CN102545687A - 用于电压交替脉冲输出的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于分组交替触发的高压脉冲调制电源，包括：直流稳压电源，用于为高压脉冲调制电源的供电；多个固态开关；与所述多个固态开关对应的多个触发器，其中每个触发器为对应的固态开关提供触发信号，以导通该对应的固态开关，其中所述多个触发器被分成至少两组的触发器；时序控制模块，在时刻t1控制所述多个触发器产生触发信号，以便同时导通所述多个固态开关，并且在时刻t2控制所述至少两组触发器中的一组产生触发信号，以便导通与这一组触发器对应的固态开关，其中时刻t1和时刻t2交替出现。

Description

用于电压交替脉冲输出的设备和方法
技术领域
本发明一般地涉及电压交替脉冲输出。具体地，本发明涉及在基于MARX发生器原理的固态脉冲调制电源上实现双（多）电压交替脉冲输出技术。
背景技术
MARX发生器是实现脉冲调制电源一种方式，是一种利用电容并联充电再串联放电的装置。MARX发生器可实现纳秒级的窄脉冲和很高的脉冲频率。固态脉冲调制电源是以固态开关，比如IGBT（绝缘栅双极晶体管）进行脉冲调制的电源。
目前普遍应用于双能加速器领域的调制器多为线性调制器。在线性调制器中，可以通过调整相邻两脉冲的充电电压实现交替双能脉冲供电。而利用固态脉冲调制器的加速器多为单能加速器，并且目前应用于直线加速器的基于MARX发生器原理的固态脉冲调制电源一般均采用各IGBT同时触发的工作方式。
因此，存在一种需求，要求在以基于MARX发生器原理的固态脉冲调制电源上实现双（多）电压交替输出，将其用于交替双能出束的电子直线加速器上。
发明内容
本发明提供一种用于通过分组交替触发来输出电压交替脉冲的设备和方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于分组交替触发的高压脉冲调制电源，包括：直流稳压电源，用于为高压脉冲调制电源的供电；多个固态开关；与所述多个固态开关对应的多个触发器，其中每个触发器为对应的固态开关提供触发信号，以导通该对应的固态开关，其中所述多个触发器被分成至少两组的触发器；时序控制模块，在时刻t1控制所述多个触发器产生触发信号，以便同时导通所述多个固态开关，并且在时刻t2控制所述至少两组触发器中的一组产生触发信号，以便导通与这一组触发器对应的固态开关，其中时刻t1和时刻t2交替出现。
根据本发明的另一个方面，高压脉冲调制电源还包括降压装置，该降压装置单独为所述多个固态开关中的一个或多个供电。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于分组交替触发高压脉冲调制电源的方法，所述高压脉冲调制电源包括多个固态开关，该方法包括步骤：将所述多个固态开关分为至少两组；在时刻t1向所述多个固态开关提供触发信号，以同时导通所述多个固态开关；和在时刻t2向所述至少两组固态开关中的一组固态开关提供触发信号，以便导通这一组固态开关，其中时刻t1和时刻t2交替出现。
根据本发明的又一个方面，该方法还单独为所述多个固态开关中的一个或多个供电。
在本发明的一个优选实施例中，在以基于MARX发生器原理的固态脉冲调制电源上实现双（多）电压交替输出，将其用于交替双能出束的电子直线加速器上。
利用本发明，通过分组交替触发就能够将单能加速器应用于实现双（多）电压交替输出。
附图说明
为了更完整地理解对本发明，现在结合附图对随后的说明书进行描述，其中：
图1是基于MARX发生器的高压脉冲调制电源原理示意图;
图2是基于MARX发生器的高压脉冲调制电源工作时序示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的高压脉冲调制电源的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的高压脉冲调制电源工作时序示意图；和
图5是根据本发明的一个优选实施例的高压脉冲调制电源原理示意图。
具体实施方式
本发明所讨论的图1到5以及用于描述该专利文档中的本发明的原理的各种实施例仅仅是说明的目的，而不应当被理解为以任何方式来限制本发明的范围。本领域技术人员将理解本发明的原理能以任何类型的适当布置的设备或系统来实现。
图1是基于MARX发生器的高压脉冲调制电源原理示意图。图中PS为大功率直流稳压电源，是高压脉冲调制电源的供电电源，电源电压Vin。M1～Mm是m个IGBT模块单元。Trig(1)～Trig(m)是IGBT模块组对应的触发信号。Vout是高压脉冲调制电源的输出端电压。
