一种大功率高效率速调管的供电电源的制作方法

1.本发明涉及速调管技术领域，尤其是一种大功率高效率速调管的供电电源。


背景技术：

2.在通信和电视广播等应用场合，对末级放大速调管的效率要求较高；在一些粒子加速器高频和微波功率源应用场景，也有高效率速调管的要求。此类应用的速调管有个共同特点是频带较窄或是点频工作，速调管可以通过优化耦合腔设计和降低导流系数等方法提高效率
1.，如用于正负电子储存环的p波段连续波速调管工作频率为点频400.8mhz，输出功率503kw时，效率达64.5％
2.。为满足雷达和深空探测等应用需求，还需要多种类型的宽带速调管。
3.而目前速调管的供电电源，其阴极最高电位有限，不能适应不同速调管工作电压调节的需要。
4.为此，我们提出一种大功率高效率速调管的供电电源解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种大功率高效率速调管的供电电源，以解决上述背景技术中提出的目前速调管的供电电源，其阴极最高电位有限，不能适应不同速调管工作电压调节的需要的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种大功率高效率速调管的供电电源，其包括灯丝电源、钛泵电源、阴极电源、三台收集极电源，
8.灯丝电源：0～10v连续可调，最大电流：8a。恒流源，电流稳定度1％；
9.钛泵电源(两组)：钛泵电源1，电压0～5kv连续可调，电流0～50μa，保护50na～1μa；钛泵电源2，电压0～5kv连续可调，电流0～1ma，保护10～200μa；钛泵过流点可以设置，最大电流时输出电压不低于3kv，过流送出保护信号,切断系统高压输出。
10.阴极电源(可工作于脉冲工作状态和直流工作状态)：
11.直流工作状态：电压在-2～-15kv(相对于地)连续可调，最大直流电流1.3a；电压稳定度：≤0.005(工作点电压8～11kv)；
12.脉冲工作状态：工作脉宽50μs～5ms可调，脉宽能够50μs启动，步进10μs；重复频率50～500hz可调，频率能够50hz启动，步进10hz；工作比0.5～80％(数显、工作比连续可调)；顶降：＜3％，顶冲：＜5％，脉冲上升沿、下降沿不超过5μs。
13.收集极电源：v
c2
＝0～12kv，电流0.5a；v
c3
＝0～9kv，电流0.5a；v
c4
＝0～6kv，电流0.5a。
14.在进一步的实施例中，根据已有指标计算阴极电源功率pk＝15kv
×
1.3a＝19.5kw；收集极2电源功率pc2＝12kv
×
0.5a＝6kw；收集极3电源功率pc3＝9kv
×
0.5a＝4.5kw；收集极4电源功率pc4＝6kv
×
0.5a＝3kw；灯丝电源功率pf＝10v
×
8a＝80w；测试电源
系统输出最大功率为上述电源功率之和约33kw。
15.在进一步的实施例中，各组件采用模块化设计。
16.在进一步的实施例中，各收集极电源与阴极电源采用共负极模式，收集极电源能独立进行工作，收集极1与管体同一电位，通过电流表直接与管体相连；其它收集极通过电流表连接各自的电源输出正端。
17.在进一步的实施例中，所述在各收集极电源输出端分别串联二极级组件v1、v2和v3，当打火点2发生时，回路中阴极电源输出电压减去收集极电源c2输出电压即为加在二极管v1阴阳之间的反向电压，二极管具有截止状态，阻止打火电流的上升，当打火点3发生时，回路中收集极电源c2电压减去收集极电源c3电压即为加在二极管v2阴阳之间的反向电压，二极管v2具有截止状态，阻止打火电流的上升。
18.在进一步的实施例中，所述电源系统具有从脉冲到连续波工作的转换功能，实际工作方式分为四个基本步骤：
19.步骤一：非降压脉冲测试模式，阴极电源接固态调制器组件对速调管阴极供电，调制器工作在脉冲模式，此时速调管连接本系统接线盒对应的f端子、k端子和管体端子，三路收集极端子不连接，控制固态开关工作在脉冲状态，先用较窄脉宽工作，再占空比从低往高慢慢调节；
20.步骤二：非降压直流测试模式，电路连接同步骤一，待速调管脉冲测试稳定后，一直提高工作比，直到直流状态；
21.步骤三：降压脉冲测试模式图，阴极电源接固态调制器组件对速调管阴极供电，调制器工作在脉冲模式，此时速调管连接本系统接线盒对应的f端子、k端子和管体端子，三路收集极端子分别连接速调管c2、c3、c4，控制固态开关工作在脉冲状态，占空比从低往高慢慢调节；
