線性脈沖調(diào)制器的相關(guān)設(shè)計(jì)和常見問題分析

關(guān)于線性脈沖調(diào)制器的設(shè)計(jì)幾點(diǎn)說明1,直流高壓電源的設(shè)計(jì)（）一般設(shè)計(jì)調(diào)制器時(shí)我們只知道輸出指標(biāo)，在設(shè)計(jì)高壓電源時(shí)我們必須考慮整個(gè)調(diào)制器的效率才能使設(shè)計(jì)的直流高壓電源的功率滿足要求。調(diào)制器的效率由兩部分構(gòu)成：充電效率和放電效率。由于充電電流要小于放電脈沖的大電流所以充電效率要大于放電效率，一般取充電效率90%，放電效率85%。由于P=——，電壓效率=':功率效率=1R所以電源電壓=脈沖變壓器的初級(jí)輸入電壓充電電流=輸入功率電源電壓次級(jí)相電壓=0.43*電源電壓次級(jí)相電流=0.82*充電電流初級(jí)相電流=初級(jí)線電流=3X次級(jí)相電流電源的紋波按優(yōu)于0.1%設(shè)計(jì)，濾波電容的容量要大于10倍的PFN總電容的容量，一般可以取到20倍。依北京醫(yī)療器械研究所BJ-6型醫(yī)用加速器調(diào)制器為例：輸出峰值功率：P=U*I=48kV*110A=5.28MW；P=P*D=P*t*f平均功率：=5.28MW*4.2^S*280Hz=6.3kW由于調(diào)制器工作中存在損耗，即有效率門因素，所以輸入功率:輸出功率_P_輸出功率_P_6.3x103叩叩80%=7.8kW因?yàn)檎{(diào)制器的充電電流較小，充電效率門c比較高，一般門c=95%，而放電電流較大，放電效率七'要低一些，一般門「=85%；所以，叩=叩x叩'=95%x85%=81%在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到冗余，一般取P天8kW；在這個(gè)調(diào)制器設(shè)計(jì)中我們選定了脈沖變壓器的變比N=4.2,次級(jí)電壓48kV，U48x1000故，初級(jí)電壓氣=飛次次=42=11.43kV；工程上我們一般設(shè)計(jì)到12kV；所以，初級(jí)電流1=：入=黑*=0.67A0U120000工程上我們一般設(shè)計(jì)到0.8A；在高壓電源設(shè)計(jì)中為了提高高壓三相電源變壓器的效率，一般變壓器初次級(jí)繞組采用A/Y的接法，次級(jí)"U次）=0.43（這是一個(gè)定值）；電源電壓（U）次級(jí)相電流（"=0.8久這是一個(gè)定值）充電電流（I）???U次=0.43x12x1000V=5160VI次=0.82xI0=0.82x0.8A=0.656A三相電源變壓器的變比N=5^旺=13.58380V為了能達(dá)到足夠的電壓一般取N=15在A型接法中，I相=I線，故I=3x220x】2=3x0.656=1.968A1220或七=380；*七=1.963A可最終得出高壓電源變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)。整流濾波:采用三相全橋整流整流后的直流電壓E=13xx/2xNxU]=（6x15x380=13.5RV這是理想狀態(tài)下整流系統(tǒng)輸出的直流電壓。在三相橋式整流系統(tǒng)中，

LxC=P0Pi+1x106；（2酒'）2m2.??基波系數(shù)（無濾波時(shí)的紋波因子）*=0.057（單相為0.67）,濾波后的紋波因子）P=0.001°im=6,f=50Hz一般為了使電源在PFN充電過程中近似為恒壓源，選擇濾波電容是PFN總電容容量的10倍。濾波電感L不能太小，否則會(huì)產(chǎn)生諧振。2，充電隔離削峰網(wǎng)絡(luò)L2L1充電電感與人工線電容構(gòu)成LC諧振回路；使得PFN電壓七＞達(dá)到2倍的電源電壓%，即。疽2氣。充電二極管使得人工線能夠保持電壓至放電開始，防止PFN通過電源放電。充電電感在人工線放電結(jié)束開始充電的瞬間起到限流的作用，以保證充電電流小于放電開關(guān)（氫閘流管）的擎制電流，避免短路高壓電源。