CN113839560A - 一种基于高压浮动采样的灯丝电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于高压浮动采样的灯丝电源，所述灯丝电源与阳极高压电源相连接；所述灯丝电源与所述阳极高压电源属于同一微波电源；所述灯丝电源包括相连接的采样部件与电源控制部件；所述采样部件设置在灯丝电源高压端；所述电源控制部件设置在灯丝电源低压端；灯丝电源高压端和灯丝电源低压端通过变压器隔离；所述采样部件用于采集灯丝电源高压端的输出参数后发送到所述电源控制部件，以实现输出闭环控制。本发明的基于高压浮动采样的灯丝电源实现了高压浮动电源的采样，通过采样部件设置在高压端，采集输出参数，并反馈到电源控制部件，实现闭环控制，从而实现稳定控制的灯丝电源。高压端与低压端通过功率变压器隔离，精准采样。

Description

一种基于高压浮动采样的灯丝电源
技术领域
本发明属于磁控管技术领域，特别涉及一种基于高压浮动采样的灯丝电源。
背景技术
磁控管是自振荡管，通过灯丝进行加热后，可自由振荡出一定频率的微波信号。
国内外传统微波发生器电源(即微波电源)基本采用工频交流灯丝形式，一般通过工频变压器隔离高压，普遍存在体积大的问题。其中，高压指电压超过1kV以上的电压，且分正高压与负高压，高压范围因磁控管型号参数不同，阳极负高压在-5～-20kV范围内。再者，现有技术中采用控制变压器初级电压方式控制灯丝输出，开机电流冲击大，其产生的频谱质量较差且不稳定，无法达到人工合成金刚石、物料干燥、解冻、污水处理等高精端行业微波发生器设备的使用标准。
国外企业(如德国牧歌)的工频交流灯丝电源，甚至需要外接交流稳压电源才能达到使用标准，导致使用总成本较高。
而直流灯丝可为磁控管带来更窄的频谱宽度、更稳定的频谱特性，采用高频直流灯丝的微波发生器电源，可有效提高频谱质量和使用效率，产生更好的应用效果，同时可为注入锁频微波发生器提供基本条件。其中，注入锁频是磁控管的自振荡特性，决定其输出的微波信号频率只能在较小的范围内，且易受到外部条件影响而改变频率，而通信等领域需要输出频率稳定，可以通过对磁控管进行外部小信号的注入，影响其振荡，从而稳定输出频率，而外部注入信号的首要条件是磁控管自身输出频率质量必须达到一定的质量，才能达到输出频率受外部频率影响锁频的目的，而直流灯丝电源是一个基本条件。但现有技术中还缺乏对直流灯丝电源的精确采样从而提供高质量频率输出的微波发生方案。
因此，提供一种针对高压浮动电源精确采样、稳定控制的灯丝电源成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的基于高压浮动采样的灯丝电源解决了直流灯丝电压悬浮采样的技术问题，将直流灯丝悬浮于高压之上的信号采集至低压端进行闭环控制，实现对灯丝输出的精准控制。能够促进微波发生器在通信干扰、电子对抗等更广阔的领域中的应用。
一种基于高压浮动采样的灯丝电源，
所述灯丝电源与阳极高压电源相连接；
所述灯丝电源与所述阳极高压电源属于同一微波电源；
所述灯丝电源包括相连接的采样部件与电源控制部件；
所述采样部件设置在灯丝电源高压端；
所述电源控制部件设置在灯丝电源低压端；
灯丝电源高压端和灯丝电源低压端通过变压器隔离；
所述采样部件用于采集灯丝电源高压端的输出参数后发送到所述电源控制部件，以实现输出闭环控制。
进一步地，所述电源控制部件用于将采样部件输出的脉冲频率信号转换为电压信号，通过电压信号调节灯丝电源输出电压和输出电流。
进一步地，
所述微波电源还包括逆变部件、功率变压器；
所述电源控制部件、所述逆变部件、所述功率变压器和所述采样部件依次连接。
进一步地，所述采样部件包括：
依次连接的整流滤波电路、采样电路、压频转换电路和高压隔离电路。
进一步地，
整流滤波电路与所述功率变压器的次级相连接，对所述功率变压器输出的次级交流电压进行全波整流滤波，转化为直流电压输出到后级的采样电路。
进一步地，
采样电路与整流滤波电路相连接，采集经过整流滤波的电流信号和电压信号，并输入到压频转换电路。
进一步地，
所述压频转换电路用于将采集的电流信号和电压信号转换为脉冲频率信号，输出到高压隔离电路。
进一步地，
高压隔离电路包括第一脉冲变压器和第二脉冲变压器，分别用于将电流信号转换的脉冲频率信号和电压信号转化的脉冲频率信号进行高压隔离变换，输出到磁控管灯丝低压端的电源控制部件。
