CN116317670A - 一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，通过采用基于分立式电气器件的柔性电源架构，实现电源‑微波源系统的共形设计，有效提升电源系统的整体功率密度至44.4kW/m3；根据高功率微波设备实际使用需求采用基于功能分区的电源结构布局方案，提高了系统的可测试性、可维修性；采用高效两级稳压控制方案，实现输出电压的稳定度达到0.01％；实现了高效率、高功率密度、高输出稳定度、与总体系统共形的高压电源功能。本发明输出高电压有效驱动高功率微波源产生高功率微波，解决了现有高功率微波武器装备体积大、功率密度不高，测试性、维修性较差，且输出稳定度难以保证的问题，适用于脉冲功率电源的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统。
背景技术
高功率微波设备是一类新式电磁设备，可产生峰值功率几百千瓦以上的微波信号，在军用、民用领域应用前景十分广阔。微波管、发射天线是微波设备的主要组成部件。其主要原理为：高压电源将普通的交流工业用电转化为设备所需要的脉冲高压，驱动微波管产生强电磁脉冲信号，利用发射电线实现高功率微波的定向辐射。
其中，微波设备性能的优劣很大程度上由高压电源系统等因素决定，高压电源是微波系统的核心部件之一，由于其峰值功率高、体积重量大，设计参数指标直接影响着微波设备的总体尺寸、使用环境及使用寿命。大功率的脉冲电源系统一般都包括低压充电电源、高压脉冲发生器、控制单元等部分，其中高压脉冲输出、系统结构设计为脉冲电源系统设计的重点以及难点。现阶段，在系统结构上，工业应用中使用阴极高压电源系统考虑到人员操作与便携使用多采用机柜式整机结构，此结构下电源系统整体度高，但测试及维修较为繁琐，电源输出电功率密度国内领先水平为30kW/m3；在技术方案上，多采用工频变压器进行升压整流供电，其体积较大，效率低，输出电压稳定度难以保证。因此面向小型化高功率微波设备的实际使用需求，设计出一种高效率、高功率密度、高输出稳定度、可与总体系统共形的高压电源具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，用于得到高效率、高功率密度、高输出稳定度、与总体系统共形的高压电源。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，包括依次连接的低压充电模块和高压调制模块；低压充电模块包括不控整流模块、恒流充电电路和控制保护电路；高压调制模块包括电容储能单元、固态调制器组、脉冲变压器、驱动电路和辅助电源；各模块按不控整流模块、恒流充电电路、电容储能单元、固态调制器组、脉冲变压器的顺序依次采用柔性电连接，并最后连接到大功率微波速调管负载，组成电源系统主电路，实现高压电源与高功率微波系统的共形集成；不控整流模块用于对工频电压整流输出得到直流电压，校正输入电能的功率因数；不控整流模块采用EMI滤波整流模块，包括串联的EMI滤波器和整流调压模块，用于控制整流调压模块的导通角大小实现第一级稳压功能；恒流充电电路采用LC串联谐振电路，用于给电容储能单元充电，通过电压比较器完成电容电压对充电电压的快速跟随，实现第二级稳压电压功能，提高对电容储能单元充电的效率及稳定度；电容储能单元为储能电容器，用于充电并驱动电路在特定时刻触发固态调制器组导通，通过脉冲变压器升压输出峰值电压驱动大功率微波速调管负载产生高功率微波；固态调制器组包括多路并联的IGBT模块，每组IGBT模块包括驱动板、IGBT、缓冲电路和辅助电源；固态调制器组用于作为电路主开关控制电容储能单元放电产生脉冲电压；脉冲变压器包括脉冲变压器本体和过流保护取样电路；脉冲变压器用于将固态调制器输出的脉冲直流电压升高到负载需要的幅值，同时满足负载所需的脉冲前沿和后沿要求；控制保护电路采用FPGA器件和相应的外围电路，与驱动电路和辅助电源通过光纤相连，用于控制电源系统的本地和远端，实现状态变量的采集、显示、传输以及故障保护；驱动电路通过电气线缆连接固态调制器组，用于高压驱动4IGBT及快上升沿触发储能单元放电。
