CN113922475A - 一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法，包括控制分机、多路IGBT驱动模块、脉冲变压器及灯丝电源；所述控制分机与多路IGBT驱动模块连接，负责微波脉冲驱动电源整体控制指令的产生与发出；所述多路IGBT驱动模块并联连接至控制分机上，每路IGBT驱动模块包括充电电源、IGBT及其驱动电路、储能电容；充电电源向储能电容充电，实现能量的预先存储；IGBT及其驱动电路，实现输出脉冲宽度调制，高压脉冲宽度连续可调；脉冲变压器完成电压泵升，产生满足负载磁控管工作的万伏级高压；灯丝电源提供小功率直流电压和恒定电流，实现磁控管工作前的预热准备。本发明提供了一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法。能够有效解决大功率磁控管的供电稳定性问题。

Description

一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法

技术领域

本发明属于大功率磁控管供电电源领域，特别涉及一种提供万伏百安级输出、作用时间微秒级的微波脉冲驱动电源及其工作方法。

背景技术

微波发生器是获得微波能量的核心部件，可分为两个部分，即微波管电源与微波管。微波管电源可简称为微波源，作用是将普通的工频交流电转化为设备所需要的直流电，从而为微波发生器的核心部分——微波管创造工作条件。通过微波管的进一步转化，将电能转换为最后能够使用的微波能。微波管主要有两大类型，即微波电子管和微波晶体管。其中，微波电子管又可分为磁控管、速调管和行波管等，种类纷繁不一。由于它们之间的结构各异、工作原理不同，因而其性能也有较大差别，但在众多科学研究领域都得到了充分应用。而相对于微波电子管，微波晶体管则种类单一，输出功率小，应用领域也较窄，多为测量通讯之用。如果工作中要求微波电源能在大范围调节中，保持高而稳定的输出功率，就需要选择使用磁控管作为微波发生器件。

磁控管是用来产生微波能的密封电真空器件，实质上是置于恒定磁场中的二极管。磁控管内有一柱形中心阴极(电子源)置于一柱形阳极里，管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，被静电场吸引流至阳极，沿真空管轴的稳定磁场使电子偏离其径向路程，绕阴极旋转，产生微波频率的振荡与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而产生微波能。

微波设备性能的优劣不仅由磁控管性能决定，还由微波管电源等因素决定。微波管电源一般包括阴极高压电源、灯丝电源、磁场电源。微波发生器工作时要求稳定度高、噪声小和频谱特性好。考虑磁控管的性能和工作情况，因而要求供电电源体积小、纹波小、稳定性好。微波脉冲驱动电源是微波系统最为重要的部件，其性能参数对于整个系统有重大影响，其稳定性决定了微波输出的稳定性，如果其脉间稳定度偏低，那么对应的微波功率源便不可能稳定。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法，采用分离式电源系统拓扑，先通过前级充电电源向储能电容充电将电能储存起来，而后通过控制IGBT的开通和关断进行脉冲直流放电，经脉冲变压器泵升电压后输出万伏级高压脉冲，该驱动电源设计，可以解决大功率磁控管的供电稳定性问题，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种微秒级微波脉冲驱动电源，包括控制分机、多路IGBT驱动模块、脉冲变压器及灯丝电源；

所述控制分机与多路IGBT驱动模块连接，负责微波脉冲驱动电源整体控制指令的产生与发出；

所述多路IGBT驱动模块并联连接至控制分机上，每路IGBT驱动模块包括充电电源、IGBT及其驱动电路、储能电容；所述充电电源的正极与IGBT的集电极和储能电容的正极连接，所述充电电源的负极与IGBT的发射极和脉冲变压器原边的一端连接，储能电容的负极与脉冲变压器原边的另一端连接，充电电源、储能电容和脉冲变压器的原边构成充电回路，充电电源接收控制分机的充电/断电指令后向储能电容充电/断电，并完成储能电容放电后及时补充电容电压的功能，实施能量的预先存储；驱动电路与IGBT的栅极连接，IGBT及其驱动电路、储能电容和脉冲变压器的原边构成放电回路；驱动电路接收控制分机的驱动指令，控制IGBT的开通和关断进行脉冲放电，实施输出脉冲宽度调制，高压脉冲宽度连续可调；

所述灯丝电源的两极连接脉冲变压器的副边，脉冲变压器的副边与磁控管的两端连接，脉冲变压器完成电压泵升，产生满足负载磁控管工作的万伏级高压，灯丝电源提供直流电压和恒定电流，实施磁控管工作前的预热准备，磁控管工作导通后，输出所需高功率微波。

