一种多级降压收集极行波管的串联供电电源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多级降压收集极行波管的串联供电电源，包括初级电压变换器，其输出端与多绕组高压变压器T1的初级线圈N0相连，多绕组高压变压器的N个次级线圈分别与N个整流滤波电路的输入端相连，两相邻的整流滤波电路的输出正端与输出负端相连，第1个整流滤波电路的输出正端接行波管的管体，第1至第N-1个整流滤波电路的输出负端分别与行波管的N-1个收集极相连，第N个整流滤波电路的输出负端接行波管的阴极，电压取样电路的输出端与初级电压变换器的反馈信号输入端相连。本发明的次级电源共用一个变换器，各级电源电压输出的速率保持一致，可靠性高；次级电源串联叠加，输出滤波电容的耐压减小，使整个电源的体积大大减小，功率密度高。
【专利说明】-种多级降压收集极行波管的串联供电电源
【技术领域】
[0001] 本发明设及雷达发射机【技术领域】，尤其是一种多级降压收集极行波管的串联供电 电源。
【背景技术】
[0002] 行波管广泛应用于雷达、电子对抗、卫星通讯等领域，为了提高行波管的效率，采 用多级降压收集极是一种行之有效的方法，目前常用的有二级、S级降压收集极行波管，降 压收集极行波管的供电方法主要有并联供电和串联供电两种方式。
[0003] 其中，并联供电是行波管的阴极和收集极分别采用独立的电源供电，电源的公共 端连接到行波管的阴极，各个电源之间互相独立工作；其缺点是由于采用独立的电源供电， 其体积较大，其次由于收集极的各级电源浮在阴极电位上，其输出耐压要求高，电源的闭环 取样需要采取高压隔离措施，其实现复杂，成本较高。串联供电采用多个独立的电源串联， 串联之后得到的最高电压给阴极供电，其余电源按照行波管收集极电压要求，分别给行波 管的各收集极进行供电；缺点是当行波管工作比发生变化时，收集极电源会随之发生变化， 该样就会导致串联叠加后的阴极电压也发生变化，对于行波管发射机来说，行波管的阴极 的电源精度和稳定度一般要求较高，而收集极电源的精度和稳定度相比阴极电源可W低一 个数量级，因此串联供电在负载发生变化时，为满足阴极电压的稳定和精度，要求其余各组 电源也必须满足高精度和高稳定度的要求，增加了成本和实现难度。
[0004] 可见，串联供电法和并联供电法各有利弊，而串联供电法更容易实现，但是两者有 一个共同的缺点：都具有多个独立的电源，体积和重量比较大，对于发射机的体积和重量有 严格限制的情况，采用该两种供电方法都难W实现。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻，实现电源的小型化，提高整个电源的 可靠性和功率密度的多级降压收集极行波管的串联供电电源。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用了 W下技术方案；一种多级降压收集极行波管的串 联供电电源，包括初级电压变换器，其输出端与多绕组高压变压器T1的初级线圈N。相连， 多绕组高压变压器的N个次级线圈分别与N个整流滤波电路的输入端相连，两相邻的整流 滤波电路的输出正端与输出负端相连，第1个整流滤波电路的输出正端接行波管的管体， 第1至第N-1个整流滤波电路的输出负端分别与行波管的N-1个收集极相连，第N个整流 滤波电路的输出负端接行波管的阴极，用于采集行波管的阴极和N-1个收集极电压的电压 取样电路的输出端与初级电压变换器的反馈信号输入端相连。