22.步骤四：降压直流测试模式图，电路连接同步骤三，待速调管脉冲降压测试稳定后，一直提高工作比，直到连续波状态；此状态也为速调管的最终工作状态，需进行长期连续运行测试，并进行微波高频测试，高频开始测试时也可以设置固态开关工作在脉冲状态，重复步骤三，直到速调管能够连续波稳定运行。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种多级降压收集极速调管的供电电源，其阴极最高电位为-15kv，四个收集极相对于管体的电位分别为0v、-3kv、-6kv和-9kv，最大输出平均功率为33kw，电源采用共阴极的并联供电方案，各电源电压独立从零到最大值连续可调，适应不同速调管工作电压调节的需要。在电源输出高压总流支路设计有固态调制开关组件，其占空比可以从零到100％可调，先用小占空比调试，逐步老炼，以达到直流运行状态，避免速调管热测初期易打火对速调管造成的损坏。同时针对速调管阴极对管体电气打火、收集极对管体或收集极之间打火等问题，从电源柘朴上进行隔离设计，出现打火时进行快速关断和隔离，减小打火能量对速调管的损伤。研制电源样机与速调管进行了联合测试，测试结果显示电源满足速调管的热测要求，并且可以24小时连续稳定运行。
附图说明
24.图1为本发明电源测试系统原理图；
25.图2为打火保护电路图；
26.图3为打火保护测试波形记录图；
27.图4为工作模式切换说明图；
28.图5为电源测试系统实物图；
29.图6为脉冲/直流模式输出波形记录图；
30.图7为整机8小时连续运行测试数据图。
具体实施方式
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.请参阅图1-7，一种大功率高效率速调管的供电电源，包括灯丝电源、钛泵电源、阴极电源、三台收集极电源。
35.电源主要指标如下所示：
36.灯丝电源：0～10v连续可调，最大电流：8a。恒流源，电流稳定度1％；
37.钛泵电源(两组)：钛泵电源1，电压0～5kv连续可调，电流0～50μa，保护50na～1μa；钛泵电源2，电压0～5kv连续可调，电流0～1ma，保护10～200μa；钛泵过流点可以设置，最大电流时输出电压不低于3kv，过流送出保护信号,切断系统高压输出。
38.阴极电源(可工作于脉冲工作状态和直流工作状态)：
39.直流工作状态：电压在-2～-15kv(相对于地)连续可调，最大直流电流1.3a；电压稳定度：≤0.005(工作点电压8～11kv)；
40.脉冲工作状态：工作脉宽50μs～5ms可调，脉宽能够50μs启动，步进10μs；重复频率50～500hz可调，频率能够50hz启动，步进10hz；工作比0.5～80％(数显、工作比连续可调)；顶降：＜3％，顶冲：＜5％，脉冲上升沿、下降沿不超过5μs。
41.收集极电源：v
c2
＝0～12kv，电流0.5a；v
c3
＝0～9kv，电流0.5a；v
c4
＝0～6kv，电流0.5a；
42.由电源造成的真空管损坏主要集中在以下几个方面
[6][7]
：高压电源滤波电容过大，虽然降低了电源纹波，但储能过大，一旦管子打火，过大的储能通过管子阴极和管体；并
联供电时的收集极电压无输出(与阴极等电位)，而又没有通过迅速关掉调制电压，造成电子束轰击脆弱的慢波线或速调管管体；开关高压过程中，由于受到滤波电容大小不同的影响，高压上升不同步，造成收集极和管体间瞬间出现不能承受的电压差等。
[0043]
从上述分析可以看出，需对各电源的供电质量进行实时监控并进行快速有效的保护，还要在供电方式的选择上，减少上述现象发生的可能。
[0044]
根据已有指标计算阴极电源功率pk＝15kv
×
1.3a＝19.5kw；收集极2电源功率pc2＝12kv
×
0.5a＝6kw；收集极3电源功率pc3＝9kv
×
0.5a＝4.5kw；收集极4电源功率pc4＝6kv
×
0.5a＝3kw；灯丝电源功率pf＝10v
×
8a＝80w；测试电源系统输出最大功率为上述电源功率之和约33kw。考虑到机柜冷却和速调管热测时的操作方便，充分利用各机箱模块、绝缘材料件、液体冷却和强迫风冷却等方法，各组件采用模块化设计。各收集极电源与阴极电源采用共负极模式，，纹波噪声及稳定度优于1％，负载调整率优于1％。收集极电源能独立进行工作，收集极1与管体同一电位，通过电流表直接与管体相连；其它收集极通过电流表连接各自的电源输出正端。
[0045]
真空管类产品，在生产过程中，特别是高压热测时，会出现频繁的管内真空短路打火现象
[8]
。针对此特性，真空管测试电源在设计时一定要充分分析打火过程对电源和速调管的影响，在电路柘朴中进行合理的设计，对打火能量进行限制。