由于充電變壓器對(duì)地存在分布電容，在充電過程中分布電容也同樣被充到了2倍的電源電壓，在放電時(shí)分布電容通過隔離二極管與人工線及脈沖變壓器構(gòu)成振蕩回路（在脈沖間歇期，人工線由直流電源充電而儲(chǔ)存能量，由于充電時(shí)間遠(yuǎn)大于放電時(shí)間，所以充電電流的變化與放電過程相比十分緩慢，人工線各串聯(lián)電感和脈沖變壓器的初級(jí)繞組呈現(xiàn)極小的阻抗，看成是短路）。容易造成很大的浪涌電流，損壞隔離二極管。此外，在諧振充電的半周期處充電電感兩端也會(huì)產(chǎn)生振蕩，對(duì)充電變壓器和隔離二極管構(gòu)成威脅。因此在充電回路中要加入削峰組件R和L2。為了不影響充電效率，削峰電感的電感量通常小于充電電感的千分之一。在閘流管導(dǎo)通放電時(shí)削峰電感的阻抗大，電流從削峰電阻上流過，相當(dāng)于在高頻放電電路中加入了一只阻尼電阻，使振蕩停止，電阻損耗了分布電容上儲(chǔ)存的能量。依北京醫(yī)療器械研究所BJ-6型醫(yī)用加速器調(diào)制器為例：L2=25-35mH，R=1.2kQ-1.5kQ，由于L2的直流電阻小于20Q，所以并不影響充電效率。充電變壓器的設(shè)計(jì)

1"TOC\o"1-5"\h\zC兀2f2C兀2CNN匕越大，充電時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，即平就小，不易造成閘流管連通，有利于閘流管的關(guān)斷。充電變壓器的漏感：初次級(jí)耦合不到的能量。漏感的測(cè)量方法：將調(diào)壓器調(diào)到很小的電壓，看充電波形，記錄充電時(shí)間——..T2.L’T=5LC,計(jì)算L=——;要求一＜5%。兀2CL幾個(gè)重要參數(shù)：充電電感的電感量Lc；充電電流I=二?-?I；T:充電時(shí)間，T：重復(fù)周期cT冗maxcrr一.，一E最大電流r一.，一E最大電流I=0=；maxpV-'C'■N\：T、龍=*一*

2P：特性阻抗有效值IrmsImax諧振充電時(shí)，電源有效電流:

最大電流：Icrms1.57cmax充電電感量:ch，兀電源有效電流:

最大電流：Icrms1.57cmax充電電感量:ch，兀2f2CNCN:PFN流過電感的平均電流E:電源電壓的總的電容量Ich2EfC充電二極管必須能承受反向電壓Ebb和通過峰值電流Icmax和有效電流Icrms。3，放電網(wǎng)絡(luò)放電開關(guān)一般選擇充氫閘流管，他的觸發(fā)信號(hào)有觸發(fā)器提供，觸發(fā)器輸出經(jīng)過低通網(wǎng)絡(luò)和加載電阻加到閘流管柵陰極之間，在放電開始時(shí)刻觸發(fā)閘流管開啟，開始放電過程:PFN在充電期間儲(chǔ)存的能量經(jīng)閘流管和脈沖變壓初級(jí)繞組釋放，在負(fù)載上形成一個(gè)脈沖。在正失配時(shí)，一個(gè)脈沖之后，PFN剩余正向電壓，閘流管在下一充電周期開始時(shí)不能消電離，這樣就可能出現(xiàn)“連通”現(xiàn)象。在負(fù)失配時(shí)，有助于閘流管的消電離，但閘流管在主脈沖之后所能承受的反向電壓也不能太大，所以調(diào)制器常工作在負(fù)失配狀態(tài)，用反峰電路來放掉過大的UN,以保護(hù)閘流管。4，低通濾波器’在閘流管導(dǎo)通時(shí)，在柵極上會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高電位，他可能接近陽(yáng)極電位，雖然這個(gè)尖峰的寬度很窄（這個(gè)脈寬取決于柵一陰之間的擊穿滯后于陽(yáng)一柵之間的擊穿時(shí)間，一般為0.05微秒一0.1微秒），能量很小，但是他可以破壞觸發(fā)器的正常工作，或使低壓元件擊穿。所以必須在觸發(fā)器和閘流管柵極之間接一濾波器只能讓正常的觸發(fā)脈沖通過而阻止高壓尖峰。這一般用兀型LC濾波器即可，一般L取100微亨，C取幾百皮發(fā)。在低通濾波器前接一隔離二極管對(duì)觸發(fā)器的工作也是有利的。因?yàn)殚l流管的柵極和陽(yáng)極靠的很近，兩極之間大約有10-15PF的分布電容，由于這個(gè)電容的耦合作用，會(huì)使柵極在充電期間出現(xiàn)正電壓，從而使管子擊穿。