1、低压侧不可调节参数：因为高压隔离采样和调压困难，在小型化雷达发射机中从低压侧不可分别独立调节灯丝、正偏、负偏等电源电压输出。例如，传统上雷达发射机采用线性高电位电源、栅极调制电路的脉冲形成电路往往置于高压侧，需要调整参数时必须打开相关的高压油箱，调好后需要使用复杂的涉油灌封设备和工艺重新进行灌封工序，通用性和可维护性差，很难适应小型化高机动雷达发射机的要求。

2、集成度低：在雷达发射机中，栅极脉冲调制电路与灯丝、正偏、负偏电源等高电位电源一般为多个单元或组合，没有高压隔离采样电路或者高压隔离采样电路复杂，采用分离式布置，使用较多高压连接器，导致发射机体积大、对其他电路电磁干扰大。

3、可靠性较差：栅极脉冲调制电路与灯丝、正偏、负偏电源等高电位电源，都有高压侧电路部分悬浮在阴极高压上，而且高压侧电路中有源器件多，保护不完善，抗行波管打火能力较差；为了调整参数或维修方便，所以传统上多采取气体或液体介质的高压绝缘方式，很难采用固体介质实现小型化的高压绝缘。例如：发射机中传统上只有一路负偏电压检测，在高压端通过电阻分压、光缆传输，但是光缆头容易损坏；而灯丝、正偏电源故障也有可能损坏行波管，这在以前的发射机中都很难检测，也降低了发射机的可靠性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可调集成高压栅极脉冲调制器，针对现有的高压栅极脉冲调制器集成度低、不能在低压侧调节参数、结构离散笨重的问题，以适应雷达发射机发展的需求，满足高机动雷达发射机对小型化、高集成度、低压侧可调的工作要求，并提高调制器的可靠性。

技术方案

一种可调集成高压栅极脉冲调制器，包括灯丝电源电路、正偏电源电路、负偏电源电路、脉冲驱动电路和栅极脉冲调制电路；其特征在于：将灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路输入端的48V供电端并联共用，输出端的高电位公共端并联共用，形成灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路的集成；所述灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路中的反馈采用反馈变压器，其中：灯丝电源电路中的反馈由灯丝高压隔离变压器T₁与灯丝高压隔离变压器输出端并联的灯丝反馈变压器T₂组成；正偏电源电路中的反馈由正偏高压隔离变压器T₃与正偏高压隔离变压器输出端并联的正偏反馈变压器T₄组成；负偏电源电路中的反馈由负偏高压隔离变压器T₅与负偏高压隔离变压器输出端并联的负偏反馈变压器T₆组成。

在灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路的反馈整流滤波电路的输出端，灯丝半桥逆变电路中供电输入电流线路上串联的霍尔电流互感器TA1的输出端连接高电位集成故障检测电路；所述高电位集成故障检测电路包括灯丝过流、灯丝欠流、灯丝过压、灯丝欠压、正偏过压、正偏欠压、负偏过压和负偏欠压8个故障检测电路，根据灯丝半桥逆变电路中供电输入电流线路上串联的霍尔电流互感器TA1的输出端得到灯丝电流采样信号，将采样信号与基准电压比较得到灯丝过流或灯丝欠流的警示信号输出；根据灯丝反馈整流滤波电路输出端的采样信号与设定的灯丝过压门限电压或灯丝欠压门限电压进行比较，得到灯丝过压或灯丝欠压的警示信号输出；根据正偏反馈整流滤波电路输出端的采样信号与设定的正偏过压门限电压或正偏欠压门限电压进行比较，得到正偏过压或正偏欠压的警示信号输出；根据负偏反馈整流滤波电路输出端的采样信号与设定的负偏过压门限电压或负偏欠压门限电压进行比较，得到负偏过压或负偏欠压的警示信号输出。

在48V供电与灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路的输入端设有滤波电路。

所述栅极脉冲调制电路的脉冲驱动电路是由TC4424EPA集成驱动芯片U10为核心构成脉冲驱动电路，将从外部输入的开启脉冲、截尾脉冲增大驱动电流、优化波形，以驱动高压隔离脉冲变压器的初级；在U10的开启脉冲输入端2脚与3脚的地之间接TVS管V26、电阻R22和滤波电容C34，以消除输入线上的毛刺；在U10的截尾脉冲输入端4脚与3脚地之间接TVS管V27、电阻R23和滤波电容C35，以消除输入线上的毛刺；在U10的电源端6脚与3脚地之间接滤波电容C37、C38、电阻R25和TVS管V33，以进行滤波消除毛刺。

所述栅极脉冲调制电路的两级消噪电路：在U10的开启脉冲输出端7脚接限流电阻R24；快速二极管V28负端接电源端、正端接R24，快速二极管V30负端接电源端、正端接地，实现一级降噪；隔直电容C36一端接R24和V28正端，另一端接V29正端和高压隔离脉冲变压器；快速二极管V29负端接电源端、正端接R24，快速二极管V31负端接电源端、正端接地，实现二级降噪；TVS管V32负端接C36，正端接地，消除输出线上毛刺；TVS管V34负端接U10的截尾脉冲输出端5脚，正端接地，消除输出线上毛刺；0.1μF陶瓷电容C39消除栅极调制脉冲间隔内的干扰杂波。

