CN113659864A - 一种多脉冲输出固态调制器电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多脉冲输出固态调制器电路，包括依次电连接的直流电源模块、脉冲生成模块、脉冲变压器，其中脉冲生成模块包括储能电容、脉冲开关，脉冲生成模块包括并联连接的一个主脉冲生成模块、至少一个辅脉冲生成模块，主脉冲生成模块与直流电源模块之间设有单向开关或可控开关，辅脉冲生成模块与直流电源模块之间设有可控开关，可控开关用于控制直流电源模块对脉冲生成模块中储能电容的充电时间，进而控制储能电容的充电电压，结合脉冲生成模块实现不同脉冲能量的输出。本发明通过多个脉冲生成模块，可以实现调制器不同脉冲幅度(能量)的交替输出；同时本发明的多个脉冲生成模块均由一个电源供电，节约了成本的同时提高了电源的利用率。

Description

一种多脉冲输出固态调制器电路及其控制方法

技术领域

本发明属于脉冲调制器技术领域，具体涉及一种多脉冲输出固态调制器电路及其控制方法。

背景技术

固态调制器是脉冲调制器的一种类型，其广泛应用于国防、工业辐照、食品处理、医疗和污染控制等诸多领域。

传统的固态调制器，其输出的多为单一脉冲强度输出，由于单一脉冲输出功率一致，在成像使用领域，其只能得到一种脉冲强度下的成像效果。随着对最终成像效果的高要求，采用不同的脉冲强度交替工作，得到不同脉冲强度下的成像效果，可以得到两种或多种脉冲强度下的影像，可进一步提高成像效果，并可进行影像对比，已成为一种新的趋势。

如公告号为CN 102067449 B的中国专利文献，在其公开的一种方案中，为实现多脉冲输出，需要两个或两个以上的电源，其成本比较高，其单个电源的利用率也较低此外，还将导致设备整体体积偏大。且该方案是基于固定的储能方式，即通过配置不同容量的储能电容来实现不同脉冲的输出，难以实现不同脉冲幅度输出的灵活调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多脉冲输出固态调制器电路，包括依次电连接的直流电源模块、脉冲生成模块、脉冲变压器，其中脉冲生成模块包括储能电容、脉冲开关，所述脉冲生成模块包括并联连接的一个主脉冲生成模块、至少一个辅脉冲生成模块，所述主脉冲生成模块与直流电源模块之间设有单向开关或可控开关，所述辅脉冲生成模块与直流电源模块之间设有可控开关，所述可控开关用于控制直流电源模块对脉冲生成模块中储能电容的充电时间，进而控制储能电容的充电电压，结合脉冲生成模块实现不同脉冲能量的输出。

进一步的是，所述主脉冲生成模块包括第一储能电容、第一脉冲开关；所述辅脉冲生成模块包括第二储能电容、第二脉冲开关、第二二极管；所述第一储能电容与直流电源模块输出端之间设有单向开关，所述第二储能电容与直流电源模块输出端之间设有可控开关；所述可控开关基于控制信号控制第二储能电容的充电时间，以使所述第二储能电容充电至预设电压，所述预设电压小于直流电源模块的限制电压。

进一步的是，所述单向开关为二极管，用于阻止第一储能电容向第二储能电容充电，所述第二二极管用于阻止第一脉冲开关导通时第一储能电容向第二储能电容充电。

进一步的是，所述第一储能电容并联于直流电源模块的输出端，所述二极管串联于第一储能电容与直流电源模块的输出端之间的任意线路上，所述第一脉冲开关串联于第一储能电容与脉冲变压器的输入端之间的任意线路上；所述第二储能电容并联于直流电源模块的输出端，所述可控开关串联于第二储能电容与直流电源模块的输出端之间的任意线路上，所述第二脉冲开关串联于第二储能电容与脉冲变压器的输入端之间的任意线路上，所述第二二极管串联于第二储能电容与脉冲变压器的输入端之间的任意线路上。

