全固态功率放大器在加速器领域的应用研究

2015-03-20袁震宇

原子能科学技术 2015年2期

袁震宇

（北京北广科技股份有限公司，北京 101312）

近年来，全固态功率放大器在国内外加速器领域得到了广泛应用，尤其是超大功率（达到180kW 等级）的固态功率源在法国光源（SOLEIL）和欧共体光源（ESRF）等实验室实际带束流运行，证明了全固态功率源可满足加速器应用的要求。在国内，虽然加速器使用的固态功率源功率等级较小，但已得到了验证，中国科技大学的204 MHz／40kW 和北京大学的1.3GHz／20kW 功率源均已运行，取得了大量的实验数据，证明了我国的全固态射频功率源在加速器领域的应用达到了国际上的同等技术水平。

本文针对不同的固态功率源在各加速器试验装置的应用，阐述全固态功率源的主要组成、特点，以及在不同应用方式下设计射频功率源需注意的关键点，并总结全固态功率源在加速器高频系统应用的经验，为全固态射频功率源设计及应用提供参考，以推动我国高能射频功率源的快速发展。

1 不同功率放大器件在加速器领域的应用

功率放大器件主要分为电真空功率管和半导体功率管。电真空功率管包括三极管、四极管、束调管、感应输出管等，电真空功率管可输出较大功率，因此在20世纪，真空功率管几乎占据了大功率放大的所有应用领域；半导体功率管包括双极性管、场效应管等，场效应管输出功率较大，根据不同材料和工艺又包括VDMOS、LDMOS、砷化镓、氮化镓等，由于技术、工艺限制，单管功率小，但近年来随着技术的发展，单管功率越来越大，应用领域也逐渐扩大［1］。

在加速器应用领域，根据加速器的束流能量，需要的高频功率也不尽相同，从千瓦级至兆瓦级都有，一般的工作频率为几十兆赫兹至几吉赫兹。目前占主流的大功率高频放大器主要是速调管放大，也有部分同步辐射光源采用了IOT。更新型的全固态发射机已应用在SOLEIL和ESRF等装置上。

从经济性上看，电真空功率放大器与全固态功率放大器各有优缺点，在超大功率放大（兆瓦级）时，电真空放大器具有单管功率大、成本低的优势，而在中小功率放大（百千瓦级及以下），全固态成本优势更为明显；从技术上看，电真空放大器抗失配能力优于全固态放大器，全固态放大器从性能指标、可靠性和维修性方面优于电真空放大器。表1列出了加速器领域常用频率和功率等级的功率放大器件。

从表1可看出，任何一种器件均不能实现全波段应用，在电真空管中，四极管价格较低，工作稳定，但工作频率较低；IOT 的效率较高，但应用于加速器领域，可靠性较低；束调管是加速器领域应用最广的电真空放大器，但并不是一种束调管可以覆盖300 MHz～10 GHz频率，货架产品中会有频率空白，因此有时需根据加速器应用的频率和功率定制，由于用量较少，目前价格越来越高。场效应管中，在1.5GHz以下可实现较大功率输出的，目前主流是LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）管，与电真空器件相同，也不能实现同一型号全波段覆盖，这主要是因为管中的内匹配电路和制造工艺对频率特性影响较大所致，现有器件中，主要按表1分段。半导体器件随频率升高而损耗加大，所以频率越高，功率管最大输出功率越小，效率越低，例如500 MHz以下，单管效率最高可达85%，但在1.3GHz或1.5GHz时，额定输出的单管效率最高只能达到65%。电真空放大器与全固态放大器的比较列于表2。

总体来说，全固态放大器采用低压供电，多模块并联合成，因此个别模块的损坏对整体性能影响较小，从使用的可靠性来说要高于电真空放大器；全固态放大器单模块价格较低，损坏时修复成本低，且无高压，可在线更换，另外无寿命器件，不需备份价格昂贵的电真空管；全固态放大器的幅度、相位在放大器工作状态确定后主要受温度影响较大，电源波动的抑制较高，受电源波动的影响较小，而温度变化是慢变化过程，低电平控制系统可有效地控制；全固态放大器普遍采用单管或单模块加环形器方式解决其抗适配能力差的弊端。

表1 加速器领域常用频率和功率等级的功率放大器件Table 1 Different power devices in common use for accelerator

