CN102067449A - 功率开关分组 - Google Patents

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Abstract

一种功率调制器，包括多个开关脉冲生成器元件(22)，电源装置(10)和变压器装置(30)。开关控制器(24)被连接到所述多个开关脉冲生成器元件(22)，用于提供用来进行接通和关断它们的控制信号。开关控制器(24)被安排成提供用来在第一时刻进行接通和/或关断第一子组的开关脉冲生成器元件的控制信号，和提供用来在不同于第一时刻的第二时刻进行接通和/或关断第二子组的开关脉冲生成器元件的控制信号，所述第二子组不同于所述第一子组。

Description

功率开关分组
技术领域
本发明总的涉及功率系统，具体地涉及用于提供功率脉冲的功率系统和方法。
背景技术
功率脉冲在许多不同类型的应用中被利用。在许多情形下，有对于具有非常高的瞬时功率的脉冲的要求。典型的应用领域的范围从雷达系统、粒子加速器、消毒设备到高能激光器。许多这样的系统的共同点是它们需要具有非常高的瞬时电压和/或电流的功率脉冲串。
用于供应这样的功率脉冲的通常的方法是使用不同种类的功率调制器，功率调制器利用在中等电压下的能量贮存装置，并把短的电压脉冲变换成更高的电压。在上一个世纪期间有许多这样的系统的设计。在最近时间的成功的这样的系统是如在美国专利5,905,646和6,741,484中公开的系统，通常称为LCW系统。在这些系统中，多个脉冲生成模块被并联连接到变压器的一组公共初级绕组，这些初级绕组共同具有两个端。通过控制打开这些脉冲生成模块进行放电以非常精确地一致，可以得到非常高的功率脉冲。现在在许多不同的使用领域的市场上很好地建立了这样的设备。
由于在功率和/或电压方面的极端的要求，其它运行参数有某些限制。在典型的系统中，脉冲重复频率范围从1到5000Hz，而脉冲持续时间常常是在0.5到20微秒的范围内。如果请求重复频率是太频繁的，则平均功率增加，可能造成困难。脉冲生成模块在每个脉冲之间必须进行复原，这样的复原时间必须短于在每个脉冲之间的请求时间。
脉冲生成模块典型地在复原期间被充电到某个电压。在脉冲期间，典型地约10％的能量总量被释放，以及电压下降较小的量。如果下一个脉冲被请求为具有另一个电压，则脉冲生成模块必须被充电到这个新的电压，即，它们需要某个转换时间来准备新的电压。如果该新的电压高于在上一个脉冲后剩余的电压，则仅仅是要有足够的时间来填充能量贮存装置。然而，如果新的电压低于以前的电压，则必须有某个装置来降低在脉冲生成模块上的电压。这在技术上是相对较复杂的，而且同时，所存储的能量的很大一部分不得不被浪费。如果输出电压是要快速变化的，则所浪费的存储的能量可能确实是非常大的。
功率脉冲的形状在今天典型地是平坦的脉冲，具有尽可能陡峭的上升和下降沿(flank)。不同的脉冲形成装置被提供来达到这个外形。如果要求其它脉冲形式，脉冲形成网络必须对于每个脉冲形状全部重新设计。而且，如果还要求脉冲形状从一个脉冲改变到另一个脉冲，则必须开发动态脉冲形成网络。
发明内容
本发明的目的是提高在提供高功率脉冲方面的灵活性。本发明的另一个目的是提高在脉冲分离、脉冲电压和/或脉冲形状方面的灵活性。
以上提到的目的是通过按照所公开的专利权利要求的设备和方法而达到的，总的来说，第一方面，功率调制器包括多个开关脉冲生成器元件、电源装置、和变压器装置。电源装置被连接到多个开关脉冲生成器元件，用于给它提供功率。变压器装置的初级端被连接到多个开关脉冲生成器元件的输出端。变压器装置具有被连接到变压器装置的次级端的输出端。功率调制器还包括被连接到多个开关脉冲生成器元件的开关控制器，用于提供用来进行接通和关断多个开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号。开关控制器被安排成提供用来在第一时刻进行接通和关断多个开关脉冲生成器元件的第一子组的开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号；和提供用来在第二时刻进行接通和关断多个开关脉冲生成器元件的第二子组的开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号。第二时刻不同于第一时刻，以及第二子组不同于第一子组。
第二方面，用于生成一系列电压脉冲的方法包括充电多个开关脉冲生成器元件。方法还包括在第一时刻经由变压器装置分别进行和断开多个开关脉冲生成器元件的第一子组的开关脉冲生成器元件到负荷的连接的至少一个操作。方法还包括在第二时刻经由变压器装置分别进行和断开多个开关脉冲生成器元件的第二子组的开关脉冲生成器元件到负荷的连接的至少一个操作。第二时刻不同于第一时刻，以及第二子组不同于第一子组。
