高可靠性真空微波功率模塊保護電路

摘" 要： 文中設(shè)計一種高可靠性高壓電源保護電路，適配于真空微波功率模塊。首先利用PSpice仿真軟件進行電路仿真，簡化電路設(shè)計，優(yōu)化電路參數(shù)；然后與行波管構(gòu)成一個測試系統(tǒng)，并設(shè)計一個電路板進行實際測試，利用示波器等儀器來驗證保護電路的有效性。針對長時間高強度的工作狀態(tài)，電路設(shè)計包含母線電流過流保護電路、螺旋線電流過流保護電路、斷電保護電路。在模塊工作出現(xiàn)異常時，可以及時有效地關(guān)閉模塊，防止元器件受到損害。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計保護電路提高了微波功率模塊的可靠性，降低了研制成本，延長了使用壽命。

關(guān)鍵詞： 高可靠性； 真空微波； 微波功率模塊； 電源保護電路； PSpice仿真； 行波管

中圖分類號： TN124?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）12?0031?06

High reliability vacuum microwave power module protection circuit

WU Jiangli， GAO Wenlei， LIU Qihui， LIU Yinchuan， WEI Yixue

（The 12th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Beijing 100015， China）

Abstract： A high reliability high voltage power supply protection circuit is designed， which is suitable for vacuum microwave power module. The PSpice simulation software is used for the circuit simulation to simplify the circuit design and optimize the circuit parameters. The testing system is established with a traveling wave tube， a circuit board is designed for the actual testing， and the instruments such as an oscilloscope are used to verify the effectiveness of the protection circuit. In allusion to long?term and high?intensity working conditions， the circuit design includes bus current overcurrent protection circuit， spiral wire current overcurrent protection circuit， and power outage protection circuit. When working abnormally， the module can be closed in a timely and effective manner to prevent damage to components. The simualtion results show that the designed protection circuit can improve the reliability of microwave power module， reduce the development cost and prolong the service life.

Keywords： high reliability; vacuum microwave; microwave power module; power protection circuit; PSpice simulation; traveling wave tube

0" 引" 言

微波功率模塊（MPM）是一類應(yīng)用廣泛的電磁波放大組件，具有高帶寬、高功率和高效率等特點[1]，在電子對抗、中繼通信、遙感、遙控、遙測等軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。1987年，美國軍方首次提出微波功率模塊的概念[2]。高壓電源是微波功率模塊的核心部件，提供了高壓供電和控制保護的低壓供電，其性能好壞直接決定整個模塊的可靠性[3]。

20世紀90年代，美國利用電參數(shù)來對行波管的可靠性進行預(yù)測，同時利用電子設(shè)備可靠性來預(yù)測微波功率模塊的失效率模型[4]。法國Thales公司與德國漢堡?哈爾堡工業(yè)大學(xué)合作開發(fā)了KlysTOP[5]和算法，對注?波互作用理論進行研究以提高可靠性[6]。在國內(nèi)，葉志峰、呂俊、王月芳等研究了行波管慢波組件材料結(jié)構(gòu)以及接觸熱阻，增加其散熱性能以提高可靠性[7?9]。李瑩、胥輝等研究減小了電子槍熱型變、穩(wěn)定電子注軌跡，提高了微波功率模塊的可靠性[10?11]。

為提高微波功率模塊的可靠性，往往需要投入大量資源來進一步改進行波管設(shè)計思路與工藝流程，時間周期長、成本高。本文從高壓電源保護電路入手，設(shè)計保護電路以提高微波功率模塊的可靠性。本文設(shè)計了母線電流保護電路、螺旋線電流保護電路和斷電保護電路。母線電流保護電路在母線電流超過額定值10%時，關(guān)閉微波功率模塊；螺旋線電流保護電路在微波功率模塊高壓建立過程中，避免電流沖擊造成影響，穩(wěn)定運行時正常工作；斷電保護電路在供電突然消失時關(guān)閉微波功率模塊。該保護電路時效性強、低功耗，可有效提高微波功率模塊的可靠性。

1" 微波功率模塊簡介

微波功率模塊主要由行波管、前級固態(tài)放大器、電源模塊、射頻前端組件、通信組件、散熱系統(tǒng)和機箱等組成，主要功能是將頻率范圍內(nèi)的射頻小信號放大到該頻率范圍內(nèi)的大功率射頻信號，可滿足不同微波放大系統(tǒng)的要求。微波功率模塊的主要組成如圖1所示。