在两次触发的间隔期，PS通过充电电感L及二极管为IGBT模块单元中的电容C充电，形成一个并联充电的电容阵列，并在下一个触发来临之前使电容C上的电压保持为Vin。当触发来临时，各个IGBT模块导通，模块上的电容C通过各IGBT模块单元形成一个串联的放电回路，此时高压脉冲调制电源的输出电压Vout＝n*Vin,其中n为当前时刻导通的IGBT模块的个数。
图2是基于MARX发生器的高压脉冲调制电源工作时序示意图。如图2所示，当触发时刻t到来时产生触发信号Trig，基于MARX发生器原理的高压脉冲调制电源采用各固态开关（如IGBT）由触发信号Trig同时触发的方式，得到高的输出端电压Voh。
图3是根据本发明的一个实施例的高压脉冲调制电源的示意图。图3中所示的高压脉冲调制电源例如是如图1所述的典型基于MARX发生器的高压脉冲调制电源，其中m个触发器1…触发器n、触发器n+1…触发器m为高压脉冲调制电源提供触发信号Trig(1)…Trig(n)、Trig(n+1)…Trig(m)。在一个优选实施例中，触发器1～触发器m可以被分成两组：触发器1～触发器n和触发器n+1～触发器m。在另外的优选实施例中，触发器1～触发器m可以被分成两个以上的组。触发器1～触发器m受到时序控制模块的控制。时序控制模块控制触发器1～m产生的触发信号Trig(1)～Trig(m)，以便分组导通高压脉冲调制电源中的m个IGBT模块单元。
在一个优选实施例中，触发器1～触发器m被分成两组：触发器1～触发器n和触发器n+1～触发器m。在时刻t1时，时序控制模块控制触发器1～触发器m同时产生触发信号Trig(1)～Trig(m)，以使得与两组触发器对应的两组IGBT模块M1～Mm被同时触发，得到高的输出端电压Voh：
Figure 441174DEST_PATH_IMAGE002
。
在时刻t2时，时序控制模块控制第一组触发器1～n产生第一组触发信号Trig(1)～Trig(n)，并且控制第二组触发器n+1～m不产生触发信号，以使得与第一组触发信号Trig(1)～Trig(n)对应的第一组IGBT模块M1～Mn触发而与第二组触发器n+1～m对应的第二组IGBT模块Mn+1～Mm不触发，得到低的输出端电压Vol：
Figure 358314DEST_PATH_IMAGE004
。
或者，在时刻t2时，时序控制模块控制第二组触发器n+1～m产生第二组触发信号Trig(n+1)～Trig(m)，并且控制第一组触发器1～n不产生触发信号，以使得与第一组触发信号Trig(1)～Trig(n)对应的第一组IGBT模块M1～Mn不触发而与第二组触发器n+1～m对应的第二组IGBT模块Mn+1～Mm触发，得到低的输出端电压Vol'：
Figure 138051DEST_PATH_IMAGE006
。
时刻t1和t2交替出现，构成输出电压Voh与Vol或与 Vol'交替变化的双电压脉冲电源。
在另外的优选实施例中，触发器1～触发器m可以被分成两个以上的组，比如三组。时序控制器可以在时刻t1控制所有三组触发器产生触发信，在时刻t2控制三组触发器中的两组触发器产生触发信号并控制剩下的一组触发器不产生触发信号，并且在时刻t3控制三组触发器中的一组触发器产生触发信号并控制其他两组触发器不产生触发信号，由此控制对应的IGBT模块，并得到高、中、低的输出端电压。时刻t1、t2和t3交替出现，构成高、中、低的输出端电压交替变化的三电压脉冲电源。本领域技术人员在以上实施例的教导下，可以容易得知如何将触发器分成多组，并实现多电压交替脉冲输出。
尽管图3说明了根据本发明的高压脉冲调制电源的一个例子，但可对图3做出各种改变。图3所示的基于MARX发生器的固态脉冲调制电源仅仅是实现高压脉冲调制电源一种方式。实际上，本发明可用于任何基于触发的高压脉冲调制电源。此外，高压脉冲调制电源中的固态开关不仅限于IGBT（绝缘栅双极晶体管）型固态开关，而可以是任何适于用作固态开关的器件和装置。
图4是根据本发明的一个实施例的高压脉冲调制电源工作时序示意图。触发器1～触发器m被分成两组：触发器1～触发器n和触发器n+1～触发器m。当触发时刻t1到来时产生触发信号TrigA，高压脉冲调制电源中与所有触发器1～m对应的IGBT模块M1～Mm通过触发信号TrigA被同时触发，得到高的输出端电压Voh。当触发时刻t2到来时产生触发信号TrigB，高压脉冲调制电源中与第一组触发器1～n对应的IGBT模块M1～Mn通过触发信号TrigB被触发而其他的IGBT模块Mn+1～Mm不被触发，得到低的输出端电压Voh，或者M高压脉冲调制电源中与第二组触发器n+1～m对应的IGBT模块Mn+1～Mm通过触发信号TrigB被触发而其他的IGBT模块M1～Mn不触发，得到低的输出端电压Voh'（未示出）。
