CN115313847A - 一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源及其产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源及其产生方法，毫米波发射机高压电源包括配电单元、逆变单元、变压器组合单元、调制储能单元和控保单元；控保单元分别与配电单元、逆变单元、变压器组合单元、调制储能单元和上位机通信连接；配电单元、逆变单元、变压器组合单元和调制储能单元依次通信连接；该毫米波发射机高压电源的各个模块进行模块化设计、通用化设计以及小型化设计，其具备阴极和收集极高压输出功能以及灯丝、补偿、励磁和钛泵输出控制功能，主要用于回旋行波管发射机系统，为回旋行波管系统提供正常的工作条件及电子注能量，可以使用上位机软件进行控制。
Description
技术领域
本发明属于高压电源技术领域，具体涉及一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源及其产生方法。
背景技术
在毫米波频段，普通的微波管很难取得特别高的平均功率。经过长期的研究和探索之后，有科学家提出了电子回旋脉塞理论，并以该理论研制出了回旋管，以此来得到毫米波频段、亚毫米波频段甚至是太赫兹频段的大功率微波源。回旋行波管就是回旋管家族中的一员。
回旋行波管发射系统由回旋行波管、高压电源、固态调制器、超导磁场、控制保护和冷却系统等部分组成。高压链路的高压电源产生的直流高压经固态调制器形成脉冲高压后直耦于回旋行波管阴极。百千瓦级毫米波发射机在高压/大电流/强电磁环境下，要实现其“小型化”面临两大挑战：随着体积缩小，功率密度增加必然导致强场击穿和强电磁干扰。
同时发射系统中电气类设备的增加，使得电磁兼容的问题逐渐凸显，并成为影响系统可靠性的关键因素。在采用传统高压电源的电磁环境测试中，常常出现打火时不规则瞬态脉冲干扰、阻尼正弦瞬态干扰以及公共电网谐波、开关电源噪音等干扰。从干扰耦合的形式和途径来看，沿线缆的传导发射和空间辐射两种耦合形式均存在，且以线间串扰和线缆瞬态传导干扰为主。电子系统在强的电磁脉冲下容易受到很强的干扰和破坏，如果通过电磁脉冲防护技术则可以屏蔽掉部分电磁干扰，但暴露于强电磁脉冲环境下的外部电源线仍会收到影响，强电磁脉冲干扰会耦合进电源线通过电源线引入到设备内部，损坏内部电路。高压电源这类干扰产生的设备应该重点考虑它们对外产生的线缆传导和空间辐射干扰。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源及其产生方法。
本发明的技术方案是：一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源包括配电单元、逆变单元、变压器组合单元、调制储能单元和控保单元；控保单元分别与配电单元、逆变单元、变压器组合单元、调制储能单元和上位机通信连接；配电单元、逆变单元、变压器组合单元和调制储能单元依次通信连接；
控保单元用于对毫米波发射机高压电源进行控制和保护；配电单元用于对输入的工频电源进行保护和滤波；逆变单元用于将工频电源转换为高频方波电压；变压器组合单元和调制储能单元将高频方波电压调制成不同频率和幅值的电压和电流。
本发明的有益效果是：该毫米波发射机高压电源的各个模块进行模块化设计、通用化设计以及小型化设计，其具备阴极和收集极高压输出功能以及灯丝、补偿、励磁和钛泵输出控制功能，主要用于回旋行波管发射机系统，为回旋行波管系统提供正常的工作条件及电子注能量，可以使用上位机软件进行控制。
基于以上系统，本发明还提出一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源产生方法，包括以下步骤：
S1：将380V50Hz三相工频电源作为毫米波发射机高压电源的输入电源，生成高压直流电源和高压脉冲电源；
S2：对高压直流电源进行保护和控制，对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比进行调制，得到毫米波发射机高压电源。
进一步地，步骤S1包括以下子步骤：
S11：将380V50Hz三相工频电源作为毫米波发射机高压电源的输入电源，利用配电单元进行频率滤波并启动保护控制，利用逆变单元将380V50Hz三相工频电源转换为频率为25kHz且电压为540V的方波电压；
S12：利用变压器组合单元的升压整流电路对频率为25kHz且电压为540V的方波电压进行升压整流，转换为50kV高压直流电源；
S13：利用50kV高压直流电源生成高压直流电源和高压脉冲电源。