所述栅极脉冲调制电路的高压隔离脉冲变压器包括一个初级两个次级，匝比为10:10:10。

所述高压隔离脉冲变压器，以及T₁～T₆的六个反馈变压器均采用超微晶环形磁芯。

其制作方法为：在高电位电源的高压侧，各个高频隔离变压器全部采用满足最小传输功率要求、最小窗口尺寸45mm×26mm×10mm（外径×内径×厚）的大口径超微晶环形磁芯，用高压线绕制初、次级线圈，接到低压电路的线圈在内层绕制，接到高压电路的线圈在外层绕制，层间绝缘使用聚四氟乙烯薄膜；线圈最大限度绕满内径，并增加的反馈变压器，避免为增加辅助绕组而需要增大高频隔离变压器的磁芯尺寸，易于电路布局、减小变压器体积和实施高压隔离。

所述灯丝高压隔离变压器T₁的变压比为46∶33，灯丝反馈变压器T₂的变压比为1∶1。

所述正偏高压隔离变压器T₃的变压比为10∶62，正偏反馈变压器T₄的变压比为55∶9。

所述负偏高压隔离变压器T₅的变压比为10∶57，负偏灯丝反馈变压器T₆的变压比为55∶9。

有益效果

本发明提出的一种可调集成高压栅极脉冲调制器，集成了灯丝、正偏、负偏等3组高电位电源，改进高电位电源的反馈电路，使其参数在低压侧能够分别独立调节，增加高电位集成故障检测电路，并对调制器的主要部件栅极脉冲调制电路进行改进设计，完善了保护电路，以满足小型化高机动雷达发射机工作条件的要求。

首先，本发明对高电位电源进行改进：在高压栅极脉冲调制器内部集成灯丝、正偏、正偏电源等3路独立的高频半桥开关稳压电源，采用磁反馈高压隔离采样技术，实现可靠的高压隔离采样，可以分别独立调整电压输出值，以达到行波管的最佳工作点；改进高频隔离变压器结构，减小体积实现高压隔离，并增加反馈变压器以产生磁反馈信号；输入低压侧的磁反馈信号通过放大和比较电路来进行多个故障检测，并集成为一路高电位故障信号进行保护，同时上报给发射机控制单元处理，同时输出4路高电位状态检测信号，便于现场测试或作进一步信号处理；这3路高电位电源共用一个高电位公共端，减少所需高电位公共端及高压连接器数量；高压侧的四倍压整流滤波电路增加高压共模滤波电感减小正、负偏电压输出纹波，并增加限流和过压保护元件提高抗行波管打火能力。

其次，本发明对栅极脉冲调制电路进行改进：对低压侧的脉冲驱动电路，增加抗打火保护电路保护；改进浮动板栅极调制电路，优化栅极调制脉冲波形，增加多级高压抗打火保护电路，以保护栅极脉冲形成电路的高压侧的有源器件和行波管不损坏。

本发明将灯丝、正偏、负偏等3路高电位电源集成在高压栅极脉冲调制器内部，采用体积小、重量轻、效率高、热耗小的高频开关电源技术，设计了灯丝、正偏、负偏3组独立的半桥开关电源电路，分别采用磁反馈高压隔离采样技术对电压输出准确、可靠地进行高压隔离采样，以实现稳压和调压，能够在低压侧能够精确、安全地调整正偏、负偏电源的电压输出值，使行波管达到最佳工作状态，并且电压输出值幅度可以大范围调整，对不同的行波管适应性强，通用性和可维护性好；同时，增加的高电位集成故障检测电路，将低压侧的磁反馈信号输入其中，通过放大和比较电路来进行多个故障检测，并集成为一路高电位故障信号上报给发射机控制单元处理，并同时输出4路高电位状态检测信号，便于现场测试或作进一步信号处理。在高电位电源的高压侧，各个高频隔离变压器全部采用满足最小传输功率要求、最小窗口尺寸45mm×26mm×10mm（外径×内径×厚）的大口径超微晶环形磁芯，用高压线绕制初、次级线圈，接到低压电路的线圈在内层绕制，接到高压电路的线圈在外层绕制，层间绝缘使用聚四氟乙烯薄膜；线圈最大限度绕满内径，并增加的反馈变压器，避免为增加辅助绕组而需要增大高频隔离变压器的磁芯尺寸，易于电路布局、减小变压器体积和实施高压隔离。在各个整流滤波电路中，输出低压大电流的灯丝电源使用二极管连接的桥式整流，输出高压小电流的正偏和负偏电源使用四倍压整流实现升压和整流功能，减少了正、负偏电源的高压隔离变压器次级匝数；正、负偏电源电压输出高，无法使用普通的共模滤波电感，因此在其四倍压整流滤波电路中分别增加用高压线绕制的高压共模滤波电感，减小电压输出纹波，并增加限流功率电阻和压敏电阻、放电管等提高抗行波管打火能力。这3路电源共用一个高电位公共端，即悬浮在阴极高压上，减少所需高电位公共端及高压连接器数量；高压侧电路简单、所用的器件有源器件少、耐压较低、参数固定不必调整、保护完善，为简化高压绝缘提供条件，并提高了该调制器的通用性和可靠性。

