高功率微波真空管灯丝电源系统及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及等离子体加热领域，尤其涉及一种高功率微波真空管灯丝电源系统，本发明还涉及该高功率微波真空管灯丝电源系统的工作方法。
【背景技术】
[0002]高功率射频波是磁约束聚变等离子体研究中一种重要的电流驱动和加热手段，射频波加热系统中通常采用高功率微波真空管来产生所需要的高功率微波，为了使高功率微波真空管的阴极具有发射电子的能力，需要采用灯丝对阴极进行加热，灯丝电源是灯丝的供电系统，其需要能够根据加热系统的需要调整供给灯丝的电压，尤其对于工作于非饱和发射状态、束电流对灯丝功率非常敏感的微波真空管，能够方便精确的调整灯丝电压就显得更为重要。
[0003]在射频波加热领域，先后发展了多种采用不同调压方法的灯丝电源:
[0004]早期灯丝电源使用交流调压器作为电压调整器件，调整后的交流电通过隔离变压器后直接给灯丝供电。这种供电方法，由于没有弱电器件，可靠性高，但存在需要人工反复调整，设备运行复杂的问题，这种方法适用于高功率微波真空管工厂调试。同时由于交流调压器存在机械磨损，从而需定期更换，且受交流调压器线圈匝数限制，使得使用这种方法的电源的最小调节电压受到限制；
[0005]后来对这种方法进行改进，引入步进电机来调整交流调压器，可以实现远程控制和反馈控制，但交流调压器存在的机械磨损的问题、电源的最小调节电压受限的问题依然存在；
[0006]随着电力电子器件的发展，灯丝电源采用双向可调硅进行斩波调压。这种方法克服了交流调压器存在机械磨损的问题，同时调节精度提高，容易控制。但是，由于斩波调压输出电压波形不是完整的正弦波，通过隔离变压器后，高功率微波真空管灯丝上存在冲击电压，影响灯丝寿命。同时斩波电压的有效值测量设备复杂，反馈控制精度不高。为了解决斩波电压在灯丝上不连续的问题，在高压端(即隔离变压器的副边，其与灯丝相连，由于阴极工作于高电压状态并且灯丝离阴极近，无法实现灯丝与阴极的高压绝缘，通常灯丝的一端直接和阴极连接在一起，灯丝电压叠加在阴极高压上，从而隔离变压器的副边既是高压端)引入了整流电路，把交流斩波电压整流成直流，再输出到灯丝上。并且在高压端上安装有直流电压和电流测量器件，解决斩波电压有效值不易测量的问题，提高了反馈控制精度。现在大多数波加热系统灯丝电源采用这种方法。这种方法的主要缺点为灯丝电源存在高压端电路，灯丝电源复杂。且在高压端电路中存在弱电检测器件，在高功率微波真空管异常保护时，容易损坏，电源可靠性不高。
【发明内容】
[0007]本发明解决的技术问题是现有技术中灯丝电源的结构复杂体积大、且调节精度和稳定性不能兼顾的问题，进而提供一种结构简单体积小、调节精度高、稳定性好的灯丝电源系统。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0009]高功率微波真空管灯丝电源系统，包括:
[0010]输入隔离变压器，用于隔离所述高功率微波真空管灯丝电源系统与电网的直流连接;
[0011]整流滤波单元，用于将交流供电转换为直流电；
[0012]功率逆变单元，用于实现将经所述整流滤波单元输出的直流电转化为所需电压的交流电，进而实现系统调压；
[0013]滤波单元，用于滤除所述功率逆变单元得到的交流电中的高频谐波；
[0014]隔离降压变压器，用于隔离所述高功率微波真空管灯丝电源系统与高功率微波真空管的阴极，并降低交流电压；
[0015]微控制器，用于实现反馈控制；
[0016]所述输入隔离变压器、所述整流滤波单元、所述功率逆变单元、所述滤波单元和所述隔离降压变压器依次串联连通，所述微控制器通过电流电压测量单元采集所述隔离降压变压器的原边电路上的电流电压信号，并根据该电流电压信号控制所述功率逆变单元对输出电压进行调整。
