CN203840235U - 全固态脉冲调制器 - Google Patents
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Abstract
一种全固态脉冲调制器，为了解决现有的调制器器件损耗大、脉冲宽度不可调等诸多缺点，本实用新型提供的调制器包括充电电源、感应电压叠加器、高变比脉冲变压器、控制处理器和辅助电源，充电电源、感应电压叠加器、高变比脉冲变压器依次连接；感应电压叠加器由调制模块组成，调制模块包括4个IGBT单元和一个具有单匝初级和单匝次级的脉冲变压器，4个IGBT单元并联驱动所述脉冲变压器，脉冲变压器的次级的输出脉冲电压接入所述高变比脉冲变压器的初级回路。本实用新型采用IGBT代替传统的电子真空管，具有高效、高可靠、体积小、重量轻、运行费用低和脉冲宽度灵活可调的特点。
Description
技术领域
本实用新型属于一种脉冲调制器，具体涉及一种全固态脉冲调制器。
背景技术
脉冲功率技术已在加速器、雷达发射机、安全检查、工业无损探伤等诸多领域有广泛的应用。作为其核心部分的脉冲调制器，过去多采用电子真空管作为开关器件的线型脉冲调制器，通常还需要采用高压脉冲变压器来完成给微波管供电。
目前这种体制的调制器虽然电路简单、成本低，但存在体积重量大、可靠性差、运行费用高、器件损耗大、驱动电路复杂、脉冲宽度不可调等诸多缺点。这些问题不仅影响了调制器的使用和维护，还严重影响了传统调制器技术的生命力，现已不能很好满足市场多变的发展需求。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种全固态脉冲调制器，以达到高效、高可靠、体积小、重量轻、运行费用低的系统需求，还可以满足某些需要脉冲宽度可以灵活调节的使用场合。
本实用新型的技术方案是：一种全固态脉冲调制器，包括充电电源、感应电压叠加器、高变比脉冲变压器、控制处理器和辅助电源，充电电源为感应电压叠加器提供输入电压，感应电压叠加器的输出端连接至高变比脉冲变压器的初级回路，控制处理器的输出信号分别接入充电电源、感应电压叠加器和高变比脉冲变压器；辅助电源连接至感应电压叠加器和高变比脉冲变压器；其特征在于：所述感应电压叠加器由调制模块组成，所述调制模块包括4个IGBT（InsulatedGate Bipolar Transistor；绝缘栅双极型晶体管）单元和一个具有单匝初级和单匝次级的脉冲变压器，4个IGBT单元并联驱动所述脉冲变压器，所述脉冲变压器的次级的输出脉冲电压接入所述高变比脉冲变压器的初级回路。
作为本方案的进一步改进：所述感应电压叠加器包括18个调制模块，18个调制模块的脉冲变压器次级串联，输出的脉冲电压接入所述高变比脉冲变压器的初级回路。
作为本方案的进一步改进：所述脉冲调制器还包括速调管，所述速调管分别与高变比脉冲变压器和辅助电源连接。
作为本方案的进一步改进：所述辅助电源包括灯丝电源和偏磁电源，所述灯丝电源连接至速调管，所述灯丝电源使用磁饱和变压器供电。
作为本方案的进一步改进：所述偏磁电源连接至感应电压叠加器和高变比脉冲变压器，所述偏磁电源的脉冲阻流圈放在高变比脉冲变压器中。
作为本方案的进一步改进：所述脉冲调制器还包括钛泵电源和磁场电源，低压状态下，钛泵电源为速调管提供真空高压，磁场电源为速调管聚焦线圈提供所需电流。
作为本方案的进一步改进：所述脉冲调制器还包括补偿模块，所述补偿模块包括两个调制模块。
本实用新型有如下积极效果：1）本实用新型采用IGBT代替传统的电子真空管，具有高效、高可靠、体积小、重量轻、运行费用低和脉冲宽度灵活可调的特点；2）补偿模块可以解决波形的顶降问题；3）采用感应电压叠加的方式，当有一个叠加单元损坏时仅使输出电压略有下降，不仅不会增大其它组件的输出功率，反而会使脉冲电流略有降低，不会造成连锁损坏反应。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图；
其中，1充电电源、2感应电压叠加器、3高变比脉冲变压器、4速调管、5辅助电源、6控制处理器、7钛泵电源、8磁场电源。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的实用新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
一种全固态脉冲调制器，包括配电系统、充电电源、感应电压叠加器、高变比脉冲变压器、辅助电源、控制处理器、钛泵电源和磁场电源；工作原理图见图1。
配电系统分别配电到控制处理器、辅助电源、钛泵电源和磁场电源。低压状态下，钛泵电源为速调管系统提供真空高压；磁场电源为其提供聚焦线圈所需电流。在控制处理器的控制下，配电部分送出电源到充电电源，在感应电压叠加器的作用下，将能量调制成窄脉冲传递给速调管系统。
配电系统主要由滤波器、断路器及其它辅助控制电路组成，为全固态脉冲调制器的各部分提供配电，该部分采用三相380V、50Hz/60Hz供电，电网波动要求在±10%以内。
充电电源由控制保护电路、全桥逆变谐振电路、高频变压器和整流电路组成，采用串联谐振恒流充电工作方式，为感应电压叠加器的储能电容提供稳定而精准的直流高压。电源开关频率设计为20kHz左右(谐振频率为40ＫＨｚ)。
感应电压叠加器由18个调制单元模块组成，每个调制单元模块分别由4个相同的IGBT模块并联共同驱动一只具有单匝初级和单匝次级的脉冲变压器，18个脉冲变压器次级依次串联叠加输出中等高压脉冲电压，接入高变比脉冲变压器的初级回路。