本发明将栅极脉冲调制电路分为低压侧的脉冲驱动电路，和高压侧的栅极脉冲电路等。在低压侧，给脉冲驱动电路的输出增加两级消噪电路，在高压打火时保护集成电路不损坏。在高压侧，采用浮动板栅极调制电路，增加输出隔直电容，增加多级高压抗打火保护电路，以保护调制器高压侧的栅极调制脉冲电路的有源器件以及行波管不损坏；传递调制脉冲的隔离变压器也用45mm×26mm×10mm（外径×内径×厚）的超微晶环形磁芯，用高压线绕制初、次级线圈，接到低压电路的线圈在内层绕制，接到高压电路的线圈在外层绕制，减小体积实现高压隔离；高压电路取消了光缆及其高压悬浮电路、模拟集成电路、以及线性稳压器等有源器件，仅保留必须的MOS管作为开启管、截尾管，并对MOS管增加气体放电管和TVS等多级高压抗打火保护电路措施，使调制器单元增强抗行波管打火能力，提高发射机可靠性。

本发明的调制器与现有的高压栅极调制器相比较，所具有的特点是：

（1）集成度高：除了行波管和高压电源之外，集成了灯丝电源、正偏电源、负偏电源等3路高电位电源、脉冲驱动电路、栅极脉冲调制电路、以及高电位集成检测保护电路等发射机的所有高压电路，并可以将高低压电路集中在一个单体内，节省空间，降低电磁干扰、减少高压连接器数量。

（2）灯丝、正偏、负偏等高电位电源的电压输出可以在低压侧调节：采用磁反馈隔离采样技术，灯丝电源、正偏电源、负偏电源的输出电压均可实现稳压，并在低压侧可以分别独立、大幅值调节输出电压值，互不干扰。

（3）悬浮于阴极高压上的栅极调制脉冲，能够在低压侧调整输出幅度：正偏电源、负偏电源的输出电压分别作为栅极调制脉冲的顶部和底部，而且都实现了稳压，并在低压侧可以分别独立调节输出电压值，互不干扰。

（4）耐压高小型化效果好：在同样耐30kV高电压条件下的现有高压栅极脉冲调制器中，易于实现固体介质高压绝缘方式，减小体积重量；所有高频高压隔离变压器和反馈变压器，使用45mm×26mm×10mm（外径×内径×厚）的超微晶环形磁芯，小于传统工频隔离变压器体积重量的1/3；利于实现发射机小型化。

（5）可靠性高：实现了高电位集成故障检测信号的上报、高电位状态检测信号的导出；对脉冲驱动电路输出保护；高频高压隔离变压器和反馈变压器，用高压线绕制初、次级线圈，接到低压电路的线圈在内层绕制，接到高压电路的线圈在外层绕制，并层间加聚四氟乙烯薄膜，比聚亚酰胺的韧性和延展性好，比电工纸的绝缘性好。减小体积实现高压隔离；增加高电位电源的高压电路滤波、限流和过压保护，增加在栅极脉冲调制电路内多级高压抗打火保护电路，抗行波管打火能力强。

附图说明

图1本发明线路组成框图

图2本发明高电位电源半桥逆变电路原理图

图3本发明高电位电源磁反馈及整流电路原理图

图4本发明高电位集成故障检测电路原理图

图5本发明脉冲驱动电路和双级消噪电路原理图

图6本发明栅极调制脉冲电路原理图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例采用的技术方案是：对调制器的主要部件脉冲调制电路和进行了改进设计并集成了灯丝、正偏、负偏等高电位电源，并集成了多路高电位故障信号，以满足高机动雷达发射机工作条件的要求。

如图1所示，发明的调制器，由高电位电源电路、栅极脉冲调制电路等2部分组成。高电位电源电路采用高频开关式直流稳压工作方式，为行波管提供工作需要的灯丝电源，为栅极脉冲调制器电路提供正、负偏电源，并上报高电位集成故障信号、导出高电位状态检测信号；栅极脉冲调制电路采用浮动板栅极调制技术，产生所需的栅极调制脉冲，驱动行波管工作。

雷达供电后发射机自动进入加电状态，该调制器收到工作信号后灯丝、正偏、负偏等3路电源开始工作，输入48V直流电压到高频脉冲的变换，整个电路通过控制电路和驱动电路实现变换功能，将高频脉冲输入到高压侧的高频隔离变压器，经过整流桥式或四倍压电路整流，输出灯丝电压提供给行波管，输出正负偏电压提供给脉冲调制电路，产生栅极调制脉冲，对行波管进行调制，对微波小信号进行放大并输出大功率的脉冲功率信号到雷达天线。

本发明的调制器在研制过程当中，主要对高电位电源电路、栅极脉冲调制电路等两个方面进行了改进设计。

一、高电位电源电路设计

本发明的调制器的高电位电源电路集成了灯丝电源、正偏电源、负偏电源等3路直流高电位电源，其输出悬浮在阴极高压上：灯丝电压-14V～-9V可调、电流≥3A，正偏电源+260～+540V可调、电流20mA，负偏电源-350～-520V可调、电流10mA，灯丝和正偏电源输出电压稳定度5×10^－3。为了满足行波管工作的技术要求，灯丝电源加热阴极以产生电子束，正、负偏电源提供栅极调制脉冲的正、负偏置电压。