进一步地，
整流滤波电路包括第一整流管、第二整流管、第一滤波电容和第二滤波电容；
功率变压器为高频开关变压器；
高频开关变压器的次级引出次级第一端、次级第二端、次级第三端，其中次级第二端为中抽端，并从次级第一端引出正极输出线路，从次级第二端引出负极输出线路；
第一整流管的阳极连接次级第一端，第二整流管的阳极连接次级第三端；
第一整流管和第二整流管阴极相连接后与第一滤波电容的正极连接；
第一滤波电容和第二滤波电容分别跨接在正极输出线路和负极输出线路之间。
进一步地，
所述功率变压器、第一脉冲变压器和第二脉冲变压器各自的初次级线包件分别增加耐压绝缘处理。
本发明的基于高压浮动采样的灯丝电源实现了高压浮动电源的采样，通过采样部件设置在高压端，采集输出参数，并反馈到电源控制部件，实现闭环控制，从而实现稳定控制的灯丝电源。高压端与低压端通过功率变压器隔离，精准采样。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明实施例的微波电源结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的灯丝电源结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的采样部件结构示意图。
附图标记：
1-整流滤波及PFC部件，2-逆变部件，3-功率变压器，4-采样部件，5-电源控制部件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
灯丝电源的输出电压、输出电流对磁控管的工作状态存在重要影响，灯丝不稳定会导致磁控管输出频谱变化，造成输出微波的频谱质量变差，主要体现在频谱宽度较宽，因此需要对灯丝电源进行准确控制。
本发明实施例提供一种基于高压浮动采样的灯丝电源，实现灯丝电源的高压隔离采样，将灯丝电源高压端输出信号采样后反馈到低压端，通过闭环控制实现其稳定输出，从而在灯丝电源的输出处于浮动电位的情况下，实现微波发生的精确控制。
同时，在功率变压器初级侧，通过逆变部件产生高频交流电，减小了功率变压器的体积；在功率变压器的次级侧，通过再次整流，将交流转换为直流，高频直流灯丝电源的输出直流，改善了磁控管输出微波频谱质量。
如图1所示，高频微波电源连接于磁控管的阳极，为磁控管供电。高频微波电源包括：控制系统、阳极高压电源和灯丝电源。控制系统与阳极高压电源和灯丝电源通信连接。控制系统通过对外通信接口(RS485)接收控制信号，根据控制信号控制阳极高压电源和灯丝电源工作。阳极高压电源接入交流电源，在380V交流电源的驱动下输出高压脉冲信号到磁控管阳极端，为磁控管供电。灯丝电源为灯丝供电。阳极高压电源的第一输出端(A端)与磁控管阳极相连，阳极高压电源的第二输出端(GND)接地。灯丝电源灯的第一输出端(FA端)与第二输出端(F端)分别接在灯丝两端。灯丝电源与阳极高压电源连接，灯丝电源浮动于阳极高压电源之上，即灯丝电源的高压随着阳极高压电源的开断而变化。具体地，灯丝电源自身为低压电源，但将灯丝电源一端接在磁控管阳极高压电源后，灯丝电源就变成接在高压上的电源了。浮动是指：在磁控管正常工作时，需要先加灯丝，再加高压。当没有加高压之前，灯丝电源处于低端，加阳极高压之后，灯丝电源变成高压。灯丝电源输出端，也就是灯丝电源功率变压器的次级接在阳极高压电源的输出端。功率变压器为高压开关变压器，隔离初级低压和次级高压。示例性地，灯丝电源为DC+5V，阳极高压为DC-2000V，只开通灯丝电源时，灯丝电源电位为+5V，开通阳极高压后(即阳极高压电源导通)，灯丝电源的电位变成-1995V，也就是(+5V)+(-2000V)＝-1995V，由低压变成了高压。
本发明实施例的基于高压浮动采样的灯丝电源对连接于阳极高压电源的灯丝电源的输出信号(电压和电流)进行隔离采样，即高压浮动采样。灯丝电源包括相连接的采样部件与电源控制部件，采样部件设置在灯丝电源高压端；电源控制部件设置在灯丝电源低压端；采样部件采集灯丝电源高压端的输出参数后发送到低压端的电源控制部件，以实现高压浮动采样和输出闭环控制。其中，采样部件设置在灯丝电源高压端是指，采样部件设置在灯丝电源的输出端，灯丝电源的输出端与阳极高压电源的输出端相连接，接收阳极高压电源的高压脉冲输出。同时，采样部件连接于灯丝电源的功率变压器的次级，功率变压器的初级为低压端，次级为高压端。进一步地，微波电源还包括逆变部件、功率变压器；电源控制部件、逆变部件、功率变压器和采样部件依次连接，电源控制部件再与采样部件连接，形成闭环结构，从而实现闭环控制。