第三方面，脉冲生成器装置包括多个开关脉冲生成器元件。多个开关脉冲生成器元件的每个开关脉冲生成器元件具有用于接收功率供给的输入端。多个开关脉冲生成器元件的每个开关脉冲生成器元件具有输出端，用于提供到变压器装置的电压脉冲。脉冲生成器装置还包括被连接到多个开关脉冲生成器元件的开关控制器，用于提供用来进行接通和关断多个开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号。开关控制器被安排成提供用来在第一时刻进行接通和关断多个开关脉冲生成器元件的第一子组的开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号；和提供用来在第二时刻进行接通和关断多个开关脉冲生成器元件的第二子组的开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号。第二时刻不同于第一时刻，以及第二子组不同于第一子组。
本发明的一个优点是，功率调制器可被利用来提供更多的各种各样的脉冲或脉冲串。
附图说明
通过连同附图一起参考以下的说明，可以最好地了解本发明和它的另外的目的和优点，其中：
图1是按照本发明的功率调制器的实施例的示意图；
图2是显示具有不同的幅度的电压脉冲的例子的示意图；
图3是按照本发明的功率调制器的另一个实施例的示意图；
图4A-E是显示具有不同的幅度的电压脉冲的其他例子的示意图；
图5是按照本发明的功率调制器的再一个实施例的示意图；
图6是显示电压瞬时脉冲群的例子的示意图；
图7是按照本发明的功率调制器的再一个实施例的示意图；
图8A-B是显示长电压脉冲的例子的示意图；
图9是按照本发明的功率调制器的再一个实施例的示意图；
图10A-C是显示非恒定幅度的电压脉冲的例子的示意图；
图11是显示具有不同的极性的电压脉冲的例子的示意图；
图12是按照本发明的功率调制器的再一个实施例的示意图；
图13是按照本发明的功率调制器的再一个实施例的示意图；以及
图14是按照本发明的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在附图上，对应的附图标记使用于类似的或对应的部件。
图1显示按照本发明的实施例的通用功率调制器。功率调制器1包括脉冲生成器装置20，具有多个开关脉冲生成器元件22。电源装置10被连接到多个开关脉冲生成器元件22的输入端26，用于给它供应功率。电源装置10包括一个或几个电源12。变压器装置30在本实施例中包括一个共用的变压器38，具有初级端32、芯子36和次级端34。初级端32被连接到多个开关脉冲生成器元件22的输出端28。变压器装置30具有被连接到变压器装置30的次级端34的输出端39。输出端39被连接到负荷40，该负荷被供应以短的高电压脉冲。
开关控制器24被连接到多个开关脉冲生成器元件22，用于提供用来接通和/或关断多个开关脉冲生成器元件22的控制信号。开关脉冲生成器元件22被划分成开关脉冲生成器元件的不同的子组25A-B。子组是不同的，但在某些实施例中它们可以至少部分重叠。开关控制器24被安排成提供控制信号，用来在第一时刻接通和/或关断第一子组25A的开关脉冲生成器元件。同样地，开关控制器24被安排成提供控制信号，用来在与所述第一时刻不同的第二时刻接通和/或关断第二子组25A的开关脉冲生成器元件。
由按照图1的装置提供的、提高的灵活性可以通过考虑本发明的不同的实施例的许多应用的例子而看到。
在第一个例子中，假设的要求是提供在两个不同的电压幅度VA和VB之间交替的脉冲串，其中VA＞VB。请求的脉冲串被显示于图2。在本例中，假设VA比VB大三倍。然而，本领域技术人员将会理解，在幅度之间的任何关系都可以实现。两个电压VA和VB假设都是正的。
图3显示用于得到这样的需要的脉冲串的电路的实施例。在本实施例中，需要的输出电压VA，VB分别被要求为20kV和60kV，脉冲持续时间为10微秒，和脉冲重复频率为500Hz，和平均输出为6kW。脉冲中的瞬时功率因此是1.2MW。基本方块是容易看到的。电源装置10在本实施例中包括两个电源12A和12B。电源12A提供直流(DC)电压Va，其中关系式VA/Va对应于变压器装置30的变压器比值，将在下面进一步描述。类似地，电源12B提供直流电压Vb，其中关系式VB/Vb＝VA/Va。在本实施例中，变压器比值是50∶1，这要求电源12A，12B的输出电压分别为Va＝1200伏和Vb＝400伏。脉冲生成器装置20在本实施例中包括两个开关脉冲生成器元件22A，22B。电源12A被连接到开关脉冲生成器元件22A。
在这个具体的例子中，开关脉冲生成器元件22A包括由电容器52A构成的能量贮存装置51。电容器52A被电源12A充电到电压Va。开关脉冲生成器元件22A还包括开关53，在示例性本实施例中，它由IGBT(绝缘栅双极性晶体管)开关构成。通过给栅极提供适当的电压信号，即控制脉冲，而接通开关，并通过去除该电压信号而关断开关。这样的电压信号作为由开关控制器24提供的开关控制信号而被提供。脉冲生成器装置20在本示例性实施例中还包括被连接到IGBT 54A的发射极的脉冲平坦电路55A，用于造成具有恒定的幅度的电压脉冲。在电容器52A的负极与来自脉冲平坦电路55A的输出端之间提供有二极管56A，用于防止电压尖峰，特别是在关断脉冲生成器元件22A时。