使用高频开关电源技术设计高电位电源，工作效率远高于使用3端稳压器等线性电源技术，发热量低，为使用固体介质的高压绝缘方式提供了前提。该高电位电源采用3路独立半桥逆变电路，以及磁反馈高压隔离采样技术。采用半桥逆变电路，具有两大抗不平衡特性，即功率开关管能自动均流、高频功率变压器不易饱和。通过变压器漏感与开关器件的分布电容实现软开关导通与关断，减小开关管的开关损耗，同时由于变换器输出波形较好，使高压高频变压器的损耗减小，效果明显。采用磁反馈高压隔离采样技术，既为PWM控制电路提供可靠的闭环负反馈电压，使得3路高电位电源分别实现稳压和在低压侧分别独立可调，又能够实现高电位集成故障检测电路。

如图1所示，高电位电源电路由灯丝电源电路、正偏电源电路、负偏电源电路和高电位集成故障检测电路等4部分组成。

1、灯丝电源电路

其功能为完成供电输入到灯丝输出电压的变换，分为7部分：在低压侧的电位器、PWM控制电路、半桥逆变电路、反馈整流滤波电路，在高压侧的高压隔离变压器、反馈变压器、桥式整流滤波电路。

（1）电位器：

其功能为调整输出电压。采用多圈精密、调整端可锁紧的3端子电位器，该电位器的两个固定端分别连接高压隔离采样信号到PWM控制电路中的SG1525的12脚（GND），而一个活动端则连接PWM控制电路中的SG1525的1脚（内部误差比较器同相输入端）。旋转电位器的活动端，可以微调SG1525的1脚电压，改变SG1525的PWM脉冲的占空比，从而达到调整输出电压幅值的目的。

（2）PWM控制电路：

由电压控制型PWM集成控制器SG1525作为核心控制芯片，输出PWM脉冲，经过驱动器IR2110，驱动半桥逆变电路的MOS管的栅极，使半桥逆变电路工作。将通过反馈整流滤波电路得到高压隔离采样的直流电压，输入SG1525的内部误差比较器，调节输出的PWM脉冲的占空比，实现稳压控制，并可以使用低压侧电位器精确调整电压输出值。

（3）半桥逆变电路：

如图2所示。系统的48V供电经过滤波电路输入灯丝电源，即48V供电接保险丝FU1，FU1接1.5KE62A的TVS管V1的负端，V1的正端接48V的回线，V1的负端与滤波器Z1的输入正端相接，V1的正端与滤波器Z1的输入负端相接，Z1的输出端并联了大容量电解电容C1和C2储能、0.1μ陶瓷电容C3滤高频杂波、以及68V压敏电阻R1防过压和100kΩ/2W放电电阻R2；C2的正端串联霍尔电流互感器TA1，再连接半桥逆变电路，由MOS管V3、V4、电容C6～C9以及电阻R5～R6组成。该半桥逆变电路输出PWM高频脉冲，输入在高压侧的高压隔离变压器的初级。通过高压隔离变压器漏感与MOS管的分布电容形成谐振，实现MOS管的软开关导通与关断，减小开关管的开关损耗，同时由于变换器输出波形较好毛刺少，减小了高压隔离变压器的功耗。

（4）高压隔离变压器：

如图3所示T1。其功能是将半桥逆变电路输出PWM高频脉冲，经过以匝比46:33降压和高压隔离输入桥式整流滤波电路。该变压器采用45mm×26mm×10mm（外径×内径×厚）超微晶环形磁芯，用外径仅1.6mm工作电压18kV耐压22kV的高压线绕制初、次级线圈，接到低压电路的线圈在内层绕制，接到高压电路的线圈在外层绕制，并缠绕聚四氟乙烯薄膜作为层间绝缘，实现初次级≥35kV的高压隔离，工艺简单可靠性高，大幅减小变压器的体积。

（5）反馈变压器：

如图3所示T2。其功能是将高频隔离变压器的输出PWM高频脉冲，即桥式整流滤波电路的输入信号，输入反馈变压器初级，再1:1输出到次级，作为高压隔离取样信号输入在低压侧的反馈整流滤波电路。采用磁反馈高压隔离采样技术，即通过对整流电路输入的磁反馈采样以及反馈变压器的高压绝缘，间接地同步得到电源输出直流电压幅度的线性变化，解决了悬浮在高压上的高电位电源输出直流电压的高压隔离采样困难的问题；由于单独设置了反馈变压器，则高压隔离变压器可以尽可能选小体积磁芯，不必为了高压绝缘而选择内径更大的磁芯，而且反馈变压器可以灵活地调整匝数，以得到合适的电压输出。该变压器采用与高压隔离变压器相同的制作方法，仅匝数目不同。

（6）反馈整流滤波电路：

如图1所示。其功能是将反馈变压器次级输出的交流的高压隔离取样信号整流，得到合适的直流电压，作为直流的高压隔离采样信号，输入PWM控制电路、高电位集成故障检测电路。采用超快恢复二极管LL4148连接成桥式整流电路，将其直流输出端并联10μF电解电容和0.1μF陶瓷电容滤波，然后分两路输出，一路直接连接输出电压调整电位器的一个固定端，另一路输入高电位集成故障检测电路内相应的射随器进行隔离，避免干扰前一路信号而影响PWM控制电路工作。