在微波鏈路中，前級放大組件由均衡器、固態(tài)放大器組成；輸出組件由功分器、檢波器、雙定向耦合器組成。射頻小信號通過均衡器來改善增益平坦度，再經(jīng)過固態(tài)放大器進行放大，放大后再將射頻信號送入行波管中進一步放大，最后射頻信號通過輸出組件輸出。

微波功率模塊中，電源模塊主要包括前級驅(qū)動電路、全橋逆變電路、倍壓整流電路和柵極控制電路，其主要功能是將市電AC 220 V轉(zhuǎn)換成行波管所需的各級高電壓，保證行波管正常工作。電源模塊主要組成如圖2所示。

在電氣鏈路中，AC 220 V交流電送入LVPS模塊中（見圖1），LVPS模塊將AC 220 V轉(zhuǎn)換為DC 360 V，經(jīng)過電源模塊的轉(zhuǎn)換分別提供射頻前級放大組件、行波管和控保板的工作電壓。

將DC 360 V輸入電源模塊前級驅(qū)動電路，該電路輸出足夠驅(qū)動晶體管的脈沖信號，同時提供控保板和前級放大組件的工作電壓。全橋逆變電路將DC 360 V轉(zhuǎn)化為特定開關(guān)頻率的交流方波電信號。該信號經(jīng)過倍壓電路進行倍壓整流，成為直流高壓電，濾波后送入行波管。柵極控制電路控制行波管柵極開關(guān)。

2" 微波功率模塊保護電路設(shè)計

隨著微波功率模塊的普及，其安全性能得到廣泛的關(guān)注。設(shè)計相應(yīng)的保護電路以滿足微波功率模塊安全可靠運行的需求。保護電路可以提高模塊的自我保護能力，使得模塊在異常狀態(tài)下避免內(nèi)部器件的損壞，這直接決定了模塊的安全性能。因此，保護電路在微波功率模塊中十分重要[12]。

2.1" 母線電流保護電路

額定電流是設(shè)備所容許的最大輸入電流，當輸入電流超過額定電流時，設(shè)備的整體熱耗增加，會造成設(shè)備的損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)等嚴重事故。母線過流保護電路是在母線電流過大時對設(shè)備起保護作用的電路，應(yīng)用于設(shè)備母線電流和其他關(guān)鍵組件之中[13]。

本文所研究的微波功率模塊額定功耗為600 W。正常工作狀態(tài)下，母線電壓為360 V，額定電流為1.7 A，工程上按照10%設(shè)置余量，母線電流保護電路設(shè)置過流閾值為1.9 A。母線電流保護設(shè)計電路原理圖如圖3所示。母線電流經(jīng)過電流互感器初級側(cè)、次級側(cè)，按一定比例耦合出檢測電流。經(jīng)過R1，電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)RC積分電路濾波，給運算放大器輸出穩(wěn)定電壓，超過2.5 V時保護，對應(yīng)母線電流超過1.9 A時，觸發(fā)保護電路，關(guān)閉微波功率模塊。一般情況下，模塊可以承受10 ms內(nèi)異常工作情況。本電路設(shè)計時間常數(shù)為100 μs，時間常數(shù)小于保護延時，可及時起到保護作用。

利用PSpice軟件進行仿真，用脈沖電流源模擬電流互感器次級側(cè)電流，仿真電路圖及結(jié)果如圖4所示。仿真時長1 ms，100 μs時開關(guān)打開，模擬母線電流增大。經(jīng)電路電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號超過額定值，運放迅速關(guān)斷。

為進一步研究母線電流保護電路效果，并與仿真結(jié)果進行對比，進行如下實驗。設(shè)置R1電阻值為20 Ω，R2電阻值為10 kΩ，C1電容值為10 nF。示波器測量R2與運放輸出波形，電阻負載代替行波管進行測試，在電源穩(wěn)定運行時加大負載，模擬母線電流增大。結(jié)果如圖5所示。母線電流增大，電壓信號取樣超過2.5 V，運放迅速關(guān)斷，關(guān)閉微波功率模塊，母線電流歸零。測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，保護電路及時有效。工程應(yīng)用中，R1兩側(cè)電壓與R1阻值基本線性相關(guān)，可改變R1阻值以調(diào)整電壓信號，應(yīng)對不同功率的微波功率模塊。

2.2" 螺旋線電流保護電路

行波管螺旋線電流是慢波結(jié)構(gòu)截獲的電流，螺旋線電流過大時，會損壞行波管。行波管慢波結(jié)構(gòu)散熱能力有限，電子注轟擊在行波管螺旋線上時，易導(dǎo)致局部溫度過高，材料放氣甚至融化。螺旋線電流保護電路可以在螺旋線電流過大時關(guān)閉微波功率模塊，防止損壞行波管。

