CN102545846B - 用于控制脉冲输出的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种脉冲调制电源，包括：在放电时串联的多个放电模块；与所述多个放电模块对应的多个触发器，其中每个触发器为对应的放电模块提供触发信号，以导通该对应的放电模块；控制逻辑模块，用于控制触发信号，以便依次延时导通所述多个放电模块；输出端，用于输出电压。

Description

用于控制脉冲输出的设备和方法
技术领域
本发明一般地涉及脉冲输出控制，特别地涉及脉冲输出前沿控制。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控制输出脉冲前沿。
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。
在以磁控管为负载的电源系统中，由于磁控管本身的阻抗特性，要使其工作在特定的脉冲电流就必需满足特定要求的脉冲前沿斜率。图1是脉冲前沿斜率满足要求时的脉冲电流波形示意图。图2是当脉冲前沿过陡时脉冲电流波形示意图，图中显示，脉冲顶部有明显顶降现象。图3是当脉冲前沿过缓时脉冲电流的波形示意图，图中显示脉冲顶部有明显顶升的现象。并且，当脉冲电流的幅值发生变化时，能够维持脉冲电流波形顶部平直的脉冲前沿斜率也会发生变化，幅值越大，需要的前沿斜率越陡。
为解决脉冲顶部不平的问题，目前常用的解决方案是在脉冲电源输出端串接一只电感。当脉冲电流的幅值需要调整时，可以通过调整电感的电感量达到与阻抗相匹配的目的。这个方法的缺点是：当脉冲电流幅值需要频繁调整时，调整电感会是一项非常繁琐的工作；特别是对于用在双能加速器产品上的固态脉冲调制电源，因为脉冲电流幅值是每个脉冲周期交替变化的，通过调整电感量的方法就无法在这些产品中实现。
为此，存在能够对输出脉冲前沿进行较为便利的控制，以更好地适应磁控管负载的需要。
发明内容
本发明提供一种用于通过依次延时触发信号来控制脉冲输出的设备和方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种脉冲调制电源，包括：在放电时串联的多个放电模块；与所述多个放电模块对应的多个触发器，其中每个触发器为对应的放电模块提供触发信号，以导通该对应的放电模块；控制逻辑模块，用于控制触发信号，以便依次延时导通所述多个放电模块；输出端，用于输出电压。
根据本发明的另一个方面，提供了在脉冲调制电源中控制脉冲输出的方法，所述脉冲调制电源包括在放电时串联的多个放电模块，该方法包括步骤：向所述多个放电模块提供依次延时的触发信号，以依次导通所述多个放电模块；和输出放电电压。
在本发明的一个优选实施例中，本发明力求在以基于MARX发生器原理的固态脉冲调制电源上，通过调整各IGBT模块打开延时时间，来得到良好的脉冲输出波形。
利用本发明，无需在脉冲电源输出端串接一只电感就能够调整脉冲电流的幅值，从而可以对输出脉冲前沿以及脉冲顶部不平进行较为便利的控制和调整，以更好地适应诸如磁控管的负载。
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是脉冲前沿斜率满足要求时的脉冲电流波形示意图；
图2是当脉冲前沿过陡时脉冲电流波形示意图；
图3是当脉冲前沿过缓时脉冲电流的波形示意图；
图4是目前常见的基于MARX发生器的固态脉冲调制电源原理示意图；
图5是根据本发明一个实施例的基于MARX发生器的固态脉冲调制电源的示意图；
图6是没有前沿控制的固态脉冲调制电源触发与脉冲输出的工作时序示意图；
图7是增加了前沿控制逻辑的固态脉冲调制电源触发与脉冲输出的工作时序示意图；和
图8是图7脉冲前沿的细节示意图。
具体实施方式
本发明所讨论的图1到8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4所示为目前常见的基于MARX发生器的固态脉冲调制电源原理示意图。图中PS为大功率直流稳压电源，是固态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是固态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，此时固态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5是根据本发明一个实施例的基于MARX发生器的固态脉冲调制电源的示意图。图5中所示的固态脉冲调制电源例如是如图4所述的典型基于MARX发生器的固态脉冲调制电源，其中m个触发器1…触发器n、触发器n+1…触发器m为固态脉冲调制电源提供触发信号Trig(1)…Trig(n)、Trig(n+1)…Trig(m)。触发器1～触发器m受到控制逻辑模块的控制。控制逻辑模块控制触发器1～m产生的触发信号Trig(1)～Trig(m)，以便依次延时导通固态脉冲调制电源中的m个IGBT模块单元。
当触发来临时，基于MARX发生器的固态脉冲调制电源中的各IGBT模块单元M1～Mm分别接收依次延时的触发信号Trig(1)～Trig(m)并依次延时导通。这样，在固态脉冲调制电源的输出端产生一个阶梯状的输出前沿的Vout。经过电流传输网络的滤波作用，在磁控管负载端（未示出）就可以得到平滑的输出Vout'。
控制逻辑模块控制触发器1～触发器m，使得触发器1～触发器m分别输出未延时的Trig(1)、…延时Δt(n-1)的Trig(n)、延时Δt(n)的Trig(n+1)…延时Δt(m-1)的Trig(m)。控制逻辑模块可以控制延时时间Δt1～Δt(m-1)中每一个的大小，以便获得满足特定要求的脉冲前沿斜率。在本发明的一个优选实施例中，当脉冲前沿过陡时，脉冲顶部出现如图2的明显顶降现象。此时，控制逻辑模块增大延时时间Δt1～Δt(m-1)，使得获得斜率减小的脉冲输出的脉冲前沿。在在本发明的另一个优选实施例中，当脉冲前沿过缓时，脉冲顶部出现如图3的明显顶升现象。此时，控制逻辑模块减小延时时间Δt1～Δt(m-1)，使得获得斜率增大的脉冲输出的脉冲前沿。
尽管图5说明了根据本发明的固态脉冲调制电源的一个例子，但可对图5做出各种改变。图5所示的基于MARX发生器的固态脉冲调制电源仅仅是实现脉冲调制电源一种方式。实际上，本发明可用于任何串联放电的固态脉冲调制电源。此外，固态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，而可以是任何适于在放电时串联的放电模块的器件和装置。本领域技术人员在阅读本发明的说明书后可知，本发明不仅可以用于调整基于MARX发生器的固态脉冲调制电源中的脉冲前沿斜率，还可以消除任何串联放电的固态脉冲调制电源中脉冲顶部不平的问题。
图6是没有前沿控制的固态脉冲调制电源触发与脉冲输出的工作时序示意图。在这个工作模式中，触发信号Trig(1)～Trig(m)之间没有延时，各IGBT模块同时触发，同时导通。输出电压上升时间仅与IGBT模块参数及输出电路参数有关。
图7是增加了前沿控制逻辑的固态脉冲调制电源触发与脉冲输出的工作时序示意图，图8是图7脉冲前沿的细节示意图。
在图8所示中，各IGBT模块的触发信号Trig(n+1)…Trig(m)不同时导通，而是依次延时导通，这样就会在电源的输出端产生一个阶梯状的输出前沿的Vout，经过电流传输网络的滤波作用，在磁控管负载端就可以得到平滑的输出Vout'。通过调整各IGBT触发的延时时间Δt1～Δt(m-1)，就可以改变Vout'的前沿斜率。
综上可知，本发明所提供的用于通过依次延时触发信号来控制脉冲输出的设备和方法避免了在脉冲电源输出端串接电感，从而避免了串接电感所带来的问题。
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 (10)

