CN111355474B - 固态调制器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种固态调制器的控制方法，采用固态开关在线性区的阻抗特性，通过改变固态开关在线性区的工作点，和/或改变固态开关由线性区转换为饱和区的转换时刻，实现脉冲输出波形的调整；具体是对固态开关施加不同的栅极信号(电压)，调节栅极信号幅值改变固态开关在线性区的工作点和阻抗，增大或减小不同栅极信号的转换时刻，实现固态开关由线性区转换为饱和区的调节。本发明的固态调制器的电路简单、控制简单，且输出电流的平顶效果好，解决了固态调制器在带磁控管、速调管负载时，脉冲电流波形下降或过冲或振荡的问题；本方法适用于单一脉冲输出或双能脉冲输出的波形调节，能有效解决双能脉冲交替输出时脉冲电流波形无法同时调平的问题。

Description

固态调制器的控制方法

技术领域

本发明涉及固态调制器技术领域，具体涉及一种固态调制器的控制方法。

背景技术

固态调制器一般是指通过具有可开通、可关断功能的功率半导体器件(如IGBT和功率MOSFET)串联或者并联组成的固态开关直接产生高压脉冲的脉冲电源。固态调制器要求输出脉冲功率非常大，其输出脉冲波形的平顶度和过冲保护是固态调制器的重要技术指标之一，对后级应用有着重要影响。众所周知，脉冲磁控管是非线性器件，其电气特性类似于二极管，即存在明显的阈值电压Ut，当磁控管阳极电压小于阈值电压Ut时，磁控管的阻抗近似无穷大，电流很小且变化缓慢，Ut一般不低于工作电压的90％。当磁控管的阳极电压超过阈值电压后，电压变化单调上升时，电流变化十分迅速，在脉冲电压超过磁控管阳极阈值电压后的脉冲平顶阶段，磁控管的电流幅度及波动受磁控管的静态电阻和动态电阻共同决定。很难在磁控管负载上获得比较理想的电流波形。

现有专利(CN107070179A一种脉冲变压器的顶冲消除电路及其顶冲消除方法)，是基于多组脉冲单元电路并联，运用半导体功率器件的相对开通或者关断特性，采用调节各脉冲单元电路的单独开启及时延，实现脉冲变压器后输出脉冲电压波形的顶部高平坦度。其存在脉冲单元电路多、功率器件逻辑控制复杂、脉冲变压器制造复杂、成本高等不足之处。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中存在的不足，提供一种固态调制器的控制方法，通过运用固态开关工作特性和工作特性变化来调整固态调制器负载上的脉冲电压电流波形，使固态调制器输出更容易满足负载应用需要。

一种固态调制器主要包括直流电源、储能单元、固态开关，所述直流电源的输出端并联有储能单元或固态开关，且所述直流电源的输出端经固态开关或储能单元连接至脉冲变压器/和或负载，所述储能单元为储能电容，所述负载为磁控管或调速管。一种固态调制器的控制方法，通过所述直流电源为储能单元充电，通过控制固态开关的运行状态来释放储能单元的能量，以实现脉冲输出；所述固态开关依据其在线性区的阻抗特性，通过改变固态开关在线性区的工作点，和/或改变固态开关由线性区转换为饱和区的转换时刻，实现脉冲输出波形的调整。

所述固态开关先由截止区进入线性区，再根据不同脉冲输出波形需要，通过改变固态开关在线性区的工作点和由线性区转换为饱和区的转换时刻，结合固态开关的阻抗变化特性来减缓输出电流变化斜率实现对脉冲输出波形的调整。

上述固态开关运行状态的控制方法和步骤如下：第一，在直流电源对储能单元充电后，对固态开关施加栅极信号KU1，使固态开关工作于饱和区，并产生脉冲电流I1，用于固态调制器的负载匹配；第二，在需要降低脉冲电流I1至I2时，先对固态开关施加幅值小于栅极信号KU1的栅极信号KU2，使固态开关进入线性区工作；在脉冲电流接近I2时，使固态开关的栅极信号增加为KU1，使固态开关由线性区转换为饱和区，进而使脉冲电流增加并保持在I2，持续为负载提供能量；第三，在需关断固态调制器输出能量时，先关闭固态开关的栅极信号，使固态开关由饱和区迅速经过线性区到达其截止区，实现固态开关的关断。