按上述方案，不控整流模块输入的工频电压为380V，输出的直流电压为400V；恒流充电电路的充电电压为2000V；脉冲变压器的初级输入2kV脉冲电压，次级输出80kV的脉冲电压，升压比为1：40，最大脉宽为5.5μs。
按上述方案，恒流充电电路包括IGBT全桥开关、谐振电容、谐振电感、谐振变压器、高压高频整流桥、滤波电容，还包括隔离驱动电路、控制电路及保护逻辑、高压采样、低压电流采样电路；低压电流采样电路用于采集电压信号并反馈到控制电路；控制电路用于实时比较反馈信号和高压设定值，并产生输出控制逆变桥四路驱动信号的脉冲；当控制电路设置的基准电压与反馈取样电压之差为零时，控制电路发出信号关断输出脉冲，实现第二级稳压。
按上述方案，辅助电源包括偏磁电源、钛泵电源和灯丝电源；偏磁电源连接脉冲变压器，用于为脉冲变压器的铁芯提供直流偏磁电压，使脉冲变压器工作于不饱和状态，以满足脉冲变压器的工作条件；钛泵电源、灯丝电源与大功率微波速调管负载通过电气线缆相连；钛泵电源采用半桥串并联谐振变换器开关电源，包括整流滤波电路、谐振控制器、半桥变换器、倍压整流滤波、辅助电源，最大输出电压为5kV；钛泵电源用于对钛泵供电维持微波管内的真空度，保证大功率微波速调管负载的正常工作状态；灯丝电源用于对灯丝进行预热，实现大功率微波速调管负载的出束；灯丝电源的输出功率为500W，电压0～100V连续可调，电流0～50A连续可调，工作模式为恒流限压。
按上述方案，还包括电源系统发射箱和高压油箱；在电源系统发射箱内根据各分立式电气器件功能、电压等级、功率容量的特点，采用基于功能分区及维修诊断点位预设的电源空间进行结构布局；将包括偏磁电源、钛泵电源和灯丝电源的待测及易损电气器件布置在电源系统发射箱的开口处，提供针对系统工作状态的诊断点位，用于满足系统功能的测试需求及设备维保需求；脉冲变压器安装在高压油箱内便于绝缘和散热，同时预留大功率微波速调管负载的安装位置；将包括固态调制器组、脉冲变压器和高压油箱的高压器件通过高压线缆相连，并布置在电源系统发射箱的内侧，用于减小线缆分布参数引起的能量损耗；将包括不控整流模块、恒流充电电路和控制保护电路的低压充电模块布置在电源系统发射箱的下方基座，通过转台滑环线束连接高压调制模块，用于实现电源系统的高低压分离，保证设备和人员的安全。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，通过采用基于分立式电气器件的柔性电源架构，实现电源-微波源系统的共形设计，有效提升电源系统的整体功率密度至44.4kW/m3；根据高功率微波设备实际使用需求采用基于功能分区的电源结构布局方案，提高了系统的可测试性、可维修性；采用高效两级稳压控制方案，实现输出电压的稳定度达到0.01％；实现了高效率、高功率密度、高输出稳定度、与总体系统共形的高压电源功能。
2.本发明输出高电压有效驱动高功率微波源产生高功率微波，解决了现有高功率微波武器装备体积大、功率密度不高，测试性、维修性较差，且输出稳定度难以保证的问题，适用于脉冲功率电源的应用领域。
3.本发明有效减小了系统体积，适用于小型高功率微波设备。
附图说明
图1是本发明实施例的功能框图。
图2是本发明实施例的高压调制模块在高功率微波发射箱内的空间布局示意图。
图3是本发明实施例的LC谐振恒流充电电路拓扑图。
图4是本发明实施例的输出电压波形图。
图5是本发明实施例的偏磁、钛泵、灯丝三合一电源模块的外形图。
图6是本发明实施例的固态调制、储能及驱动模块的外形图。
图7是本发明实施例的脉冲变压器(含油箱)的外形图。
图中：1.EMI滤波整流模块；2.恒流充电电路；3.电容储能单元；4.固态调制器(组)；5.脉冲变压器；6.控制保护电路；7.驱动电路；8.偏磁电源；9.钛泵电源；10.灯丝电源；12.脉冲变压器(含油箱)；13.3组固态调制及驱动、电容储能模块；14.钛泵、偏磁、灯丝模块；15.微波速调管；16.脉冲压缩装置；17.发射天线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
(1)基于分立式电气器件的柔性电源架构及技术方案