1.一种脉冲调制电源，包括：
在放电时串联的多个放电模块；
与所述多个放电模块对应的多个触发器，其中每个触发器为对应的放电模块提供触发信号，以导通该对应的放电模块；
控制逻辑模块，用于控制触发信号，以便依次延时导通所述多个放电模块，其中当脉冲顶部出现顶降时，增大所述延时，并且当脉冲顶部出现顶升时，减小所述延时；
输出端，用于输出电压。
2.如权利要求1所述的脉冲调制电源，其中该脉冲调制电源是基于MARX发生器的脉冲调制电源。
3.如权利要求2所述的脉冲调制电源，其中所述输出端产生阶梯状的输出前沿。
4.如权利要求3所述的脉冲调制电源，其中所述阶梯状的输出前沿经电流输出网络被平滑。
5.如权利要求1-4之一所述的脉冲调制电源，其中所述放电模块是IGBT模块。
6.一种在脉冲调制电源中控制脉冲输出的方法，所述脉冲调制电源包括在放电时串联的多个放电模块，该方法包括步骤：
向所述多个放电模块提供依次延时的触发信号，以依次导通所述多个放电模块，其中当脉冲顶部出现顶降时，增大所述延时，并且当脉冲顶部出现顶升时，减小所述延时；和
输出放电电压。
7.如权利要求6所述的方法，其中该脉冲调制电源是基于MARX发生器的脉冲调制电源。
8.如权利要求7所述的方法，还包括步骤：产生阶梯状的输出前沿。
9.如权利要求8所述的方法，还包括步骤：平滑所述阶梯状的输出前沿。
10.如权利要求6-8之一所述的方法，其中所述放电模块是IGBT模块。
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