可以使用的功率开关的其它的例子包括固态开关，MosFet或IGTC(绝缘栅控制的可控硅)，在接通和/或关断时可控制的。MosFet和IGTC都是在接通和/或关断时可控制的，这是优选的情形。
开关脉冲生成器元件22B在本实施例中配备有对应的部件。然而，电容器52B代之以被电源12B充电到电压Vb。开关脉冲生成器元件22B还配备有阻塞二极管57，被串联连接在来自脉冲平坦电路55A的输出端与变压器装置30之间。阻塞二极管57禁止被构建在IGBT 54B中的二极管被正向偏置，这造成当IGBT 54A被触发时的来自开关脉冲生成器元件22A的非常大的电流的导通。阻塞二极管57是不难得到的。一个选择是使用与作为二极管56A，56B所使用的相同的类型的并行二极管。对于在1000与2000A之间的电流，典型地，两个或三个良好冷却的并行二极管是足够的。
来自开关脉冲生成器元件22A，22B的输出端被并行连接到变压器装置30的变压器38的初级绕组32。如上所述，变压器按照比值VB/Vb＝VA/Va提供电压的增强。变压器38的次级绕组34被连接到负荷40。
在本实施例中，开关脉冲生成器元件22A和22B被划分成两个不同的子组25A-B，即在本实施例中，子组25A包括开关脉冲生成器元件22A，子组25B包括开关脉冲生成器元件22B。开关控制器24被安排成交替地接通IGBT 54A和IGBT 54B。结果将是变压器38的初级绕组32将受到交替的幅度的脉冲，这些脉冲被变换成供应到负荷40的交替电压幅度脉冲。
在典型的情形下，被存储在电容器52A，52B中的能量的不足10％在每个脉冲中被释放。换句话说，在紧接在脉冲结束后，90％的能量剩余在电容器52A，52B中。如果一个并且是同一个脉冲生成器元件被利用于提供不同的输出电压，则在电容器上的电压必须随之改变。如果电压要增加，则用于把电容器充电到正确的电压的时间必须是可提供的，这主要由在电源线上的电阻确定。更多的麻烦是如果对于下一个脉冲的电压是较低的情形。在这样的情形下，必须允许存储电容器在新的脉冲之前腾空它的部分的能量。由于被存储的能量总量典型地是相当大的，实现这样的装置并非琐碎。总之，必须废弃大量的能量，这使得总的能量效率非常差。
通过代之以按照本发明，利用两个分离的脉冲生成器元件，任何的电压改变成为不必要的，被存储在电容器中的能量可以被保存，用来创建相同的电压的下一个脉冲。总的能量消耗由此将小得多。为此，开关控制器24被安排成提供用来在第一时刻接通和优选地也关断可用的多个开关脉冲生成器元件的第一子组25A的开关脉冲生成器元件22A的控制信号。开关控制器24还被安排成提供用来在第二时刻接通和优选地也关断第二子组25B的开关脉冲生成器元件22B的控制信号。
图3的配置也可被使用来产生其它脉冲串。如果电压源二极管等的电容器被适当地设计，则可以提供幅度VA和VB的脉冲的任何组合。在图4A-D上给出某些非排他的例子。在图4A上，幅度VB的两个脉冲和幅度VA的一个脉冲的常规图案是通过在行上接通开关脉冲生成器元件22B两次然后接通开关脉冲生成器元件22A一次并重复该操作而得到的。在图4B上，交替地提供电压VA和VB，但与以前的脉冲有不同的时间差。在图4C上，也交替地提供电压VA和VB，但现在具有不规则的时间间隔。这只要相同的幅度的两个接连的脉冲在时间上相差大于对应的开关脉冲生成器元件的复原时间就可以实现。在图4D上，脉冲图案在两个幅度的次序上和在脉冲的定时上是完全不规则的。
所显示的脉冲的例子对于每个脉冲具有相同的脉冲持续时间。然而，如果开关脉冲生成器元件22A，22B的关断是可控制的，则脉冲的持续时间也可以规则地或非规则地变化。本领域技术人员将会看到，可能的变例实际上是无限的。可能的脉冲的一个例子显示于图4E。
在图5上，显示图3的替换实施例。与图3类似的部件不再讨论。在本实施例中，电源装置10包括仅仅一个电源单元12，它经由连接装置14被连接到四个分开的开关脉冲生成器元件22A-D。如果总的功率足够低到由一个单个电源进行操控，则这可以是一个好的解决方案。连接装置14使得电源单元12能够连接到一个以上的开关脉冲生成器元件22A-D。连接装置14还包括开关16，用来使能连接和断开连接所选择的开关脉冲生成器元件。开关16在本实施例中由开关控制器24进行控制，连接打算被接通用来产生下一个脉冲的开关脉冲生成器元件。开关控制器24还控制电源单元12的输出电压成为与打算的下一个脉冲电压一致。