进一步的是，所述第一储能电容的一端电连接至二极管输出端与第一脉冲开关输入端之间，所述第一储能电容的另一端、第一脉冲开关的输出端电连接至脉冲变压器的输入端；所述第二储能电容的一端电连接至可控开关输出端与第二脉冲开关输入端之间，所述第二脉冲开关的输出端电连接至第二二极管的输入端，所述第二储能电容的另一端、第二二极管的输出端电连接至脉冲变压器的输入端；且所述二极管输入端、可控开关输入端共同电连接至直流电源模块的一输出端，第一储能电容的另一端、第二储能电容的另一端共同电连接至直流电源模块的另一输出端。

进一步的是，所述脉冲生成模块包括两个辅脉冲生成模块，所述直流电源模块的输出端均与所述主脉冲生成模块和所述两个辅脉冲生成模块的输入端电连接，所述主脉冲生成模块和所述两个辅脉冲生成模块的输出端均与所述脉冲变压器的输入端电连接；所述主脉冲生成模块输入端与直流电源模块输出端之间设有单向开关，所述两个辅脉冲生成模块输入端与直流电源模块输出端之间均设有可控开关。

同时本发明还提供一种对上述电路进行控制的方法，所述直流电源模块先后或同时为主脉冲生成模块、辅脉冲生成模块提供电能，通过控制可控开关的导通为储能电容充电，当储能电容电压达到预设电压时关断可控开关；通过控制可控开关对储能电容的充电时间，结合主脉冲生成模块、辅脉冲生成模块输出顺序实现高、低压脉冲的输出。

进一步的是，在上述方法中，当需高电压脉冲输出时，控制第一脉冲开关导通，由第一储能电容通过第一脉冲开关和脉冲变压器输出；当需低电压脉冲输出时，控制第二脉冲开关导通，由第二储能电容通过第二脉冲开关、第二二极管和脉冲变压器输出；当需要高低电压脉冲输出时，通过控制可控开关对第二储能电容充电，使得第二储能电容的电压低于第一储能电容的电压，先控制第一脉冲开关导通，再第二脉冲开关的导通实现高、低压脉冲的输出；通过交替控制第一脉冲开关、第二脉冲开关的导通实现高、低压脉冲的交替输出。

进一步的是，上述方法包括：

S1.直流电源模块先后或同时给第一储能电容、第二储能电容充电；

S2.当第一储能电容充电至第一预设电压后，控制第一脉冲开关导通，由第一储能电容经脉冲变压器生成第一脉冲，间隔预设时长后关断第一脉冲开关；直流电源模块持续给第一储能电容充电至第一预设电压，以供下一次输出脉冲；

S3.当第二储能电容充电至第二预设电压后，控制第二脉冲开关导通，由第二储能电容经脉冲变压器生成脉冲幅度不同于第一脉冲的第二脉冲，间隔预设时长后关断第二脉冲开关；当第二储能电容充电至第二预设电压后关断可控开关；

S4.重复步骤S2和步骤S3，使脉冲变压器交替输出脉冲幅度不同的脉冲。

进一步的是，当所述辅脉冲生成模块为两个及以上时，通过控制各个辅脉冲生成模块中可控开关的导通顺序和/或导通时间，对其相应的储能电容充电，以实现不同电压脉冲输出，再结合第一脉冲开关、第二脉冲开关的开通顺序，最终实现多个不同电压脉冲的交替输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明通过可控开关调节辅脉冲生成模块中储能电容的电压，结合脉冲生成模块实现了不同脉冲幅度输出的灵活配置与调节；由一个直流电源模块为多个脉冲生成模块供电，可节省一个或多个直流电源模块，节约了成本，同时也可以缩小整机体积；