（7）桥式整流滤波电路：

如图3所示，其功能将由高压隔离变压器输出的PWM高频脉冲，整流滤波得到直流电压输出。PWM高频脉冲使用二极管V9～V12构成的桥式整流，通过电容C18～C21储能滤波，电阻R11、R12作为假负载，L1是共模滤波电感，27V压敏电阻R13和18V的TVS管V13对输出过压保护。

2、正偏电源电路

其功能为完成供电输入到正偏电压输出的变换，分为7部分：在低压侧的电位器、PWM控制电路、半桥逆变电路、反馈整流滤波电路，在高压侧的高压隔离变压器、反馈变压器、四倍压整流滤波电路。

正偏电源电路与灯丝电源电路基本相同，所不同的是：

（3）半桥逆变电路：

如图2所示。系统的供电48V滤波后，C2的正端未串联霍尔电流互感器，而串联了保险丝FU3，再连接正偏电源的半桥逆变电路，由MOS管V5、V6、电容C10～C13以及电阻R7～R8组成。

（4）高压隔离变压器：

如图3所示T3。其功能是将半桥逆变电路输出的PWM高频脉冲，经过高压隔离，以匝比10:62升压到约140V输入四倍压整流滤波电路。

（5）反馈变压器：

如图3所示T4。其功能是将高频隔离变压器输出的PWM高频脉冲，即四倍压整流滤波电路的输入信号，输入反馈变压器初级，再以匝比55:9降压到约18V输出到次级，作为高压隔离取样信号输入在低压侧的反馈整流滤波电路。

（7）四倍压整流滤波电路

如图3所示，其功能将由高压隔离变压器的输出PWM高频脉冲，整流滤波得到输出电压。PWM高频脉冲经过高压隔离变压器一次升压，再用高压快速二极管V14～V17和高压陶瓷电容C22～C25构成的四倍压整流电路,实现二次升压和整流，采用二次升压技术可减少高压隔离变压器次级匝数，减小高频隔离变压器体积。大容量电解电容C26～C27储能滤波，电阻R14、R15是假负载。

其中，L2是高压共模滤波电感，抑制共模噪声减小输出纹波；一般共模电感采用漆包线绕制，但其工作电压接近600V，传统的漆包线耐压强度不够；高压共模电感使用外径小于0.7mm高压线绕制线圈，可以使用小直径电感磁环绕制，减小高压共模电感的尺寸。

此外，680V压敏电阻R16和1.5KE330A的TVS管V18、V19防止输出过压，与20Ω/20W限流电阻R17一起提高电源的抗行波管打火能力。

3、负偏电源电路

其功能为完成供电输入到负偏电压输出的变换，分为7部分：在低压侧的电位器、PWM控制电路、半桥逆变电路、反馈整流滤波电路，在高压侧的高压隔离变压器、反馈变压器、四倍压整流滤波电路。

负偏电源电路与正偏电源电路基本相同，所不同的是：

（3）半桥逆变电路：

如图2所示。系统的供电48V滤波后，C2的正端未串联霍尔电流互感器和保险丝，连接负偏电源的半桥逆变电路，由MOS管V7、V8、电容C14～C17以及电阻R9～R10组成。

（4）高压隔离变压器：如图3所示T5。以匝比10:57升压到约130V。

（5）反馈变压器：如图3所示T6。以匝比55:9降压到约17V。

（7）四倍压整流滤波电路：

用高压快速二极管V20～V23和高压陶瓷电容C28～C31构成的四倍压整流电路,实现二次升压和整流。大容量电解电容C32～C33储能滤波，电阻R18、R19作为假负载。

其中，L3是高压共模滤波电感。

此外，680V压敏电阻R20和1.5KE330A的TVS管V24、V25防止输出过压，与20Ω/20W限流电阻R21一起提高电源的抗行波管打火能力。

4、高电位集成故障检测电路：

如图4所示。其功能为完成灯丝过流、灯丝欠流、灯丝过压、灯丝欠压、正偏过压、正偏欠压、负偏过压、负偏欠压等8个故障检测，集成为一路高电位集成故障检测信号输出，用来上报发射机，其中延时检测灯丝电源故障；并同时输出4路高电位状态检测信号，作为高电位状态检测信号输出，便于现场测试或作进一步信号处理；分为5部分：灯丝电源故障延时检测电路、正偏故障检测电路、负偏故障检测电路、集成故障检测电路、高电位状态检测电路。

（1）灯丝电源故障延时检测电路：

如图4所示。行波管灯丝电阻冷态小热态大，相应地设置了灯丝电源慢启动，开机后灯丝电压输出幅值缓慢上升，因此灯丝电流、灯丝电压的相关检测必须延时30秒后检测。

图2中霍尔电流互感器TA1对灯丝半桥逆变电路的供电输入电流进行检测，并从端子①输出灯丝电流采样信号约+2.5V左右（该电压随被检电流线性变化，最大变化幅度约0.6V左右），输入图4中射随器1进行隔离，并增大电流驱动能力；再与+2.5V基准电压一起输入差动放大器，当灯丝电流正常时得到约+0.2V差值电压信号，其幅值反应灯丝电流的大小；将该差值电压信号通过同相放大器放大30倍，得到约+6V电压信号，将该信号输入比较器1与设定过流门限电压比较，若该信号小则比较器1输出低电平表示正常，若该信号大则比较器1输出高电平报出灯丝过流；将该信号输入比较器2与设定欠流门限电压比较，若该信号大则比较器2输出低电平表示正常，若该信号小则比较器2输出高电平报出灯丝欠流。比较器1、2分别通过二极管V61、V62输出接拨码开关S1的1、2脚。

