CN114204832A - 一种开关电源及闸流开关组件 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种开关电源、闸流开关组件、线性调制器及电子直线加速器，开关电源包括：脉冲发生电路，用于产生脉冲输入电流；变压器电路，连接在脉冲发生电路和整流稳压电路之间，用于对脉冲发生电路所产生的脉冲输入电流进行耦合；变压器电路包括多个变压支路，多个变压支路能够输出不同的脉冲输出电流；整流稳压电路，连接在变压器电路和负载之间；整流稳压电路包括多个整流稳压支路，多个整流稳压支路与多个变压支路对应连接，用于在将多个变压支路的输出整流稳压后输出多个不同的脉冲电流，以将多个不同的脉冲电流提供给处于不同电位的负载，如此本公开通过在变压器电路中设置多个变压支路，能够为处于不同电位的负载进行供电。

Description

一种开关电源及闸流开关组件

技术领域

本公开涉及脉冲技术领域，尤其涉及一种开关电源及闸流开关组件。

背景技术

大功率线型调制器是辐照用电子直线加速器的一个重要部分，它依靠高压大电流放电开关对人工线放电而产生高功率的脉冲。而之前能胜任此类工况的放电开关只有氢闸流管，是一种电真空器件，存在功耗大、寿命短的缺点，而半导体器件无寿命限制，人们一直来都有采用半导体器件取代高压大电流应用的电真空器件的想法。但是半导体器件相对于电真空器件来说，耐压较低，容易损坏，并且电流也较小。

发明内容

本公开提供了一种开关电源、闸流开关组件、线性调制器及电子直线加速器，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种开关电源，所述开关电源包括：脉冲发生电路，用于产生脉冲输入电流；变压器电路，连接在所述脉冲发生电路和整流稳压电路之间，用于对所述脉冲发生电路所产生的脉冲输入电流进行耦合；所述变压器电路包括多个变压支路，多个所述变压支路能够输出不同的脉冲输出电流；整流稳压电路，连接在所述变压器电路和负载之间；所述整流稳压电路包括多个整流稳压支路，所述多个整流稳压支路与所述多个变压支路对应连接，用于在将所述多个变压支路的输出整流稳压后输出多个不同的脉冲电流，以将多个不同的脉冲电流提供给处于不同电位的负载。

在一可实施方式中，所述整流稳压支路包括：整流单元，连接在变压支路和稳压单元之间，用于对所述变压支路的输出进行整流滤波；所述稳压单元，连接在所述整流单元与负载连接，用于对所述整流单元的输出进行稳压之后提供给负载；整流控制单元，用于根据所述整流单元的输出控制所述整流稳压支路的导通或关断。

在一可实施方式中，所述整流控制单元包括电压监测单元和开关；所述电压监测单元，连接在所述整流单元和所述稳压单元之间，用于监测整流单元的输出，并根据所述整流单元的输出控制所述开关的通断，以控制所述整流稳压支路的导通或关断。

在一可实施方式中，所述电压监测单元包括：判断模块，用于判断所述整流单元的输出是否高于电压阈值；控制模块，用于在所述电压大于或等于所述电压阈值的情况下，控制所述开关关闭，以将相应的整流稳压支路短路；以及在所述电压小于所述电压阈值时，控制所述开关断开，以使相对应的整流稳压支路导通。

根据本公开的第二方面，提供了一种闸流开关组件，所述闸流开关组件包括：权利要求1-4中任一项所述的开关电源，用于为IGBT模块供电；所述IGBT模块，连接在所述开关电源和监测控制模块之间，用于输出脉冲；所述IGBT模块包括多个IGBT单元；所述监测控制模块，连接在所述闸流开关组件所属线性调制器的主控模块和所述IGBT模块之间，用于将所述主控模块的触发信号传输至所述IGBT单元，以及监测所述IGBT单元的状态并反馈至所述主控模块；其中，所述主控模块用于控制所述闸流开关组件。

在一可实施方式中，所述IGBT单元包括：IGBT驱动电路，连接在所述监测控制模块和IGBT并联电路之间，用于接收所述触发信号并驱动IGBT并联电路；IGBT并联电路，与均压电路连接，包括多个IGBT；均压电路，与所述开关电源连接，用于对所述IGBT单元进行均压；第一保护电路，与所述IGBT驱动电路连接，通过控制所述IGBT驱动电路对所述IGBT进行保护；第二保护电路，与所述IGBT并联电路连接，通过控制所述多个IGBT，对所述IGBT进行保护。