进一步地，步骤S13中，生成高压直流电源的具体方法为：将50kV高压直流电源的正极接到大地，负极和大地用于为用电设备供电，生成高压直流电源。
进一步地，步骤S13中，生成高压脉冲电源的具体方法为：利用调制储能单元调制50kV高压直流电源的脉宽和占空比，生成高压脉冲电源。
进一步地，步骤S2中，对高压直流电源进行保护和控制包括以下子步骤：
A21：利用上位机设置高压直流电源的输出电压值，并传输至控保单元；
A22：利用控保单元将输出电压值传输至调制储能单元，移相输出驱动信号；
A23：对驱动信号进行放大，并对输出电压值进行驱动PWM调制，完成对高压直流电源的保护和控制。
进一步地，步骤S2中，对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比进行调制包括以下子步骤：
B11：利用上位机设置高压脉冲电源的输出脉宽和占空比，并传输至控保单元；
B12：利用控保单元的时钟控制板和半桥驱动板分别产生控制信号和供电信号；
B13：将控制信号和供电信号分别传输至调制储能单元的若干个控制脉冲变压器和若干个供电脉冲变压器中；
B14：利用调制储能单元对供电信号进行整流滤波和变换稳压，利用调制储能单元对控制信号进行处理和放大，完成对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比的调制。
本发明的有益效果是：该毫米波发射机高压电源产生方法提供了高压直流电源和高压脉冲电源的产生方式、高压直流电源保护和控制方式以及高压脉冲电源输出脉宽和占空比设置方式。，隔离谐波电流对输入逆变单元的直流电压的影响，并在方波的上升沿到达同时产生一个滤波信号，利用调制器同步滤波的方法和电路，滤除掉由磁场引起的不规则瞬态脉冲干扰。
附图说明
图1为毫米波发射机高压电源的结构图；
图2为毫米波发射机高压电源产生方法的流程图；
图3为调制器同步滤波电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源，包括配电单元、逆变单元、变压器组合单元、调制储能单元和控保单元；控保单元分别与配电单元、逆变单元、变压器组合单元、调制储能单元和上位机通信连接；配电单元、逆变单元、变压器组合单元和调制储能单元依次通信连接；
控保单元是电源系统的核心控制模块，控保单元用于对毫米波发射机高压电源进行控制和保护；配电单元用于对输入的工频电源进行保护和滤波；逆变单元用于将工频电源转换为高频方波电压；变压器组合单元和调制储能单元将高频方波电压调制成不同频率和幅值的电压和电流。
基于以上系统，本发明还提出一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源产生方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1：将380V50Hz三相工频电源作为毫米波发射机高压电源的输入电源，生成高压直流电源和高压脉冲电源；
S2：对高压直流电源进行保护和控制，对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比进行调制，得到毫米波发射机高压电源。
在本发明实施例中，步骤S1包括以下子步骤：
S11：将380V50Hz三相工频电源作为毫米波发射机高压电源的输入电源，利用配电单元进行频率滤波并启动保护控制，利用逆变单元将380V50Hz三相工频电源转换为频率为25kHz且电压为540V的方波电压；
S12：利用变压器组合单元的升压整流电路对频率为25kHz且电压为540V的方波电压进行升压整流，转换为50kV高压直流电源；
S13：利用50kV高压直流电源生成高压直流电源和高压脉冲电源。
在本发明实施例中，步骤S13中，生成高压直流电源的具体方法为：将50kV高压直流电源的正极接到大地，负极和大地用于为用电设备供电，生成高压直流电源。
在本发明实施例中，步骤S13中，生成高压脉冲电源的具体方法为：利用调制储能单元调制50kV高压直流电源的脉宽和占空比，生成高压脉冲电源。
在本发明实施例中，步骤S2中，对高压直流电源进行保护和控制包括以下子步骤：
A21：利用上位机设置高压直流电源的输出电压值，并传输至控保单元；
A22：利用控保单元将输出电压值传输至调制储能单元，移相输出驱动信号；
A23：对驱动信号进行放大，并对输出电压值进行驱动PWM调制，完成对高压直流电源的保护和控制。
在本发明实施例中，步骤S2中，对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比进行调制包括以下子步骤：