上述栅极信号KU1与栅极信号KU2的施加时间能根据负载调节，即可以增大或减小栅极信号KU1与栅极信号KU2的转换时刻，实现固态开关由线性区转换为饱和区的调节。

根据固态调制器需求，在所述脉冲电流需要更低时，先对固态开关施加幅值小于栅极信号KU2的栅极信号KU3，使固态开关进入线性区工作，即通过调节栅极信号幅值改变固态开关在线性区的工作点和阻抗。

基于本发明的控制方法，还适用于对需要实现双能脉冲输出的固态调制器的控制，其中所述固态调整器的直流电源包括直流电源1和直流电源2，所述储能单元包括储能电容C1和储能电容C2，所述固态开关包括固态开关Q1和固态开关Q2，所述直流电源1、直流电源2输出端分别并联储能电容C1、储能电容C2，储能电容C1的一端经固态开关Q1连接至脉冲变压器原边的一端；储能电容C2的一端经固态开关Q2连接至脉冲变压器原边的另一端；所述储能电容C1的另一端连接至固态开关Q2的一端，并经二极管D1连接至储能电容C2的另一端；所述脉冲变压器连接至磁控管或速调管。

一种应用于双能脉冲输出的固态调制器的控制方法，具体为：在需要高能脉冲输出时，先后对固态开关Q2、固态开关Q1施加栅极信号KU1使其工作于饱和区，使得储能单元中的储能电容C1、储能电容C2均释放能量输出高能脉冲至固态调制器负载，所述负载磁控管起振产生电流并维持脉冲电流为I1，实现高能脉冲的输出；随后依次将固态开关Q1、固态开关Q2的栅极信号降为0使其工作于截止区，进而实现固态开关的关断。在需要低能脉冲输出时，只需要控制固态开关Q1使得储能单元中的储能电容C1释放能量输出低能脉冲至固态调制器负载，具体为：对固态开关Q1施加栅极信号KU2，使固态开关Q1进入线性区工作，基于其线性区的阻抗变化使得固态调制器阻抗的增加，脉冲电流接近I2，负载磁控管上的电压和电流变化到达磁控管工作点并流过电流；通过改变固态开关Q1的栅极信号增至为KU1，使得固态开关Q1的工作状态转换至饱和区，进而使得脉冲电流保持在I2，实现低能脉冲的输出；随后将固态开关Q1的栅极信号降为0使其工作于截止区，进而实现固态开关Q1的关断。

优选的，所述固态开关在第N个脉冲输出时，只应用固态开关在饱和区的开关特性；在第N+1个脉冲输出时，固态开关在线性区工作的工作点，或者由线性区转换为饱和区的转换时刻一致，交错实现双能脉冲输出。

优选的，所述固态开关在第M个脉冲输出时，固态开关在线性区的工作点，或者由线性区转换为饱和区的转换时刻一致；第M+1个脉冲输出时，固态开关在线性区的工作点，或者由线性区转换为饱和区的转换时刻一致，且区别于第M个脉冲输出时的固态开关线性区的工作点，或者由线性区转换为饱和区的转换时刻，交错实现双能脉冲输出。

进一步的，所述固态开关为IGBT或MOSFET。

进一步的，所述固态开关为多个IGBT或MOSFET并联或串联。

综上，一种固态调制器的控制方法，采用固态开关在线性区的阻抗特性，通过改变固态开关在线性区的工作点，和/或改变固态开关由线性区转换为饱和区的转换时刻，实现脉冲输出波形的调整。其有益效果在于，固态调制器的电路简单、控制也简单，且输出电流的平顶效果好，解决了固态调制器在带磁控管负载时，脉冲电压的改变造成脉冲电流波形下降的问题；也解决了固态调制器在带速调管负载时，回路参数造成脉冲电流波形过冲甚至振荡的问题；本方法不仅适用于单一脉冲输出的固态调制器的输出波形调节，还能有效解决双能脉冲输出固态调制器脉冲交替输出时，脉冲电流波形无法同时调平的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为IGBT、电阻和电源的连接电路图；