图5是根据本发明的一个优选实施例的高压脉冲调制电源原理示意图。当在基于MARX发生器的高压脉冲调制电源中，IGBT模块的数量比较少或者交替输出电压精度要求比较高时，为了能精确控制输出端电压Voh和Vol，在图3所示的高压脉冲调制电源的基础上增加了一个降压装置。作为了一个优选实施例，图5所示的高压脉冲调制电源为交替双电压输出。在该调制电源中增加了一个降压装置，该降压装置单独例如为第m个IGBT模块单元供电。如图5所示，该降压装置接收来自大功率直流稳压电源的输入电压Vin，经过降压处理后，向第m个IGBT模块单元提供输入电压Vin'。
在该优选实施例中，触发器1～触发器m被分成两组：触发器1～触发器n和触发器n+1～触发器m。在时刻t1时，时序控制模块控制触发器1～触发器m同时产生触发信号Trig(1)～Trig(m)，以使得与两组触发器对应的两组IGBT模块M1～Mm同时触发，其中IGBT模块Mm被降压装置单独供电，从而得到高的输出端电压Voh：
Figure 956097DEST_PATH_IMAGE008
。
在时刻t2时，时序控制模块控制第一组触发器1～n产生第一组触发信号Trig(1)～Trig(n)，并且控制第二组触发器n+1～m不产生触发信号，以使得与第一组触发信号Trig(1)～Trig(n)对应的第一组IGBT模块M1～Mn触发而与第二组触发器n+1～m对应的第二组IGBT模块Mn+1～Mm不触发，得到低的输出端电压Vol：
或者，在时刻t2时，时序控制模块控制第二组触发器n+1～m产生第二组触发信号Trig(n+1)～Trig(m)，并且控制第一组触发器1～n不产生触发信号，以使得与第一组触发信号Trig(1)～Trig(n)对应的第一组IGBT模块M1～Mn不触发而与第二组触发器n+1～m对应的第二组IGBT模块Mn+1～Mm触发，其中IGBT模块Mm被降压装置单独供电，得到低的输出端电压Vol'：
Figure 592932DEST_PATH_IMAGE012
。
时刻t1和t2交替出现，构成输出电压Voh与Vol或与Vol'或交替变化的双电压脉冲电源。
通过降压装置调整为第m个IGBT模块单元单独提供输入电压Vin'，能精确控制输出电压Voh与Vol或Vol'。
在其他的优选实施例中，降压装置可以单独为m个IGBT模块单元中的任意一个或多个供电，以便能精确控制输出电压。
综上可知，利用本发明所提供的用于通过分组交替触发来输出电压交替脉冲，可将单能加速器应用于实现双（多）电压交替输出。
尽管已经为呈现本发明的基本结构的目的说明了结构的某些构造，但是本领域技术人员将理解其他仍然落在本发明所附的权利要求的范围内的变型也是可能的。尽管本发明已经根据当前被认为是最实用和优选的实施例来描述，仍然可以理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，其旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效方案。

Claims (8)

1. 一种基于分组交替触发的高压脉冲调制电源，包括：
直流稳压电源，用于为高压脉冲调制电源的供电；
多个固态开关；
与所述多个固态开关对应的多个触发器，其中每个触发器为对应的固态开关提供触发信号，以导通该对应的固态开关，其中所述多个触发器被分成至少两组的触发器；
时序控制模块，在时刻t1控制所述多个触发器产生触发信号，以便同时导通所述多个固态开关，并且在时刻t2控制所述至少两组触发器中的一组产生触发信号，以便导通与这一组触发器对应的固态开关，其中时刻t1和时刻t2交替出现。
2. 如权利要求1所述的高压脉冲调制电源，还包括：降压装置，该降压装置单独为所述多个固态开关中的一个或多个供电。
3. 如权利要求1或2所述的高压脉冲调制电源，其中所述高压脉冲调制电源是基于MARX发生器的固态脉冲调制电源。
4. 如权利要求3所述的高压脉冲调制电源，其中所述固态开关是IGBT模块。
5. 一种用于分组交替触发高压脉冲调制电源的方法，所述高压脉冲调制电源包括多个固态开关，该方法包括步骤：
将所述多个固态开关分为至少两组；
在时刻t1向所述多个固态开关提供触发信号，以同时导通所述多个固态开关；
在时刻t2向所述至少两组固态开关中的一组固态开关提供触发信号，以便导通这一组固态开关，
其中时刻t1和时刻t2交替出现。
6. 如权利要求5所述的方法，还包括步骤：单独为所述多个固态开关中的一个或多个供电。
7. 如权利要求5或6所述的方法，其中所述高压脉冲调制电源是基于MARX发生器的固态脉冲调制电源。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述固态开关是IGBT模块。
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