CN209267541U - 一种长脉冲调制器的实现电路 - Google Patents

一种长脉冲调制器的实现电路 Download PDF

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李网生
何秀华
刘超
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Abstract

本实用新型公开了一种长脉冲调制器的实现电路。储能电容存储直流能量;限流电阻在高压电源为储能电容充电时提供低阻抗通路,在储能电容放电时起隔离作用;主调制开关闭合时,储能电容经主调制开关、调整开关对负载进行放电;调整开关串联在放电回路中,根据负载上的电压实时增加或减小自身的阻值,从而使负载上的脉冲电压幅度保持恒定;定时信号分别为主调制开关和基准电路提供开启和关断信号;基准电路为反馈网络提供基准电平信号;采样电路采样负载两端的电压,处理后送给反馈网络;反馈网络为误差放大和补偿电路,根据基准电路和采样电路送来的电压信号,经误差放大和补偿后,送给功率放大器;功率放大器为调整开关提供合适的驱动信号。

Description

一种长脉冲调制器的实现电路
技术领域
本实用新型涉及一种长脉冲调制器的实现电路,属于脉冲功率技术。
背景技术
脉冲调制器本质上是一个功率转换器,其任务是为微波电子管提供性能合乎要求的视频调制脉冲。它把初级电源送来的交流功率先转换成合适电压的直流功率,然后再通过脉冲产生系统形成和控制负载上所要求的调制脉冲。现代脉冲发射机对脉冲调制器波形提出了极为严格的要求,这是因为雷达系统的稳定度、噪声和频谱特性等都直接与调制脉冲的前、后沿时间、时间抖动、脉冲顶部波形、顶部降落和调制脉冲的脉间稳定性有关。改善微波电子管的振幅调制灵敏度和相位调制灵敏度固然是重要的,但又是困难的,因而射频脉冲的质量很大程度上要靠脉冲调制器来控制。
随着人类载人航天活动和空间技术的快速发展,需要关注的目标从中低轨道向中高轨道甚至月球轨道发展,要求脉冲测量雷达增加空间目标的观测距离。根据雷达方程,提高发射机的输出峰值功率和增加脉冲宽度,可以增加雷达的作用距离。由于发射管的限制,单纯依靠提高发射机输出峰值功率来增加雷达作用距离,收效甚微,而在不增加发射机输出峰值功率的情况下,通过增加发射脉冲宽度,可有效提高雷达的作用距离。
雷达射频脉冲宽度的增加,给发射机的高压脉冲调制器带来了较大的挑战。在脉冲期间,高压电源对储能电容补充的能量远小于储能电容放电的能量。随着脉冲能量的不断减少,储能电容上的电荷将越来越少,电压越来越低,从而使输出调制脉冲的后沿幅度低于前沿的幅度,其幅度差就是通常所说的脉冲顶降。为减小脉冲顶降,调制器需要较大容量的储能电容,而这会导致储能电容体积急剧增加,成本较高。同时,在速调管打火时,储能电容中巨大的能量对速调管的安全带来严重威胁。
文献1:W.Kaesler,《A long pulse modulator for the Tesla-Test-Facility(TTF)》,12th Linear Accelerator Conference,Lubeck,2004,TUP80;文献2:Ian S.Roth,Richard Torti,Marcel et al,《A high-voltage hard-switch modulator for theinternational linear collider》,Proceedings of PAC07,Albuquerque,New Mexico,USA,2007;文献3:Tao Xiaoping,Stefan CHOROBA,《Design of 150kV bouncermodulator》,Nuclear Science and Techniques,2003,14(4):1-4。文献1~文献3均提出了Bouncer调制器技术,即采用额外的电容和电感形成谐振电路,并将谐振电路与主调制器串联,利用谐振电路产生的正弦波电压的线性部分,补偿主调制器的脉冲电压顶降,实现ms级高压长脉冲,但该类型调制器谐振电路的周期至少要超过两倍的调制脉冲宽度,并且谐振电路的电压和内阻必须适应调制器负载的脉冲电压和脉冲电流。因此Bouncer调制器体积大,代价高,并且不适应于脉冲宽度和负载变化的场合。