图2为通过IGBT的电流与IGBT栅极信号(电压)关系图；

图3为IGBT两端电压、负载R1上电压与IGBT栅极信号(电压)之间的关系图；

图4为固态调制器电气原理框图；

图5为现有技术中磁控管脉冲电压、脉冲电流与固态开关栅极信号关系图；

图6为本发明磁控管脉冲电压、脉冲电流与固态开关栅极信号关系图；

图7为双能脉冲输出的固态调制器电气原理框图；

图8为应用于双能脉冲输出的磁控管脉冲电压、脉冲电流与固态开关栅极信号关系图；

图9为用于速调管的固态调制器电气原理框图；

图10为本发明应用于速调管的脉冲电压、脉冲电流与固态开关栅极信号关系图。

具体实施方式

首先，对固态开关的特性作进一步说明：一般情况下，固态开关(IGBT或MOSFET)在正常工作时，常常在饱和区、线性区和截止区(或反向阻断区)之间相互切换，在IGBT或MOSFET控制过程中，截止区(或反向阻断区)对应于IGBT或MOSFET的关断，饱和区对应于IGBT或MOSFET的导通，线性区通常是导通到关断或关断到导通过程中的一个过渡过程，且由于线性区工作损耗较大，通常要求快速通过该区域。然而，本发明主要运用了IGBT或MOSFET在线性区的特性，结合对应的控制方法，在磁控管或调速管等特殊负载上具有明显的优势。

下面以IGBT为例进一步说明本发明的控制原理，如图1、图2、图3所示，采用APT35G50BN IGBT，电阻R1为10欧姆、直流电源电压为300V时，通过改变APT35G50BNIGBT栅极信号(电压)得到通过IGBT CE两端的电流、电压与IGBT栅极电压关系图。可以看到，电路中的IGBT电流I与栅极信号(电压)Vge的函数关系可以分成3段：栅极信号(电压)Vge小于阈值电压，即A点左边段，也是IGBT的截止区，通过IGBT的电流基本等于0，IGBT两端的电压等于电源电压，电阻两端的电压等于0(图3)；当栅极信号(电压)Vge大于阈值电压但小于B点对应的栅极信号(电压)，即AB段，为IGBT的线性区，通过IGBT的两端的电流基本上与IGBT栅极信号(电压)Vge成正比(图2)，IGBT两端电压几乎与IGBT栅极信号(电压)Vge也成正比(图3)。当栅极信号(电压)Vge大于B点电压，IGBT两端实际能够运行通过的电流远大于无开关器件下的通过电阻的电流，即V1/R1，IGBT的Vce主要由外界电路参数决定，即开关区。但实际上，相对电流变化比较小的情况下，Vce还会随着栅极信号(电压)Vge的增大会变小。IGBTVce与栅极信号(电压)Vge和Vth的差值成反比，在通过电流变化很小情况下，Vce会变小。

从图2可以看到，在AB段IGBT在该段工作时两端电压是变化的，可以通过控制IGBT在AB段的工作时间长度实现对负载电压波形的控制。在具体实现中，通过控制IGBT驱动栅极信号(电压)的方法控制IGBT在AB段工作的工作点和到达B点的时刻，实现对负载电压或电流波形的控制，进而使固态调制器的输出脉冲波形更容易满足负载应用需要。

其次，对现有技术中固态调制器的控制原理进行说明，具体如下：如图4、图5所示，固态开关Q1的栅极信号KU1的幅值为15V，当储能电容C1上电压为Uc1，在t0时刻，固态开关Q1施加栅极信号KU1，固态开关Q1由截止区(或反向阻断区)，迅速经过线性区到达其饱和区工作，由于负载回路等效电感、等效电容和负载匹配等参数影响，此时脉冲电压斜坡上升，脉冲电压未到达磁控管起振点，磁控管未工作，此时磁控管上无电流，脉冲电流回路主要流过负载匹配电路，也是斜坡上升。在t1时刻，脉冲电压上升到U1，流过脉冲变压器次边的脉冲电流接近I1，此时磁控管上的电压和电流变化到达磁控管工作点，脉冲为磁控管提供电流，通过调整磁控管外部参数(如磁控管磁场强度、负载匹配等)，可以在此情况下使脉冲电流在脉冲期间保持平顶度较好。在t2时刻，关闭固态开关Q1上的栅极信号KU1，固态开关Q1由饱和区迅速经过线性区到达其截止区(或反向阻断区)，脉冲电压开始下降。在t3时刻，磁控管两端电压下降到不足以维持磁控管产生电流，磁控管电流降为0，此后固态调制器输出等效为无负载，脉冲电压下降缓慢，直到t4时刻，脉冲电压下降到0。