2.本发明可以先后或同时给主、辅脉冲生成模块的储能电容充电，可以更加合理的利用直流电源模块的容量，同时提高直流电源模块的利用率；

3.本发明不仅可实现不同脉冲幅度交替输出，还可以实现传统固态调制器单一幅度脉冲输出的功能。

附图说明：

图1为传统的单脉冲输出固态调制器电路图；

图2为传统的单脉冲输出固态调制器的输出脉冲波形图；

图3为本发明示例性实施例提出的一种双脉冲输出固态调制器的电路图；

图4为本发明示例性实施例提出的一种双脉冲输出固态调制器的脉冲波形、控制信号图；

图5为本发明示例性实施例提出的一种三脉冲输出固态调制器的电路图；

图6为本发明示例性实施例提出的一种三脉冲输出固态调制器的脉冲波形图。

图中标记：1-主脉冲生成模块、2-辅脉冲生成模块、3-吸收电路、4-脉冲变压器。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

图1示出了一种传统的单脉冲输出的固态调制器的电路图，从图中可以看出传统的单脉冲输出固态调制器，具备一个储能电容，仅可以输出一种幅度的脉冲。其具体的脉冲输出波形示意图如图2所示，从图中可见，传统的单脉冲输出固态调制器仅可以输出单一幅度的脉冲。

图3示出了一种双脉冲输出固态调制器的电路图，从图中可知，主脉冲生成模块1和辅脉冲生成模块2的输入端均与直流电源模块的输出端连接，主脉冲生成模块1和辅脉冲生成模块2的输出端与脉冲变压器4的输入端连接；主脉冲生成模块1与直流电源模块之间设有单向开关(二级管D1)，辅脉冲开关2与直流电源模块之间设有可控开关K1；吸收电路3并联设置于脉冲变压器4的输入端。

所述二级管D1用于阻止第一储能电容C1向第二储能电容C2充电，所述可控开关K1用于控制直流电源模块对脉冲生成模块中储能电容的充电时间，进而控制储能电容的充电电压。

需要说明的是，上述二极管D1在实际使用中可以根据使用者的需求进行替换，如为二极管D1也可以替换为开关管。

主脉冲生成模块1包括：第一储能电容C1和第一脉冲开关Q1；二极管D1的阳极与直流电源模块的正极连接，二极管的阴极与第一储能电容C1的正极连接，第一储能电容C1的负极与直流电源模块的负极、脉冲变压器4的负输入端连接，第一脉冲开关Q1串联于第一储能电容C1正极与脉冲变压器4的正输入端之间；当第一脉冲开关Q1导通时，第一储能电容C1放电后经脉冲变压器4输出脉冲。

辅脉冲生成模块2包括：第二脉冲开关Q2、第二储能电容C2和第二二极管D2；所述第二储能电容C2的正极、负极分别连接至直流电源模块的正极、负极，以及脉冲变压器4的正、负输入端，所述可控开关K1串联于直流电源输出正极与第二储能电容正极之间，第二脉冲开关Q2与第二二极管D2串联，所述第二脉冲开关Q2的输入端、第二二极管D2的阴极分别连接至第二储能电容C2正极、脉冲变压器4的正输入端。所述直流电源模块给主脉冲生成模块1的第一储能电容C1和辅脉冲生成模块2的第二储能电容C2充电，并通过控制可控开关K1的导通时间控制第二储能电容C2的充电时间，使第二储能电容C2充电至不同的预设电压，当第二脉冲开关Q2导通时，第二储能电容C2放电后经脉冲变压器4输出不同幅度的脉冲。

作为优选的，本实例中的直流电源模块可以为恒流限压电源。

需要说明的是，上述开关(可控开关K1、第二脉冲开关Q2和第一脉冲开关Q1)在实际使用时，均可以根据实际使用需求灵活选取和设置；例如，当选取的开关(如IGBT开关管)容量较低时，可以将多个容量较低的IGBT开关管形成IGBT开关组，以提升容量及开断能力，并同时增加相应的适配电路，满足实际使用需要。基于同样的思路，上述电容(第一储能电容C1和第二储能电容C2)在实际使用时，均可以根据实际使用需求灵活的选取和设置；例如当选取的储能电容容量较低时，可以将多个储能电容形成电容组，同时相应的增加适配性器件，以满足实际使用的需要。