将图1中灯丝高压隔离采样信号输入图4射随器2进行隔离，并增大电流驱动能力；再将该信号输入比较器3与设定过压门限电压比较，若该信号小则比较器3输出低电平表示正常，若该信号大则比较器3输出高电平报出灯丝过压；同时，将该信号输入比较器4与设定欠压门限电压比较，若该信号大则比较器4输出低电平表示正常，若该信号小则比较器4输出高电平报出灯丝欠压。比较器3、4分别通过二极管V63、V64输出接拨码开关S1的3、4脚。

如图4所示。用延时电路控制比较器1、2、3、4的供电，在开机后延时30秒到后才对比较器1、2、3、4供电，实现灯丝延时检测功能；延时电路可以采用RC延时电路和继电器来控制供电等方式来实现。

（2）正偏故障检测电路：

将图1中正偏高压隔离采样信号输入图4射随器3进行隔离，并增大电流驱动能力；再将该信号输入比较器5与设定过压门限电压比较，若该信号小则比较器5输出低电平表示正常，若该信号大则比较器5输出高电平报出正偏过压；同时，将该信号输入比较器6与设定欠压门限电压比较，若该信号大则比较器6输出低电平表示正常，若该信号小则比较器6输出高电平报出正偏欠压。比较器5、6分别通过二极管V65、V66输出接拨码开关S1的5、6脚。

（3）负偏故障检测电路：

将图1中负偏高压隔离采样信号输入图4射随器4进行隔离，并增大电流驱动能力；再将该信号输入比较器7与设定过压门限电压比较，若该信号小则比较器7输出低电平表示正常，若该信号大则比较器7输出高电平报出负偏过压；同时，将该信号输入比较器8与设定欠压门限电压比较，若该信号大则比较器8输出低电平表示正常，若该信号小则比较器8输出高电平报出负偏欠压。比较器7、8分别通过二极管V67、V68输出接拨码开关S1的7、8脚。

（5）集成故障检测电路：

如图4所示。将灯丝过流、灯丝欠流、灯丝过压、灯丝欠压、正偏过压、正偏欠压、负偏过压、负偏欠压等8个故障检测信号分别输入V61～V68，通过S1连接到一起，起到或门的作用；S1内部有8路开关，通常保持接通，任意一路发生故障，则S1就输出高电平，如果需要屏蔽任意一路故障，则可以断开相应的开关，实现相关故障的屏蔽作用；S1的单一输出连接比较器9、10，与设定故障门限电压相比较，若S1的输出小，则比较器9输出低电平使得用于指示故障的发光二极管灭，比较器10输出的高电位集成故障检测信号为高电平表示正常；若S1的输出大，则比较器9输出高电平使得用于指示故障的发光二极管亮，比较器10输出的高电位集成故障检测信号为低电平表示故障；此外，用低电平表示故障集成故障检测电路也可以报出高压栅极脉冲调制器无供电故障，因此该电路总共可以集成报出9路故障。

（6）高电位状态检测电路：

如图4所示。射随器2的输出连接电阻分压器1进行分压，得到约+5V灯丝电压状态信号，其幅度变化反映灯丝电压输出幅度的线性变化；射随器3的输出连接电阻分压器2进行分压，得到约+5V正偏电压状态信号，其幅度变化反映正偏电压输出幅度的线性变化；射随器4的输出连接电阻分压器3进行分压，得到约+5V负偏电压状态信号，其幅度变化反映负偏电压输出幅度的线性变化；这3路电压状态信号与比较器10输出的高电位集成故障检测信号总共4路信号，共同作为高电位状态检测信号，易于作进一步信号处理，或者实现在发射机工作时现场进行测试。

二、栅极脉冲调制电路设计

本发明调制器的栅极脉冲调制由外部开启脉冲和截尾脉冲，经过驱动和两级消噪，由高压脉冲隔离变压器高压隔离，传输到栅极浮动板调制电路产生栅极调制脉冲输出驱动行波管栅极，增加多级高压抗打火保护电路。

如图1所示，栅极脉冲调制电路由在低压侧的脉冲驱动电路、两级消噪电路，以及在高压侧的高压隔离脉冲变压器、开启管及其驱动电路、截尾管及其驱动电路、栅极脉冲调制及其保护电路等6部分组成。

1、脉冲驱动电路：

如图5所示。由TC4424EPA集成驱动芯片U10为核心构成脉冲驱动电路，将从外部输入的开启脉冲、截尾脉冲增大驱动电流、优化波形，以驱动高压隔离脉冲变压器的初级。在U10的开启脉冲输入端2脚与3脚（地）之间接TVS管V26、电阻R22、滤波电容C34消除输入线上的毛刺；在U10的截尾脉冲输入端4脚与3脚（地）之间接TVS管V27、电阻R23、滤波电容C35消除输入线上的毛刺；在U10的电源端6脚与3脚（地）之间接滤波电容C37、C38、电阻R25、TVS管V33，进行滤波消除毛刺。