文献4:G.E.Leyh,《Development and Testing of the ILC Marx Modulator》,Proc.Of PAC07,Albuquerque,NM:949-851,2007;文献5:M.Nguyen,T.Beukers,C.Burkhart,R.Larsen,J.Olsen,T.Tang,《Development Status of the ILC MarxModulator》,IEEE International Power Modulators and High Voltage Conference,Proceedings of the2008:120-123;文献6:C.Burkhart,T.Beukers,M.Kemp,R.Larsen eaal,《ILCMarx Modulator Development Program Status》,The 24th InternationalLinear Accelerator Conference(LINAC08),Victoria,British Columbia,Canada:807-810.文献7:R.L.Cassel,《Pulsed Voltage Droop Compensation for Solid State MarxModulator》,IEEE International Power Modulators and High Voltage Conference,2008:117-119。文献4~文献7均提出了基于两级补偿的Marx调制器技术,首先在主调制器中,设计一定数量的冗余Marx调制器单元组件,在主调制器开通后,按照一定的时间间隔,依次导通冗余的Marx调制器单元组件,则调制脉冲平顶近似为锯齿波形,每个锯齿波形的最大顶降可控制在10%以内;然后再利用与主调制器串联的额外的小型辅助Marx调制器,在调制脉冲的每个锯齿波形内根据控制时序导通和关断,产生高频和较低幅度的阶梯电压波形,再与主调制脉冲叠加,将调制脉冲的顶降控制在1%以内。该类型调制器设备量多,控制复杂,并且该类型调制器顶降补偿采用高频开关技术,电磁干扰大,且产生的调制脉冲平顶为阶梯状波形,限制了调制器负载(微波管)相位噪声的改善,不适应于对调制脉冲质量要求较高的高性能雷达发射机等场合。
实用新型内容
针对以上问题,本实用新型提供了在损失一定效率的代价下,调制器可实现高质量调制脉冲的实现电路。
为了解决以上问题,本实用新型采用了如下技术方案:一种长脉冲调制器的实现电路,其特征在于,包括高压电源E1、限流电阻RC、储能电容CS、主调制开关Q1、负载RL、定时信号Tr1、采样电路S1、基准电路S2、反馈网络S3、功率放大器S4以及调整开关S5;所述高压电源E1的负端与限流电阻RC的一端连接,限流电阻RC的另一端分别与储能电容CS的一端和主调制开关Q1的一端连接;所述主调制开关Q1的另一端与负载RL的一端连接,负载RL的另一端与调整开关S5的一端连接;所述调整开关S5的另一端分别与高压电源E1的正端和储能电容CS的另一端连接;所述采样电路S1并联在负载RL的两端,采样电路S1的输出端经由反馈网络S3的补偿电路后,连接反馈网络S3误差放大器的反相输入端;所述基准电路S2的输入端连接定时信号Tr1,输出端连接反馈网络S3误差放大器的同相输入端,反馈网络S3的输出端连接功率放大器S4的输入端,功率放大器S4的输出端连接所述调整开关的栅极。