這個(gè)耦合效應(yīng)在高重復(fù)頻率、電壓上升速率很快時(shí)就特別嚴(yán)重，在柵一陰極之間并接一個(gè)小電阻可以消除這個(gè)耦合效應(yīng)，同時(shí)用脈沖隔離變壓器輸出在其初級(jí)或次級(jí)要并聯(lián)一只加載電阻也是必須的。5，反峰電路當(dāng)負(fù)載打火時(shí)，對(duì)調(diào)制器來說猶如接入了一個(gè)短路負(fù)載，屬于嚴(yán)重負(fù)失配狀態(tài)。第一個(gè)主脈沖結(jié)束后，PFN將充上反向電壓（人工線剩余電壓是一個(gè)負(fù)電壓），它能夠促使單向開關(guān)（閘流管，單向可控硅）加速截止，但如果沒有反峰電路也使這個(gè)剩余電壓無法放掉，即在下一次充電時(shí)，它的充電起始電壓不再為零，而為一定的負(fù)值。且此電壓恰恰與充電電源串聯(lián)，成為充電電源的一部分，這就相當(dāng)于抬高了充電電壓，以致人工線的第二次的充電電壓要比第一次來得高，如果連續(xù)打火形成積累會(huì)使人工線上充的電壓比電源電壓大好多倍。如果沒有反峰電路會(huì)使閘流管這個(gè)具有單向?qū)ㄌ匦缘拈_關(guān)，人工線電容，充電電感，脈沖變壓器等許多高壓元器件損壞，采用反峰電路可以消除這種危險(xiǎn)。反峰電路允許存在一定時(shí)間以有助于閘流管消電離反向耐壓UD2>uj牝Un；最大電流i>—;dmax0.01KPcL充電回路特性阻抗Pc=I土C\NRz=0.01兀p-Rd。調(diào)制器工作在適當(dāng)?shù)呢?fù)失配狀態(tài)下有利于閘流管的關(guān)斷，減少“連通”現(xiàn)象。因?yàn)楣ぷ髟谡涞那闆r下，一個(gè)脈沖過后人工線上會(huì)剩余正的電壓，不利于閘流管在下一個(gè)充電周期開始時(shí)的消電離。PFN就是用集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)來代替具有分布參數(shù)的長(zhǎng)線，只有在脈寬小于0.2uS的情況下才有可能采用長(zhǎng)線。人工線一般要求：1，形成的脈沖形狀盡可能近于矩形；2,網(wǎng)絡(luò)所包含的元件越少越好；3，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉。等電容鏈型人工線是繞制一個(gè)總電感量L=1tZ的連續(xù)螺線管，然后中間的抽頭將其分N2c成n節(jié)，每節(jié)的電感量除首尾2節(jié)外都是相同的，而首尾2節(jié)電感量各需增加20%至30%，螺線管的長(zhǎng)度和直徑之比應(yīng)該根據(jù)其互感量是自感量的50%來選擇?？偩W(wǎng)絡(luò)電容CN=2?3，將其平均分為N個(gè)，分別連接在螺線管的各個(gè)抽頭上，至于節(jié)數(shù)n由以下決定：t<0.5四S時(shí)，n=1—3；0.5《SVcV2.5《S時(shí)，n=2—5；2.5^S<tV5四S時(shí)，n=3—8；因?yàn)長(zhǎng)不太大，節(jié)數(shù)不太多，所以電感線圈采用直棒式結(jié)構(gòu)，線圈長(zhǎng)度和直徑滿足:—=1.25n+0.4D線圈的抽頭在每隔1.25D距離抽出，但線圈的兩端長(zhǎng)度應(yīng)為1.45D。1l,L(0.44+)線圈的匝數(shù)N=D用cm。:,線圈的匝數(shù)N=D用cm。0.01D當(dāng)使用鏈型PFN時(shí)，在負(fù)載匹配條件下U件0.43_0.43LUL為脈沖變壓器次級(jí)電壓；七為放電效率。一般為0.75；P：為調(diào)制器輸出峰值功率靜態(tài)電感L=—pT；n2靜態(tài)電容C=—N2pBJ-6型調(diào)制器PFN采用6接電容鏈型形式，阻抗為25歐姆，半寬為4,。2uS。取1LL=60ycH,XC=0.1叩，i=1i=1為減小電容與外殼的分布電容對(duì)波形的影響，在結(jié)構(gòu)上采用了外殼懸浮的形式。PFN設(shè)計(jì)需要的已知條件：充電電壓，脈寬，特性阻抗，脈沖前沿，脈沖后沿，脈沖頂部脈動(dòng)，脈沖重復(fù)頻率等。結(jié)構(gòu)上應(yīng)該考慮防潮，防濕，高壓絕緣，電磁屏蔽等BasicPFNDesignForMulaelumpedcomponentPFNSZ=、：一TheCharacteristcImpedanceinOhmst=J~LCTheone-waydelaytimepercellT=2NtThepulsewidthwhereNisthenumberofcells