B11：利用上位机设置高压脉冲电源的输出脉宽和占空比，并传输至控保单元；
B12：利用控保单元的时钟控制板和半桥驱动板分别产生控制信号和供电信号；
B13：将控制信号和供电信号分别传输至调制储能单元的若干个控制脉冲变压器和若干个供电脉冲变压器中；
B14：利用调制储能单元对供电信号进行整流滤波和变换稳压，利用调制储能单元对控制信号进行处理和放大，完成对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比的调制。
每个控制脉冲电压器为1组原边和15组副边，每个脉冲电压器为1组原边和15组副边，脉冲变压器输出的90路控制信号和供电信号分别传输给90张调制器驱动板，调制器驱动板对供电信号进行整流滤波及变换稳压，为调制器驱动板的集成电路提供电压，调制器驱动板对控制信号进行处理和放大，对90个串联IGBT堆进行同步通断控制，得到符合技术要求的高压脉冲电源。
本发明的工作原理及过程为：电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或者系统在预定的电磁环境中实现电磁兼容，即在特定电磁环境下设备或者系统能正常工作。电磁干扰会引起装置、设备或者系统性能降低。降低电磁干扰，建立电磁兼容的设备需要解决的问题有三个方向，即抑制源头电磁干扰源、降低耦合影响和对敏感设备进行保护。针对有限空间内高电压、强电流、强磁场的不同特征复杂电磁环境进行建模仿真分析，对系统电磁分布进行优化设计，合理布局，从源头抑制电磁串扰。
针对高压电源中的控制电路和驱动电路等系统中的敏感设备进行保护。如控制芯片及通信设备极易受到外界的电磁干扰导致工作不正常，需要提高这类敏感设备的抗电磁干扰能力。
基于优化后的电磁分布，引入铁磁性材料进行屏蔽，从传输路径上控制串扰。同时采取软件后处理的方式对强磁场产生的干扰进行修正。针对有限空间强电磁环境下的强干扰导致的发射机系统控制难题，提出高能场与信号场分区设计信号隔离技术，实现高能产生、转换、传输与控制信号通过电磁屏蔽物理隔离，又通过光电转换形成有效控制。从根本上解决有限封闭空间下的强电磁干扰难题，实现百千瓦级毫米波一体化发射机的有效控制。
本发明的重点是抑制强磁场和强电流环境对毫米波发射机高压电源的电磁干扰，达到电磁兼容的效果。在本发明中，针对特种高压电源的特性，电磁干扰主要产生在三个方面地方，逆变器、调制器和超导磁体磁场。针对这三个电磁干扰源采取了一些电磁兼容措施。
(1)逆变器在本发明中的作用是把380V50Hz工频电压转换成频率为25kHz和电压为540V的方波电压。采用高频开关技术的高频率的方波电压会产生的谐波电流会对电网电压产生影响。针对谐波电流就需要对输入电路的功率进行矫正，以最大限度减少谐波电流，因此采取了共模滤波的方法。
共模电感又叫共模滤波器，是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。原理是流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用，而当两线圈流过差模电流时，磁环中的磁通相互抵消，几乎没有电感量，所以差模电流可以无衰减地通过。因此共模电感在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。
(2)调制器在本发明中的作用是对供电信号进行整流滤波及变换稳压，对控制信号进行处理和放大，90个串联IGBT堆进行同步通断控制，得到符合技术要求的高压脉冲电源。高压脉冲产生的跳变电压很容易过大的电压变化而不稳定。在这个器件中采用了同步滤波的方法在方波的上升沿到达同时产生一个滤波信号，滤除掉由磁场引起的不规则瞬态脉冲干扰。调制器同步滤波电路如图2所示。
(3)在整机设计过程中，考虑到回旋行波管发射系统小型化的要求，回旋行波管发射系统的各个部分被设计到了一起，回旋行波管的超导磁体强磁场会直接影响到高压电源电压电流的稳定性。超导磁体产生的强磁场会干扰高压的电流，使得电流出现误差，目前采取的方式是可以通过软件补偿的方式进行修正，以减弱磁场带来的影响。
(4)阴极电源有直流和脉冲两种工作模式；工作电压：-50～0kV；工作电流：脉冲工作最大15A，直流工作最大4A@-50kV(设计保证)；额定功率：200kW；脉冲模式最大工作比：40％(@脉冲功率500kW)；最大重频：2kHz；脉宽：20～350us可调；电压采样误差：≤1％@脉冲电压50kV；电流采样误差：≤1％@脉冲电流10A；顶降：1kV@脉冲电流10A，350us。