具体地，对输出电压、输出电流(通过电阻转换为电压)信号，通过电压至频率转换(即V/F转换)，转换为脉冲频率信号，脉冲频率信号的频率与电压成正比，电压升高频率相应升高；并通过脉冲变压器或光纤隔离高压，将脉冲频率信号送至灯丝电源的控制端，低压端将其转换为电压信号。由此，通过闭环控制，实现输出电压、输出电流的稳定控制，提高微波发生器产生的微波频谱质量。灯丝电源的控制端对外通信，并将采集的电信号送到高频微波电源的控制系统实现显示以及与阳极电流的联动。控制系统采集阳极高压电源输出的阳极电流，来控制灯丝电源输出，实现灯丝电源输出随阳极电流联动。
如图2所示，灯丝电源主要包括以下部件：整流滤波及PFC部件1，逆变部件2，功率变压器3，采样部件4，电源控制部件5(即灯丝电源的控制端)。下面对各个部件进行详细说明。控制系统包括电源控制部件5，用于控制系统采集外部控制信号后控制电源控制部件的驱动，以调节电源输出。
整流滤波及PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)部件1，用于将输入的交流电转化为直流电，并对交流电进行功率因素校正。例如，将输入的交流市电AC220V/50Hz(从三相四线制AC380V抽取一相与供电零线形成AC220V)转化为直流DC300V。通过功率因数校正(PFC)处理，降低无功功率，提升有功功率，减小对市电的“污染”。
逆变部件2，用于将整流滤波及PFC部件1输出的直流电转化为高频交流电。逆变部件2与电源控制部件5相连接。逆变部件2采用半桥拓扑结构。电源控制部件5通过电压信号控制逆变部件的半桥拓扑结构的通断，实现灯丝电源输出控制。逆变部件2的半桥拓扑结构包括第一开关管V1和第二开关管V2。电源控制部件5送出驱动信号到逆变部件2，第一开关管V1和第二开关管V2高频交替导通，将直流电(DC300V)转换为高频交流电压，并输出。通过将直流电转化为交流电，能够减小功率变压器3的体积。工频变压器体积较大，高频变压器体积较小。
具体地，逆变部件2的半桥拓扑结构包括：第一开关管V1、第二开关管V2、第一电容C1和第二电容C2。第一开关管V1和第二开关管V2串联形成第一串联点，第一电容C1和第二电容C2串联形成第二串联点。第一串联点和第二串联点分别接功率变压器3原边绕组的两端，形成回路。其中，第一开关管V1的第二端和第二开关管V2的第一端相连接，形成第一串联点。第一开关管V1的第一端与第一电容C1的第一端(接正极的一端)相连；第二开关管V2的第二端与第二电容C2的第二端(接负极的一端)相连；第一开关管V1的第三端和第二开关管V2的第三端分别与电源控制部件5相连接；第一电容C1的第二端(接负极的一端)和第二电容C2的第一端(接正极的一端)相连。
示例性地，第一开关管V1和第二开关管V2均为MOS管。其中，第一开关管V1的源极和第二开关管V2的漏极相连接，形成第一串联点。第一开关管V1的漏极与第一电容C1的第一端(接正极的一端)相连；第二开关管V2的源极与第二电容C2的第二端(接负极的一端)相连；第一开关管V1的栅极和第二开关管V2的栅极分别与电源控制部件5相连接。
功率变压器3为高频开关变压器T1，用于将逆变部件2输出的高频交流电压转化为指定电压值后输出次级交流电压。高频交流电压接至高频开关变压器初级，通过高频开关变压器降压为磁控管灯丝所需电压值，高频开关变压器次级连接采样部件4。本发明实施例中，对高频开关变压器的初次级(初级和次级)线包件增加耐压绝缘处理以实现初级低压和次级高压隔离，防止用户在初级低压端操作时发生高压触电。高频开关变压器自身初次级隔离耐压超过磁控管工作阳极高压(不同磁控管阳极电压存在差异性，一般在-5～-20kV高压)，起到初级低压和次级高压隔离的作用。