[0017]优选地，所述功率逆变单元的最小调节步长在0.1V以下。
[0018]优选地，还包括远程通信单元，所述远程通信单元能够接收所述微控制器传递的信号，同时也能够向所述微控制器发送控制指令，以实现系统调压的远程控制。
[0019]优选地，所述隔离降压变压器的隔离度为100KV。
[0020]优选地，所述功率逆变单元的输出电压调整范围为2V?150V。
[0021]优选地，所述功率逆变单元驱动为正弦脉宽调制技术。
[0022]本发明还提供了一种所述高功率微波真空管灯丝电源系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0023]在高功率微波真空管放电间隙期间，控制所述高功率微波真空管灯丝电源系统将灯丝功率下降至额定功率的一半以下；
[0024]在高功率微波真空管放电前，控制所述高功率微波真空管灯丝电源系统将灯丝功率上升至额定功率。
[0025]优选地，在高功率微波真空管放电间隙期间，控制所述高功率微波真空管灯丝电源系统将灯丝功率下降至额定功率的20%?50%。
[0026]优选地，控制所述高功率微波真空管灯丝电源系统的功率上升时间和/或下降时间在15min以上。
[0027]本发明的有益效果如下:
[0028]本发明的高功率微波真空管灯丝电源系统，通过功率逆变单元和滤波单元的设置采用变频方式调压，从而在低压端(隔离降压变压器的原边)即形成完整的正弦波，进而很容易在低压端测量输出电压有效值，不需要设置高压端电路，结构简单，体积小，无机械调压器件，容易控制和调节，且这种调压方式使得灯丝电源反馈控制回路能够使用低压端交流电压有效值作为反馈量，稳定性高。
【附图说明】
[0029]图1为本发明的高功率微波真空管灯丝电源系统原理框图；
[0030]图2为本发明的高功率微波真空管灯丝电源系统输出电压波形图；
[0031]图3为本发明中的隔离降压变压器变比特性图；
[0032]图4为本发明的高功率微波真空管灯丝电源系统输出时序图；
[0033]图5为本发明的高功率微波真空管灯丝电源系统的一个具体实施例的系统原理图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和有益效果进一步进行说明。
[0035]本发明中，所谓的“以上”、“以下”等所有表示数值范围的描述均包括本数。
[0036]参见附图1，本发明的高功率微波真空管灯丝电源系统，包括:
[0037]输入隔离变压器，用于隔离高功率微波真空管灯丝电源系统与电网的直流连接，防止在等离子体放电过程中，冲击电流对灯丝电源的影响；
[0038]整流滤波单元，用于将交流供电转换为直流电；
[0039]功率逆变单元，用于实现将经整流滤波单元输出的直流电转化为所需电压的交流电，进而实现系统调压；
[0040]滤波单元，用于滤除功率逆变单元得到的交流电中的高频谐波，其和功率逆变单元一起实现系统的变频调压；
[0041]隔离降压变压器，用于隔离高功率微波真空管灯丝电源系统与高功率微波真空管的阴极，并降低交流电压；
[0042]微控制器，用于实现反馈控制；
[0043]输入隔离变压器、整流滤波单元、功率逆变单元、滤波单元和隔离降压变压器依次串联连通，微控制器通过电流电压测量单元采集隔离降压变压器的原边电路上的电流电压信号，并根据该电流电压信号控制功率逆变单元对输出电压进行调整。
[0044]本发明的高功率微波真空管灯丝电源系统使用基于正弦波的变频调压技术，输出波形为完整的正弦波，容易测量交流电有效值，无机械调压器件和复杂的灯丝高压端整流和测量器件，直接使用隔离变压器低压端电压进行反馈控制，电源结构相对简单，易于调节且可靠性高。
[0045]本发明的高功率微波真空管灯丝电源系统通过控制隔离降压变压器原边(低压端)电压，即可达到控制副边电压即灯丝电压的目的，这就需要功率逆变单元得到的谐波失真率小，且隔离降压变压器的变比稳定，本发明为了