ImaxZLCt=rmin2ThemaximumImaxZLCt=rmin2ShortestpulserisetimeestimatefromPFNVpN:PFN的被充電電壓:Whentheswitchclosetheloadvoltagerisestoavalue=V?―Z—=VPFN（當(dāng)Z=Z時(shí)）LPFNZ+Z2Lo限幅電路在雷達(dá)發(fā)射擊中，高頻管如磁控管必須工作在一定的峰值脈沖電流上，以避免正交場(chǎng)管產(chǎn)生其他模式的震蕩，或者使線性管的增益和帶寬保持恒定，這就需要調(diào)制脈沖的幅度能保持一致，因此需要采用某種穩(wěn)壓電路以達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定調(diào)制器的輸出，使其不受電源電壓變化或脈沖重復(fù)頻率改變的影響。高壓大功率線性脈沖調(diào)制器的常見故障分析和判斷因?yàn)榫€性調(diào)制器的線路相對(duì)比較簡(jiǎn)單、造價(jià)低，所以現(xiàn)在作為各類電子加速器的磁控管，速調(diào)管等微波管的高壓脈沖電源大部分采用的是線性調(diào)制器。由于調(diào)制器工作在高壓、大電流的狀態(tài)，常常因?yàn)榄h(huán)境氣候（灰塵，空氣濕度等）的變化，電子元器件（特別是高壓回路中的）的老化等原因而導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，從而影響整個(gè)加速器系統(tǒng)的可靠性。及時(shí)判斷調(diào)制器的工作狀態(tài)是否正常、故障原因是維護(hù)加速器系統(tǒng)正常工作的重要環(huán)節(jié)。下面本人近幾年來工作中的一些體會(huì)簡(jiǎn)單介紹一下：一，常用線性調(diào)制器電路組成框圖_^^^^>_充電二極管圖1:線性調(diào)制器框圖調(diào)制器的一個(gè)工作周期主要分為兩個(gè)過程：一是充電過程；二是放電過程。調(diào)制器的工作狀態(tài)及主要故障均可以通過觀察這兩個(gè)過程的波形加以分析判斷。假設(shè)調(diào)制器輸出脈沖的周期為：Tr，調(diào)制器輸出脈沖寬度為：t調(diào)制器工作重復(fù)頻率為：fr直流高壓電源的電壓為：E0充電時(shí)間為：Tc，等待時(shí)間為：Td人工線充電電壓為：Un二，充電過程就是高壓直流電源通過充電電感和高壓隔離二極管對(duì)儲(chǔ)能元件一人工線充電的過

程，此過程還包含人工線被充到額定電壓后直到放電前的等待時(shí)間。對(duì)一臺(tái)已經(jīng)設(shè)計(jì)調(diào)試好正常運(yùn)行的調(diào)制器來說，充電時(shí)間是固定的，而等待時(shí)間隨工作重復(fù)頻率的改變是不同的，隨重復(fù)頻率的提高而減小。下面是對(duì)充電過程的簡(jiǎn)要分析：圖2是充電等效電路，Tc=^L0*Cnfr=1/TrTr=Tc+TdUn(Tr)=2E0-氣(0)由于人工線在匹配的情況下是完全放電的，即Un(0)=0此時(shí)，Un(Tr)=2E0L0mrhrhL0:充電電感，D0:充電二極管，Cn:人工線總電容圖2：充電等效電路人工線的充電電壓波形可以用下述方法觀察：1，用阻容分壓器或電容分壓器直接接到人工線的高端和地之間正確的波形為:Tr2，在充電電感上設(shè)置一個(gè)次級(jí)繞組觀察，正常的波形為:TcTr如果充電電壓波形出現(xiàn)下列情況，可以判斷為以下原因所致：1,在充電Tc時(shí)間內(nèi)某一固定位置出現(xiàn)毛刺，可以說明充電電感的匝間有大火或電暈，如果出現(xiàn)毛刺的位置并不固定，在Tc時(shí)間內(nèi)上下跑動(dòng)則原因有可能就是在充電回路中有接線松動(dòng)等接觸不好。