由于固态调制器系统需求改变，需要降低脉冲电流值，而磁控管磁场强度、负载匹配等外部条件均不做改变，t5时刻前，储能电容C1上电压降为Uc2；在t5时刻，固态开关Q1施加栅极信号KU1，固态开关Q1由截止区(或反向阻断区)，迅速经过线性区到达其饱和区工作，由于负载回路等效电感、等效电容和负载匹配等参数影响，此时脉冲电压斜坡上升，脉冲电压未到达磁控管起振点，磁控管未工作，此时磁控管上无电流，脉冲电流回路主要流过负载匹配电路，也是斜坡上升；在t6时刻，脉冲电压上升到接近U1，流过脉冲变压器次边的脉冲电流接近I1，此时磁控管上的电压和电流变化达到磁控管工作点，脉冲输出为磁控管提供电流；磁控管流过电流后，由于储能电容C1上电压是Uc2，脉冲电压不能一直保持U1，脉冲电压会缓慢下降，虽然磁控管外部参数(如磁控管磁场强度、负载匹配等)未做改变，但在此脉冲电压平顶期间，磁控管的动态阻抗发生变化，脉冲电流斜坡下降，且大于脉冲电压的变化；t7时刻，关闭固态开关Q1上的栅极信号，磁控管电流下降到I3，固态开关Q1由饱和区，迅速经过线性区到达其截止区(或反向阻断区)，脉冲电压开始下降；t8时刻，磁控管两端电压下降到不足以维持磁控管产生电流，磁控管电流快速降为0，此后固态调制器输出等效为无负载，脉冲电压下降缓慢，直到t9时刻，脉冲电压下降到0。

t10～t14时间段，工作情况与t5～t9时间段工作情况类似，但储能电容C1电压进一步下降，在该种情况下的脉冲电压在脉冲期间比上一过程进一步下降，由于磁控管阻抗的变化，脉冲电流波形下降更严重。

基于现有技术的不足，结合上述对固态开关(IGBT或MOSFET)的特性分析，本发明涉及的一种固态调制器的控制方法，通过所述直流电源为储能单元充电，通过控制固态开关的运行状态来释放储能单元的能量，以实现脉冲输出；所述固态开关依据其在线性区的阻抗特性，通过改变固态开关在线性区的工作点，和/或改变固态开关由线性区转换为饱和区的转换时刻，实现脉冲输出波形的调整，取得了显著的效果。

为进一步说明本发明的有益效果，将通过如下示例的形式予以说明。

实施例1：

如图6所示，在t4之前和上述的工作过程一样，储能电容C1电压为Uc1,固态开关Q1施加栅极信号KU1，产生脉冲电流为I1通过调整磁控管外部参数(如磁控管磁场强度、负载匹配等)，此情况下使脉冲电流在脉冲期间保持平顶度较好。

当需要改变脉冲电流值为I2(I2＜I1)时，储能电容C1上电压降为Uc2(Uc2＜Uc1)，而磁控管磁场强度、负载匹配等外部条件均不做改变。t5时刻前，储能电容C1上电压降为Uc2，在t5时刻，固态开关Q1施加栅极信号KU2(KU2的幅值可使固态开关Q1在脉冲电流未到达I2时使固态开关Q1进入线性区工作)。根据上述描述，脉冲电流是斜坡上升的，起始阶段固态开关Q1的电流较小，因此固态开关Q1由截止区(或反向阻断区)，迅速经过线性区到达固态开关Q1的饱和区工作，随着脉冲电流的继续增加，因为栅极信号KU2的幅值原因，固态开关Q1由饱和状态进入线性状态，固态开关Q1进入线性区工作后，基于其本身特性改变了固态调制器的输出回路阻抗，也限制脉冲电流和脉冲电压的幅值的进一步增加。到t6时刻，脉冲电压上升到U2，流过脉冲变压器次边的脉冲电流接近I2，此时磁控管上的电压和电流变化到达磁控管工作点，磁控管流过电流；此时改变固态开关Q1的栅极信号增为KU1，栅极信号幅值的增大使固态开关Q1的工作状态转换为饱和区，此时固态开关Q1工作状态的变化可使脉冲电压保持在U2，而脉冲电流保持在I2。在t7时刻以后，关闭固态开关Q1的栅极信号，固态开关Q1由饱和区迅速经过线性区到达其截止区(或反向阻断区)，脉冲电压开始下降；t8时刻，此时磁控管两端电压下降到不足以维持磁控管产生电流，磁控管电流降为0，此后固态调制器输出等效为无负载，脉冲电压下降缓慢，直到t9时刻，脉冲电压下降到0。