四个开关脉冲生成器元件22A-D被划分成两个子组25A和25B，每个被配置成提供一定的输出电压。为此，开关脉冲生成器元件22A和22B在本示例性实施例中被安排成同时接通和同时关断，由开关控制器24控制。同样地，开关脉冲生成器元件22C和22D被安排成同时接通和同时关断，也由开关控制器24控制。子组25B在本实施例中配备有阻塞二极管57，用于第二子组25B的每个开关脉冲生成器元件22C和22D。变压器38配备有两个分开的可连接的初级端绕组32A和32B。绕组32A和32B由此是电分隔开的，但是磁耦合的。在本实施例中，来自每个子组的一个开关脉冲生成器元件22A和22C被连接到第一绕组32A，以及来自每个子组的一个开关脉冲生成器元件22B和22D被连接到第一绕组32B。还提供用于每个绕组的共同的二极管56，用来保护各自连接的开关脉冲生成器元件免受尖峰损害。
上述的原理当然可被推广，可以有任何数目的开关脉冲生成器元件被划分成任何数目的子组。在典型的配置中，子组是互补的，例如，每个开关脉冲生成器元件只属于一个子组。然而，取决于应用，可以有这样的情形，其中子组可以重叠，即，单个开关脉冲生成器元件可以属于一个以上的子组。然而，子组是不同的。不同的子组也可以包括不同的数目的开关脉冲生成器元件。
从上述的推广的子组配置，显然也有可能得到其它类型的脉冲串。例如，三个子组可被配置成提供不同的电压，由此给出三个不同的幅度的输出脉冲。这当然可被推广到任何数目的电压电平。
在对于脉冲输出的要求的第二个例子中，要求短瞬时脉冲群。在具体的实施例中，要求五个短瞬时脉冲群，所请求的输出显示于图6。脉冲持续时间是非常短的，在每个短瞬时脉冲群的脉冲之间的时间段也是非常短的。然而，在短瞬时脉冲群中的每个脉冲的电压是基本上相同的。典型地，但非限制地，在每个短瞬时脉冲群的脉冲之间的时间段可以是几微秒的量级，而在接连的短瞬时脉冲群之间的时间段可以是毫秒的量级。这样的短瞬时脉冲群例如可以是在雷达应用中要求的。在这样的应用中的主要的困难在于，在脉冲之间的极短的时间典型地比起开关脉冲生成器元件的复原时间短得多。
图7显示能够提供这样的短瞬时脉冲群的功率调制器的示例性实施例。在本实施例中，每个短瞬时脉冲群的持续时间是4μs，以及在同一个短瞬时脉冲群中一个脉冲的结束与下一个脉冲之间的时间是2μs，即，在短瞬时脉冲群内的重复频率是167kHz。短瞬时脉冲群重复频率是400Hz，这给出在两个接连的短瞬时脉冲群开始之间的2.5ms的时间差。应当指出，在图6上的时间刻度在整个显示的范围内不是线性的。提供了50kW的输出脉冲功率和100kV的输出脉冲电压。单个电源单元12提供相同的电压给脉冲生成器装置20的五个开关脉冲生成器元件22A-E。开关脉冲生成器元件22A-E中的每个在本示例性实施例中形成它们自己的子组25A-E。由于所有的开关脉冲生成器元件22A-E打算以相同的电压运行，在连接装置14中不必要有开关。替换地，不同的开关脉冲生成器元件22A-E可以每个被连接到一个电源单元或以不同的组被连接到许多个电源单元。
变压器装置30在本实施例中包括五个变压器38A-E，每个变压器被连接到各自子组25A-E的开关脉冲生成器元件22A-E的输出端。来自开关脉冲生成器元件22A-E的输出端经由分开的脉冲平坦电路55被连接到变压器38A-E。取决于应用，如果脉冲平坦度不是关键重要的，脉冲平坦电路55可以省略。负荷40经由二极管串37被连接到变压器38A-F的次级端34。开关控制器24在本实施例中被安排成给开关脉冲生成器元件22A-E提供以以打算的脉冲分开时间分隔开的、分开的接通和关断信号。例如，如果开关脉冲生成器元件22A在时间t0时被接通，则开关脉冲生成器元件22B在时间t1时被接通，开关脉冲生成器元件22C在时间t2时被接通，开关脉冲生成器元件22D在时间t3时被接通，和开关脉冲生成器元件22E在时间t4时被接通。然后产生如图6所示的短瞬时脉冲群。
这个示例性实施例因此可以生成非常紧密间隔的脉冲，虽然电源不能仅仅用单个模块或模块的单个子组来足够快速地对模块重新充电以生成这些脉冲。对于在每个子组中的一个以上的开关脉冲生成器元件，当然也可以认识到相同的原理。具有其电源的模块的每个子组可被看作为形成它自己的分开的调制器系统，因此决不需要与其它模块组交互。然而，子组可以共用系统的部件，诸如变压器部件、脉冲成形部件、保护二极管、电源装置等等。
如果要求使用多个电源单元，则可能必须有使用多相输入功率变压器来减小电力线扰动和谐被以及简化软启动的装置和线路滤波器硬件。然而，这样的解决方案是在技术上已知的，并且对于理解本发明的基本概念不是首要重要的。
在对于脉冲输出的要求的第三个例子中，要求长的脉冲持续时间。在具体的实施例中，要求具有160Hz的重复频率的、250微秒的持续时间的、140kV、14MW的脉冲，所要求脉冲输出显示于图8A。这给出560kW的平均功率。在这种情形下，可以用现在可提供的技术得到脉冲功率，然而，典型的脉冲生成器不能维持这样的功率这样长的时间。
图9显示能够提供这样的长的脉冲的功率调制器的实施例。实施例具有与图7上给出的实施例的类似性，实施例可被修改成被利用于短瞬时脉冲群或用于长的脉冲，取决于功率和持续时间要求。在本实施例中，电源装置10包括六个电源12A-F，其包括功率因子校正和能量贮存电路。每个电源12A-F，在本实施例中，能够在1000伏电压下传输约3MW的峰值功率。连接装置14在本实施例中包括用于连接开关脉冲生成器元件22的输入端26的高速再充电电路。