[0007] 所述初级电压变换器包括MOS管Q1，其漏极分别接初级电源的正极和MOS管Q3的 漏极，MOS管Q1的源极分别与电容C3、MOS管Q2的漏极相连，电容C3的另一端与谐振电感 L1的一端相连，谐振电感L1的另一端接多绕组高压变压器T1的初级线圈N。的一端，MOS 管Q3的源极分别与MOS管Q4的漏极、多绕组高压变压器T1的初级线圈N。的另一端相连， MOS管Q2的源极、MOS管Q4的源极均接初级电源的负极，储能电容Cl、C2均跨接在MOS管 Q1的漏极和M0S管Q2的源极之间，M0S管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极均与M0S阳T驱动及取样电 压处理电路的输出端相连，M0SFET驱动及取样电压处理电路的输入端与电压取样电路的输 出端相连。
[000引所述多绕组高压变压器T1采用高y值铁氧体或超微晶磁巧材料，N个次级线圈 分段绕制。所述N个整流滤波电路的结构相同，整流滤波电路包括整流二极管VI，其阴极与 多绕组高压变压器T1的其一次级线圈的一端相连，其阳极分两路输出，一路作为整流滤波 电路的输出负端，另一路与整流二极管V3的阳极相连，整流二极管V3的阴极分别与整流二 极管V4的阳极、多绕组高压变压器T1的其一次级线圈的另一端相连，整流二极管V4的阴 极分两路输出，一路与整流二极管V2的阴极相连，另一路作为整流滤波电路的输出正端， 整流二极管V2的阳极与整流二极管VI的阴极相连，高压滤波电容C4、巧均跨接在整流滤 波电路的输出正端和输出负端之间。
[0009] 所述电压取样电路由N个高压电阻分压器组成，每个高压电阻分压器均由一个高 压端电阻和一个低压端电阻串联组成，第1至第N个高压电阻分压器的高压端电阻分别与 行波管的阴极、N-1个收集极相连，第1至第N个高压电阻分压器的低压端电阻均与行波管 的管体相连。
[0010] 所述M0S阳T驱动及取样电压处理电路包括取样电压处理电路和收集极取样电压 获取电路，取样电压处理电路包括电阻R1，其一端与电压取样电路的取样信号输出端相连， 另一端与射极跟随器N1A的3脚相连，电阻R1通过电容C1接地，射极跟随器N1A的2脚 与其1脚相连，其1脚通过电阻R3与反向电压放大器的输入端相连，所述反向放大器由电 阻R5、电阻R6、电阻R7和运放N1B组成，电阻R3通过电阻R5与运放N1B的6脚相连，运放 N1B的5脚通过电阻R6接地，电阻R7跨接在运放N1B的6、7脚上，运放N1B的7脚与电阻 R8的一端相连，电阻R8的另一端作为取样电压处理电路的输出端，射极跟随器N1A和运放 N1B均采用LM124巧片。
[0011] 所述收集极取样电压获取电路包括减法器N2A，其2、3脚分别通过电阻R14、R13 接取样电压处理电路的输出端，其3脚通过电阻R15接地，其2脚通过电阻R16接其1脚， 其4脚接+15V直流电，其11脚接-15V直流电，其1脚作为收集极取样电压获取电路的输 出端，减法器N2A采用LM124巧片。
[0012] 由上述技术方案可知，本发明的多绕组高压变压器T1的次级输出有多个绕组，次 级线圈整流滤波后串联叠加，分别给行波管的阴极和收集极进行供电，同时由于次级电源 共用一个变换器，因此各级电源电压输出的速率保持一致，无需考虑各级电源的加电次序 和电源的上升速率，控制简单，电路实现方便，可靠性高；各级电源共用一个初级电压变换 器，次级电源串联叠加，各组电源的耐压只需要考虑各个绕组输出的电压，输出滤波电容的 耐压减小，使整个电源的体积大大减小，功率密度高；电源的闭环取样取自串联叠加后的电 源，该电源为阴极电源，因此可W保证行波管工作比发生变化时，阴极电源电压保持稳定， 同时多绕组高压变压器T1次级线圈通过合理的分配，仍然可W保证收集极电源输出在一 定的范围内变化，满足系统要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的系统电路框图。
[0014] 图2为本发明中初级电压变换器的电路原理图。
[0015] 图3为本发明中多绕组高压变压器T1的电路原理图。
[0016] 图4为本发明中整流滤波电路的电路原理图。