所述采样电路S1包括分压电阻R1~Rn、分压电容C1~Cn以及反相放大器S11。所述的反相放大器S11包括电阻R111、R112,运算放大器N111。电阻R111一端与电阻R112一端和运算放大器N111的反相输入端相连,电R112另一端连接运算放大器N111的输出端;运算放大器N111的同相输入端与大地连接;电阻R111未连接的一端为反相放大器的输入端;运算放大器N111的输出端为反相放大器的输出端。电阻R1和电容C1并联,电阻R2和电容C2并联,以此类推,直至电阻Rn和电容Cn并联,然后,所有并联的电阻和电容再依次串联;电阻R1未连接的一端为连接点P11,电阻Rn-1和电阻Rn的公共连接点为P12,电阻Rn未连接的一端为连接点P13;连接点P11连接负载RL的一端,连接点P13连接大地,连接点P12连接反相放大S11的输入端,反相放大S11的输出端为连接点P14,连接点P12的取样电压根据负载RL两端电压实时变化,连接点P14的电压幅度是连接点P12电压的等比例放大,但极性相反。
所述基准电路S2包括非门N21、电阻R21、光耦N22、电位器PR21、+15V电源;所述非门N21的输入端为连接点P21,与定时信号Tr1连接;非门N21的输出端与光耦N22的2脚连接;所述光耦N22的1脚与电阻R21的一端连接;电阻R21的另一端与+15V电源连接;所述光耦N22的4脚与+15V电源连接,光耦N22的3脚与电位器RP21的一端连接;所述电位器RP21的另一端与大地连接,电位器RP21的中间端为连接点P22。
所述反馈网络S3包括电阻R31~R33、电容C31~C33以及运算放大器N31;电阻R31和电容C31串联后,再与电阻R32并联,并联后的电路一端为连接点P31,另一端连接运算放大器N31的反相输入端;电阻R33和电容C33串联后,再与电容C32并联,并联后的电路一端连接运算放大器N31的反相输入端,另一端连接运算放大器N31的输出端;运算放大器N31的同相输入端为连接点P32,连接S2典型电路中的连接点P22。运算放大器N31的输出端为连接点P33;连接点P31与采样电路S1中的输出端连接。
所述功率放大器S4包括电阻R41、NPN三极管V41、PNP三极管V42、辅助电压+15V和-15V;电阻R41的一端为连接点P41,电阻R41的另一端连接三极管V41的基极和三极管V42的基极;三极管V41的集电极与辅助电压+15V连接,三极管V42的集电极与辅助电压-15V连接;三极管V41的发射极和三极管V42的发射极连接,连接点为P42;连接点P41与反馈网络S3的输出端连接,连接点P42与调整开关S5连接。功率放大器S4将反馈网络S3送来的小信号放大至功率信号,用于驱动调整开关管,采用线性功率放大器亦可实现此目的。
所述调整开关S5包括电阻R51、稳压管V51、开关组件K51、电容组件C51、电阻组件R52以及瞬态抑制二极管(TVS)组件V52;所述开关组件K51采用单个大功率开关,或采用多个小功率开关并联组成;所述瞬态抑制二极管组件V52采用单个高压大电流TVS,或采用多个TVS串并联组成;所述电阻R51的一端作为连接点P51,另一端连接开关组件K51的栅极;所述稳压管V51的阴极连接开关组件K51的栅极,阳极连接开关组件K51的源极;所述电容组件C51、电阻组件R52和瞬态抑制二极管(TVS)组件V52并联后,一端作为连接点P52,连接开关组件K51的漏极,另一端作为连接点P53,连接开关组件K51的源极;连接点P52与储能电容CS的另一端连接,连接点P53与负载RL的另一端连接。
有益效果:基于本实用新型,在损失一定效率的代价下,调制器可实现高质量的调制脉冲。系统电路简单,代价低,容易实现,可用于对调制脉冲质量要求较高的场合。
附图说明
图1是本实用新型的组成框图。
图2是本实用新型的电路示意图。
图3是本实用新型中采样电路的典型电路。
图4是本实用新型中基准电路的典型电路。
图5是本实用新型中反馈网络的典型电路。
图6是本实用新型中功率放大器的典型电路。
图7是本实用新型中调整开关的典型电路。
图8是正常工作时,调制器储能电容、调整开关以及调制器负载的波形示意图。
具体实施方式
下面结合对本实用新型做进一步阐述。
如图1所示,本实用新型提供了一种长脉冲调制器的实现电路,包括高压电源、限流电阻、储能电容、主调制开关、负载、调整开关、定时信号、基准电路、采样电路、反馈网络以及功率放大器。所述高压电源与限流电阻连接,限流电阻与储能电容连接,储能电容与高压电源连接,储能电容与主调制开关连接,主调制开关与所述负载连接,负载与调整开关连接,调整开关与储能电容连接,定时信号分别与主调制开关和所述基准电路连接,负载与采样电路连接,采样电路和基准电路分别与反馈网络连接,反馈网络与功率放大器连接,功率放大器与所述调整开关连接。
