线性脉冲调制器的相关设计和常见问题分析

线性脉冲调制器的相关和常见问题 关于线性脉冲调制器的设计几点 1， 直流高压电源的设计() 一般设计调制器时我们只知道输出指标，在设计高压电源时我们必须考虑整个调制器的效率才能使设计的直流高压电源的功率满足要求。调制器的效率由两部分构成:充电效率和放电效率。由于充电电流要小于放电脉冲的大电流所以充电效率要大于放电效率，一般取充电效率90,，放电效率85,。 由于 R，电压效率,功率效率,1 所以电源电压,脉冲变压器的初级输入电压 ; 输出峰值功率:P 平均功率: 由于调制器工作中存在损耗，即有效率因素，所以输入功率: P入输出功率 因为 调制器的充电电流较小，充电效率比较高，一般，而放电电流较大，放电 效率要低一些，一般; 所以， 在设计时考虑到冗余，一般取P入=8kW; 在这个调制器设计中我们选定了脉冲变压器的变比N=4.2，次级电压48kV， 故，初级电 次 压 ; 工程上我们一般设计到12kV; 所以，初级电流入 工程上我们一般设计到0.8A; 在高压电源设计中为了提高高压三相电源变压器的效率，一般变压器初次级绕组采用的接法， 次级相电压( 电源电压(U次)(这是一个定值);U0) 次级相电流( 充电电流(I次)(这是一个定值)I0) 次 I次 三相电源变压器的变比 为了能达到足够的电压一般取 在型接法中， 380 220I相线，故或 可最终得出高压电源变压器的设计参数。 整流滤波: 采用三相全桥整流整流后的直流电压 这是理想状态下整流系统输出的直流电压。 在三相桥式整流系统中， ， du dtLc越大，充电时间就会越长，即就小，不易造成闸流管连通，有利于闸流管的关断。 充电变压器的漏感:初次级耦合不到的能量。 漏感的测量:将调压器调到很小的电压，看充电波形，充电时间 计算 要求L’ 。 几个重要参数: 充电电感的电感量Lc; 充电电流 ;Tc:充电时间，LC CN 2 2Tr:重复周期最大电流;:特性阻抗 有效值 谐振充电时， 电源有效电流: 最大电流: 充电电感量: ;，NN:PFN的总的电容量 — 流过电感的平均电流 E:电源电压 ， 充电二极管必须能承受反向电压Ebb和通过峰值电流Icmax和有效电流Icrms。 3， 放电网络 放电开关一般选择充氢闸流管，他的触发信号有触发器提供，触发器输出经过低通网络和 加载电阻加到闸流管栅阴极之间，在放电开始时刻触发闸流管开启，开始放电过程:PFN在充电期间储存的能量经闸流管和脉冲变压初级绕组释放，在负载上形成一个脉冲。 在正失配时，一个脉冲之后，PFN剩余正向电压，闸流管在下一充电周期开始时不能消电离，这样就可能出现“连通”现象。 在负失配时，有助于闸流管的消电离，但闸流管在主脉冲之后所能承受的反向电压也不能太大，所以调制器常工作在负失配状态，用反峰电路来放掉过大的UN，以保护闸流管。 4， 低通滤波器 在闸流管导通时，在栅极上会暂时出现一个高电位，他可能接近阳极电位，虽然这个尖峰的宽度很窄(这个脉宽取决于栅,阴之间的击穿滞后于阳,栅之间的击穿时间，一般为 0.05微秒,0.1微秒)，能量很小，但是他可以破坏触发器的正常工作，或使低压元件击穿。所以必须在触发器和闸流管栅极之间接一滤波器只能让正常的触发脉冲通过而阻止高压尖峰。这一般用型LC滤波器即可，一般L取100微亨，C取几百皮发。 在低通滤波器前接一隔离二极管对触发器的工作也是有利的。因为闸流管的栅极和阳极靠的很近，两极之间大约有10,15PF的分布电容，由于这个电容的耦合作用，会使栅极在充电期间出现正电压，从而使管子击穿。这个耦合效应在高重复频率、电压上升速率很快时就特别严重，在栅,阴极之间并接一个小电阻可以消除这个耦合效应，同时用脉冲隔离变压器输出在其初级或次级要并联一只加载电阻也是必须的。 5， 反峰电路 当负载打火时，对调制器来说犹如接入了一个短路负载，属于严重负失配状态。第一个主脉冲结束后，PFN将充上反向电压(人工线剩余电压是一个负电压)，它能够促使单向开关(闸流管，单向可控硅)加速截止，但如果没有反峰电路也使这个剩余电压无法放掉，即在下一次充电时，它的充电起始电压不再为零，而为一定的负值。且此电压恰恰与充电电源串联，成为充电电源的一部分，这就相当于抬高了充电电压，以致人工线的第二次的充电电压要比第一次来得高，如果连续打火形成积累会使人工线上充的电压比电源电压大好多倍。如果没有反峰电路会使闸流管这个具有单向导通特性的开关，人工线电容，充电电感，脉冲变压器等许多高压元器件损坏，采用反峰电路可以消除这种危险。 反峰电路允许存在一定时间以有助于闸流管消电离 反向耐压; 最大电流; LC CN 充电回路特性阻抗 。 调制器工作在适当的负失配状态下有利于闸流管的关断，减少“连通” 现象。因为工作在正失配的情况下，一个脉冲过后人工线上会剩余正的电压，不利于闸流管在下一个充电周期开始时的消电离。 PFN就是用集总参数网络来代替具有分布参数的长线，只有在脉宽小于0.2uS的情况下才有可能采用长线。 