一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器的制作方法

本发明涉及高压脉冲电源调制领域，特别涉及一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器。

背景技术：

1、高压脉冲电源调制器是高功率微波和各类加速器应用系统中的重要组成单元，这类应用中通常都需要平坦的矩形高压脉冲，极小的上升沿时间、可调的脉冲宽度和重复频率。对于自由电子激光器等光源应用场景，脉冲的顶部平坦度和脉间稳定度对光源的频谱纯度和相干性有很大的影响，因此对脉冲调制器的稳定度提出了极高的要求。

2、如在超时空分辨率透视电镜的关键部件中就需要高压脉冲电源调制器，其为速调管的阴极调制提供微秒级、百兆瓦功率量级的高压大电流脉冲。速调管将输入的射频激励信号进行放大，将高压脉冲电源的能量转换为微波能量，最终微波能量在加速器的谐振腔内传递给电子束实现电子束加速。要想获得稳定、精密的时间空间分辨率，就要求电子束的能量稳定度足够高，进一步要求脉冲电源调制器的必须具有极高的电压稳定度。本在超时空分辨率透视电镜应用场景中，期望脉冲电源调制器的电压稳定度优于50ppm。

3、影响脉冲电源调制器电压稳定度的因素主要包括任何电子元件的温度漂移、噪声干扰、环路稳定性等，这就要求尽量选用低温漂的器件，尤其是参考电压、运算放大器、取样电阻，尽量减小取样电路的噪声，并选取合理的电路结构，增强电路的抗干扰能力。为了实现高精度的电压稳定度，现有技术常采用的方案是选用低温漂的器件、采用水冷控温的方式保持恒温，减少温度的影响，使得电路工作达到热平衡状态，温度基本稳定下来后性能参数也就基本稳定了。这种基于温度的方式对于电路的输出精度的补偿存在较大的局限性，若电路结构无法满足精度的要求，如何温度补偿都无法达到精度的要求，因此需要设计一种高压脉冲电源调制器以满足稳定度的需求，

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，解决现有技术中电源调制器输出电压稳定度较低的缺陷，通过电路设计达到一种可以满足超高稳定度的高压脉冲电源调制器。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，包括配电箱、多路直流电源、多路开关单元、矩阵式脉冲变压器，所述配电箱用于分配交流电至每一路直流电源的输入端，每个直流电源对应一个开关单元，每个所述的开关单元对应一个初级测绕组；所述矩阵式脉冲变压器具有多个初级测绕组和多个磁芯；所述直流电源用于对直流电源负责将交流电压转换成直流电压后输出至开关单元，所述开关单元用于对充电电容储存的能量进行脉冲放电用于激励矩阵式脉冲变压器的初级；所述矩阵式脉冲变压器将初级的低压大电流脉冲变换成次级的高压脉冲输出至负载。

3、所述开关单元包括二极管v1、二极管v2以及igbt开关管v3、充电电容c1，直流电源输出正极与二极管v1的阳极连接，二极管v1的阴极经充电电容c1分别连接至二极管v2的阳极、矩阵式脉冲变压器的初级侧的一端，矩阵式脉冲变压器的初级侧另一端连接至直流电源的负极；直流电源的负极接地；二极管v1的阴极连接至开关管v3的集电极，三极管v3的发射极连接至直流电源的负极；二极管v2的阴极连接至直流电源输出负极。

4、所述充电电容c1与矩阵式脉冲变压器初级测之间串接波形调节元件。

5、所述矩阵式脉冲变压器包括多个磁芯、多个绕组，所述直流电源数量和磁芯相同。

6、所述直流电源包括：pfc电路和dcdc电路，其中pfc电源用于将交流电转换成高压直流电送入到dcdc电路中，所述dcdc电路将pfc电路输出的直流电压进行稳定升压后输出高压直流电压。

7、所述pfc电路包括高压继电器k1、高压继电器k2、预充电阻r以及电感l1、l2、l3，单相交流电的火线依次经串联的高压继电器k1、k2后分别连接至电感l1的一端、l2的一端、l3的一端；电阻r并联在高压继电器k2的两端；电感l1的另一端连接至高速大功率sic mosfet管m3、m4组成的桥臂中点；电感l2的另一端连接至高速大功率sic mosfet管m5、m6组成的桥臂中点；电感l3的另一端连接至高速大功率sic mosfet管m7、m8组成的桥臂中点；大功率mosfet管m1、m2组成的桥臂中点连接至单相交流电的零线；m1、m2组成的桥臂两端、m3、m4组成的桥臂两端、m5、m6组成的桥臂两端、m7、m8组成的桥臂两端分别对应的连接在一起并引出输出正负极。

8、所述dcdc电路包括电容cin、电容cout、变压器t1、前级h桥、后级同步整流h桥以及电感l11、电感l22、电容c11、电容c22；

9、其中，pfc电路的输出端经电容cin连接至前级h桥，前级h桥具有两个桥臂，两个桥臂的中点分别经电感l11连接至变压器t1的初级侧一端、经电容c11连接至变压器t1的初级侧另一端；

10、后级同步整流h桥引出输出正极和负极作为dcdc电路的输出正极和负极，其中正极和负极之间通过电容cout连接在一起；

11、变压器t1的次级侧一端经电感l22连接至后级同步整流h桥的一个桥臂，变压器t2的次级侧另一端经电容c22连接至后级同步整流h桥的另一个桥臂中点。

12、所述调制器还包括触发板、辅助控制板、主控板，所述触发板分别用于驱动每一个直流电源和开关单元的工作；所述辅助控制板用于采集脉冲电压和电流参数、控制和监控励磁电源、负载电流及其工作状态；所述辅助控制板、主控板通过rs485 bus总线连接至主控板，所述主控板用于实现对于触发板和辅助控制板的监控。