当需要进一步地改变磁控管脉冲电流值为I3(I3＜I2)时，将储能电容C1电压更改为Uc3(Uc3＜Uc2)而磁控管磁场强度、负载匹配等外部条件均不做改变。由于需要的脉冲电流更低，可进一步改变固态开关Q1在线性区工作的工作点，或由线性区转换为饱和区(开关特性)的转换时刻来实现。如图6，在图中的t10～t11时段和上一段的t5～t6时段时长一致，仍然先为固态开关Q1提供栅极信号KU2，但由于储能电容C1上电压降得更低，脉冲电压上升更慢，此时脉冲电压未上升到U3，磁控管未起振流过电流，随着脉冲电流的增加，固态开关Q1工作于线性区；到t12时刻，脉冲电压到达U3，流过脉冲变压器的脉冲电流约为I3，脉冲电压值和脉冲电流相对变化使磁控管起振流过电流，可通过增大固态开关Q1的栅极信号为KU1使固态开关Q1切换为饱和状态，固态开关Q1工作状态的转变后可使脉冲电压保持在U3，而脉冲电流保持在I3。t13时刻以后，关闭固态开关Q1的栅极信号，脉冲过程和上述过程一致。

优选的，当需要进一步地改变脉冲电流值为I3(I3＜I2)时，将储能电容C1电压更改为Uc3(Uc3＜Uc2)而磁控管磁场强度、负载匹配等外部条件均不做改变。区别于上述方法，还可以改变上述过程中固态开关Q1的线性区工作点实现同样的功能。如图6，t16时刻固态开关Q1施加栅极信号KU3(KU3的幅值可使固态开Q1在脉冲电流未到达I3时使固态开关Q1进入线性区工作)，根据上述描述，脉冲电流上升过程中，固态开关Q1进入线性状态，固态开关Q1进入线性区工作后，改变了固态调制器的输出回路阻抗，也限制脉冲电流和脉冲电压的幅值的进一步增加。到t17时刻，脉冲电压上升到U3，流过脉冲变压器次边的脉冲电流接近I3，此时磁控管上的电压和电流变化到达磁控管工作点，磁控管流过电流；此时改变固态开关Q1得到的栅极信号增为KU1，栅极信号幅值的增大，使固态开关Q1的工作状态转换为饱和区，固态开关Q1工作状态的变化可使脉冲电压保持在U3，而脉冲电流保持在I3。t18时刻以后，关闭固态开关Q1的栅极信号，脉冲过程和上述过程一致。通过上述本发明方法的控制，脉冲输出波形变得平整，完全满足磁控管的需求。

实施例2：

双能脉冲输出的固态调制器，是指能实现两种脉冲电流或电压交替输出的一种固态调制器，以实现系统的不同脉冲强度的交替输出，同时需要满足系统对脉冲波形上升沿时间、下降沿时间、平顶衰减和脉冲时间调整等技术参数。

如图7所示，双能脉冲输出的固态调制器包括直流电源1和直流电源2，所述储能单元包括储能电容C1和储能电容C2，所述固态开关包括固态开关Q1和固态开关Q2，所述直流电源1、直流电源2输出端分别并联储能电容C1、储能电容C2，储能电容C1的一端经固态开关Q1连接至脉冲变压器原边的一端；储能电容C2的一端经固态开关Q2连接至脉冲变压器原边的另一端；所述储能电容C1的另一端连接至固态开关Q2的一端，并经二极管D1连接至储能电容C2的另一端；所述脉冲变压器连接至磁控管或速调管。当固态开关Q1导通时，相当于只有C1向脉冲变压器输出能量，磁控管上得到低能脉冲；当固态开关Q1和Q2均导通时，C1和C2均向脉冲变压器输出能量，脉冲变压器原边输入电压为C1和C2的和，磁控管上得到高能脉冲。