在一可实施方式中，所述第一保护电路为快速保护电路，包括：IGBT控制模块，用于在所述控制和监测单元监测到所述IGBT单元电压超出所述IGBT击穿电压的情况下，在所述IGBT的门极上加电压，以使多个所述IGBT同时处于放大状态。

在一可实施方式中，所述第二保护电路为慢速保护电路，包括：IGBT驱动控制模块，用于在所述控制和监测电路监测到所述IGBT单元电压超出所述IGBT击穿电压的情况下，控制所述IGBT驱动电路以使所述IGBT导通。

根据本公开的第三方面，提供了一种线性调制器，所述线性调制器包括上述闸流开关组件。

根据本公开的第四方面，提供了一种电子直线加速器，所述电子直线加速器包括上述线性调制器。

本公开提供的一种开关电源、闸流开关组件、线性调制器及电子直线加速器，通过在开关电源的变压器电路中设置多个变压支路，并对应的在整流稳压电路设置多个整流稳压支路，使该开关电源的变压支路能够根据负载输出不同的电流，并经过相应的整流稳压支路后提供给处于不同电位的负载充电。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

图1示出了本公开实施例开关电源的整体原理框图；

图2示出了本公开实施例开关电源的整流稳压支路的原理框图；

图3示出了本公开实施例闸流开关组件的整体原理框图；

图4示出了本公开实施例闸流开关组件的IGBT单元的原理框图。

具体实施方式

为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

下面结合附图和具体实施例对本公开的技术方案进一步详细阐述。

图1示出了本公开实施例开关电源的整体原理框图。

本公开实施例开关电源原理框图可以如图1所示，开关电源10可以包括：脉冲发生电路11，用于产生脉冲电流；变压器电路12，连接在脉冲发生电路和整流稳压电路13之间，用于对脉冲发生电路11输出的电流进行耦合，其包括多个变压支路121，多个变压支路121能够输出不同的脉冲输出电流；整流稳压电路13，连接在变压器电路12和负载之间，用于对变压器电路12的输出进行整流稳压；其中，整流稳压电路13包括多个整流稳压支路131，这些整流稳压支路131与多个变压支路121对应连接，用于在将多个变压支路121的输出整流稳压后输出多个不同的脉冲电流，以将多个不同的脉冲电流提供给处于不同电位的负载。

具体地，多个变压支路121可以是多个磁环变流器，磁环变流器的副边线圈数量不同，所以不同的磁环变流器能够在脉冲发生电路11输出电流后，对脉冲电流进行耦合，产生不同的脉冲电流。多个整流稳压支路131对多个变压支路121输出的不同的脉冲电流进行整流稳压之后，为处于不同电位的负载供电。整流稳压单元采用通用的整流稳压单元均能够实现，本公开对此不做具体限定。

在本公开一实施方式中，脉冲发生电路11和变压器电路12通过高压电缆14连接，高压电缆14的耐压值可以根据实际需求选定。高压电缆14能够保证脉冲发生电路11和变压器电路12所需要承受的高电压。

如此，通过高压电缆14可以串联多个磁环变流器，这些磁环变流器对脉冲发生电路11的输出脉冲电流进行耦合的过程中，多个磁环变流器之间互不影响。

在本公开一实施方式中，脉冲发生电路11可以包括脉冲发生器111和储能元件112。需要说明的是，这是本公开一优选方案，本公开对脉冲发生电路11不做具体限定，具有相同作用的脉冲发生电路11均在本公开保护范围之内。

在本公开一实施方式中，储能元件112可以为贮能电感，在脉冲发生器111输出的脉冲信号为高电平的情况下，贮能电感利用所获取脉冲电压对其自身进行充磁。在脉冲发生器111输出的脉冲信号为低电平的情况下，贮能电感中的磁能通过高压电缆14放电。