人工线一般要求:1，形成的脉冲形状尽可能近于矩形; 2，网络所包含的元件越少越好; 3，工艺简单，生产成本低廉。 等电容链型人工线是绕制一个总电感量的连续螺线管，然后中间的抽头将其分 成n节，每节的电感量除首尾2节外都是相同的，而首尾2节电感量各需增加20%至30%，螺线管的长度和直径之比应该根据其互感量是自感量的50%来选择。总网络电容 Zc，将其平均分为N个，分别连接在螺线管的各个抽头上，至于节数n由以下 决定: 时，—3; ,,时，—5; ,时，—8; 因为L不太大，节数不太多，所以电感线圈采用直棒式结构，线圈长度和直径满足: l 线圈的抽头在每隔1.25D距离抽出，但线圈的两端长度应为1.45D。 D) 线圈的匝数单位，D用cm。 当使用链型PFN时，在负载匹配条件下 1 4UN UL为脉冲变压器次级电压; 0.75;为放电效率。一般为 PL为调制器输出峰值功率 静态电感 静态电容; BJ-6型调制器PFN采用6接电容链型形式，阻抗为25欧姆，半宽为4,。2uS。取 66 为减小电容与外壳的分布电容对波形的影响，在结构上采用了外壳悬浮的形式。 PFN设计需要的已知条件: 充电电压，脉宽，特性阻抗，脉冲前沿，脉冲后沿，脉冲顶部脉动，脉冲重复频率等。 结构上应该考虑防潮，防湿，高压绝缘，电磁屏蔽等 Basic PFN Design For Mulae lumped C LC The Characteristc Impedance in Ohms The one-way delay time per cell :PFN的被充电电压 :When the switch close the load voltage rises to a value ZL 当时) 限幅电路 在雷达发射击中，高频管如磁控管必须工作在一定的峰值脉冲电流上，以避免正交场管产生其他模式的震荡，或者使线性管的增益和带宽保持恒定，这就需要调制脉冲的幅度能保持一致，因此需要采用某种稳压电路以达到调节和稳定调制器的输出，使其不受电源电压变化或脉冲重复频率改变的影响。 高压大功率线性脉冲调制器的 常见故障分析和判断 因为线性调制器的线路相对比较简单、造价低，所以现在作为各类电子加速器的磁控管，速调管等微波管的高压脉冲电源大部分采用的是线性调制器。 由于调制器工作在高压、大电流的状态，常常因为环境气候(灰尘，空气湿度等)的变化，电子元器件(特别是高压回路中的)的老化等原因而导致工作不稳定，从而影响整个加速器系统的可靠性。及时判断调制器的工作状态是否正常、故障原因是维护加速器系统正常 假设调制器输出脉冲的周期为:Tr， 调制器输出脉冲宽度为:τ 调制器工作重复频率为:fr 直流高压电源的电压为:E0 充电时间为:Tc，等待时间为:Td 人工线充电电压为:Un 二，充电过程 就是高压直流电源通过充电电感和高压隔离二极管对储能元件,人工线充电的过 程，此过程还包含人工线被充到额定电压后直到放电前的等待时间。对一台已经设计调试好正常运行的调制器来说，充电时间是固定的，而等待时间随工作重复频率的改变是不同的，随重复频率的提高而减小。 下面是对充电过程的简要分析: 图2是充电等效电路， ,0 Tr 2， 在充电电感上设置一个次级绕组观察，正常的波形为: Tc Tr 如果充电电压波形出现下列情况，可以判断为以下原因所致: 1， 在充电Tc时间内某一固定位置出现毛刺，可以说明充电电感的匝间有大火或电晕，如 果出现毛刺的位置并不固定，在Tc时间内上下跑动则原因有可能就是在充电回路中有接线松动等接触不好。出现上述现象时应该毛刺的幅度或出现的几率会随电压的升高而加剧。 注:如果排除了上述原因后仍然现象存在则要检查测量是否正常, 2， 出现类似下面的充电波形时 人工线在等待放电期间电压保持不住，且调制器输出幅度下降则说明人工线出现漏电，一般检查人工线电容是否漏油，是否有电晕,更换后就可以正常工作了。 3， 如果在充电完成后便发生振荡，则说明充电二极管已经高压击穿短路，使充电回路发生 振荡，人工线不能保持两倍电源电压，同时调制器输出脉冲电压幅度几乎会下降一倍，相应的充电波形描述如下: 4，如果充电时间Tc因为打火而突然变小，则一般是充电电感出现了匝间击穿短路使充电电感量变小所致。 三，放电过程 人工线的放电，即在充电过程结束后，闸流管依照外部时序控制的被触发导通，从而人工线高端电压突然变低(近似为零)，因为人工线电容两端的电压不能突变，所以电容的低端就通过脉冲变压器的初级放电，这样就形成了一个放电脉冲，再通过脉冲变压器耦合到负载上去。 假设人工线的电感量为:Ln， 人工线的特性阻抗为:ρ 负载阻抗为:RL 脉冲变压器变比为:N 2 ρ,RL/N 下图是调制器正常工作时输出的电压或电流波形: 一般调制器的生产单位会留出监测脉冲电压和脉冲电流波形的接口，我们只要找到这两个 接口并且搞清楚对应的电压和电流的换算比例即可。