如图8所示，在t0时刻，固态开关Q2施加栅极信号KU1(KU1的幅值保证脉冲电流在脉冲电流为I1时固态开关Q2工作于饱和区)，由于没有电流回路，脉冲变压器无输入电压；t1时刻，固态开关Q1施加栅极信号KU1(KU1的幅值保证脉冲电流在脉冲电流为I1时固态开关Q1工作于饱和区)，固态开关Q1由截止区(或反向阻断区)，迅速经过线性区到其饱和区工作，由于固态开关Q1和Q2均导通，脉冲变压器得到输入电压为电容C1和电容C2上的和，输出为高能脉冲。到t2时刻，磁控管起振，磁控管上电流为I1，直到t3时刻，Q1的栅极信号降为0，Q1回到截止区(或反向阻断区)；t4时刻，脉冲电流降为0，同时将固态开关Q2上的电压降为0；t5时刻脉冲电压下降到0，此一段工作过程与上实施例1中情况一致，差别在于多了固态开关Q2的信号，对应于输出高能脉冲。然而，按双能脉冲输出固态调制器的输出需求，下一脉冲应输出低能脉冲，且两个脉冲间隔时间短，系统无法调整磁场、负载匹配等外部特性，根据前述脉冲磁控管性能特点，磁控管电压降低后，其阻抗发生较大变化，会造成脉冲电流波形较大下跌，使脉冲波形不能满足使用要求。

基于本发明方法，通过控制固态开关在线性区和饱和区(开关特性)的转换时刻，可以得到理想的低能脉冲波形。如图8所示，根据要求在t5时刻后需要低能脉冲输出时，因此只需要控制固态开关Q1，脉冲变压器得到的输入电压为电容C1上的电压，就可得到低能电压脉冲。t6时刻，固态开关Q1施加栅极信号KU2(KU2的幅值可使固态开关在脉冲电流未到达I2使固态开关Q1进入线性区工作)，由于脉冲电流和电压是斜坡上升的，起始阶段固态开关Q1的电流较小，因此固态开Q1关由截止区(或反向阻断区)，迅速经过线性区到其达饱和区工作；随着脉冲电流的继续增加，因为栅极信号KU2的幅值原因，固态开关Q1由饱和状态进入线性状态，固态开关Q1进入线性区工作后，改变了固态调制器的输出回路阻抗，也限制脉冲电流和脉冲电压的幅值的进一步增加。

t6～t7时间段，等同于t1～t2的时长，但由于固态调制器阻抗的增加，此时脉冲电压为上升到U1，电流未上升到I1；直到t8时刻，脉冲电压上升到U2，流过脉冲变压器次边的脉冲电流接近I2，此时磁控管上的电压和电流变化到达磁控管工作点，磁控管流过电流；此时改变固态开关Q1得到的栅极信号增为KU1，栅极信号幅值的增大使固态开关的工作状态转换为饱和区，固态开关工作状态的变化，可使脉冲电压保持在U2，而脉冲电流保持在I2。t9时刻以后，关闭固态开关Q1的栅极信号，固态开关Q1由饱和区，迅速经过线性区到达其截止区(或反向阻断区)。t10时刻，脉冲电流降为0，t11时刻，脉冲电压降为0，与之前的过程一样。此脉冲器期间，形成低能脉冲波形。在t12时间后，重复高能脉冲波形产生过程，如此可在负载上得到高能和低能交替输出脉冲波形。

实施例3

上述控制方法用于磁控管负载，下面就控制方法用于速调管作进一步说明，同时也对固态开关由线性区转换为饱和区的转换时刻的实现及运用进行说明。如图9所示，示意了固态调制器电气原理框图，其包括直流电源DY1、储能电容C1、固态开关Q1、脉冲变压器T1；直流电源DY1为电容C1充电及补充能量，固态开关Q1导通后，电容能量通过固态开关Q1、脉冲变压器T1升压后送入到负载速调管。由于速调管是非线性器件，正常工作下，速调管的输出电流与速调管两端的电压成3/2次方关系，即速调管的等效阻抗与速调管两端的电压幅度的平方根成反比。在具体应用中，速调管往往会与实际设计参数有区别，因此实际工作中的速调管上的电流电压会出现过冲甚至振荡。