在高壓打開過程中，由于陰極電壓Vk對地電容充電時電流過大，高壓建立過程中檢測的螺旋線電流取樣電壓Iht遠大于真實值，使模塊螺旋線電流過流保護。本文設(shè)計螺旋線電流保護電路，在行波管高壓建立過程中減少Iht受電流沖擊影響，在微波功率模塊穩(wěn)定運行時，保證螺旋線電流取樣電路正常工作。高壓電源開關(guān)邏輯如圖6所示。模塊預(yù)熱完成后，高壓打開，陰極電壓建立完畢，表示高壓已到位，一段時間后自動進行柵極打開。

螺旋線電流保護電路如圖7所示。非門為高速CMOS器件74HC14，連接行波管柵極控制。行波管柵極控制置低電平，場效應(yīng)管閉合，Vds和Ids趨近于0，R1和R2對Iht進行分壓，減少高壓建立過程的沖擊干擾。行波管柵極控制置高電平，Vgs=0 V，場效應(yīng)管斷開，漏極源極斷路，Iht正常取樣。

利用PSpice軟件進行仿真，仿真電路圖及結(jié)果如圖8所示。仿真時長1 s，100 ms時開關(guān)打開，模擬柵極打開。柵極打開前后，螺旋線電流取樣電壓差別明顯，可有效遏制高壓打開過程中螺旋線電流取樣沖擊。

為進一步研究螺旋線電流保護電路效果，并與仿真結(jié)果進行對比，進行實際測試。設(shè)置R1電阻為330 Ω，分別選取沒有螺旋線電流過流保護電路和增加螺旋線電流過流保護電路的微波功率模塊進行測試，示波器測試母線電流取樣和螺旋線電流取樣。實測結(jié)果如圖9所示。圖9a）為未加保護電路的波形，高壓打開過程中，Ihtgt;2.5 V，系統(tǒng)螺旋線電流過流保護，自動關(guān)閉高壓，無法正常工作。

圖9b）為添加保護電路后的波形，高壓打開過程約為50 ms，高壓打開后約70 ms柵極打開，螺旋線電流取樣正常，行波管靜態(tài)工作正常。保護電路作用符合設(shè)計思路與仿真結(jié)果。

2.3" 斷電保護電路

常態(tài)下微波功率模塊需要順序關(guān)斷才能保證設(shè)備完好。直接斷電失去輸入電壓電流，行波管陰極柵極電壓跌落，存在柵極和陰極電壓同時降低的可能性。行波管在工作狀態(tài)下完全改變電參數(shù)，燈絲發(fā)射電子大部分打到管壁，螺旋線電流過流甚至打火。前級控制電路將先于行波管斷電，無法進行過流保護，導(dǎo)致行波管和電源受傷或損壞。在模塊中，利用光耦TLP521設(shè)計電路。光電耦合器以光為媒介傳輸電信號，完成了電?光?電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入輸出隔離的作用，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。電路設(shè)計如圖10所示。其中RC濾波電路的時間常數(shù)及光耦關(guān)斷時間均遠遠小于行波管放電時間，不會對保護時效性造成影響。

利用PSpice軟件進行仿真，用直流電壓源模擬AC/DC次級側(cè)電壓，仿真電路圖及結(jié)果如圖11所示。

仿真時長1 s，100 ms時開關(guān)打開，模擬供電突然消失。光耦中光敏器件斷路，取樣電壓迅速上升。為進一步研究斷電保護電路效果，并與仿真結(jié)果進行對比，進行實際測試。選取增加斷電保護電路的微波功率模塊，以電阻負載代替行波管進行測試。示波器測試220 V輸入電壓，光耦輸出電壓，柵極真實輸出電壓。結(jié)果如圖12所示。關(guān)斷220 V交流電，光耦后端電壓變成高電平，與仿真結(jié)果基本一致。

進一步測試，柵極在斷電后關(guān)閉，行波管已處于非工作狀態(tài)，陰極放電回升，不會對行波管造成損壞，電路起到保護作用。

3" 結(jié)" 論

本文設(shè)計了一個基于橋式整流電路的母線電流過流保護電路。電路設(shè)計分別為基于場效應(yīng)管開關(guān)特性的螺旋線電流過流保護電路和基于光耦隔離特性的斷電保護電路。利用PSpice仿真軟件進行電路仿真，簡化電路設(shè)計，優(yōu)化電路參數(shù)，驗證了保護電路的有效性和低功耗。并且所設(shè)計保護電路在保證微波功率模塊高效率的同時提高了模塊可靠性，增加了模塊應(yīng)用廣泛性。

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