表2 电真空放大器与全固态放大器的比较Table 2 Comparison between electric vacuum amplifier and solid amplifier

2 全固态功率放大器主要考虑的问题

2.1 基本功率模块

加速器用功率放大器的功率较大，为降低成本，希望最小功放模块的功率要尽可能大，但受限于功率管、输出电容、环流器、吸收负载等器件的功率容量，为保证抗失配能力和工作可靠性，目前各基本功率模块功率在数百瓦量级，低频段可达1kW。另外，基本功率模块的工作效率决定了整机效率高低，因此需尽可能地提高其效率。

2.2 功率合成器

全固态放大器由于单管功率小，需进行合成才能达到所需功率，因此合成损耗是不可避免的问题，无论对用户还是对生产厂家，合成损耗希望降低到最小，以减小耗电量，简化散热设计，因此要尽量减少合成级数。

目前的功率合成器已可实现数百千瓦量级的超大功率合成。合成器从原理上主要有正交合成和同相合成等［2］，目前各家普遍采用同相方式，同相合成器的结构形式有微带、同轴和波导等，微带主要采用印刷电路板形式，较大功率时也采用空气介质的悬带线形式，微带合成器承受功率较小，合成损耗较大，各路相位、增益不平衡性能较差，在10kW 等级以下使用较为普遍；同轴合成器可适应各种功率等级，合成路数也可以非常灵活，且各路相位、增益不平衡性能非常好，因此应用范围较宽，一般100kW 以下均采用同轴方式；波导合成器耐受功率大，合成损耗小，但合成路数受限，一般用在超大功率的最后1级合成。

2.3 供电电源

固态功率管工作电压较低，一般在50V 左右，供电电流随功率的加大越来越大，甚至达上千安培，这对整机的布线有很大影响。此外，电源效率是影响整机效率的一个重要因素，以耗电300kW 的发射机为例，每提高一个百分点，耗电将减小3kW，因此希望供电电源效率越高越好。

目前大功率发射机的电源使用主要有3种方式：第1 种为集中电源供电，将多路大功率AC-DC电源并联后给功放模块供电，这种方式效率最高（电源效率最高可达96%）、成本最低，但由于是50V 直接分配，数千安培电流的工程布线非常困难；第2种为变压器整流后变为高压直流，功放模块采用DC-DC变换器变换为功放管供电，这种方式解决了布线问题，但由于变压整流均有损耗，大功率DC-DC模块效率也比较低，整个电源系统的效率较低，一般只能达到88%左右，成本也较高；第3种方式是交流电源直接送到功放端，功放采用AC-DC 模块变换为直流，这种方式也解决了布线问题，但由于功放单管功率小，电源功率不需要很大，电源模块中的固定损耗对总效率有一定影响，电源系统的总效率约可达92%，成本要高于第1种方式，与第2种方式相当。

2.4 测量与保护系统

全固态功率放大器在加速器应用时，要么是一个超大功率的发射机，要么是很多部小功率的发射机，整个高频系统的运行状态如何，需采用计算机监控系统，而计算机监控系统的基础是测量系统，全固态放大器因功率模块、功率合成器、电源模块数量较大，所需的测量数据就要多，因此在1 个发射机中，测量点的合理设置和测量电路的抗干扰能力尤为重要。从多种类型的功率放大器实际应用来看，应尽可能多地设置测试点，特别是各发热部件的温度测量尤为重要，以保证全面掌握发射机的工作状态。

影响全固态放大器可靠性的主要因素有两个：散热和功率冲击。因此全固态放大器设计时必须降低各散热接触面的热阻，应尽可能减小接触面的层级，增大接触面的面积，并考虑空间辐射热量的传导。保护系统除了监测各发热点的温度并做出相应动作外，还需对过功率、过激励等状态快速反应，以保证放大器不受损坏。

2.5 全固态功率放大器的一般原理

全固态功率放大器的原理较为简单，不同频率、不同功率的放大器仅是射频通道的部件种类和数量不同。

功率放大器一般由功放系统、控制系统、同轴系统和冷却系统4个部分组成。功放系统由驱动级放大器、多个功放模块及相应的同轴、波导合成器组成，将信号逐级放大合成为所需功率。控制系统由工控机及分布式采集的单片机通过总线组网构成，对全系统进行采样监测并控制，同时可通过网口送至总控制室进行远程监控。同轴系统主要包括同轴功率分配器、功率合成器、定向耦合器等部分。冷却系统由冷板散热器、进出水路、冷水机等部分组成，对放大器发热部分进行冷却［3］。