第二方面，一种微秒级微波脉冲驱动电源的工作方法，包括如下步骤：

充电电源接收控制分机的充电/断电指令向储能电容充电/断电，并完成储能电容放电后及时补充电容电压的功能，实施能量的预先存储，充电过程中IGBT关断；

灯丝电源提供小功率直流电压和恒定电流，实施磁控管工作前的预热准备；

驱动电路接收控制分机的驱动指令，控制IGBT的开通和关断以使储能电容进行脉冲放电，实施输出脉冲宽度调制；脉冲放电时，脉冲变压器实施电压泵升，产生满足负载磁控管工作的万伏级高压，磁控管工作导通，输出所需高功率微波。

根据本发明提供的一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法，结构简单，通过IGBT驱动模块及脉冲变压器设计，能够有效解决大功率磁控管的供电稳定性问题；

(2)本发明提供的一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法，微秒级微波脉冲驱动电源脉宽调制的实现，采用多路IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)驱动模块并联结构，可满足负载打火或短路故障时产生万安级电流的保护需求；

(3)本发明提供的一种微秒级微波脉冲驱动电源及其工作方法，充电电源可在恒流模式下向储能电容充电，能够充分应对磁控管打火或跳模等复杂工况，大大提高微波设备的安全性。

附图说明

图1为本发明中微秒级微波脉冲驱动电源的电路原理图；

图2为本发明中控制分级的电路图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明的第一方面，提供了一种微秒级微波脉冲驱动电源，针对负载大功率磁控管的供电需求，规划基于IGBT固态调制开关的分离式电源系统架构，如图1所示，包括控制分机、多路IGBT驱动模块、脉冲变压器及灯丝电源；

所述控制分机与多路IGBT驱动模块连接，负责微波脉冲驱动电源整体控制指令的产生与发出，如上电、预热、微波出束、故障报警灯、充电/断电、IGBT开关通断等；

所述多路IGBT驱动模块并联连接至控制分机上，每路IGBT驱动模块包括充电电源、IGBT及其驱动电路、储能电容；所述充电电源的正极与IGBT的集电极和储能电容的正极连接，所述充电电源的负极与IGBT的发射极和脉冲变压器原边的一端连接，储能电容的负极与脉冲变压器原边的另一端连接，充电电源、储能电容和脉冲变压器的原边构成充电回路，充电电源接收控制分机的充电/断电指令后向储能电容充电/断电，并完成储能电容放电后及时补充电容电压的功能，实现能量的预先存储；驱动电路与IGBT的栅极连接，IGBT及其驱动电路、储能电容和脉冲变压器的原边构成放电回路；驱动电路接收控制分机的驱动指令，控制IGBT的开通和关断进行脉冲放电，实现输出脉冲宽度调制，高压脉冲宽度连续可调；

所述灯丝电源的两极连接脉冲变压器的副边，脉冲变压器的副边与磁控管的两端连接，脉冲变压器完成电压泵升，产生满足负载磁控管工作的万伏级高压，灯丝电源提供小功率直流电压和恒定电流，实现磁控管工作前的预热准备，磁控管工作导通后，输出所需高功率(2兆瓦-5兆瓦)微波。

在一种优选的实施方式中，所述充电电源以恒流模式向储能电容充电，用于充分应对磁控管打火或跳模等复杂工况，大大提高微波设备的安全性。

在一种优选的实施方式中，控制分机硬件部分是以FPGA器件为核心，配合各种外围电路实现驱动电源系统的本地和远端控制、状态变量的采集、显示、传输、故障保护。控制分机对外通讯接口采用光纤传输信号。

如图2所示，所述控制分机所述控制分机用以执行对微波脉冲驱动电源所有功能的指令发出，包括充电控制单元和放电控制单元；所述充电控制单元包括模拟乘法器、电流PID调节器、电压PID调节器、功率PID调节器和自动裁决电路：(1)充电控制单元部分控制逻辑：电源具备闭环反馈能力，即从输出磁控管端采集到电压和电流信号作为电流反馈和电压反馈，同时两种信号经模拟乘法器处理后，输出功率信号作为功率反馈。随后三路信号分别进入对应的PID调节器，与对应给定信号进行比较，比较结果作为输入量进入自动裁决电路。自动裁决电路对输入量进行分析处理后，输出信号传递给充电电源中的PWM脉宽调制和MOS管驱动电路单元，控制充电电源中的四路MOS管驱动信号，进而控制储能电容的充断电。(2)放电控制单元部分控制逻辑：控制分机中充放电时序控制单元用以执行放电功能，其输出控制信号控制IGBT驱动电路，实现微波脉冲驱动电源的输出放电。同时该部分还负责整套微波脉冲驱动电源的辅助功能，缓启动控制单元用以调节充电时间和充电速度，故障检测保护用以监测IGBT高压开关处实时状态、确保电源安全运行；其他辅助电源如灯丝电源等的控制部分也存在于此处，放电时序控制单元用于灯丝电源的通断。