[0017] 图5为本发明中电压取样电路的电路原理图。
[001引 图6为本发明中取样电压处理电路的电路原理图。
[0019] 图7为本发明中收集极取样电压获取电路的电路原理图。
【具体实施方式】
[0020] 一种多级降压收集极行波管的串联供电电源，包括初级电压变换器1，其输出端与 多绕组高压变压器T1的初级线圈N。相连，多绕组高压变压器的N个次级线圈分别与N个 整流滤波电路3的输入端相连，N > 2,两相邻的整流滤波电路3的输出正端与输出负端相 连，第1个整流滤波电路3的输出正端接行波管的管体，第1至第N-1个整流滤波电路3的 输出负端分别与行波管的N-1个收集极相连，第N个整流滤波电路3的输出负端接行波管 的阴极，用于采集行波管的阴极和N-1个收集极电压的电压取样电路4的输出端与初级电 压变换器1的反馈信号输入端相连，如图1所示。
[002U 如图2所示，所述初级电压变换器1包括MOS管Q1，其漏极分别接初级电源的正极 和MOS管Q3的漏极，MOS管Q1的源极分别与电容C3、MOS管Q2的漏极相连，电容C3的另 一端与谐振电感L1的一端相连，谐振电感L1的另一端接多绕组高压变压器T1的初级线圈 N。的一端，MOS管Q3的源极分别与MOS管Q4的漏极、多绕组高压变压器T1的初级线圈N。 的另一端相连，MOS管Q2的源极、MOS管Q4的源极均接初级电源的负极，储能电容C1、C2均 跨接在MOS管Q1的漏极和MOS管Q2的源极之间，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极均与MOS阳T 驱动及取样电压处理电路2的输出端相连，MOSFET驱动及取样电压处理电路2的输入端与 电压取样电路4的输出端相连。MOSFET驱动及取样电压处理电路2输出四路驱动信号，分 别为DRV1、DRV2、DRV3和DRV4,四路驱动信号依次连接到MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极，外 部取样信号1，取样信号2,……，取样信号N-1和阴极取样送入MOSFET驱动及取样电压处 理电路2。
[002引整个初级电压变换器1的作用是实现DC-AC电压变换，采用全桥（小功率时可用 半桥）串/并联谐振或全桥移相PWM实现，M0S管Q1?Q4在MOSFET驱动及取样电压处理 电路2的作用下，根据驱动控制巧片的工作方式，依次导通，在变换器的初级回路中，初级 电源、M0S管Q1、Q2、Q3、Q4、谐振电感11、电容C3、多绕组高压变压器T1初级形成谐振，产 生一个脉冲电压，通过多绕组高压变压器T1的电压变换，在次级各绕组上形成脉冲电压， 初级电源为直流电源，由外部提供，负责初级变换器的直流电源供应。
[0023] 如图3所示，所述多绕组高压变压器T1采用高y值铁氧体或超微晶磁巧材料，N 个次级线圈分段绕制。多绕组高压变压器T1的初级线圈N。由一个或多个绕组构成，初级 线圈N。可W串联也可W并联；次级线圈的个数取决于降压收集极行波管的收集极数量，如 果有N-1个收集极，则次级有N个绕组，分别为N1、N2、……，化(n =脚，各个绕组分别与 整流滤波1，整流滤波2,……，整流滤波N连接。多绕组高压变压器T1根据初级线圈N。和 次级线圈N1?化的变比，将初级的电压在次级绕组上提升至不同的电压。
[0024] 如图4所示，所述N个整流滤波电路3的结构相同，整流滤波电路3包括整流二极 管VI，其阴极与多绕组高压变压器T1的其一次级线圈的一端相连，其阳极分两路输出，一 路作为整流滤波电路3的输出负端，另一路与整流二极管V3的阳极相连，整流二极管V3的 阴极分别与整流二极管V4的阳极、多绕组高压变压器T1的其一次级线圈的另一端相连，整 流二极管V4的阴极分两路输出，一路与整流二极管V2的阴极相连，另一路作为整流滤波电 路3的输出正端，整流二极管V2的阳极与整流二极管VI的阴极相连，高压滤波电容C4、C5 均跨接在整流滤波电路3的输出正端和输出负端之间。高压滤波电容的具体个数，根据输 出电源的功率和电压值确定。