采样部件4，用于将高频开关变压器输出的次级交流电压整流为直流电压后输出到磁控管灯丝，并对输出的电信号(电压信号和电流信号)进行采样。具体地，采样部件4对次级交流电压进行全波整流，整流为直流电压，并经过电容滤波后，为磁控管灯丝提供供电。在回路中对输出电压、输出电流(通过电阻转换为电压)信号采样，将采集的电流信号和电压信号转化为脉冲频率信号。通过压频转换电路(即V/F转换)，将电压信号和电流信号转换为脉冲频率信号，脉冲频率信号的频率与电压成正比，电压升高则频率相应升高；再通过脉冲变压器或光纤隔离高压后将脉冲频率信号预送至磁控管灯丝低压端的电源控制部件5。本发明实施例中采样的是脉冲变压器。
如图3所示，采样部件4包括依次连接的整流滤波电路、采样电路、压频转换电路和高压隔离电路。其中，整流滤波电路与高频开关变压器的次级相连接，对高频开关变压器输出的次级交流电压进行整流滤波，对次级交流电压进行全波整流，转化为直流电压输出到后级的采样电路。采样电路与整流滤波电路相连接，在浮动高压端(功率变压器次级到灯丝电源输出端)采集经过整流滤波的电流信号和电压信号，并输入到压频转换电路。压频转换电路将采集的电流信号和电压信号转换为脉冲频率信号，输出到高压隔离电路。高压隔离电路对脉冲频率信号进行高压隔离后输出至磁控管灯丝低压端的电源控制部件5。
其中，整流滤波电路包括第一整流管V3、第二整流管V4、第一滤波电容C3和第二滤波电容C4。高频开关变压器的次级(即次级线圈)引出次级第一端、次级第二端、次级第三端，其中次级第二端为中抽端，并从次级第一端引出正极输出线路，从次级第二端引出负极输出线路。第一整流管V3的阳极连接次级第一端，第二整流管V4的阳极连接次级第三端。第一整流管V3和第二整流管V4阴极相连接后与第一滤波电容C3的正极连接。第一滤波电容C3和第二滤波电容C4分别跨接在正极输出线路和负极输出线路之间。
采样电路包括电流采集电路和电压采集电路。电流采集电路包括第一电阻R1，第一电阻R1连接在滤波电路后级的负极输出线路中，第一电阻R1的第一端与第二滤波电容C4(也即第一滤波电容C3)的负极相连接。第一电阻R1的第二端与负极输出线路的输出端相连接。第一电阻R1的第一端和第二端分别与压频转换电路相连接，实现将第一电阻R1所在线路的电流信号采集到压频转换电路中。本发明实施例中，采样电路采集电压信号和电流信号，两者均反馈到电源控制部件5分形成双闭环控制，即电流环和电压环。电流环为主环，用来控制调节灯丝电源的电流大小，电压环作为辅环，用来限制灯丝电源的电压输出，保护灯丝电源不损坏。其中，电流信号是经电阻转换为电压信号后采集的。
电压采集电路包括串联的第二电阻R2和第三电阻R3。第二电阻R2和第三电阻R3串联后跨接在输出线路的正负极之间，用于采集输出电路的电压。第二电阻R2的第一端连接正极输出线路的输出端，第三电阻R3的第二端连接负极输出线路的输出端。第二电阻R2的第二端与第三电阻R3的第一端连接。第三电阻R3的两端(第一端和第二端)分别与压频转换电路相连接，以实现电压信号采集。压频转换将电压信号和电流信号转化为脉冲频率信号输出到高压隔离电路。
高压隔离电路采用脉冲变压器，将对脉冲频率信号进行变换，隔离高压后输出到灯丝低压端的电源控制部件5。高压隔离电路包括第一脉冲变压器T2和第二脉冲变压器T3，分别用于将电流信号转换的脉冲频率信号和电压信号转化的脉冲频率信号进行高压隔离变换，输出到磁控管灯丝低压端的电源控制部件。本发明实施例中，对第一脉冲变压器T2和第二脉冲变压器T3分别进行初次级线包件耐压绝缘处理，以实现初级低压与次级高压隔离，防止用户在初级低压端操作时发生高压触电。
电源控制部件5，与采样部件4相连接，用于采样部件4输出的脉冲频率信号转换为电压信号，作为电压及电流采样信号，通过电压信号调节灯丝电源输出电压和输出电流，实现输出电压和输出电流的稳定闭环控制，为提高磁控管输出微波的频谱质量，再将灯丝输出电流送到高频微波电源的控制系统以实现显示及与阳极电流的联动。将脉冲频率信号滤波转换为电压信号时，脉宽恒定，频率增加，也就是占空比增加，滤波后电压也随之增加，通过该电压信号调节灯丝输出电流输出，实现闭环控制。具体地，高低压隔离后的电压及电流采样信号反馈到电源控制部件5，电源控制部件5根据该电压及电流采样信号和其他外部信号，发送控制信号到驱动芯片，驱动芯片产生驱动信号，并发送至逆变部分，驱动MOS管开启与关断，控制电源输出，形成闭环控制。
功率变压器次级处于浮动高压端，人如果在此电位操作会发生高压触电，初级为弱电端，本发明实施例通过对变压器进行绝缘处理，隔离次级高压，可安全操作，输出实时电压电流状态采样至低压端，发送到控制系统。