面向小型化高功率微波设备的供电需求，本发明采用基于分立式电气器件的柔性电源架构，将机柜式电源整机进行器件级拆分，具体策略为：将低压充电模块分解为EMI滤波整流模块、恒流充电电路、控制保护电路；将高压调制模块分解为电容储能单元、固态调制器组、脉冲变压器、驱动电路、偏磁电源、钛泵电源及灯丝电源，各模块采用柔性电连接实现高压电源与高功率微波系统的共形集成设计，将电源系统总体体积由1.4m3减小至0.9m3，提高了电源系统整体功率密度及微波系统总体紧凑度。本发明系统通过不控整流模块将380V工频电压进行整流输出，得到400V直流电压，实现输入电能的功率因数校正；恒流充电电路采用LC串联谐振电路，实现对电容储能单元充电的高效率及高稳定度，充电电压为2000V；电容储能单元完成充电后，驱动电路在特定时刻触发固态调制器(组)导通，利用1：40脉冲变压器升压，输出峰值电压达到80kV，驱动微波源负载产生高功率微波。本发明辅助电源包括偏磁电源、钛泵电源及灯丝电源，偏磁电源用于保证变压器铁芯的不饱和状态，以满足脉冲变压器的工作条件；灯丝电源用于对灯丝进行预热，实现微波管的出束；钛泵电源用于钛泵的供电，维持管内真空度，保证微波管的正常工作状态。
(2)基于功能分区及维修诊断点位预设的电源结构布局方案
本发明采用基于功能分区及维修诊断点位预设的电源空间结构布局方案，根据各分立式电气器件功能、电压等级、功率容量的特点，对电源系统空间结构进行布局。具体策略为：为方便测试高压电源的输出性能、监测大功率微波速调管的工作状态，将待测/易损电气器件偏磁电源、钛泵电源及灯丝电源布置于小型高功率微波设备发射箱开口处，提供针对系统工作状态诊断点位，以满足系统功能的测试需求及设备维保需求；将固态调制器(组)与脉冲变压器及油箱等高压器件布置于发射箱内侧，通过高压线缆相连，减小线缆分布参数引起的能量损耗；将低压充电机柜布置于发射箱下方基座，通过转台滑环线束与高压部分相连，实现电源系统的高低压分离，保证设备、人员的安全。
(3)基于两级稳压控制的输出电压稳定性提升方案
本发明设计采用两级稳压控制方案。380V工频电经EMI滤波器、整流调压模块后给低压滤波器电容充电，通过控制整流调压模块的导通角大小实现第一级稳压功能；后经恒流充电电路给储能单元充电，针对恒流充电电路的IGBT全桥开关设计了高压取样电路与控制电路，通过电压比较器完成电容电压对充电电压的快速跟随，实现第二级稳压电压功能。初级充电电源电压跌落由2％下降至0.01％，从而提升脉冲高电压的输出稳定性。
参见图1，本发明的实施例的柔性高压电源系统输出平均功率为40kW，输出峰值电压80kV，输出峰值电流800A，电源系统总体积0.9m3。高压电源可分为低压充电模块及高压调制模块，将电源系统各模块进行器件级拆分，形成柔性电源方案，具体分为：EMI滤波整流模块1、恒流充电电路2、电容储能单元3、固态调制器(组)4、脉冲变压器5、控制保护电路6、驱动电路7、偏磁电源8、钛泵电源9、灯丝电源10。其中，EMI滤波整流模块1、恒流充电电路2、电容储能单元3、固态调制器(组)4、脉冲变压器5为电源系统主电路，依次通过电气线缆相连，输出80kV直流高压；控制保护电路6与驱动电路7、偏磁电源8、钛泵电源9、灯丝电源10通过光纤相连，起到电路控制与保护作用；驱动电路7与固态调制器(组)4通过电气线缆相连，触发储能单元放电；偏磁电源8与脉冲变压器5相连，提供偏磁电压；钛泵电源9、灯丝电源10与速调管负载通过电气线缆相连，用于保证速调管的正常工作状态。
EMI整流滤波模块的输入为380V工频电压，由EMI滤波器与整流调压模块串联组成，控制整流调压模块开关的导通角可实现一级稳压功能。
恒流充电电路2如附图3所示，由IGBT全桥开关、谐振电容、谐振电感(包括高压变压器漏感)、谐振变压器、高压高频整流桥、滤波电容等组成，另外，还有隔离驱动电路、控制电路及保护逻辑、高压采样、低压电流采样等单元电路。电压取样电路采集到的电压采样信号反馈到控制板，通过控制板核心器件UC34066完成反馈信号和高压设定值进行实时比较，并产生输出控制逆变桥四路驱动信号的脉冲。当控制电路设置的基准电压与反馈取样电压之差为零时，控制电路发出信号，关断输出脉冲，实现二级稳压。按照电源系统输出功率40kW，脉冲调试效率85％，充电效率95％，开关频率f＝20kHz，EMI滤波整流输出U0＝400V进行设计，输出U1为2000V直流电压，向储能电容充电，得到输出最大功率P＝40kW/85％/95％＝49.5kW，输入电流为I＝49.5kW/380V/1.732＝75A。