本发明所提供的电路，其仅需要一个直流电源模块就可以实现给主、辅脉冲生成模块中的储能电容充电，在实际使用中可以节约一个或者多个的直流电源模块的成本，也可以减小固态调制器的整机体积。

具体工作时，第一储能电容C1由直流电源模块为其充电，待其充电至第一预设电压时，第一储能电容C1充电结束；通过控制可控开关K1的导通时间控制第二储能电容C2的充电时间，在第二储能电容C2的充电电压达到第二预设电压时，第二储能电容C2充电结束；当第一储能电容C1充电结束后，或者是第一储能电容C1和第二储能电容C2均充电结束后，控制第一脉冲开关Q1导通，第一储能电容C1上存储的能量通过脉冲开关Q1输入至脉冲变压器4，在脉冲变压器4的输出端得到一种幅度的脉冲；控制第二脉冲开关Q2导通，第二储能电容C2上存储的能量通过第二脉冲开关Q2输入至脉冲变压器4，在脉冲变压器4的输出端得到另一种幅度的脉冲。

在具体使用时，第一预设电压可以为直流电源模块的限制电压，第一预设电压大于或者等于第二预设电压；需要说明的是，此处的直流电源模块的限制电压为直流电源模块输出的最大电压。需要说明的是，也可以根据需求使第一预设电压小于或者等于第二预设电压。

在实际使用中，可以通过可控开关K1控制第二储能电容C2的充电时间，从而控制第二储能电容C2的充电电压，即可以通过一个直流电源模块将第一储能电容C1和第二储能电容C2充至不同的充电电压，在节约成本的同时，提高了直流电源模块的利用率。再通过交替控制第一脉冲开关Q1和第二脉冲开关Q2导通，使得脉冲变压器4的输入端接收到不同电压，从而在脉冲变压器4的输出端得到不同幅度的脉冲。

本发明提出的多脉冲输出固态调制器电路在实际使用时，直流电源模块可以先后或同时给主脉冲生成模块1和辅脉冲生成模块2充电，采用先后充电的方式可以提升直流电源模块的利用率，降低直流电源模块的容量(功率)。

同时该固态调制器的可拓展性能强，当需要单一幅度脉冲输出时，可以仅通过控制第一脉冲开关Q1或第二脉冲开关Q2导通使得在脉冲变压器的输出端输出单一幅度脉冲；当需要调节脉冲输出的幅度时，也可通过可控开关K1控制第二储能电容C2的充电电压，进而调节脉冲变压器4输出的脉冲幅度。

实施例2

如图3所示的电路图和图4中所示出脉冲波形、控制信号图，图中UC1为设定的直流电源模块限制电压值，也是主脉冲生成模块1中第一储能电容C1的充电电压值，UC2为设定的辅脉冲生成模块2中第二储能电容C2的充电电压值。在t0时刻，为系统的初始状态，第一储能电容C1和第二储能C2上的电压均为0，直流电源模块开始工作，并工作于恒流限压状态，控制可控开关K1导通，直流电源模块同时为第一储能电容C1和第二储能C2充电。直到t1时刻，第二储能电容C2电压到达设定的充电电压UC2，可控开关K1关闭，直流电源模块只为第一储能电容C1充电，由于是恒流输出，此后第一储能电容C1上电压的上升速率比在t0-t1段快。t2时刻，第一储能电容C1电压到达限制电压(充电电压)UC1，直流电源模块停止工作。t3时刻，主脉冲生成模块1中的第一脉冲开关Q1导通，第一储能电容C1通过第一脉冲开关Q1、脉冲变压器4为负载供电，负载两端可得到脉冲电压U1。t4时刻，第一脉冲开关Q1截止，脉冲电压截止，此时由于第一储能电容C1电压下降到UC1*，直流电源模块又开始工作，继续为第一储能C1充电，此时可控开关K1未导通，第二储能电容C2电压不变。到t5时刻，第一储能电容C1电压到达设定的充电电压UC1(或直流电源模块限制电压)，直流电源模块停止工作；t6时刻，辅脉冲生成模块2中的第二脉冲开关Q2导通，第二储能电容C2通过第二脉冲开关Q2、脉冲变压器4为负载供电，负载两端可得到脉冲电压U2；由于UC2小于UC1，因此脉冲电压U2小于U1。到t7时刻，第二脉冲开关Q2截止，脉冲电压截止，此时第二储能电容C2电压下降到UC2*，打开可控开关K1，直流电源模块又开始运行，由于第二储能电容C2上的电压UC2*小于UC2，UC2小于第一储能C1的电压UC1，直流电源模块的输出电压受第二储能电容C2电压限制，此刻二极管D1截止，直流电源模块只为储能电容C2充电。t8时刻，C2上电压由UC2*上升到UC2，可控开关K1关闭，直流电源模块输出电压变为UC1，到达其限制电压时自动停止。t9时刻，主脉冲生成模块中的第一脉冲开关Q1导通，重复上述过程。