2、两级消噪电路：

如图5所示。对脉冲驱动电路的输出增加两级消噪电路，其功能是对U10的输出增加滤波消噪和保护，增强U10的抗行波管打火能力，在发射机的行波管、高压电源等发生打火时，地线和电磁环境受到影响时，确保U10完好。在U10的开启脉冲输出端7脚接限流电阻R24；快速二极管V28负端接电源端、正端接R24，快速二极管V30负端接电源端、正端接地，实现一级降噪；隔直电容C36一端接R24和V28正端，另一端接V29正端和高压隔离脉冲变压器；快速二极管V29负端接电源端、正端接R24，快速二极管V31负端接电源端、正端接地，实现二级降噪；TVS管V32负端接C36，正端接地，消除输出线上毛刺；TVS管V34负端接U10的截尾脉冲输出端5脚，正端接地，消除输出线上毛刺；0.1μF陶瓷电容C39消除栅极调制脉冲间隔内的干扰杂波。

3、高压隔离脉冲变压器：

如图6所示T7。其功能是将U10的输出的合成一路的开启/截尾脉冲，输入高压侧驱动开启管和截尾管。该变压器有一个初级两个次级，匝比为10:10:10,采用45mm×26mm×10mm（外径×内径×厚）超微晶环形磁芯，磁通量较大，直接可以无失真地传输60μs宽脉宽。该变压器采用45mm×26mm×10mm（外径×内径×厚）超微晶环形磁芯，用外径仅1.6mm工作电压18kV耐压22kV的高压线绕制初、次级线圈，接到低压电路的线圈在内层绕制，接到高压电路的线圈在外层绕制，并缠绕聚四氟乙烯薄膜作为层间绝缘，实现初次级≥35kV的高压隔离，工艺简单可靠性高，大幅减小变压器的体积减小体积。

4、开启管及其驱动电路：

如图6所示。其功能是产生栅极调制脉冲的前沿和顶部。将从高压隔离脉冲变压器次级传来的合成一路的开启/截尾脉冲，用快速二极管V34得到开启脉冲驱动开启管V38，V38可选用工作电压1500V以上的MOS管，脉冲前沿≤0.8μs顶部平坦。正偏电压通过防反压的二极管V53输入接V34的源极D，V34的漏极S接100Ω/8W无感功率电阻R29限流，V34的栅极G和漏极S之间接4.7Ω的匹配电阻R27和防过压TVS管V36，选用TVS管型号P6KE22CA；V40～V42是3只TVS管1.5KE440CA串联，再与1400V气体放电管V46并联，然后接到V34的源极D和漏极S之间，以组合保护方式防止行波管打火过压损坏MOS管。TVS管耐受电流小、动作电压准确与标称电压偏差较小，而气体放电管耐受电流大、动作电压相比标称值偏差较大，多数在±10%左右变化；因此在MOS管的源极D和漏极S之间并联TVS管V40～V42和气体放电管V46的组合保护方式，可以结合小打火电压、小打火能量的精确保护与大打火电压、大打火能量的安全保护这两种保护功能，在发生行波管打火时可靠地保护MOS管的源极D和漏极S之间不被击穿；因为MOS管的栅极G和漏极S之间接4.7Ω的匹配电阻R27，所以栅极G和漏极S之间几乎同电位，在发生行波管打火时该组合保护方式也可以可靠地保护MOS管的源极D和漏极S之间不被击穿。

5、截尾管及其驱动电路：

如图6所示。其功能是产生栅极调制脉冲的后沿。将从高压隔离脉冲变压器次级传来的合成一路的开启/截尾脉冲，用快速二极管V35得到截尾脉冲驱动截尾管V39，V39可选用工作电压1500V以上的MOS管，脉冲后沿≤1μs。负偏电压接V39的漏极S，V39的源极D接100Ω/8W无感功率电阻R30限流，V39的栅极G和漏极S之间接匹配电阻R28和防过压TVS管V37，选用TVS管型号P6KE22CA；V43～V45是3只TVS管1.5KE440CA串联，再与1400V气体放电管V47并联，然后接到V39的源极D和漏极S之间，这种TVS管V43～V45和气体放电管V47的组合保护方式，可以结合小打火电压、小打火能量的精确保护与大打火电压、大打火能量的安全保护这两种保护功能，在发生行波管打火时可靠地保护V39的源极D和漏极S之间不被击穿；因为V39的栅极G和漏极S之间接4.7Ω的匹配电阻R28，所以栅极G和漏极S之间几乎同电位，在发生行波管打火时该组合保护方式也可以可靠地保护V39的源极D和漏极S之间不被击穿。

