[发明专利]长脉冲高压调制器的顶降补偿电路、方法及高压调制器

说明书

本发明公开了一种长脉冲高压调制器的顶降补偿电路、方法及高压调制器，属于脉冲功率技术领域。本发明包括高压电源、N个充电隔离单元、N个储能控制组件、定时控制器、主调制定时驱动、Bouncer定时驱动以及负载；高压电源与N个充电隔离单元、N个串联的储能控制组件连接；定时控制器分别与主调制定时驱动、Bouncer定时驱动连接后与N个储能控制组件连接；单个储能控制组件具备脉冲顶降补偿功能。本发明采用模块化设计、电路拓扑结构简单、输出电压可按需扩充和拓展、灵活性好、有效降低主回路电源电压及补偿电路谐振电感电容设计难度、体积重量小、安全性和可靠性较高。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种长脉冲高压调制器的顶降补偿电路、方法及高压调制器。

背景技术

脉冲调制器用于产生各种调制波形并控制微波放大器或振荡器工作，广泛应用于以脉冲方式工作的发射机、加速器、大功率微波武器等领域。随着固态开关器件的发展以及串并联技术的成熟应用，采用MOSFET、IGBT作为开关器件的全固态调制器因具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等优点，逐渐成为主流。长脉冲高压调制器也应运而生。

反映长脉冲高压调制器输出波形的参数中，特别关注因储能电容容量有限而造成的高压脉冲顶降指标。

综合来看，各类负载对调制器输出的高压脉冲顶降指标通常要求在0.5％或更优。为实现该指标，最传统、最简单的解决方案是直接增大储能电容容量。然而对于长脉冲高压调制器而言，大容量、高耐压要求的电容，其体积、重量之巨，将难以满足船载、车载等平台对设备小型高机动的应用需求，且其在负载打火时释放的巨大能量，也将对设备安全性带来很大威胁。以输出脉冲宽度1ms，负载电压电流为50kV/100A的长脉冲高压调制器为例，如果仅靠储能电容来保证0.5％的顶部降落指标，则根据以下公式：

ΔU_C＝50000×0.5％＝250V

C＝I×τ/ΔU_C＝100×0.001/250＝400μF

其中，ΔU_C可为电压变化值，C为电容容量，为脉冲宽度，U为负载电压，I为负载电流，Ec为电容上的能量。

可知，所需电容容量至少要达到400μF，耐压值至少50kV，且储能达500kJ，体积、成本、安全威胁都难以承受。

为减小调制器高压脉冲顶降，同时提高设备安全性，文献1：【杨景红，《全固态Bouncer调制器的设计》，现代雷达，2018，40(10)，58-61】及文献2：【Pfeffer H,et al，《Along pulse modulator for reduced size and cost》，Twenty-First InternationalPower Modulator Symposium Conference，1994:48-51】提出了“Bouncer调制器”顶降补偿技术方案，其技术原理是采用补偿电感L和补偿电容C组成串联谐振电路与主调制器串联，通过对补偿电感L、电容C以及补偿电源合理取值，在补偿电容C上产生设定周期的正弦电压信号，利用正弦电压信号的负向近似线性部分对主储能电容的顶降进行补偿。

运用该技术，可显著降低长脉冲高压调制器系统的主储能电容容量，且输出脉冲的顶部平坦性好，同时提升了设备安全性。但文献1与文献2的方案缺点在于，主回路和补偿电路各一路，具有很强的设计专用性，由此带来的弊端是：

1)对应不同的输出电压电流需求场合，拓展性差；

2)主回路高压电源电压要求高，设计难度大；

3)较高的补偿电源电压，使电路中的谐振电感设计复杂，两端会产生较大的反向电压尖峰，安全性设计难度大；

4)补偿电路要求的谐振电容、谐振电感体积重量较大，高机动平台应用受限。

发明内容