根据本发明的第二方面，提供了一种微秒级微波脉冲驱动电源的工作方法，包括如下步骤：

充电电源接收控制分机的充电/断电指令向储能电容充电/断电，并完成储能电容放电后及时补充电容电压的功能，实施能量的预先存储，充电过程中IGBT关断；

灯丝电源提供小功率直流电压和恒定电流，实施磁控管工作前的预热准备；

驱动电路接收控制分机的驱动指令，控制IGBT的开通和关断以使储能电容进行脉冲放电，实施输出脉冲宽度调制；脉冲放电时，脉冲变压器实施电压泵升，产生满足负载磁控管工作的万伏级高压，磁控管工作导通，输出所需高功率微波。

在一种优选实施方式中，所述脉冲放电时间为微秒级。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种微秒级微波脉冲驱动电源，其特征在于，包括控制分机、多路IGBT驱动模块、脉冲变压器及灯丝电源；

所述控制分机与多路IGBT驱动模块连接，负责微波脉冲驱动电源整体控制指令的产生与发出；

所述多路IGBT驱动模块并联连接至控制分机上，每路IGBT驱动模块包括充电电源、IGBT及其驱动电路、储能电容；所述充电电源的正极与IGBT的集电极和储能电容的正极连接，所述充电电源的负极与IGBT的发射极和脉冲变压器原边的一端连接，储能电容的负极与脉冲变压器原边的另一端连接，充电电源、储能电容和脉冲变压器的原边构成充电回路，充电电源接收控制分机的充电/断电指令后向储能电容充电/断电，并完成储能电容放电后及时补充电容电压的功能，实施能量的预先存储；驱动电路与IGBT的栅极连接，IGBT及其驱动电路、储能电容和脉冲变压器的原边构成放电回路；驱动电路接收控制分机的驱动指令，控制IGBT的开通和关断进行脉冲放电，实施输出脉冲宽度调制，高压脉冲宽度连续可调；

所述灯丝电源的两极连接脉冲变压器的副边，脉冲变压器的副边与磁控管的两端连接，脉冲变压器完成电压泵升，产生满足负载磁控管工作的万伏级高压，灯丝电源提供直流电压和恒定电流，实施磁控管工作前的预热准备，磁控管工作导通后，输出所需高功率微波。

2.根据权利要求1所述的微秒级微波脉冲驱动电源，其特征在于，所述充电电源以恒流模式向储能电容充电。

3.根据权利要求1所述的微秒级微波脉冲驱动电源，其特征在于，所述控制分机用以执行对微波脉冲驱动电源所有功能的指令发出，包括充电控制单元和放电控制单元；所述充电控制单元包括模拟乘法器、电流PID调节器、电压PID调节器、功率PID调节器和自动裁决电路，充电控制单元从输出磁控管端采集到电压和电流信号作为电流反馈和电压反馈，同时两种信号经模拟乘法器处理后，输出功率信号作为功率反馈；随后三路信号分别进入对应的PID调节器，与对应给定信号进行比较，比较结果作为输入量进入自动裁决电路；自动裁决电路对输入量进行分析处理后，输出信号传递给充电电源中的PWM脉宽调制和MOS管驱动电路单元，控制充电电源中的四路MOS管驱动信号，进而控制储能电容的充断电；所述放电控制单元包括充放电时序控制单元，充放电时序控制单元用以执行放电功能，其输出控制信号控制IGBT驱动电路，实现微波脉冲驱动电源的输出放电。

4.根据权利要求1所述的微秒级微波脉冲驱动电源，其特征在于，所述充放电时序控制单元还用于灯丝电源的通断。

5.根据权利要求1所述的微秒级微波脉冲驱动电源，其特征在于，所述控制分机还包括缓启动控制单元和故障检测及保护单元，所述缓启动控制单元用于调节充电时间和充电速度，故障检测及保护单元用于监测IGBT高压开关处实时状态、确保电源安全运行。

6.一种微秒级微波脉冲驱动电源的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

充电电源接收控制分机的充电/断电指令向储能电容充电/断电，并完成储能电容放电后及时补充电容电压的功能，实施能量的预先存储，充电过程中IGBT关断；

灯丝电源提供小功率直流电压和恒定电流，实施磁控管工作前的预热准备；

驱动电路接收控制分机的驱动指令，控制IGBT的开通和关断以使储能电容进行脉冲放电，实施输出脉冲宽度调制；脉冲放电时，脉冲变压器实施电压泵升，产生满足负载磁控管工作的万伏级高压，磁控管工作导通，输出所需高功率微波。

7.根据权利要求6所述的微秒级微波脉冲驱动电源的工作方法，其特征在于，所述脉冲放电时间为微秒级。

Images