图2示出了本公开实施例开关电源的整流稳压支路的原理框图。

在本公开一实施方式中，整流稳压支路131可以包括：整流单元1311，连接在变压支路121和稳压单元1312之间，用于对变压支路121的输出进行整流滤波；稳压单元1312，连接在整流单元1311和负载之间，用于对整流单元1311的输出进行稳压之后提供给负载；整流控制单元1313，用于根据整流单元1311的输出控制整流稳压支路131的导通或关断。

具体地，变压支路121将脉冲发生电路11输出的脉冲电流耦合后提供给整流单元1311，整流单元1311对耦合后的脉冲电流进行整流滤波后提供给稳压单元1312，稳压单元1312对整流滤波后的脉冲电流进行稳压后传输给负载，给对应的负载进行供电。

在本公开一实施方式中，整流控制单元1313包括电压监测单元13131和开关13132。其中，电压监测单元13131，连接在整流单元1311和稳压单元1312之间，用于监测整流单元1311的输出，并根据整流单元1311的输出控制开关1312的通断，以控制整流稳压支路131的导通或关断。

在本公开一实施方式中，电压监测单元13131包括：判断模块，用于判断整流单元1311的输出是否高于电压阈值；控制模块，用于在电压大于或等于电压阈值的情况下，控制开关13132关闭，以将相应的整流稳压支路131短路；以及在电压小于电压阈值的情况下，控制开关13132断开，以使相对应的整流稳压支路131导通。

具体的，由于变压器电路中的磁环变流器的初级和次级之间采用电流耦合，所以，整流单元1311的输出电压与负载的大小有关，负载小时，电压升高，负载大时，电压降低。在整流单元1311对变压支路121的输出进行整流滤波之后，整流稳压控制单元1313中的电压监测单元13131对整流1311单元的输出电压进行电压比对，在整流1311单元的电压大于或等于电压阈值的情况下，电压监测单元13131通过控制开关13132关闭，使相应的整流稳压支路131短路，以使整流单元1311的输出电压不在升高，使稳压电路能够继续工作。在整流1311单元的电压大于或等于电压阈值的情况下，电压监测单元13131通过控制开关13132关闭，使相应的整流稳压支路131导通，以使整流单元1311的输出电压继续升高，继续为负载供电。如此，电压监视单元13131监视着整流单元1311输出的电压，使其维持在正常的电压范围，避免了整流单元1311的输出电压过大或过小电压对稳压单元1312产生影响，保证稳压单元1312的正常工作。

图3示出了本公开实施例闸流开关组件的整体原理框图。

本公开实施例闸流开关组件的原理框图可以参考图3，可以包括：开关电源，用于给IGBT模块21供电；IGBT模块21，连接在开关电源和监测控制模块22之间，用于输出脉冲，包括多个IGBT单元211；监测控制模块22，连接在闸流开关组件所属线性调制器的主控模块和IGBT模块21之间，用于接收主控模块的触发信号，并同时向各IGBT单元211同步发送触发信号；还用于接收各IGBT单元211的状态信息，并发送给主控模块，以便于主控模块对该闸流开关组件的监测和控制。

具体地，开关电源为IGBT模块21进行供电，主控单元发送触发信号到监测控制模块22，监测控制模块22将触发信号传输至IGBT模块21，以使IGBT模块21导通进行工作。

在本公开一实施方式中，通过连接器将各低耐压的IGBT单元211进行串联形成IGBT模块21，由此各低耐压的各IGBT单元211串联形成IGBT模块21具有高耐压性。在本公开一实施方式中，IGBT模块21与监测控制模块22通过光纤对进行连接。该光纤对由二条光纤组成，一条用于向测控制模块22发送IGBT单元211的状态信号；另一条用于由测控制模块22传输触发信号到IGBT单元211。

图4示出了本公开实施例闸流开关组件的IGBT单元的原理框图。

参考图4，在本公开一实施方式中，IGBT单元211可以包括：IGBT驱动电路2111，连接在监测控制模块22和IGBT并联电路2112之间，用于接收触发信号并驱动IGBT并联电路2112；IGBT并联电路2112，与均压电路2113连接，包括多个IGBT；均压电路2113，与开关电源连接，用于对IGBT单元211进行均压；第一保护电路2115，与IGBT驱动电路2111连接，通过控制IGBT驱动电路2111对IGBT进行保护；第二保护电路，与IGBT并联电路2112连接，通过控制IGBT并联电路2112中的多个IGBT，对IGBT进行保护。