脉冲生成器装置20在本实施例中包括144个开关脉冲生成器元件22，被分组成六个子组25A-F，每个子组具有24个开关脉冲生成器元件22。在本例中，开关脉冲生成器元件22是基于IGBT开关，并有可以在接通和关断方面进行电子控制。用于脉冲平坦化和尖峰保护的可选装置在图上被省略，以增加可读性。
变压器装置30在本实施例中包括六个变压器38A-F，每个变压器对应于各自子组25A-F的开关脉冲生成器元件22的输出端。变压器38A-F把初级端32的1000伏脉冲变换成次级端34的要求的140kV脉冲。负荷40经由200kV二极管串37连接到变压器38A-F的次级端34。
在本实施例中，每个开关脉冲生成器元件22是基于94μF电容器，由电源装置被充电到1kV。当电容器放电时，电压将下降。这个下降可以由在一定限制内的下降补偿电路进行补偿。典型地，10％的电压下降是可接受的。每个开关脉冲生成器元件22在本实施例中因此可以在每个放电步骤贡献8.75J，这在本实施例中是15μs长。总的来说，从一个子组，15μs长的脉冲合计达24×8.75J≈210J，即14MW。因此，一个子组25A-F可以给出要求的功率和电压的15μs长的脉冲。
为了实现250μs的要求的脉冲持续时间，连同具有良好地控制的电子接通和关断的特性一起使用将开关脉冲生成器元件22分组成子组25A-F。在本实施例中，例如通过IGBT开关的开关解决方案的特性，对于对开关脉冲生成器元件22也具有良好地控制的关断是重要的。开关控制器24在本实施例中被安排成接通第一子组25A的开关脉冲生成器元件22达15μs。在开关控制器24关断第一子组25A的开关脉冲生成器元件22的同时，第一子组25B的开关脉冲生成器元件22在另外的15μs内被接通。然后，这重复进行，直至全部六个子组25A-F每个贡献15μs，即，总共90μs为止。
当第一子组25A的开关脉冲生成器元件22被关断时，连接装置14的高速再充电电路允许复原开关脉冲生成器元件22。全部210J必须被提供到在第一子组25A内的开关脉冲生成器元件22。由于电源12A允许以1000伏的电压传输约3MW的功率，在第一子组25A内的开关脉冲生成器元件22的复原时间可被做成短于75μs。换句话说，当第六子组25F在开始后的90μs结束它的功率分布时，在第一子组25A内的开关脉冲生成器元件22已准备好用于新的放电操作。这意味着，在第一子组25A内的开关脉冲生成器元件22可以与在第六子组25F内的开关脉冲生成器元件22的关断同时被接通，以及该过程可以重复进行。通过让头四个子组25A-D每个运行四次，第六子组25F运行两次和第五子组25E运行完全的两次和最后一次10μs的有限的持续时间，得到3×4×15μs+2×2×15μs+10μs＝250μs的完全的脉冲。为了实现250μs的脉冲，脉冲生成器的一个子组必须将另外的10μs加到上述脉冲序列的最后。这是容易做到的，因为开关可以在任何时间被电子地命令接通和关断。通过如由开关控制器24执行的，适当地控制用于接通和关断开关脉冲生成器元件22的时间实例，所有的这些都是可能的。因此来自由被控制成正好互相适配的不同的子组的较短的脉冲组成250μs脉冲。这被显示于图8B，其中不同的字母表示来自各自子组的各个脉冲。然后，过程以160Hz的重复频率进行重复，以给出560kW的平均功率。
通过组合多个较短的脉冲而提供长脉冲的概念也发展了创建一个其电压随时可控地变化的脉冲的可能。图10A显示电压脉冲，它以相对较低的电压开始，并持续积累到最大值。这是通过以良好地控制的方式连接具有逐渐增加的输出电压的开关脉冲生成器元件的子组而实现的。在这个具体的例子中，使用了至少五个子组，因为完全的脉冲由五个不同的电压电平组成。图10B和10C显示可以由同一种类型的装置得到的其它的脉冲形状的非排他的例子。
在对于脉冲输出的需要的第四个例子中，要求交替极性的脉冲。在特定的实施例中，要求双极性脉冲，即，正脉冲与负脉冲交织，所要求脉冲的输出显示于图11。为此，利用包括开关脉冲生成器元件的桥电路。图12显示能够提供这样的双极性脉冲的功率调制器的实施例。在本实施例中，四个开关脉冲生成器元件22A-D被划分成两个子组25A-B。在本实施例中，对于每个开关脉冲生成器元件22A-D，IGBT开关54E-H被连接在输出端，以便允许输出的选择的分组。第一子组25A的开关脉冲生成器元件22A，C被连接到变压器38的各个初级绕组32的第一端31。同样地，第二子组25B的开关脉冲生成器元件22B，D被连接到变压器38的各个初级绕组32的第二端33。与早先的实施例共同的某些附图标记被省略，以便提高图的可读性。IGBT开关54E-H也可由开关控制器24控制。