[0025] 将多绕组高压变压器T1的次级某个绕组高频交流电压进行整流和滤波后，形成 上负下正的电源，整流二极管￥1、￥2、￥3、￥4组成全桥整流电路，高压滤波电容〔4、巧对整流 后的电压进行滤波和储能，减小电压脉动和纹波，为负载提供脉冲电流。各整流滤波电路的 连接如图1所示，整流滤波电路1，整流滤波电路2,……，整流滤波电路N串联后形成行波 管阴极电压。行波管各收集极电压由整流滤波电路叠加后形成，其中收集极1电压，即收集 极1相对阴极的电压，由整流滤波电路2,整流滤波电路3,……，整流滤波电路N串联后提 供；收集极2电压，即收集极2相对阴极的电压，由整流滤波电路3,整流滤波电路4,……， 整流滤波电路N串联后提供；收集极N-1电压，即收集极N-1相对阴极的电压，由整流滤波 电路N提供。多绕组高压变压器T1的次级绕组的总应数根据初次级的电压比决定，多绕组 高压变压器T1的应比n为：
[0026] n = V〇/(ViXM)
[0027] 式中；V。为输出电压；Vi为输入电压；M为输出电压变换比。
[002引由于行波管工作时，其阴极电压的纹波和稳定度最为关键，决定整个发射机（放 大器）的性能，因此必须保证其值在行波管工作比发生变化时，仍能够保持一定的稳定度， 因此电源的闭环取样电路采用电阻分压器来对阴极电压进行取样，如图5所示。行波管收 集极电压相比阴极电压，其稳定度和纹波可W低一个数量级，因此在负载工作比发生变化 时，阴极电压保持不变，此时即使收集极电压会有一些变化，仍能满足系统的要求。
[0029] 如图5所示，所述电压取样电路4由N个高压电阻分压器组成，每个高压电阻分压 器均由一个高压端电阻和一个低压端电阻串联组成，第1至第N个高压电阻分压器的高压 端电阻分别与行波管的阴极、N-1个收集极相连，第1至第N个高压电阻分压器的低压端电 阻均与行波管的管体相连。
[0030] 电压取样电路4的作用是对各级电压进行分压取样，送给图2的MOSFET驱动及取 样电压处理电路2进行处理，每个高压电阻分压器由两个电阻一一低压端电阻和高压端电 阻串联组成，电阻R11和电阻R12组成一个高压电阻分压器，电阻R21和电阻R22组成一个 高压电阻分压器，电阻化1和电阻化2组成一个高压电阻分压器，其中电阻R1UR21、......、 化1为高压电阻分压器的低压端电阻，电阻R12、R22、……、化2为高压电阻分压器的高压 端电阻，低压端电阻接管体即地，高压端电阻接行波管的阴极和各个收集极，其中阴极电压 取样作为初级电压变换器1的电压反馈信号，当阴极电压发生变化时，取样电压相应发生 变化，通过该电压可W调节驱动信号的脉宽或频率，控制MOSFET(或者IGBT、SCR)开关的导 通时间，由此来调节阴极输出电压，保持输出电压的稳定。
[0031] 为了保证行波管的各收集极电压在规定的范围内工作，需要对收集极的各级电压 进行取样，进行判断。由于电压取样1?电压取样N-1是对地取样，而收集极电压是相对阴 极的电压，因此对地取样的值不是收集极1?收集极N-1的取样电压，实际的收集极取样电 压是阴极对地取样电压与收集极对地取样的差值，所W各种取样电压都必须送入图2所示 的MOS阳T驱动及取样电压处理电路2进行处理。