另外，磁控管灯丝端运用直流灯丝可解决频谱较差的问题，降低频谱宽度，改善频谱质量，对高端科研及生产有明显效果，如等离子点火，MPCVD(Microwave PlasmaChemical Vapor Deposition，微波等离子体化学气相沉积)，注入锁频等。高频直流灯丝变压器体积较小，工频变压器体积较大，主要是因为变压器匝数多，磁芯大原因。
由下变压器匝数公式可以很直接的看出来，式中f为频率，工频50Hz，高频50kHz，N1为匝数，U1为变压器初级输入电压，Sc为磁芯截面积，B为磁通量，通常B为经验值，工频变压器B值可达1.6T，高频的取值范围0.2～0.25T。
N1＝U1*10^4/(4.44*f*B*Sc)
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
所述灯丝电源与阳极高压电源相连接；
所述灯丝电源与所述阳极高压电源属于同一微波电源；
所述灯丝电源包括相连接的采样部件与电源控制部件；
所述采样部件设置在灯丝电源高压端；
所述电源控制部件设置在灯丝电源低压端；
灯丝电源高压端和灯丝电源低压端通过变压器隔离；
所述采样部件用于采集灯丝电源高压端的输出参数后发送到所述电源控制部件，以实现输出闭环控制。
2.根据权利要求1所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
所述电源控制部件用于将采样部件输出的脉冲频率信号转换为电压信号，通过电压信号调节灯丝电源输出电压和输出电流。
3.根据权利要求1所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
所述微波电源还包括逆变部件、功率变压器；
所述电源控制部件、所述逆变部件、所述功率变压器和所述采样部件依次连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，所述采样部件包括：
依次连接的整流滤波电路、采样电路、压频转换电路和高压隔离电路。
5.根据权利要求4所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
整流滤波电路与所述功率变压器的次级相连接，对所述功率变压器输出的次级交流电压进行全波整流滤波，转化为直流电压输出到后级的采样电路。
6.根据权利要求5所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
采样电路与整流滤波电路相连接，采集经过整流滤波的电流信号和电压信号，并输入到压频转换电路。
7.根据权利要求6所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
所述压频转换电路用于将采集的电流信号和电压信号转换为脉冲频率信号，输出到高压隔离电路。
8.根据权利要求7所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
高压隔离电路包括第一脉冲变压器和第二脉冲变压器，分别用于将电流信号转换的脉冲频率信号和电压信号转化的脉冲频率信号进行高压隔离变换，输出到磁控管灯丝低压端的电源控制部件。
9.根据权利要求5所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
整流滤波电路包括第一整流管、第二整流管、第一滤波电容和第二滤波电容；
功率变压器为高频开关变压器；
高频开关变压器的次级引出次级第一端、次级第二端、次级第三端，其中次级第二端为中抽端，并从次级第一端引出正极输出线路，从次级第二端引出负极输出线路；
第一整流管的阳极连接次级第一端，第二整流管的阳极连接次级第三端；
第一整流管和第二整流管阴极相连接后与第一滤波电容的正极连接；
第一滤波电容和第二滤波电容分别跨接在正极输出线路和负极输出线路之间。
10.根据权利要求8所述的基于高压浮动采样的灯丝电源，其特征在于，
所述功率变压器、第一脉冲变压器和第二脉冲变压器各自的初次级线包件分别增加耐压绝缘处理。
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