运行可被描述如下。在第一个正脉冲开始的时间t5时(图11)，在第一子组25A中的IGBT开关54A和54C被接通。正电压现在被提供到初级绕组32的第一端31。同时，IGBT开关54F和54H被接通，以便把初级绕组32的第二端33连接到地。在关断时，在时间t6(图11)，IGBT开关54A和54C首先被关断，不久以后，典型地几微秒以后，IGBT开关54F和54H被关断。做到这一点以允许关断的瞬态电压和电流消失而不破坏IGBT开关54A和54C。在第二负脉冲开始的时间t7(图11)，在第二子组25B中的IGBT开关54B和54D被接通。正电压现在被提供在初级绕组32的第二端33。同时，IGBT开关54E和54G被接通，以便把初级绕组32的第一端31连接到地。这把电压的相反的极性加到变压器初级绕组32。在脉冲持续时间后，在t8(图11)，IGBT开关54B和54D首先被关断，不久以后，IGBT开关54E和54G被关断。循环过程在时间t9(图11)重复进行。
正如在应用不同的幅度的正脉冲的实施例的情形下，接通和关断的时间以及持续时间可以以任何组合变化，参阅图4A-E和有关的讨论。
如果功率调制器打算给例如速调管或其它电子枪型施加功率，则必须考虑负荷具有依赖于电压的阻抗。如果通常提供最大功率，则经受特定的阻抗。如果提供低于最大值的功率，则阻抗是不同的。由于功率调制器的网络常常被调谐到特定的阻抗，这样的情形在某些事件中可以出现麻烦。
在本发明给出的概念中，依赖于电压的阻抗无论如何是相当容易处理的。通过同步在子组中的多个开关脉冲生成器元件来提供电压脉冲，造成脉冲成形的灵活性。当把第一个高电压脉冲提供给速调管时，可以使用包括一定的数目的开关脉冲生成器元件的子组。当代之以把多少较低的电压脉冲提供给速调管时，可以使用包括较低的数目的开关脉冲生成器元件的另一个子组。负载阻抗比起在第一电压时将是更高的，以及用较小数目的开关脉冲生成器元件运行的、元件的脉冲成形电路的更高的输出阻抗将与新负荷很好地匹配，足以在负荷电压脉冲上保持正确的平坦度和过冲。如果有用于改变开关脉冲生成器元件的输出电压的装置和时间，则子组可以重叠，否则必须使用非重叠子组。
大多数速调管和行波速调管抽取空间电荷限制的电流，其中电流随电压的3/2次方变化。所以V/I的比值，负载阻抗，随电压的平方根的倒数变化。例如，如果电压被减小到最大值的一半，则负载阻抗将提高到1.414乘以它在全电压时的数值。所以为了匹配这个新的阻抗，与在最大值的情形相比较，应当仅仅运行1/1.414＝0.707或70％的开关脉冲生成器元件。如果在最大电压下使用三个开关脉冲生成器元件，则在一半电压下用两个开关脉冲生成器元件(67％)运行是适当的。按照图1的功率调制器的实施例，例如有可能在没有用于改变开关脉冲生成器元件的输出电压的装置的情形下被使用。然而，必须提供用于将第二子组25B的开关脉冲生成器元件充电到较低的电压的装置。
在图13，给出其中有足够的时间用于在两个输出电压之间改变开关脉冲生成器元件的输出电压的功率调制器的实施例。这里，假设负荷40是速调管类型。在本实施例中，第一子组25A和第二子组25B共同具有两个开关脉冲生成器元件。当要提供最大电压脉冲时，使用子组25A，以及电源12被开关控制器24控制来提供适当的电压。当改变到一半的最大值的脉冲电压时，允许第二子组25B的开关脉冲生成器元件22通过排放电路(dumping circuit)58将它的某些电荷放电。然后当要提供较低的电压脉冲时，使用第二子组25B来传输脉冲。
而且要指出，从电流和功率处理的观点看来，这是保守的。在半电压下，电流被减小大于一半，即，减小到完全电压值的约35％。所以尽管较低的数目的开关脉冲生成器元件，每个开关脉冲生成器元件，比起完全功率，将开关更小的电流。在图上，每个仅仅开关在完全功率下开关的约一半的电流。这意味着，例如从发热立场看来，减小的数目的开关脉冲生成器元件是可接受的。开关脉冲生成器元件运行时将比起完全功率冷得多。
在现在的大多数应用中，希望具有陡峭的前沿与后沿和基本上平顶的“良好成形的”脉冲。然而，适配于在变压器的初级端的阻抗的可能性也开发用于提供其它形状的脉冲。通过在其它开关脉冲生成器元件运行期间接通开关脉冲生成器元件和/或通过在其它开关脉冲生成器元件被允许继续运行的同时关断某些开关脉冲生成器元件，由于接通和/或关断后阻抗的改变，将创建具有复杂形状的脉冲。
图14显示按照本发明的方法的实施例的步骤的流程图。创建一系列电压脉冲的方法在步骤200开始。在步骤210，多个开关脉冲生成器元件被充电。在步骤220，多个开关脉冲生成器元件的第一子组的开关脉冲生成器在第一时刻经由变压器装置分别被连接到负荷或与负荷断开连接。在步骤230，多个开关脉冲生成器元件的第二子组的开关脉冲生成器在第二时刻经由变压器装置分别被连接到负荷或与负荷断开连接。第二时刻不同于第一时刻。第二子组不同于第一子组。所述过程在步骤299结束。
开关脉冲生成器元件优选地按照US5,905,646和US6,741,484B2的原理进行设计，这些专利整体地在此引用以供参考。然而，也可以使用其它类型开关脉冲生成器元件和开关的设计。基于后面跟着脉冲成形网络的高压电容器的开关脉冲生成器元件确实可以使用。这样的解决方案常常是基于诸如闸流管开关或硅控制的整流器开关那样的开关。这些类型的开关也允许电子控制地接通。然而，这样的开关具有不可能按要求关断的缺点。而是它们将继续接通，直至全部电荷都被传输为止。这意味着，用这样的解决方案不可能得到某些上述的实施例。所以，优选实施例使用在接通和关断的这两方面都可以控制的开关。