如图8、图10示，设储能电容C1电压为U，在t0时刻，固态开关Q1施加栅极信号KU1，固态开关Q1由截止区(或反向阻断区)，迅速经过线性区到其饱和区工作，由于负载回路等效电感、等效电容等参数影响，此时脉冲电压斜坡上升，电流也斜坡上升；在t1时刻脉冲电压上升到U1，流过脉冲变压器次边的脉冲电流接近I1，由于回路寄生电感等参数影响，脉冲电压和脉冲电流在t1后继续增加形成过冲，脉冲电压最大值到达最大值U2，脉冲电流到达最大值I2，在t2时刻脉冲电压恢复到U1，脉冲电流恢复到I1。此后，速调管脉冲电压电流下降受储能电容C1电压下降影响，脉冲一直持续到t3时刻；t3时刻，关闭固态开关Q1的栅极信号，固态开关Q1由饱和区迅速经过线性区到达固态开关Q1的截止区(或反向阻断区)，由于回路寄生电感的原因，脉冲电压、电流开始下降；t4时刻，脉冲电压和电流下降到0。t5时刻后，重复上述过程。

基于本发明方法，t6时刻，固态开关Q1施加栅极信号KU2(KU2的幅值可使固态开关Q1在脉冲电流小于I1时使固态开关Q1进入线性区工作)，起始阶段，由于脉冲电流较小，固态开关Q1的电流较小，因此固态开关Q1由截止区(或反向阻断区)，迅速经过线性区到达其饱和区工作，随着脉冲电流的继续增加，因为栅极信号KU2的幅值原因，固态开关Q1由饱和状态进入线性状态，固态开关Q1进入线性区工作后，固态开关Q1的阻抗增加，相当于改变了固态调制器的输出回路阻抗，减缓了电流上升斜率。到t7时刻，由于固态开关Q1的阻抗改变的原因，脉冲电压上升到U0，电流上升到I0，并在变压器漏感的作用下继续上升，此后脉冲电压到达U1，电流到达I1。到t8时刻以后，给固态开关Q1的栅极信号增设为KU1，固态开关Q1由线性状态切换到饱和状态，脉冲电压保持U1，脉冲电流保持I1运行。t9时刻，关闭固态开关Q1的栅极信号，固态开关Q1由饱和区，迅速经过线性区到达固态开关Q1的截止区(或反向阻断区)，由于回路寄生电感的原因，脉冲电压、电流开始下降；t10时刻，脉冲电压和电流下降到0。t11时刻后，重复上述过程。通过上述方法，可控制固态开关Q1由线性区转换为开关特性区(饱和区)的转换时刻，即t6和t8之间的时间，可在不同脉冲电压和脉冲电流下方便的限制脉冲电压和脉冲电流的过冲。

综上所述，以上是本发明的几种典型应用，固态调制器中的固态开关线性区工作点、线性区和饱和区的转换时刻可以通过栅极信号(电压)波形的编辑来实现，比如根据输出脉冲波形需求，通过快速AD产生波形和高速放大电路实现栅极信号(电压)控制，即栅极信号(电压)波形实时响应于脉冲输出电流波形的变化，进而控制固态开关线性区的工作点、线性区和饱和区的转换时刻，进而实现输出脉冲波形整形；还可以通过简单的梯形产生电路实现线性区的工作点、线性区和饱和区的转换时刻。

Claims (9)

1.一种固态调制器的控制方法，所述固态调制器主要包括直流电源、储能单元、固态开关，其特征在于，通过所述直流电源为储能单元充电，通过控制固态开关的运行状态来释放储能单元的能量，以实现脉冲输出；所述固态开关依据其在线性区的阻抗特性，通过改变固态开关在线性区的工作点，和/或改变固态开关由线性区转换为饱和区的转换时刻，实现脉冲输出波形的调整；

所述固态开关运行状态的控制方法和步骤如下：

第一，在直流电源对储能单元充电后，对固态开关施加栅极信号KU1，使固态开关工作于饱和区，并产生脉冲电流I1，用于固态调制器的负载匹配；

第二，在需要降低脉冲电流I1至I2时，先对固态开关施加幅值小于栅极信号KU1的栅极信号KU2，使固态开关进入线性区工作；在脉冲电流接近I2时，使固态开关的栅极信号增加为KU1，使固态开关由线性区转换为饱和区，进而使脉冲电流增加并保持在I2，持续为负载提供能量；