[0046]
多级降压收集极速调管打火点一般会发生阴极与管体处1、收集极对管体处2、各收集极之间3，如图2所示。
[0047]
针对阴极对管体打火点1，在阴极总流回路中增加mos管串联固态开关组件s1，其参数为20kv/10a，在正常工作时，此固态开关作为阴极脉冲的调制开关，随外送信号同步，占空比在0到100％之间连续可调。在阴极出现打火时，打火峰值电流达到保护基准后，固态开关驱动电路快速关断所有mos管的栅极电压，使固态开关处于截止关断状态，阻止阴极电源储能往速调管阴极和管体打火通道的转移。针对收集极对管体地打火点2和各收集极之间的打火点3的问题，在各收集极电源输出端分别串联二极级组件v1、v2和v3。当打火点2发生时，回路中阴极电源输出电压减去收集极电源c2输出电压即为加在二极管v1阴阳之间的反向电压，二极管具有截止状态，阻止打火电流的上升。当打火点3发生时，回路中收集极电源c2电压减去收集极电源c3电压即为加在二极管v2阴阳之间的反向电压，二极管v2具有截止状态，阻止打火电流的上升。
[0048]
电源系统实测打火波形如图3所示。
[0049]
图3(a)为阴极对管体打火电流波形，电流峰值约50a，波形底宽约3.6μs；图3(b)为收集极对管体打火电流波形，电流峰值约68a，波形底宽约1.8μs；图3(c)为收集极之间打火电流波形，电流峰值约35a，波形底宽约3μs。
[0050]
速调管在热测初期易出现高压真空打火现象
[9]
，为了缩短热测时间、提高热测效率，本测试电源系统具有从脉冲到连续波工作的转换功能。
[0051]
实际工作方式见图4所示，分为四个基本步骤：
[0052]
步骤一：非降压脉冲测试模式图4(a)，阴极电源接固态调制器组件对速调管阴极供电，调制器工作在脉冲模式，此时速调管连接本系统接线盒对应的f端子、k端子和管体端子，三路收集极端子不连接，控制固态开关工作在脉冲状态，先用较窄脉宽工作，再占空比从低往高慢慢调节；
[0053]
步骤二：非降压直流测试模式图4(b)，电路连接同步骤一，待速调管脉冲测试稳定后，一直提高工作比，直到直流状态；
[0054]
步骤三：降压脉冲测试模式图4(c)，阴极电源接固态调制器组件对速调管阴极供电，调制器工作在脉冲模式，此时速调管连接本系统接线盒对应的f端子、k端子和管体端子，三路收集极端子分别连接速调管c2、c3、c4，控制固态开关工作在脉冲状态，占空比从低往高慢慢调节；
[0055]
步骤四：降压直流测试模式图4(d)，电路连接同步骤三，待速调管脉冲降压测试稳定后，一直提高工作比，直到连续波状态；此状态也为速调管的最终工作状态，需进行长期连续运行测试，并进行微波高频测试，高频开始测试时也可以设置固态开关工作在脉冲状态，重复步骤三，直到速调管能够连续波稳定运行。
[0056]
电源整机装配完成后，组成如图5所示，机柜从上到下分别为高压报警灯、急停和工作指示、两台钛泵电源、控制保护分机、调制器分机、阴极电源分机、收集极2电源分机、收集极3电源分机、收集极4电源分机和配电分机；右侧板安装有接线盒，采用按压式接线柱，方便电源与速调管各极的连接。
[0057]
设置阴极电源输出电压为-12kv，调制器工作脉宽为5ms，重复频率为10hz时，正常开启测试电源的输出，用高压探头和脉冲电流互感器测试电源的输出脉冲电压、电流波形见图6(a)所示，图中可见通道1脉冲电压为标准的方波，脉冲前后沿占比很小且顶部平坦、无顶降；通道3脉冲电流波形有一定顶降，分析原因是脉冲互感器本身带宽限制引起的测量误差。再设置调制器工作在直流运行模式时，高压探头测量阴极电源的输出电压纹波见图6(b)所示，图中可见通道1的纹波噪声最大峰峰值为24.175v，与-12kv的平均值比值为0.2％，满足0.5％的指标要求。
[0058]
对整机进行8小时连续老炼测试数据见图7所示，阴极电源的输出电压为-10.95kv、电流932ma；收集极2电源的输出电压为10.99kv、电流483ma；收集极3电源的输出电压为8.97kv、电流471ma；收集极4电源的输出电压为5.96kv、电流456ma；计算得电源输出总功率为22.4kw，8小时运行时间内各电压电流稳定，运行可靠。