正如以上从不同的实施例看到的，对于功率调制器的运行有贡献的，有三个主块：电源装置、脉冲生成装置和变压器装置。每个块的设计在某种意义上多多少少是互相独立的，这样，替换例的大多数组合，至少对于某些功率或电压要求，是可运行的。这意味着，在不同的实施例中的不同的局部解决方案，在技术上可能的情形下，可被组合在其它配置中。然而，由于这些块实际上一起运行，必须注意选择适合于功率调制器的所有的块的替换例。在以上的某些实施例中，提到了特定的组合的优选项。
具体地，电源装置可包括一个电源或多个电源。如果有与开关脉冲生成器元件一样多的电源，则每个开关脉冲生成器元件可以恒定地连接到每一个电源。提供相同的输出电压的开关脉冲生成器元件可以恒定地连接到一个公共电源。在开关脉冲生成器元件提供不同的电压的情形下，或者必须提供每个输出电压至少一个电源，或者开关装置在同时只把电源连接到提供相同的输出电压的开关脉冲生成器元件。
在变压器端，可以以不同的方式提供变压器装置。每个开关脉冲生成器元件可以具有它自己的变压器，它们在次级端互相连接在一起。也可以提供公共变压器，有一个以上的开关脉冲生成器元件连接到该变压器。开关脉冲生成器元件可以通过电去耦或者是电耦合连接到公共变压器的初级端而进行磁耦合。
典型的脉冲重复频率是1Hz到1000Hz，或甚至到15000Hz，这意味着，典型的最低可能的脉冲重复时间的范围从约70微秒到1秒。当对于不同的子组使用不同的电压时，最关键的时间是在要施加的不同的电压之间的转换时间。开关脉冲生成器元件通常需要一定的时间从一个电压设置值改变到另一个电压设置值，当对于两个子组的接通或关断时刻之间的差值小于这样的转换时间时，本发明变得甚至是更有用的。
本发明对于高的电压和/或功率输出，优选地分别高于1kV或1kW，是最有益处的。益处通常随电压和/或功率而增加，因为通常很少有可提供的替换例。所以，本发明对于10kW以上的功率是更优选的，以及对于50kW以上的功率是甚至更优选的。类似地，本发明对于10kV以上的电压是更优选的，以及对于100kV以上的电压是甚至更优选的。
上述的实施例应当被看作为本发明的几个说明性例子。本领域技术人员将会看到，可以对于这些实施例作出各种修改、组合和改变而不背离本发明的范围。实际上，在不同的实施例中不同的局部解决方案，在技术上可能的场合下，可被组合到其它配置中。无论如何，本发明的范围由所附权利要求规定。

Claims (19)

1.一种功率调制器(1)，包括：
多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)；
电源装置(10)，被连接到所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的输入端(26)，用于给所述多个开关脉冲生成器元件提供功率；
变压器装置(30)，其初级端(32)被连接到所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的输出端(28)；
所述变压器装置(30)具有被连接到所述变压器装置(30)的次级端(34)的输出端(39)；
开关控制器(24)，被连接到所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)，用于提供用来进行接通和关断所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的操作中的至少一个操作的控制信号；
所述开关控制器(24)被安排成提供用来在第一时刻进行接通和关断所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的第一子组(25A-F)的开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号，和提供用来在不同于所述第一时刻的第二时刻进行接通和关断所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的第二子组(25A-F)的开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号，所述第二子组不同于所述第一子组。
2.按照权利要求1的功率调制器，其特征在于，所述电源装置(10)包括连接装置(14)，能够把电源单元(12；12A-F)连接到一个以上的开关脉冲生成器元件(22；22A-E)。
3.按照权利要求2的功率调制器，其特征在于，所述连接装置(14)还包括开关(16)，用于使能连接和断开连接所选择的开关脉冲生成器元件(22；22A-E)。