出現(xiàn)上述現(xiàn)象時(shí)應(yīng)該毛刺的幅度或出現(xiàn)的幾率會(huì)隨電壓的升高而加劇。注：如果排除了上述原因后仍然現(xiàn)象存在則要檢查測(cè)量是否正常？2，出現(xiàn)類似下面的充電波形時(shí)人工線在等待放電期間電壓保持不住，且調(diào)制器輸出幅度下降則說明人工線出現(xiàn)漏電，一般檢查人工線電容是否漏油，是否有電暈？更換后就可以正常工作了。3，如果在充電完成后便發(fā)生振蕩，則說明充電二極管已經(jīng)高壓擊穿短路，使充電回路發(fā)生振蕩，人工線不能保持兩倍電源電壓，同時(shí)調(diào)制器輸出脈沖電壓幅度幾乎會(huì)下降一倍，相應(yīng)的充電波形描述如下:4,如果充電時(shí)間Tc因?yàn)榇蚧鸲蝗蛔冃。瑒t一般是充電電感出現(xiàn)了匝間擊穿短路使充電電感量變小所致。三，放電過程人工線的放電，即在充電過程結(jié)束后，閘流管依照外部時(shí)序控制的被觸發(fā)導(dǎo)通，從而人工線高端電壓突然變低（近似為零），因?yàn)槿斯ぞ€電容兩端的電壓不能突變，所以電容的低端就通過脈沖變壓器的初級(jí)放電，這樣就形成了一個(gè)放電脈沖，再通過脈沖變壓器耦合到負(fù)載上去。假設(shè)人工線的電感量為：Ln，人工線的特性阻抗為：P負(fù)載阻抗為：RL脈沖變壓器變比為：NP=RL/N2下圖是調(diào)制器正常工作時(shí)輸出的電壓或電流波形:TT一般調(diào)制器的生產(chǎn)單位會(huì)留出監(jiān)測(cè)脈沖電壓和脈沖電流波形的接口，我們只要找到這兩個(gè)接口并且搞清楚對(duì)應(yīng)的電壓和電流的換算比例即可。直流高壓電源反尖峰網(wǎng)絡(luò)充電二極管—3脈沖形成線反峰電路參考電觸發(fā)信號(hào)圖1.調(diào)制器原理簡(jiǎn)圖標(biāo)記數(shù)量更改單號(hào)簽名日期更記數(shù)量更改單號(hào)簽名日期麝審核Despiking牛名：D:\PROTEL99H.V.D.C.PowerSupplyNetworkCharging—''/\調(diào)制器框圖四片-Despiking牛名：D:\PROTEL99H.V.D.C.PowerSupplyNetworkCharging—''/\調(diào)制器框圖四片-kcuffle—DeQingCircuit（中文）VoltageDividerComparatorTriggerVref‘—TriggerSignal標(biāo)準(zhǔn)化圖Fig.1Simplifieddiagramoftheline-typemodulator更改數(shù)量更改單號(hào)簽名日期更改數(shù)量更改單號(hào)簽名E標(biāo)記制標(biāo)記審核標(biāo)準(zhǔn)化批準(zhǔn).r-2003文件名：.r-2003文件名：D:\PROTEL99\調(diào)制器框圖.ddb-Documents'框圖一種DeQ電路V2二極管V1\Z可控硅T3觸發(fā)隔離變壓器峰值取羊單穩(wěn)觸發(fā)器R基準(zhǔn)比S器―七基準(zhǔn)T充電變壓器繞組的，5,6在滿電壓27kV時(shí)取出約54V（峰-峰）的對(duì)稱電壓，再通過T2的初級(jí)雙繞組分別取出幅度相等，相位相反的19V（峰-峰）的取樣電壓U'L（t）和U”L（t），其中，U'L（t）經(jīng)峰值取樣電路取出峰值UL用以恢復(fù)比餃信號(hào)的直流分量，與U''L（t）信號(hào)疊加起來，就得到了模擬PFN上的充電電壓的電壓波形，在經(jīng)過RC分壓取出比較信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，即當(dāng)PFN上電壓充到額定的電壓值后，比較器發(fā)生一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)單穩(wěn)電