[0059]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0060]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种大功率高效率速调管的供电电源，其特征在于：其包括灯丝电源、钛泵电源、阴极电源、三台收集极电源，灯丝电源：0～10v连续可调，最大电流：8a。恒流源，电流稳定度1％；钛泵电源(两组)：钛泵电源1，电压0～5kv连续可调，电流0～50μa，保护50na～1μa；钛泵电源2，电压0～5kv连续可调，电流0～1ma，保护10～200μa；钛泵过流点可以设置，最大电流时输出电压不低于3kv，过流送出保护信号,切断系统高压输出。阴极电源(可工作于脉冲工作状态和直流工作状态)：直流工作状态：电压在-2～-15kv(相对于地)连续可调，最大直流电流1.3a；电压稳定度：≤0.005(工作点电压8～11kv)；脉冲工作状态：工作脉宽50μs～5ms可调，脉宽能够50μs启动，步进10μs；重复频率50～500hz可调，频率能够50hz启动，步进10hz；工作比0.5～80％(数显、工作比连续可调)；顶降：＜3％，顶冲：＜5％，脉冲上升沿、下降沿不超过5μs。收集极电源：v
c2
＝0～12kv，电流0.5a；v
c3
＝0～9kv，电流0.5a；v
c4
＝0～6kv，电流0.5a。2.根据权利要求1所述的一种大功率高效率速调管的供电电源，其特征在于：根据已有指标计算阴极电源功率p
k
＝15kv
×
1.3a＝19.5kw；收集极2电源功率pc2＝12kv
×
0.5a＝6kw；收集极3电源功率pc3＝9kv
×
0.5a＝4.5kw；收集极4电源功率pc4＝6kv
×
0.5a＝3kw；灯丝电源功率p
f
＝10v
×
8a＝80w；测试电源系统输出最大功率为上述电源功率之和约33kw。3.根据权利要求1所述的一种大功率高效率速调管的供电电源，其特征在于：各组件采用模块化设计。4.根据权利要求1所述的一种大功率高效率速调管的供电电源，其特征在于：各收集极电源与阴极电源采用共负极模式，收集极电源能独立进行工作，收集极1与管体同一电位，通过电流表直接与管体相连；其它收集极通过电流表连接各自的电源输出正端。5.根据权利要求1所述的一种大功率高效率速调管的供电电源，其特征在于：在各收集极电源输出端分别串联二极级组件v1、v2和v3，当打火点2发生时，回路中阴极电源输出电压减去收集极电源c2输出电压即为加在二极管v1阴阳之间的反向电压，二极管具有截止状态，阻止打火电流的上升，当打火点3发生时，回路中收集极电源c2电压减去收集极电源c3电压即为加在二极管v2阴阳之间的反向电压，二极管v2具有截止状态，阻止打火电流的上升。6.根据权利要求1所述的一种大功率高效率速调管的供电电源，其特征在于：电源系统具有从脉冲到连续波工作的转换功能，实际工作方式分为四个基本步骤：步骤一：非降压脉冲测试模式，阴极电源接固态调制器组件对速调管阴极供电，调制器工作在脉冲模式，此时速调管连接本系统接线盒对应的f端子、k端子和管体端子，三路收集极端子不连接，控制固态开关工作在脉冲状态，先用较窄脉宽工作，再占空比从低往高慢慢调节；步骤二：非降压直流测试模式，电路连接同步骤一，待速调管脉冲测试稳定后，一直提高工作比，直到直流状态；步骤三：降压脉冲测试模式图，阴极电源接固态调制器组件对速调管阴极供电，调制器工作在脉冲模式，此时速调管连接本系统接线盒对应的f端子、k端子和管体端子，三路收集极端子分别连接速调管c2、c3、c4，控制固态开关工作在脉冲状态，占空比从低往高慢慢调
节；步骤四：降压直流测试模式图，电路连接同步骤三，待速调管脉冲降压测试稳定后，一直提高工作比，直到连续波状态；此状态也为速调管的最终工作状态，需进行长期连续运行测试，并进行微波高频测试，高频开始测试时也可以设置固态开关工作在脉冲状态，重复步骤三，直到速调管能够连续波稳定运行。

技术总结
本发明公开了一种大功率高效率速调管的供电电源，包含灯丝电源、钛泵电源、阴极电源、三台收集极电源，灯丝电源：0～10V连续可调，最大电流：8A。恒流源，电流稳定度1％；钛泵电源(两组)：钛泵电源1，电压0～5kV连续可调，电流0～50μA，保护50nA～1μA；钛泵电源2，电压0～5kV连续可调，电流0～1mA，保护10～200μA；钛泵过流点可以设置，最大电流时输出电压不低于3kV，过流送出保护信号,切断系统高压输出。本发明设计了一种多级降压收集极速调管的供电电源，其阴极最高电位为-15kV，四个收集极相对于管体的电位分别为0V、-3kV、-6kV和-9kV，最大输出平均功率为33kW。输出平均功率为33kW。输出平均功率为33kW。


技术研发人员：李运海
受保护的技术使用者：合肥质子跃动科技有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/9