4.按照权利要求1的功率调制器，其特征在于，所述电源装置(10)包括用于每个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的电源单元(12；12A-F)。
5.按照权利要求1到4的任一项的功率调制器，其特征在于，所述变压器装置(30)包括公共变压器(38)，至少两个所述开关脉冲生成器元件(22；22A-E)被连接到所述公共变压器的初级端(32)，由此进行磁耦合。
6.按照权利要求5的功率调制器，其特征在于，所述至少两个所述开关脉冲生成器元件(22；22A-E)互相电去耦地被连接到所述公共变压器(38)的所述初级端(32)。
7.按照权利要求1到4的任一项的功率调制器，其特征在于，所述变压器装置(30)包括用于每个子组(25A-F)的一个变压器(38A-F)。
8.按照权利要求1到7的任一项的功率调制器，其特征在于，所述开关脉冲生成器元件是在接通和关断时可电子地控制的固态开关脉冲生成器元件(22；22A-E)。
9.按照权利要求1到8的任一项的功率调制器，其特征在于，所述时刻被以小于1秒间隔开。
10.按照权利要求1到9的任一项的功率调制器，其特征在于，所述时刻被以小于对于所述开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的最低可能的脉冲重复时间间隔开。
11.按照权利要求1到10的任一项的功率调制器，其特征在于，所述时刻被以小于200微秒间隔开。
12.按照权利要求1到8的任一项的功率调制器，其特征在于，所述第一子组(25A)的所述开关脉冲生成器元件被安排成供应第一电压的脉冲，以及所述第二子组(25B)的所述开关脉冲生成器元件被安排成供应与所述第一电压不同的第二电压的脉冲。
13.按照权利要求12的功率调制器，其特征在于，所述第一和第二电压具有相反的极性。
14.按照权利要求12或13的功率调制器，其特征在于，所述时刻被以小于在所述开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的所述第一和第二电压之间的转换时间间隔开。
15.按照权利要求1到14的任一项的功率调制器，其特征在于，所述时刻被重复。
16.按照权利要求1到15的任一项的功率调制器，其特征在于，所述变压器装置(30)的输出功率大于1kW。
17.按照权利要求1到16的任一项的功率调制器，其特征在于，所述变压器装置(30)的输出电压大于1kV。
18.一种生成电压脉冲的方法，包括以下步骤：
充电(210)多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)；
在第一时刻经由所述变压器装置(30)分别进行和断开(220)所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的第一子组(25A-E)的开关脉冲生成器元件到所述负荷(40)的连接的至少一个操作；以及
在不同于所述第一时刻的第二时刻经由所述变压器装置(30)分别进行和断开(230)所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的第二子组(25A-E)的开关脉冲生成器元件到所述负荷(40)的连接的至少一个操作，所述第二子组不同于所述第一子组。
19.一种脉冲生成器装置(20)，包括：
多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)；
所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的每个开关脉冲生成器元件具有用于接收电源供给的输入端(26)；
所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的每个开关脉冲生成器元件具有打算用于提供电压脉冲到变压器装置的输出端(28)；
开关控制器(24)，被连接到所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)，用于提供用来进行接通和关断所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的操作中的至少一个操作的控制信号；
所述开关控制器(24)被安排成提供用来在第一时刻进行接通和关断所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的第一子组(25A-E)的开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号；和提供用来在不同于所述第一时刻的第二时刻进行接通和关断所述多个开关脉冲生成器元件(22；22A-E)的第二子组(25A-E)的开关脉冲生成器元件的操作中的至少一个操作的控制信号，所述第二子组不同于所述第一子组。
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