收集极电源直流模式工作电压：0～+65kV；工作电流：直流工作最大0.25A@65kV(设计保证)；额定功率：17kW(设计保证)；电压采样误差：≤1％@直流电压65kV。
电磁兼容措施的引入在一定程度上减少了强磁场和交流电场对高压电源性能的影响，提高了高压电源的稳定性。
本发明的有益效果为：
(1)该毫米波发射机高压电源的各个模块进行模块化设计、通用化设计以及小型化设计，其具备阴极和收集极高压输出功能以及灯丝、补偿、励磁和钛泵输出控制功能，主要用于回旋行波管发射机系统，为回旋行波管系统提供正常的工作条件及电子注能量，可以使用上位机软件进行控制。
(2)该毫米波发射机高压电源产生方法提供了高压直流电源和高压脉冲电源的产生方式、高压直流电源保护和控制方式以及高压脉冲电源输出脉宽和占空比设置方式。，隔离谐波电流对输入逆变单元的直流电压的影响，并在方波的上升沿到达同时产生一个滤波信号，利用调制器同步滤波的方法和电路，滤除掉由磁场引起的不规则瞬态脉冲干扰。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源，其特征在于，包括配电单元、逆变单元、变压器组合单元、调制储能单元和控保单元；所述控保单元分别与配电单元、逆变单元、变压器组合单元、调制储能单元和上位机通信连接；所述配电单元、逆变单元、变压器组合单元和调制储能单元依次通信连接；
所述控保单元用于对毫米波发射机高压电源进行控制和保护；所述配电单元用于对输入的工频电源进行保护和滤波；所述逆变单元用于将工频电源转换为高频方波电压；所述变压器组合单元和调制储能单元将高频方波电压调制成不同频率和幅值的电压和电流。
2.一种电磁兼容的毫米波发射机高压电源产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将380V50Hz三相工频电源作为毫米波发射机高压电源的输入电源，生成高压直流电源和高压脉冲电源；
S2：对高压直流电源进行保护和控制，对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比进行调制，得到毫米波发射机高压电源。
3.根据权利要求2所述的电磁兼容的毫米波发射机高压电源产生方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：
S11：将380V50Hz三相工频电源作为毫米波发射机高压电源的输入电源，利用配电单元进行频率滤波并启动保护控制，利用逆变单元将380V50Hz三相工频电源转换为频率为25kHz且电压为540V的方波电压；
S12：利用变压器组合单元的升压整流电路对频率为25kHz且电压为540V的方波电压进行升压整流，转换为50kV高压直流电源；
S13：利用50kV高压直流电源生成高压直流电源和高压脉冲电源。
4.根据权利要求3所述的电磁兼容的毫米波发射机高压电源产生方法，其特征在于，所述步骤S13中，生成高压直流电源的具体方法为：将50kV高压直流电源的正极接到大地，负极和大地用于为用电设备供电，生成高压直流电源。
5.根据权利要求3所述的电磁兼容的毫米波发射机高压电源产生方法，其特征在于，所述步骤S13中，生成高压脉冲电源的具体方法为：利用调制储能单元调制50kV高压直流电源的脉宽和占空比，生成高压脉冲电源。
6.根据权利要求2所述的电磁兼容的毫米波发射机高压电源产生方法，其特征在于，所述步骤S2中，对高压直流电源进行保护和控制包括以下子步骤：
A21：利用上位机设置高压直流电源的输出电压值，并传输至控保单元；
A22：利用控保单元将输出电压值传输至调制储能单元，移相输出驱动信号；
A23：对驱动信号进行放大，并对输出电压值进行驱动PWM调制，完成对高压直流电源的保护和控制。
7.根据权利要求2所述的电磁兼容的毫米波发射机高压电源产生方法，其特征在于，所述步骤S2中，对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比进行调制包括以下子步骤：
B11：利用上位机设置高压脉冲电源的输出脉宽和占空比，并传输至控保单元；
B12：利用控保单元的时钟控制板和半桥驱动板分别产生控制信号和供电信号；
B13：将控制信号和供电信号分别传输至调制储能单元的若干个控制脉冲变压器和若干个供电脉冲变压器中；
B14：利用调制储能单元对供电信号进行整流滤波和变换稳压，利用调制储能单元对控制信号进行处理和放大，完成对高压脉冲电源的输出脉宽和占空比的调制。
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