实施例3

如图5示出了一种三脉冲输出固态调制器的电路，包括：主脉冲生成模块1、直流电源模块、吸收电路3、脉冲变压器4和两个辅脉冲生成模块2。直流电源模块为主脉冲生成模块1和两个辅脉冲生成模块2提供电能，主脉冲生成模块1和两个辅脉冲生成模块2均经吸收电路3与脉冲变压器4的输入端连接。

其生成的脉冲示意图如图6所示，主脉冲生成模块1和两个辅脉冲生成模块2均经过初始充电后(即通过直流电源模块，使脉冲生成模块内部的储能电容达到各自的预设电压值)，在需要不同幅度脉冲输出时，可通过如下控制实现。在t0时刻控制第三脉冲开关Q3导通，脉冲变压器4的输出端可以得到脉冲幅度为V3的脉冲，t1时刻关断第三脉冲开关Q3；t2时刻控制第二脉冲开关Q2导通，脉冲变压器4的输出端可以得到脉冲幅度为V2的脉冲，t3时刻关断第二脉冲开关Q2；t4时刻控制第一脉冲开关Q1导通，脉冲变压器4的输出端可以得到脉冲幅度为V1的脉冲，t5时刻关断第一脉冲开关Q1；t6时刻控制第三脉冲开关Q3导通，如此循环。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多脉冲输出固态调制器电路，包括依次电连接的直流电源模块、脉冲生成模块、脉冲变压器，其中脉冲生成模块包括储能电容、脉冲开关，其特征在于，所述脉冲生成模块包括并联连接的一个主脉冲生成模块、至少一个辅脉冲生成模块，所述主脉冲生成模块和/或辅脉冲生成模块与直流电源模块之间设有单向开关或可控开关，所述可控开关用于控制直流电源模块对脉冲生成模块中储能电容的充电时间，进而控制储能电容的充电电压，结合脉冲生成模块实现不同脉冲能量的输出。

2.根据权利要求1所述的一种多脉冲输出固态调制器电路，其特征在于，所述主脉冲生成模块包括第一储能电容、第一脉冲开关；所述辅脉冲生成模块包括第二储能电容、第二脉冲开关、第二二极管；所述第一储能电容与直流电源模块输出端之间设有单向开关，所述第二储能电容与直流电源模块输出端之间设有可控开关；所述可控开关基于控制信号控制第二储能电容的充电时间，以使所述第二储能电容充电至预设电压，所述预设电压小于直流电源模块的限制电压。

3.根据权利要求2所述的一种多脉冲输出固态调制器电路，其特征在于，所述单向开关为二极管，用于阻止第一储能电容向第二储能电容充电，所述第二二极管用于阻止第一脉冲开关导通时第一储能电容向第二储能电容充电。