[0032] 如图6所示，所述MOS阳T驱动及取样电压处理电路2包括取样电压处理电路和收 集极取样电压获取电路，取样电压处理电路包括电阻R1，其一端与电压取样电路4的取样 信号输出端相连，另一端与射极跟随器N1A的3脚相连，电阻R1通过电容C1接地，射极跟 随器N1A的2脚与其1脚相连，其1脚通过电阻R3与反向电压放大器的输入端相连，所述 反向放大器由电阻R5、电阻R6、电阻R7和运放N1B组成，电阻R3通过电阻R5与运放N1B 的6脚相连，运放N1B的5脚通过电阻R6接地，电阻R7跨接在运放N1B的6、7脚上，运放 N1B的7脚与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端作为取样电压处理电路的输出端，射极 跟随器N1A和运放N1B均采用LM124巧片。
[0033] 取样电压处理电路的作用是将来自图5的取样电压进行反向放大处理。如果图5 中有N-1个收集极，则对应有N-1个取样电压处理电路，每个取样电压处理电路原理相同， 在此仅W-路信号的处理来进行说明。从图5中通过高压电阻分压器获得的取样负电压 通过图6的电阻R1输入到运算放大器N1A的3脚，N1A为射极跟随器，作用是减小取样干 扰，电压通过N1A的1脚和电阻R3之后，送入由N1B、贴、R6、R7组成的反向电压放大器，将 取样电压进行反向放大，放大系数为（R7^R5)，在N1B的7脚得到一个跟随输入电压按比 例变化的正电压，如果为阴极取样电压，则通过图6电路处理后，送入到后续的电路进行反 馈闭环，同时进行阴极过压或者欠压的比较设定；如果为收集极对地取样电压，则通过如图 6所示的电路处理后，与处理后的阴极取样电压一起送入到图7的减法器进行减法处理，得 到各收集极的取样电压后，进行收集极电压的过压或者欠压的比较处理。电容C1为输入滤 波电容，电阻R1、电容C2和电阻R2,电阻R3、电阻R4和电容C3,电阻R8、电阻R9和电容巧 分别组成RC滤波电路，滤除尖峰或毛刺，减小外界干扰。
[0034] 如图7所示，所述收集极取样电压获取电路包括减法器N2A，其2、3脚分别通过电 阻R14、R13接取样电压处理电路的输出端，其3脚通过电阻R15接地，其2脚通过电阻R16 接其1脚，其4脚接+15V直流电，其11脚接-15V直流电，其1脚作为收集极取样电压获取 电路的输出端，减法器N2A采用LM124巧片。
[0035] 为了获得各级收集极取样电压，将两路输入信号进行相减，得到一个差值信号。阴 极取样电压Uk和收集极对地取样电压，假设为收集极1对地取样电压U1，其余类似，分别通 过如图6所示的电路处理后，得到两路电压，分别为Uk和U 1，送入图7减法器进行相减，其 输出电压也即为收集极1的取样电压，其值为： 化16
[0036] U('i= ^(Uk-Ui) 仍14
[0037] 如果电阻R16和电阻R14的值相等，则上式变为Ua=扣K-Ui)，通过图7就可W获 得每路收集极的取样电压。
[003引阴极取样电压通过图6,收集极的各路取样电压通过图6和图7处理后，通过 MOSFET驱动及取样电压处理电路2的驱动控制巧片将其电压与设定的基准电压相比较，判 断各级电压是否过压或者欠压，就可W保证行波管工作在规定的电压范围内。
[0039] 综上所述，本发明将多级降压收集极行波管的收集极电源和阴极电源共用一个初 级电压变换器1，使用一个次级输出多绕组的多绕组高压变压器T1，通过变压器次级绕组 合理分配的方法来提供阴极电压和各级收集极电压，从而实现电源的小型化，提高了整个 电源的可靠性和功率密度。
【权利要求】
1. 一种多级降压收集极行波管的串联供电电源，其特征在于：包括初级电压变换器 (1)，其输出端与多绕组高压变压器T1的初级线圈队相连，多绕组高压变压器的N个次级线 圈分别与N个整流滤波电路（3)的输入端相连，两相邻的整流滤波电路（3)的输出正端与输 出负端相连，第1个整流滤波电路（3)的输出正端接行波管的管体，第1至第N-1个整流滤 波电路（3)的输出负端分别与行波管的N-1个收集极相连，第N个整流滤波电路（3)的输出 负端接行波管的阴极，用于采集行波管的阴极和N-1个收集极电压的电压取样电路（4)的 输出端与初级电压变换器（1)的反馈信号输入端相连。