13、所述主控板设置有用户接口，用于通过用户接口连接至远程控制客户端，用于实现远程操控主控板的监控。

14、本发明的优点在于：输出电压具有超高稳定度，满足超时空分辨率透视电镜等高精仪器对于电压的稳定性要求；采用固态开关+矩阵式脉冲变压器的调制器架构，具有体积小、可靠性高、维修性好、扩展性强等优点，并且最重要的是该调制器具有超高的脉冲电压稳定度。巨大的能耗一直是各类大型科学装置研制中面临的挑战，该产品使用高频谐振型直流逆变电源，具有效率高、辐射低的优点；固态半导体开关+脉冲变压器的架构相比于传统的线型调制器，具有变比高、损耗低的优点，效率几乎翻倍；再加上精心的整机能效优化，在长期的运行过程中可以大幅节省电能消耗，达到节能减排的效果。

技术特征：

1.一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：包括配电箱、多路直流电源、多路开关单元、矩阵式脉冲变压器，所述配电箱用于分配交流电至每一路直流电源的输入端，每个直流电源对应一个开关单元，每个所述的开关单元对应一个初级测绕组；所述矩阵式脉冲变压器具有多个初级测绕组和多个磁芯；所述直流电源用于对直流电源负责将交流电压转换成直流电压后输出至开关单元，所述开关单元用于对充电电容储存的能量进行脉冲放电用于激励矩阵式脉冲变压器的初级；所述矩阵式脉冲变压器将初级的低压大电流脉冲变换成次级的高压脉冲输出至负载。

2.如权利要求1所述的一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：所述开关单元包括二极管v1、二极管v2以及igbt开关管v3、充电电容c1，直流电源输出正极与二极管v1的阳极连接，二极管v1的阴极经充电电容c1分别连接至二极管v2的阳极、矩阵式脉冲变压器的初级侧的一端，矩阵式脉冲变压器的初级侧另一端连接至直流电源的负极；直流电源的负极接地；二极管v1的阴极连接至开关管v3的集电极，三极管v3的发射极连接至直流电源的负极；二极管v2的阴极连接至直流电源输出负极。

3.如权利要求2所述的一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：所述充电电容c1与矩阵式脉冲变压器初级测之间串接波形调节元件。

4.如权利要求3所述的一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：所述矩阵式脉冲变压器包括多个磁芯、多个绕组，所述直流电源数量和磁芯相同。

5.如权利要求1-4任一所述的一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：所述直流电源包括：pfc电路和dcdc电路，其中pfc电源用于将交流电转换成高压直流电送入到dcdc电路中，所述dcdc电路将pfc电路输出的直流电压进行稳定升压后输出高压直流电压。

6.如权利要求5所述的一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：所述pfc电路包括高压继电器k1、高压继电器k2、预充电阻r以及电感l1、l2、l3，单相交流电的火线依次经串联的高压继电器k1、k2后分别连接至电感l1的一端、l2的一端、l3的一端；电阻r并联在高压继电器k2的两端；电感l1的另一端连接至高速大功率sic mosfet管m3、m4组成的桥臂中点；电感l2的另一端连接至高速大功率sic mosfet管m5、m6组成的桥臂中点；电感l3的另一端连接至高速大功率sic mosfet管m7、m8组成的桥臂中点；大功率mosfet管m1、m2组成的桥臂中点连接至单相交流电的零线；m1、m2组成的桥臂两端、m3、m4组成的桥臂两端、m5、m6组成的桥臂两端、m7、m8组成的桥臂两端分别对应的连接在一起并引出输出正负极。

7.如权利要求5所述的一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：所述dcdc电路包括电容cin、电容cout、变压器t1、前级h桥、后级同步整流h桥以及电感l11、电感l22、电容c11、电容c22；

8.如权利要求1-7任一所述的一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：所述调制器还包括触发板、辅助控制板、主控板，所述触发板分别用于驱动每一个直流电源和开关单元的工作；所述辅助控制板用于采集脉冲电压和电流参数、控制和监控励磁电源、负载电流及其工作状态；所述辅助控制板、主控板通过rs485 bus总线连接至主控板，所述主控板用于实现对于触发板和辅助控制板的监控。

9.如权利要求8所述的一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，其特征在于：所述主控板设置有用户接口，用于通过用户接口连接至远程控制客户端，用于实现远程操控主控板的监控。

技术总结
本发明公开了一种基于矩阵式脉冲变压器的高压脉冲电源调制器，包括配电箱、多路直流电源、多路开关单元、矩阵式脉冲变压器，所述配电箱用于分配交流电至每一路直流电源的输入端，每个直流电源对应一个开关单元，每个所述的开关单元对应一个初级测绕组；所述矩阵式脉冲变压器具有多个初级测绕组和多个磁芯；所述直流电源用于对直流电源负责将交流电压转换成直流电压后输出至开关单元，所述开关单元用于对充电电容储存的能量进行脉冲放电用于激励矩阵式脉冲变压器的初级；所述矩阵式脉冲变压器将初级的低压大电流脉冲变换成次级的高压脉冲输出至负载。本发明的优点在于：输出电压具有超高稳定度，满足超时空分辨率透视电镜等高精仪器对于电压的稳定性要求；采用固态开关+矩阵式脉冲变压器的调制器架构，具有体积小、可靠性高、维修性好、扩展性强等优点。

技术研发人员：许欢,陈龙,张同信,王志波,张宫旭
受保护的技术使用者：成都川新甲科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13