4.根据权利要求3所述的一种多脉冲输出固态调制器电路，其特征在于，所述第一储能电容并联于直流电源模块的输出端，所述二极管串联于第一储能电容与直流电源模块的输出端之间的任意线路上，所述第一脉冲开关串联于第一储能电容与脉冲变压器的输入端之间的任意线路上；所述第二储能电容并联于直流电源模块的输出端，所述可控开关串联于第二储能电容与直流电源模块的输出端之间的任意线路上，所述第二脉冲开关串联于第二储能电容与脉冲变压器的输入端之间的任意线路上，所述第二二极管串联于第二储能电容与脉冲变压器的输入端之间的任意线路上。

5.根据权利要求4所述的一种多脉冲输出固态调制器电路，其特征在于，所述第一储能电容的一端电连接至二极管输出端与第一脉冲开关输入端之间，所述第一储能电容的另一端、第一脉冲开关的输出端电连接至脉冲变压器的输入端；所述第二储能电容的一端电连接至可控开关输出端与第二脉冲开关输入端之间，所述第二脉冲开关的输出端电连接至第二二极管的输入端，所述第二储能电容的另一端、第二二极管的输出端电连接至脉冲变压器的输入端；且所述二极管输入端、可控开关输入端共同电连接至直流电源模块的一输出端，第一储能电容的另一端、第二储能电容的另一端共同电连接至直流电源模块的另一输出端。

6.根据权利要求1-5所述的一种多脉冲输出固态调制器电路，其特征在于，所述脉冲生成模块包括两个辅脉冲生成模块，所述直流电源模块的输出端均与所述主脉冲生成模块和所述两个辅脉冲生成模块的输入端电连接，所述主脉冲生成模块和所述两个辅脉冲生成模块的输出端均与所述脉冲变压器的输入端电连接；所述主脉冲生成模块输入端与直流电源模块输出端之间设有单向开关，所述两个辅脉冲生成模块输入端与直流电源模块输出端之间均设有可控开关。

7.一种对权利要求1至6任一项所述的多脉冲输出固态调制器电路的控制方法，其特征在于，所述直流电源模块先后或同时为主脉冲生成模块、辅脉冲生成模块提供电能，通过控制可控开关的导通为储能电容充电，当储能电容电压达到预设电压时关断可控开关；通过控制可控开关对储能电容的充电时间，结合主脉冲生成模块、辅脉冲生成模块输出顺序实现高、低压脉冲的输出。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当需高电压脉冲输出时，控制第一脉冲开关导通，由第一储能电容通过第一脉冲开关和脉冲变压器输出；当需低电压脉冲输出时，控制第二脉冲开关导通，由第二储能电容通过第二脉冲开关、第二二极管和脉冲变压器输出；当需要高低电压脉冲输出时，通过控制可控开关对第二储能电容充电，使得第二储能电容的电压低于第一储能电容的电压，先控制第一脉冲开关导通，再第二脉冲开关的导通实现高、低压脉冲的输出；通过交替控制第一脉冲开关、第二脉冲开关的导通实现高、低压脉冲的交替输出。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，

S1.直流电源模块先后或同时给第一储能电容、第二储能电容充电；

S2.当第一储能电容充电至第一预设电压后，控制第一脉冲开关导通，由第一储能电容经脉冲变压器生成第一脉冲，间隔预设时长后关断第一脉冲开关；直流电源模块持续给第一储能电容充电至第一预设电压，以供下一次输出脉冲；

S3.当第二储能电容充电至第二预设电压后，控制第二脉冲开关导通，由第二储能电容经脉冲变压器生成脉冲幅度不同于第一脉冲的第二脉冲，间隔预设时长后关断第二脉冲开关；当第二储能电容充电至第二预设电压后关断可控开关；

S4.重复步骤S2和步骤S3，使脉冲变压器交替输出脉冲幅度不同的脉冲。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述辅脉冲生成模块为两个及以上时，通过控制各个辅脉冲生成模块中可控开关的导通顺序和/或导通时间，对其相应的储能电容充电，以实现不同电压脉冲输出，再结合第一脉冲开关、第二脉冲开关的开通顺序，最终实现多个不同电压脉冲的交替输出。

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