所述高压电源为储能电容充电,提供恒定直流高压;限流电阻在高压电源为储能电容充电时提供低阻抗通路;在主调制开关闭合时,限流电阻用于降低放电回路对高压电源的影响;储能电容存储高压直流能量;主调制开关闭合时,储能电容经过主调制开关、调整开关对负载进行放电;调整开关串联在放电回路中,可近似为实时可变电阻,根据负载上的电压实时增加或减小自身的阻值,从而使负载上的脉冲电压幅度保持恒定;定时信号分别为主调制开关和基准电路提供开启和关断信号;基准电路为反馈网络提供基准电平信号;采样电路采样负载两端的电压,处理后送给反馈网络;反馈网络为误差放大和补偿电路,根据基准电路和采样电路分别送来的电压信号,经误差放大和补偿后,送给功率放大器;功率放大器为调整开关提供合适大小的驱动信号。
如图2所示,本长脉冲调制器的实现电路包括包括高压电源E1、限流电阻RC、储能电容CS、主调制开关Q1、负载RL、定时信号Tr1、采样电路S1、基准电路S2、反馈网络S3、功率放大器S4以及调整开关S5;所述高压电源E1的负端与限流电阻RC的一端连接,限流电阻RC的另一端分别与储能电容CS的一端和主调制开关Q1的一端连接;所述主调制开关Q1的另一端与负载RL的一端连接,负载RL的另一端与调整开关S5的一端连接;所述调整开关S5的另一端分别与高压电源E1的正端和储能电容CS的另一端连接;所述采样电路S1并联在负载RL的两端,采样电路S1的输出端经由反馈网络S3的补偿电路后,连接反馈网络S3误差放大器的反相输入端;所述基准电路S2的输入端连接定时信号Tr1,输出端连接反馈网络S3误差放大器的同相输入端,反馈网络S3的输出端连接功率放大器S4的输入端,功率放大器S4的输出端连接所述调整开关的栅极。
如图3所示,所述采样电路S1包括分压电阻R1~Rn、分压电容C1~Cn以及反相放大器S11;所述的反相放大器S11包括电阻R111、R112,运算放大器N111;电阻R111一端与电阻R112一端和运算放大器N111的反相输入端相连,电R112另一端连接运算放大器N111的输出端;运算放大器N111的同相输入端与大地连接;电阻R111未连接的一端为反相放大器的输入端;运算放大器N111的输出端为反相放大器的输出端;电阻R1和电容C1并联,电阻R2和电容C2并联,以此类推,直至电阻Rn和电容Cn并联,然后,所有并联的电阻和电容再依次串联;电阻R1未连接的一端为连接点P11,电阻Rn-1和电阻Rn的公共连接点为P12,电阻Rn未连接的一端为连接点P13;连接点P11连接负载RL的一端,连接点P13连接大地,连接点P12连接反相放大S11的输入端,反相放大S11的输出端为连接点P14,连接点P12的取样电压根据负载RL两端电压实时变化,连接点P14的电压幅度是连接点P12电压的等比例放大,但极性相反。
如图4所示,所述基准电路S2包括非门N21、电阻R21、光耦N22、电位器PR21、+15V电源;所述非门N21的输入端为连接点P21,与定时信号Tr1连接;非门N21的输出端与光耦N22的2脚连接;所述光耦N22的1脚与电阻R21的一端连接;电阻R21的另一端与+15V电源连接;所述光耦N22的4脚与+15V电源连接,光耦N22的3脚与电位器RP21的一端连接;所述电位器RP21的另一端与大地连接,电位器RP21的中间端为连接点P22。
如图5所示,所述反馈网络S3包括电阻R31~R33、电容C31~C33以及运算放大器N31;电阻R31和电容C31串联后,再与电阻R32并联,并联后的电路一端为连接点P31,另一端连接运算放大器N31的反相输入端;电阻R33和电容C33串联后,再与电容C32并联,并联后的电路一端连接运算放大器N31的反相输入端,另一端连接运算放大器N31的输出端;运算放大器N31的同相输入端为连接点P32,连接S2典型电路中的连接点P22。运算放大器N31的输出端为连接点P33;连接点P31与采样电路S1中的输出端连接。