2. 根据权利要求1所述的多级降压收集极行波管的串联供电电源，其特征在于：所述 初级电压变换器（1)包括MOS管Q1，其漏极分别接初级电源的正极和MOS管Q3的漏极，MOS 管Q1的源极分别与电容C3、M0S管Q2的漏极相连，电容C3的另一端与谐振电感L1的一端 相连，谐振电感L1的另一端接多绕组高压变压器T1的初级线圈队的一端，MOS管Q3的源 极分别与MOS管Q4的漏极、多绕组高压变压器T1的初级线圈队的另一端相连，MOS管Q2 的源极、MOS管Q4的源极均接初级电源的负极，储能电容C1、C2均跨接在MOS管Q1的漏极 和MOS管Q2的源极之间，MOS管Ql、Q2、Q3、Q4的栅极均与MOSFET驱动及取样电压处理电 路（2)的输出端相连，MOSFET驱动及取样电压处理电路（2)的输入端与电压取样电路（4) 的输出端相连。
3. 根据权利要求1所述的多级降压收集极行波管的串联供电电源，其特征在于：所述 多绕组高压变压器T1采用高直铁氧体或超微晶磁芯材料，N个次级线圈分段绕制。
4. 根据权利要求1所述的多级降压收集极行波管的串联供电电源，其特征在于：所述N 个整流滤波电路（3 )的结构相同，整流滤波电路（3 )包括整流二极管VI，其阴极与多绕组高 压变压器T1的其一次级线圈的一端相连，其阳极分两路输出，一路作为整流滤波电路（3) 的输出负端，另一路与整流二极管V3的阳极相连，整流二极管V3的阴极分别与整流二极管 V4的阳极、多绕组高压变压器T1的其一次级线圈的另一端相连，整流二极管V4的阴极分两 路输出，一路与整流二极管V2的阴极相连，另一路作为整流滤波电路（3)的输出正端，整流 二极管V2的阳极与整流二极管VI的阴极相连，高压滤波电容C4、C5均跨接在整流滤波电 路（3)的输出正端和输出负端之间。
5. 根据权利要求1所述的多级降压收集极行波管的串联供电电源，其特征在于：所述 电压取样电路（4)由N个高压电阻分压器组成，每个高压电阻分压器均由一个高压端电阻 和一个低压端电阻串联组成，第1至第N个高压电阻分压器的高压端电阻分别与行波管的 阴极、N-1个收集极相连，第1至第N个高压电阻分压器的低压端电阻均与行波管的管体相 连。
6. 根据权利要求2所述的多级降压收集极行波管的串联供电电源，其特征在于：所述 MOSFET驱动及取样电压处理电路（2)包括取样电压处理电路和收集极取样电压获取电路， 取样电压处理电路包括电阻R1，其一端与电压取样电路（4)的取样信号输出端相连，另一 端与射极跟随器N1A的3脚相连，电阻R1通过电容C1接地，射极跟随器N1A的2脚与其1 脚相连，其1脚通过电阻R3与反向电压放大器的输入端相连，所述反向放大器由电阻R5、电 阻R6、电阻R7和运放N1B组成，电阻R3通过电阻R5与运放N1B的6脚相连，运放N1B的5 脚通过电阻R6接地，电阻R7跨接在运放N1B的6、7脚上，运放N1B的7脚与电阻R8的一 端相连，电阻R8的另一端作为取样电压处理电路的输出端，射极跟随器N1A和运放N1B均 采用LM124芯片。
7.根据权利要求6所述的多级降压收集极行波管的串联供电电源，其特征在于：所述 收集极取样电压获取电路包括减法器N2A，其2、3脚分别通过电阻R14、R13接取样电压处 理电路的输出端，其3脚通过电阻R15接地，其2脚通过电阻R16接其1脚，其4脚接+15V 直流电，其11脚接-15V直流电，其1脚作为收集极取样电压获取电路的输出端，减法器N2A 采用LM124芯片。
【文档编号】H01J23/34GK104485822SQ201410752706
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】徐晓荣, 陈永浩, 汪军, 李可, 王一农, 徐玉存 申请人:中国电子科技集团公司第三十八研究所