具体地，监测控制模块22传输触发信号到IGBT驱动电路2111，IGBT驱动电路2111驱动IGBT并联电路2112导通。

在本公开一实施方式中，由于各IGBT单元211是串联在一起的，高压加在IGBT模块21两端时，如果各IGBT单元211的等效电阻不一致时，会造成各IGBT单元211上的电压不一致，此时均压电路便用来减小这个电压的不一致。

在本公开一实施方式中，当监测控制模块22监测到IGBT单元的电压超出IGBT并联电路2112中IGBT的击穿电压的情况下，第一保护电路和第二保护电路同时触发来保护IGBT。其中，击穿电压为IGBT在关断时能够承受的最大正向电压。

在本公开一实施方式中，第一保护电路可以实现IGBT单元的快速保护。具体的，第一保护电路可以包括IGBT控制模块，IGBT控制模块能够在监测控制模块22监测到IGBT单元211两端的电压超出IGBT的击穿电压的情况下，在多个IGBT的门极上同时加电压，使多个IGBT同时处于放大状态，以使多个IGBT同时分担高电压和强电流，避免了单个IGBT承受高电压和强电流被损坏的情况。该第一保护电路可以在监测控制模块22监测到IGBT单元211两端的电压超出IGBT的击穿电压的情况下，迅速在多个IGBT的门极上加电压，使多个IGBT同时处于放大状态，响应时间仅为纳秒级，可以快速的对IGBT进行保护，避免IGBT被高压击穿。

在本公开一实施方式中，第二保护电路可以实现IGBT单元的慢速保护。具体的，第二保护电路可以包括：IGBT驱动控制模块，IGBT驱动控制模块能够在监测控制模块22监测到IGBT单元211两端的电压超出IGBT击穿电压的情况下，控制IGBT驱动电路2111以使IGBT导通，从而对IGBT进行保护。此第二保护电路可以在监测控制模块22监测到IGBT单元211两端的电压超出IGBT击穿电压的情况下，快速响应，响应时间为几十纳秒，以在快速保护电路控制IGBT处于放大状态后，通过控制IGBT导通以对IGBT进一步保护。

具体地，当某个IGBT单元211接收到监测控制模块22的触发信号后，IGBT单元211的IGBT未能及时导通，此时电压会不断升高，到监测控制模块22监测到IGBT单元211电压超出IGBT击穿电压时，快速保护电路和慢速保护电路被同时触发，此时快速保护电路触发，控制所处的IGBT单元211的IGBT并联电路2112中的所有IGBT同时处于放大状态来分担电压和电流，直到慢速保护电路控制未导通的IGBT导通，IGBT单元211能够正常工作，慢速保护电路和快速保护电路停止相应的操作。

在本公开一实施方式中，监测控制模块22可以通过接口电路2116与IGBT驱动电路2111连接。接口电路2116首先接收监测控制模块22发来的触发信号，并将所接收的触发信号发送至IGBT驱动电路2111；二是把IGBT单元211的状态，发送给监测控制模块22。需要说明的是，这是本公开一优选方案，本公开对监测控制模块22和IGBT驱动模块2111的连接方式不做具体限定，具有相同作用连接方式均在本公开保护范围之内。

这样，本公开提供的开关电源、闸流开关组件、线性调制器及电子直线加速器，通过在开关电源中设置多个变压支路，通过电流耦合的方式对脉冲发生电路输出的电流进行耦合，能够生成不同的电流以提供给处于不同电位的负载使用。并且本公开中的闸流开关组件将分立的低耐压小电流性能可靠的IGBT进行串联和并联，解决均压、均流、同步、防干扰的难题，达到大幅度降低成本、寿命半永久型的目的。