高变比脉冲变压器是感应电压叠加器和速调管间的功率耦合器件，它除了传输脉冲功率外，还为速调管灯丝电源提供电流通路并实现高压脉冲的隔离。
控制处理器由控制电路、保护电路和状态显示电路等组成，拟采用S7系列200型PLC控制处理器为整个调制器系统的控制部分。
辅助电源由速调管灯丝电源、偏磁电源等组成，速调管灯丝电源使用磁饱和变压器供电，以保证灯丝电压输出的稳定度要求，当电网波动±10%内时，可保障输出电压稳定度在±1%以内；偏磁电源同时为感应电压叠加器各脉冲变压器和高变比脉冲变压器提供去磁电流，其脉冲阻流圈放置在高变比脉冲变压器中。
同时，高变比脉冲变压器在辅助器件（电容分压器、电流互感器和脉冲阻流圈）的配合下完成对脉冲电压、脉冲电流的取样任务和偏磁电源的隔离任务。高变比脉冲变压器内含脉冲电压、电流的测量器件、如分压器、电流互感器等。
如图1：感应电压叠加器与高变比脉冲变压器升压组合的混合式拓扑结构，可以保证感应电压叠加器的工作电压较低，其输出的高压部分可浸泡在油箱里面，容易解决高压绝缘问题。高变比脉冲变压器的初级回路输入的调制脉冲由感应电压叠加器耦合和叠加得到。
感应电压叠加器的初级处于低电位上，每一个感应电压叠加器的初级回路都是一个基本的固态刚管脉冲调制器，各初级的所有刚管脉冲调制器及调制开关的触发电路都相同，工作电压和工作电流都能控制在较低水平，因此不需要考虑较强的绝缘要求。
初级所有的电路可以统一设计，有利于实现标准化、模块化，生产、调试很方便，只需对单元电路反复优化设计，易实现高可靠长寿命工作。感应电压叠加器的输出脉冲加到高变比脉冲变压器的初级，经升压后的高压脉冲送到速调管两端。由于采用感应叠加的方式，当有一个叠加单元损坏时仅使输出电压略有下降，不仅不会增大其它组件的输出功率，反而会使脉冲电流略有降低，不会造成连锁损坏反应。
根据高功率输出要求、单只大功率IGBT模块的输出能力和高变比脉冲变压器适应能力，将感应电压叠加器的输出脉冲电压定为32.5kV，高变比脉冲变压器的变比初定为1：10，于是在满足总输出脉冲电压为325kV，脉冲电流为800A下，其高变比脉冲变压器的输入脉冲电压应为32.5kV，输入脉冲电流则应为9600A，考虑到目前额定电压为3.3kV，额定平均电流为1500A的成熟大功率IGBT模块，可以安全工作在2kV/3000A情况下。本感应电压叠加器用18个相同的调制单元组成，每个调制单元由4个IGBT模块驱动一个由非晶磁芯制成的单匝低漏感脉冲变压器，18只脉冲变压器的单匝输出串联叠加，即可以满足下级脉冲变压器的输入要求。另外，考虑到波形的顶降等问题，预留两个模块作为补偿模块。最后总的叠加模块为20个。
本实用新型中的一种新型感应叠加式的全固态脉冲调制器的主要特点是高效、高可靠、体积小、重量轻、寿命长、运行费用低的系统需求，还可以满足某些需要脉冲宽度可以灵活调节的使用场合。高压器件少、可靠性高、维修成本低、需停机维修的故障少。上述特点更适用于要求高平均功率、高峰值功率、小型化、高可靠性、系统参数变化频繁的场合。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种全固态脉冲调制器，包括充电电源、感应电压叠加器、高变比脉冲变压器、控制处理器和辅助电源，充电电源为感应电压叠加器提供输入电压，感应电压叠加器的输出端连接至高变比脉冲变压器的初级回路，控制处理器的输出信号分别接入充电电源、感应电压叠加器和高变比脉冲变压器；辅助电源连接至感应电压叠加器和高变比脉冲变压器；其特征在于：所述感应电压叠加器由调制模块组成，所述调制模块包括4个IGBT单元和一个具有单匝初级和单匝次级的脉冲变压器，4个IGBT单元并联驱动所述脉冲变压器，所述脉冲变压器的次级的输出脉冲电压接入所述高变比脉冲变压器的初级回路。
2.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于：所述感应电压叠加器包括18个调制模块，18个调制模块的脉冲变压器次级串联，输出的脉冲电压接入所述高变比脉冲变压器的初级回路。
3.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于：所述脉冲调制器还包括速调管，所述速调管分别与高变比脉冲变压器和辅助电源连接。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的脉冲调制器，其特征在于：所述辅助电源包括灯丝电源和偏磁电源，所述灯丝电源连接至速调管，所述灯丝电源使用磁饱和变压器供电。
5.根据权利要求4所述的脉冲调制器，其特征在于：所述偏磁电源连接至感应电压叠加器和高变比脉冲变压器，所述偏磁电源的脉冲阻流圈放在高变比脉冲变压器中。
6.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于：所述脉冲调制器还包括钛泵电源和磁场电源，低压状态下，钛泵电源为速调管提供真空高压，磁场电源为速调管聚焦线圈提供所需电流。
7.根据权利要求1-3或5-6任意一项所述的脉冲调制器，其特征在于：所述脉冲调制器还包括补偿模块，所述补偿模块包括两个调制模块。
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