图1示出某324 MHz／25kW 脉冲功率源的放大器组成框图，其他功率源与此类似。

3 全固态功率放大器的测试

3.1 概述

加速器用全固态功率放大器的工作模式主要是连续波和脉冲。两种工作模式对全固态放大器的要求并不相同，连续波工作模式下，放大器主要要考虑散热的问题，因此从功放模块中的元器件到功率合成、传输等部分，都要考虑减小热量产生，并采取各种散热办法，使得热量尽快排出；脉冲工作模式下，主要考虑脉冲的顶降、上升下降沿等需要放大器快速响应的问题，耐功率问题只需考虑耐射频电压即可。因此，在放大器的设计时，考虑的角度不同，需采取的措施也不相同。

3.2 针对1.3GHz／20kW 功率放大器的连续波测试［4］

1.3GHz／20kW 功率放大器为北京大学物理学院重离子装置研制的高频功率源，用于驱动工作频率为1.3GHz的超导加速器，主要测试了增益、相位随功率和温度的变化情况。

1）相位变化

测试从1kW 到额定输出功率20kW 的变化，要求相位变化要小于±5°，实际测试为7°，结果如图2所示。

由图2可看出，输出功率从1～20kW 变化时，相位从71°～64°变化，反映了小信号和大信号功率管的特性不同，同时也反映出了温度的波动对相位有较大影响。

图1 全固态功率放大器原理框图Fig.1 Block diagram of solid power amplifier

图2 功率从1～20kW 输出变化时相位的变化Fig.2 Change of phase with power change from 1kW to 20kW

2）幅度稳定性

在额定输出功率情况下，幅度稳定性需在接入低电平控制系统时达到±0.2%，实际测试时没有低电平控制系统，因此在开环情况下进行了测试，在同一温度情况下，稳定度小于0.1dB，即2.3%，在温度变化情况下，稳定度小于0.3dB，即7%（图3，温度从18℃到22℃变化）。

图3 额定功率下的功率稳定度曲线（开环）Fig.3 Curve of power stability in rated power（open loop）

从图3可看出，开环功率稳定度不可能满足加速器要求，必须要有低电平控制系统，另外，工作温度对稳定度影响很大，但工作温度变化是慢变化过程，低电平控制系统可以很容易进行补偿。

3）相位稳定性

在额定输出功率情况下，相位稳定性需在接入低电平控制系统时达到±0.2°，实际测试时没有低电平控制系统，因此在开环情况下进行了测试，由测试结果看出，温度在4 ℃内变化情况下，相位稳定度小于0.16°（图4）。

图4 相位稳定度曲线（开环）Fig.4 Curve of phase stability（open loop）

3.3 针对324 MHz／25kW 功率放大器的脉冲测试［5］

324MHz／25kW 固态放大器射频功率源的功用是用来驱动中能束流传输线（MEBT）的两个聚束器和直线-环束流传输线（LRBT）的一个散束器。功率源工作频率为324MHz，脉冲重复频率为25Hz，最大脉冲宽度为650μs，占空比为1.625%，输出功率为25kW。主要测试脉冲顶降、过冲、上升下降沿和幅度稳定度等指标。

1）脉冲顶降

测试结果示于图5。测试基准电压为6.15V，最高点与最低点差为43 mV，因此顶降为43mV／6.15V＝0.7%。

2）脉冲上升下降沿

由示波器可直接读出上升沿为105.5ns，下降沿为100ns，如图6所示。

3）脉冲过冲

过冲为脉冲起始最高点与脉冲平顶之差与脉冲平顶的比值，脉冲平顶为6.15V，过冲电压为114mV，因此测试结果的过冲为114 mV／6.15V＝1.82%，如图7所示。

4）幅度稳定度

幅度稳定度为24h的测试结果，使用仪器自动记录，稳定度为±1.5%。从结果中看出，稳定度随冷却水温变化在变化，如图8 所示。从图中可看出，23：21 之前由于设备处于调试阶段，没有稳定，因此计算取自23：21以后的数据记录。从数据可看出，当水温变化4℃时，输出功率变化在750 W 之内，对于25kW的额定输出，幅度稳定度在±1.5%之内。