进一步的，基于如上文本公开的实施例提供的闸流开关组件，本公开还提供了一种线性调制器，线性调制器包括上述闸流开关组件。

进一步的，基于如上文本公开的实施例提供的闸流开关组件，本公开还提供了一种电子直线加速器，电子直线加速器包括上述线性调制器。

这里需要指出的是：以上对针对线性调制器及电子直线加速器实施例的描述，与前述图1至4所示的开关电源及闸流开关组件实施例的描述是类似的，具有同前述图1至4所示的开关电源及闸流开关组件实施例相似的有益效果，因此不做赘述。对于本发明线性调制器及电子直线加速器实施例中未披露的技术细节，请参照本发明前述图1至4所示的开关电源及闸流开关组件实施例的描述而理解，为节约篇幅，因此不再赘述。

需要理解，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括：

脉冲发生电路，用于产生脉冲输入电流；

变压器电路，连接在所述脉冲发生电路和整流稳压电路之间，用于对所述脉冲发生电路所产生的脉冲输入电流进行耦合；所述变压器电路包括多个变压支路，多个所述变压支路能够输出不同的脉冲输出电流；

整流稳压电路，连接在所述变压器电路和负载之间；所述整流稳压电路包括多个整流稳压支路，所述多个整流稳压支路与所述多个变压支路对应连接，用于在将所述多个变压支路的输出整流稳压后输出多个不同的脉冲电流，以将多个不同的脉冲电流提供给处于不同电位的负载。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述整流稳压支路包括：

整流单元，连接在变压支路和稳压单元之间，用于对所述变压支路的输出进行整流滤波；

所述稳压单元，连接在所述整流单元与负载连接，用于对所述整流单元的输出进行稳压之后提供给负载；

整流控制单元，用于根据所述整流单元的输出控制所述整流稳压支路的导通或关断。

3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述整流控制单元包括电压监测单元和开关；

所述电压监测单元，连接在所述整流单元和所述稳压单元之间，用于监测整流单元的输出，并根据所述整流单元的输出控制所述开关的通断，以控制所述整流稳压支路的导通或关断。

4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于：所述电压监测单元包括：

判断模块，用于判断所述整流单元的输出是否高于电压阈值；

控制模块，用于在所述电压大于或等于所述电压阈值的情况下，控制所述开关关闭，以将相应的整流稳压支路短路；以及在所述电压小于所述电压阈值的情况下，控制所述开关断开，以使相对应的整流稳压支路导通。

5.一种闸流开关组件，其特征在于，所述闸流开关组件包括：

权利要求1-4中任一项所述的开关电源，用于为IGBT模块供电；

所述IGBT模块，连接在所述开关电源和监测控制模块之间，用于输出脉冲；所述IGBT模块包括多个IGBT单元；

所述监测控制模块，连接在所述闸流开关组件所属线性调制器的主控模块和所述IGBT模块之间，用于将所述主控模块的触发信号传输至所述IGBT单元，以及监测所述IGBT单元的状态并反馈至所述主控模块；

其中，所述主控模块用于控制所述闸流开关组件。

6.根据权利要求5所述的闸流开关组件，其特征在于，所述IGBT单元包括：

IGBT驱动电路，连接在所述监测控制模块和IGBT并联电路之间，用于接收所述触发信号并驱动IGBT并联电路；

IGBT并联电路，与均压电路连接，包括多个IGBT；

均压电路，与所述开关电源连接，用于对所述IGBT单元进行均压；

第一保护电路，与所述IGBT驱动电路连接，通过控制所述IGBT驱动电路对所述IGBT进行保护；第二保护电路，与所述IGBT并联电路连接，通过控制所述多个IGBT，对所述IGBT进行保护。

7.根据权利要求6所述的闸流开关组件，其特征在于，所述第一保护电路为快速保护电路，包括：IGBT控制模块，用于在所述监测控制模块监测到所述IGBT单元电压超出所述IGBT击穿电压的情况下，在所述IGBT的门极上加电压，以使多个所述IGBT同时处于放大状态。

8.根据权利要求5-7任一项所述的闸流开关组件，其特征在于，所述第二保护电路为慢速保护电路，包括：IGBT驱动控制模块，用于在所述监测控制模块监测到所述IGBT单元电压超出所述IGBT击穿电压的情况下，控制所述IGBT驱动电路以使所述IGBT导通。

9.一种线性调制器，其特征在于，所述线性调制器包括权利要求5-7任一项所述的闸流开关组件。

10.一种电子直线加速器，其特征在于，所述电子直线加速器包括权利要求9所述的线性调制器。

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