如图6所示,所述功率放大器S4包括电阻R41、NPN三极管V41、PNP三极管V42、辅助电压+15V和-15V;电阻R41的一端为连接点P41,电阻R41的另一端连接三极管V41的基极和三极管V42的基极;三极管V41的集电极与辅助电压+15V连接,三极管V42的集电极与辅助电压-15V连接;三极管V41的发射极和三极管V42的发射极连接,连接点为P42;连接点P41与反馈网络S3的输出端连接,连接点P42与调整开关S5连接。功率放大器S4将反馈网络S3送来的小信号放大至功率信号,用于驱动调整开关管,采用线性功率放大器亦可实现此目的。
如图7所示,所述调整开关包括电阻R51、稳压管V51、开关组件K51、电容组件C51、电阻组件R52以及瞬态抑制二极管(TVS)组件V52;所述开关组件K51可采用单个大功率开关,亦可采用多个小功率开关并联组成;所述瞬态抑制二极管组件V52可采用单个高压大电流TVS,亦可采用多个TVS串并联组成;所述电阻R51的一端作为连接点P51,另一端连接开关组件K51的栅极;所述稳压管V51的阴极连接开关组件K51的栅极,阳极连接开关组件K51的源极;所述电容组件C51、电阻组件R52和瞬态抑制二极管(TVS)组件V52并联后,一端作为连接点P52,连接开关组件K51的漏极,另一端作为连接点P53,连接开关组件K51的源极;连接点P52与储能电容CS的另一端连接,连接点P53与负载RL的另一端连接。
如图8所示,,第一个波形为调制器中储能电容两端的电压波形示意图,第二个波形为调制器中调整开关两端的电压波形示意图,第三个波形为调制器中负载两端的电压波形示意图。以某型多注速调管使用的调制器为例,调制器为直耦型全固态刚管调制器,其中储能电容12μF,多注速调管阴极工作电压25kV,脉冲电流40A,最大工作比5%,调制脉冲宽度510μs,调制脉冲电压跌落1700V,即脉冲顶降为6.8%。若采用本实用新型,则储能电容电压从原来的25kV增加到26.7kV;调整开关功率损耗约1.7kW,即功耗相比原来增加3.4%;调整开关工作电压在1700V以内,采用单个IGBT模块即可满足电压和功率要求;采用本实用新型后脉冲顶降可控制在0.5%以内。
本实用新型的工作原理如下:高压电源为储能电容提供直流能量,在定时信号的控制下,储能电容经主调制开关和调整开关对负载进行放电,从而在负载上得到调制脉冲。调制脉冲的幅度,即负载两端的压降,等于调制器储能电容上的电压减去调整开关两端的压降。在脉冲开始时,调整开关两端承受一定的压降,随着调制器储能电容的电压持续降低,调整开关两端承受的压降也相应降低,在调制脉冲结束时,调整开关两端压降接近于零。也就是说,调整开关两端的压降,随着调制脉冲的幅度实时调整,则在调制脉冲宽度内,调制器负载得到的脉冲高压幅度保持恒定。
基于本实用新型,在损失一定效率的代价下,调制器可实现高质量的调制脉冲。系统电路简单,代价低,容易实现,可用于对调制脉冲质量要求较高的场合。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种长脉冲调制器的实现电路,其特征在于,包括高压电源E1、限流电阻RC、储能电容Cs、主调制开关Q1、负载RL、定时信号Tr1、采样电路S1、基准电路S2、反馈网络S3、功率放大器S4以及调整开关S5;所述高压电源E1的负端与限流电阻RC的一端连接,限流电阻RC的另一端分别与储能电容CS的一端和主调制开关Q1的一端连接;所述主调制开关Q1的另一端与负载RL的一端连接,负载RL的另一端与调整开关S5的一端连接;所述调整开关S5的另一端分别与高压电源E1的正端和储能电容CS的另一端连接;所述采样电路S1并联在负载RL的两端,采样电路S1的输出端经由反馈网络S3的补偿电路后,连接反馈网络S3误差放大器的反相输入端;所述基准电路S2的输入端连接定时信号Tr1,输出端连接反馈网络S3误差放大器的同相输入端,反馈网络S3的输出端连接功率放大器S4的输入端,功率放大器S4的输出端连接所述调整开关的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种长脉冲调制器的实现电路,其特征在于,所述采样电路S1包括分压电阻R1~Rn、分压电容C1~Cn以及反相放大器S11;