根据谐振电容计算公式：
谐振电感计算公式：
计算得谐振电容Lr＝6μH，Cr＝2.5μF，设计谐振变压器T1匝数比为1:5。
电容储能单元3为储能电容器，按2％顶降计算所需储能电容容量，根据已选定的充电电压2000V，脉冲电流32000A，工作脉宽5.5μs，计算得到所需电容量为5000μF。为保证指标优于要求以及考虑实际选型情况，选择容量为5400μF。
考虑到电路的延时性，设控制电路最大响应时间为50μs。电源最大输出电流20A，开关频率为20kHz，脉冲宽度为12.5μs，根据公式IT＝CU计算得出：电源在50μs的时间里，负载电容的充电电压变化0.2V，即0.01％。
固态调制器(组)4由3路相同IGBT模块并联组成，每组开关模块由驱动板、IGBT、缓冲电路、辅助电源及铜排连接等组成。作为电路主开关控制电容储能单元放电产生脉冲电压。
脉冲变压器5将固态调制器输出的脉冲直流电压升高到负载需要的幅值，同时满足负载所需的脉冲前沿和后沿要求，由脉冲变压器本体、过流保护取样电路等组成。为解决高压打火问题，设计将脉冲变压器安装在高压油箱内同时预留速调管的安装位置最后通过变压器油进行高压绝缘处理。根据变压器初级输入2kV脉冲电压，次级输出80kV高压脉冲，脉冲变压器匝数比为1:40。由于高压脉冲变压器发热量较大，为达到绝缘和散热，将脉冲变压器安装在高压油箱内，利用变压器油既能使高压脉冲变压器得到很好的散热，又可以减小高压脉冲变压器的绝缘间隙，减小变压器体积尺寸。
控制保护电路6可控制各分系统的工作时序，硬件电路以FPGA器件为核心，配合外围电路实现电源系统的本地和远端控制，实现状态变量的采集、显示、传输以及故障保护。
驱动电路7主要用于固态调制器(组)4IGBT的高压驱动及快上升沿触发。
偏磁电源8主要用于为脉冲变压器5铁芯提供直流偏磁电压，使脉冲变压器工作于不饱和状态，保证其正常工作状态。
钛泵电源9采用半桥串并联谐振变换器开关电源，输出采用倍压整流电路。钛泵电源主要由整流滤波、谐振控制器、半桥变换器、倍压整流滤波、辅助电源等部分组成，最大输出电压为5kV。
灯丝电源10用于灯丝的预热，保证微波速调管的正常工作状态。设计值为：输出功率500W，电压0～100V连续可调，电流0～50A连续可调，工作模式恒流限压。
图2示出了高压调制模块在高功率微波系统发射箱内空间布局图。包括：脉冲变压器(含油箱)12、3组固态调制及驱动、电容储能模块13、钛泵、偏磁、灯丝模块14、微波速调管15、脉冲压缩装置16、发射天线17。脉冲变压器(含油箱)12、3组固态调制、储能及驱动模块13、钛泵、偏磁、灯丝模块14为电源系统的高压调制模块。本发明采用基于功能分区及维修诊断点位预设的电源空间结构布局方案，根据各分立式电气器件功能、测试需求、电压等级、功率容量的特点，对电源系统空间结构进行布局。具体策略为：将待测/易损电气器件偏磁电源、钛泵电源及灯丝电源布置于小型高功率微波设备发射箱开口处，为系统工作状态提供诊断点位，满足系统功能的测试需求及设备维保需求；将固态调制器(组)与脉冲变压器及油箱等高压器件布置于发射箱内侧，通过高压线缆相连，减小线缆分布参数引起的能量损耗；此外，将由EMI滤波整流模块、恒流充电电路、控制保护电路构成的低压充电机柜(尺寸482*316*1597(mm)+231*500*483(mm))布置于发射箱下方基座，通过转台滑环线束与高压部分相连，实现系统的高低压分离，保证设备、人员的安全。
图4是高压电源系统输出电压波形图，峰值为80kV，最大脉宽为5.5μs。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，其特征在于：包括依次连接的低压充电模块和高压调制模块；低压充电模块包括不控整流模块、恒流充电电路和控制保护电路；高压调制模块包括电容储能单元、固态调制器组、脉冲变压器、驱动电路和辅助电源；各模块按不控整流模块、恒流充电电路、电容储能单元、固态调制器组、脉冲变压器的顺序依次采用柔性电连接，并最后连接到大功率微波速调管负载，组成电源系统主电路，实现高压电源与高功率微波系统的共形集成；