第三，在需关断固态调制器输出能量时，先关闭固态开关的栅极信号，使固态开关由饱和区迅速经过线性区到达其截止区，实现固态开关的关断。

2.根据权利要求1所述的一种固态调制器的控制方法，其特征在于，所述固态开关先由截止区进入线性区，再根据不同脉冲输出波形需要，通过改变固态开关在线性区的工作点和由线性区转换为饱和区的转换时刻，结合固态开关的阻抗变化特性来减缓输出电流变化斜率实现对脉冲输出波形的调整。

3.根据权利要求1所述的一种固态调制器的控制方法，其特征在于，所述固态开关在第N个脉冲输出时，只应用固态开关在饱和区的开关特性；在第N+1个脉冲输出时，固态开关在线性区工作的工作点，或者由线性区转换为饱和区的转换时刻一致，交错实现双能脉冲输出。

4.根据权利要求1所述的一种固态调制器的控制方法，其特征在于，所述固态开关在第M个脉冲输出时，固态开关在线性区的工作点，或者由线性区转换为饱和区的转换时刻一致；第M+1个脉冲输出时，固态开关在线性区的工作点，或者由线性区转换为饱和区的转换时刻一致，且区别于第M个脉冲输出时的固态开关线性区的工作点，或者由线性区转换为饱和区的转换时刻，交错实现双能脉冲输出。

5.根据权利要求1所述的一种固态调制器的控制方法，其特征在于，所述脉冲电流需要更低时，先对固态开关施加幅值小于栅极信号KU2的栅极信号KU3，使固态开关进入线性区工作，即通过调节栅极信号幅值改变固态开关在线性区的工作点和阻抗。

6.根据权利要求1所述的一种固态调制器的控制方法，其特征在于，所述栅极信号KU1与栅极信号KU2的施加时间能根据负载调节，增大或减小栅极信号KU1与栅极信号KU2的转换时刻，实现固态开关由线性区转换为饱和区的调节。

7.根据权利要求1所述的一种固态调制器的控制方法，其特征在于，所述直流电源的输出端并联有储能单元或固态开关，所述直流电源的输出端经固态开关或储能单元连接至脉冲变压器/和或负载，所述储能单元为储能电容，所述负载为磁控管或调速管。

8.根据权利要求3或4所述的一种固态调制器的控制方法，其特征在于，所述直流电源包括直流电源1和直流电源2，所述储能单元包括储能电容C1和储能电容C2，所述固态开关包括固态开关Q1和固态开关Q2，所述直流电源1、直流电源2输出端分别并联储能电容C1、储能电容C2，储能电容C1的一端经固态开关Q1连接至脉冲变压器原边的一端；储能电容C2的一端经固态开关Q2连接至脉冲变压器原边的另一端；所述储能电容C1的另一端连接至固态开关Q2的一端，并经二极管D1连接至储能电容C2的另一端；所述脉冲变压器连接至磁控管或速调管。

9.根据权利要求8所述的一种固态调制器的控制方法，其特征在于，在需要高能脉冲输出时，先后对固态开关Q2、固态开关Q1施加栅极信号KU1使其工作于饱和区，使得储能单元中的储能电容C1、储能电容C2均释放能量输出高能脉冲至固态调制器负载，所述负载磁控管起振产生电流并维持脉冲电流为I1，实现高能脉冲的输出；随后依次将固态开关Q1、固态开关Q2的栅极信号降为0使其工作于截止区，进而实现固态开关的关断；

在需要低能脉冲输出时，只需要控制固态开关Q1使得储能单元中的储能电容C1释放能量输出低能脉冲至固态调制器负载，具体为：对固态开关Q1施加栅极信号KU2，使固态开关Q1进入线性区工作，基于其线性区的阻抗变化使得固态调制器阻抗的增加，脉冲电流接近I2，负载磁控管上的电压和电流变化到达磁控管工作点并流过电流；通过改变固态开关Q1的栅极信号增至为KU1，使得固态开关Q1的工作状态转换至饱和区，进而使得脉冲电流保持在I2，实现低能脉冲的输出；随后将固态开关Q1的栅极信号降为0使其工作于截止区，进而实现固态开关Q1的关断。

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