所述的反相放大器S11包括电阻R111、R112,运算放大器N111;电阻R111一端与电阻R112一端和运算放大器N111的反相输入端相连,电R112另一端连接运算放大器N111的输出端;运算放大器N111的同相输入端与大地连接;电阻R111未连接的一端为反相放大器的输入端;运算放大器N111的输出端为反相放大器的输出端;
电阻R1和电容C1并联,电阻R2和电容C2并联,以此类推,直至电阻Rn和电容Cn并联,然后,所有并联的电阻和电容再依次串联;电阻R1未连接的一端为连接点P11,电阻Rn-1和电阻Rn的公共连接点为P12,电阻Rn未连接的一端为连接点P13;连接点P11连接负载RL的一端,连接点P13连接大地,连接点P12连接反相放大S11的输入端,反相放大S11的输出端为连接点P14,连接点P12的取样电压根据负载RL两端电压实时变化,连接点P14的电压幅度是连接点P12电压的等比例放大,但极性相反。
3.根据权利要求1所述的一种长脉冲调制器的实现电路,其特征在于,所述基准电路S2包括非门N21、电阻R21、光耦N22、电位器PR21、+15V电源;所述非门N21的输入端为连接点P21,与定时信号Tr1连接;非门N21的输出端与光耦N22的2脚连接;所述光耦N22的1脚与电阻R21的一端连接;电阻R21的另一端与+15V电源连接;所述光耦N22的4脚与+15V电源连接,光耦N22的3脚与电位器RP21的一端连接;所述电位器RP21的另一端与大地连接,电位器RP21的中间端为连接点P22。
4.根据权利要求1所述的一种长脉冲调制器的实现电路,其特征在于,所述反馈网络S3包括电阻R31~R33、电容C31~C33以及运算放大器N31;电阻R31和电容C31串联后,再与电阻R32并联,并联后的电路一端为连接点P31,另一端连接运算放大器N31的反相输入端;电阻R33和电容C33串联后,再与电容C32并联,并联后的电路一端连接运算放大器N31的反相输入端,另一端连接运算放大器N31的输出端;运算放大器N31的同相输入端为连接点P32,连接S2典型电路中的连接点P22;运算放大器N31的输出端为连接点P33;连接点P31与采样电路S1中的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的一种长脉冲调制器的实现电路,其特征在于,所述功率放大器S4包括电阻R41、NPN三极管V41、PNP三极管V42、辅助电压+15V和-15V;电阻R41的一端为连接点P41,电阻R41的另一端连接三极管V41的基极和三极管V42的基极;三极管V41的集电极与辅助电压+15V连接,三极管V42的集电极与辅助电压-15V连接;三极管V41的发射极和三极管V42的发射极连接,连接点为P42;连接点P41与反馈网络S3的输出端连接,连接点P42与调整开关S5连接。
6.根据权利要求1所述的一种长脉冲调制器的实现电路,其特征在于,所述调整开关S5包括电阻R51、稳压管V51、开关组件K51、电容组件C51、电阻组件R52以及瞬态抑制二极管(TVS)组件V52;所述开关组件K51采用单个大功率开关,或采用多个小功率开关并联组成;所述瞬态抑制二极管组件V52采用单个高压大电流TVS,或采用多个TVS串并联组成;所述电阻R51的一端作为连接点P51,另一端连接开关组件K51的栅极;所述稳压管V51的阴极连接开关组件K51的栅极,阳极连接开关组件K51的源极;所述电容组件C51、电阻组件R52和瞬态抑制二极管(TVS)组件V52并联后,一端作为连接点P52,连接开关组件K51的漏极,另一端作为连接点P53,连接开关组件K51的源极;连接点P52与储能电容CS的另一端连接,连接点P53与负载RL的另一端连接。
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