不控整流模块用于对工频电压整流输出得到直流电压，校正输入电能的功率因数；不控整流模块采用EMI滤波整流模块，包括串联的EMI滤波器和整流调压模块，用于控制整流调压模块的导通角大小实现第一级稳压功能；
恒流充电电路采用LC串联谐振电路，用于给电容储能单元充电，通过电压比较器完成电容电压对充电电压的快速跟随，实现第二级稳压电压功能，提高对电容储能单元充电的效率及稳定度；
电容储能单元为储能电容器，用于充电并驱动电路在特定时刻触发固态调制器组导通，通过脉冲变压器升压输出峰值电压驱动大功率微波速调管负载产生高功率微波；
固态调制器组包括多路并联的IGBT模块，每组IGBT模块包括驱动板、IGBT、缓冲电路和辅助电源；固态调制器组用于作为电路主开关控制电容储能单元放电产生脉冲电压；
脉冲变压器包括脉冲变压器本体和过流保护取样电路；脉冲变压器用于将固态调制器输出的脉冲直流电压升高到负载需要的幅值，同时满足负载所需的脉冲前沿和后沿要求；
控制保护电路采用FPGA器件和相应的外围电路，与驱动电路和辅助电源通过光纤相连，用于控制电源系统的本地和远端，实现状态变量的采集、显示、传输以及故障保护；
驱动电路通过电气线缆连接固态调制器组，用于高压驱动4IGBT及快上升沿触发储能单元放电。
2.根据权利要求1所述的一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，其特征在于：
不控整流模块输入的工频电压为380V，输出的直流电压为400V；
恒流充电电路的充电电压为2000V；
脉冲变压器的初级输入2kV脉冲电压，次级输出80kV的脉冲电压，升压比为1：40，最大脉宽为5.5μs。
3.根据权利要求1所述的一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，其特征在于：
恒流充电电路包括IGBT全桥开关、谐振电容、谐振电感、谐振变压器、高压高频整流桥、滤波电容，还包括隔离驱动电路、控制电路及保护逻辑、高压采样、低压电流采样电路；
低压电流采样电路用于采集电压信号并反馈到控制电路；
控制电路用于实时比较反馈信号和高压设定值，并产生输出控制逆变桥四路驱动信号的脉冲；当控制电路设置的基准电压与反馈取样电压之差为零时，控制电路发出信号关断输出脉冲，实现第二级稳压。
4.根据权利要求1所述的一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，其特征在于：
辅助电源包括偏磁电源、钛泵电源和灯丝电源；
偏磁电源连接脉冲变压器，用于为脉冲变压器的铁芯提供直流偏磁电压，使脉冲变压器工作于不饱和状态，以满足脉冲变压器的工作条件；
钛泵电源、灯丝电源与大功率微波速调管负载通过电气线缆相连；
钛泵电源采用半桥串并联谐振变换器开关电源，包括整流滤波电路、谐振控制器、半桥变换器、倍压整流滤波、辅助电源，最大输出电压为5kV；钛泵电源用于对钛泵供电维持微波管内的真空度，保证大功率微波速调管负载的正常工作状态；灯丝电源用于对灯丝进行预热，实现大功率微波速调管负载的出束；灯丝电源的输出功率为500W，电压0～100V连续可调，电流0～50A连续可调，工作模式为恒流限压。
5.根据权利要求1所述的一种面向大功率微波源的柔性高压电源系统，其特征在于：还包括电源系统发射箱和高压油箱；在电源系统发射箱内根据各分立式电气器件功能、电压等级、功率容量的特点，采用基于功能分区及维修诊断点位预设的电源空间进行结构布局；
将包括偏磁电源、钛泵电源和灯丝电源的待测及易损电气器件布置在电源系统发射箱的开口处，提供针对系统工作状态的诊断点位，用于满足系统功能的测试需求及设备维保需求；
脉冲变压器安装在高压油箱内便于绝缘和散热，同时预留大功率微波速调管负载的安装位置；将包括固态调制器组、脉冲变压器和高压油箱的高压器件通过高压线缆相连，并布置在电源系统发射箱的内侧，用于减小线缆分布参数引起的能量损耗；
将包括不控整流模块、恒流充电电路和控制保护电路的低压充电模块布置在电源系统发射箱的下方基座，通过转台滑环线束连接高压调制模块，用于实现电源系统的高低压分离，保证设备和人员的安全。
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