6、栅极脉冲调制及其保护电路：

如图6所示。其功能是将形成的调制脉冲经过保护电路驱动行波管栅极。采用浮动板栅极调制电路产生栅极调制脉冲，波形好、前后沿陡、效率高，发热小。增加多级高压抗打火保护电路，由V38和V39得到栅极调制脉冲，经过1200V/0.47μF高频薄膜电容C39隔直，当V38发生直通故障时，防止正偏电压直接加到行波管栅极上造成行波管栅极损坏；再经过100Ω/8W无感功率电阻R41限流，然后输出到行波管栅极。电阻R31～R34、R36～R39和电容C39构成一个回路，这些电阻可以对C39在进行放电。电阻R36～R39串联后，其两端与高压快恢复二极管V49～V51串联后的两端相接，然后再与气体放电管V52和限流电阻R40串联后的两端相接，一端与C39、R41连接，另一端连接负偏电压输入，在V39不工作或发生断路故障时，将栅极调制脉冲的底部可靠地箝位在负偏电压上，确保行波管工作安全。1400V气体放电管V52和限流电阻R40串联后，一端接V49和R41，另一端接负截尾管偏电压输入，当行波管发生打火时，可以泄放打火能量，保护开启管和截尾管。1400V气体放电管V48和限流电阻R35串联后，一端接R33和C39，另一端接负截尾管偏电压输入，当行波管发生打火时，可以泄放打火能量，保护栅极脉冲调制电路。

Claims (10)

1.一种可调集成高压栅极脉冲调制器，包括灯丝电源电路、正偏电源电路、负偏电源电路、脉冲驱动电路和栅极脉冲调制电路；其特征在于：将灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路输入端的48V供电端并联共用，输出端的高电位公共端并联共用，形成灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路的集成；所述灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路中的反馈采用反馈变压器，其中：灯丝电源电路中的反馈由灯丝高压隔离变压器T₁与灯丝高压隔离变压器输出端并联的灯丝反馈变压器T₂组成；正偏电源电路中的反馈由正偏高压隔离变压器T₃与正偏高压隔离变压器输出端并联的正偏反馈变压器T₄组成；负偏电源电路中的反馈由负偏高压隔离变压器T₅与负偏高压隔离变压器输出端并联的负偏反馈变压器T₆组成。

2.根据权利要求1所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：在灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路的反馈整流滤波电路的输出端，灯丝半桥逆变电路中供电输入电流线路上串联的霍尔电流互感器TA1的输出端连接高电位集成故障检测电路；所述高电位集成故障检测电路包括灯丝过流、灯丝欠流、灯丝过压、灯丝欠压、正偏过压、正偏欠压、负偏过压和负偏欠压8个故障检测电路，根据灯丝半桥逆变电路中供电输入电流线路上串联的霍尔电流互感器TA1的输出端得到灯丝电流采样信号，将采样信号与基准电压比较得到灯丝过流或灯丝欠流的警示信号输出；根据灯丝反馈整流滤波电路输出端的采样信号与设定的灯丝过压门限电压或灯丝欠压门限电压进行比较，得到灯丝过压或灯丝欠压的警示信号输出；根据正偏反馈整流滤波电路输出端的采样信号与设定的正偏过压门限电压或正偏欠压门限电压进行比较，得到正偏过压或正偏欠压的警示信号输出；根据负偏反馈整流滤波电路输出端的采样信号与设定的负偏过压门限电压或负偏欠压门限电压进行比较，得到负偏过压或负偏欠压的警示信号输出。

3.根据权利要求1所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：在48V供电与灯丝电源电路、正偏电源电路和负偏电源电路的输入端设有滤波电路。

4.根据权利要求1所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：所述栅极脉冲调制电路的脉冲驱动电路是由TC4424EPA集成驱动芯片U10为核心构成脉冲驱动电路，将从外部输入的开启脉冲、截尾脉冲增大驱动电流、优化波形，以驱动高压隔离脉冲变压器的初级；在U10的开启脉冲输入端2脚与3脚的地之间接TVS管V26、电阻R22和滤波电容C34，以消除输入线上的毛刺；在U10的截尾脉冲输入端4脚与3脚地之间接TVS管V27、电阻R23和滤波电容C35，以消除输入线上的毛刺；在U10的电源端6脚与3脚地之间接滤波电容C37、C38、电阻R25和TVS管V33，以进行滤波消除毛刺。

5.根据权利要求1所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：所述栅极脉冲调制电路的两级消噪电路：在U10的开启脉冲输出端7脚接限流电阻R24；快速二极管V28负端接电源端、正端接R24，快速二极管V30负端接电源端、正端接地，实现一级降噪；隔直电容C36一端接R24和V28正端，另一端接V29正端和高压隔离脉冲变压器；快速二极管V29负端接电源端、正端接R24，快速二极管V31负端接电源端、正端接地，实现二级降噪；TVS管V32负端接C36，正端接地，消除输出线上毛刺；TVS管V34负端接U10的截尾脉冲输出端5脚，正端接地，消除输出线上毛刺；0.1μF陶瓷电容C39消除栅极调制脉冲间隔内的干扰杂波。

6.根据权利要求1所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：所述栅极脉冲调制电路的高压隔离脉冲变压器包括一个初级两个次级，匝比为10:10:10。

7.根据权利要求1或6所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：所述高压隔离脉冲变压器，以及T₁～T₆的六个反馈变压器均采用超微晶环形磁芯。

8.根据权利要求1所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：所述灯丝高压隔离变压器T₁的变压比为46∶33，灯丝反馈变压器T₂的变压比为1∶1。

9.根据权利要求1所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：所述正偏高压隔离变压器T₃的变压比为10∶62，正偏反馈变压器T₄的变压比为55∶9。

10.根据权利要求1所述可调集成高压栅极脉冲调制器，其特征在于：所述负偏高压隔离变压器T₅的变压比为10∶57，负偏反馈变压器T₆的变压比为55∶9。