CN117080046B - 高压极性高速切换装置及其质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质谱仪供电技术领域，提供一种高压极性高速切换装置及其质谱仪，该装置包括驱动控制模组、极性输出驱动模组、正电压输出控制模组以及负电压输出控制模组；正、负电压输出控制模组具有正电压输入端、电压输出端以及用于控制正电压输入端与电压输出端导通或截止的控制端；电压输入端与驱动控制模组耦合，控制端与极性输出驱动模组耦合；驱动控制模组与极性输出驱动模组电性连接；通过极性输出驱动模组的设置以及在输出控制模组中设置绝缘栅双极型晶体管，使得在切换时速度更快，并使得在使用正高压时负高压输出为空载，在使用负高压时正高压为空载，比通过低阻负载将未用极性高压拉低的方式功耗更低、更可靠。

Description

高压极性高速切换装置及其质谱仪

技术领域

本发明涉及质谱仪供电技术领域，尤其涉及一种高压极性高速切换装置及其质谱仪。

背景技术

在多重四极杆液相质谱仪对样品分析过程中，由于带电离子包含正负极性，因此在分析不同极性的离子时需要切换离子通路中高压的正负极性来检测相应极性的样品离子。在一些样品分析过程中，要求正负离子检测切换的时间需低于50ms，这使得常用的高压极性切换方法难以满足需求。

现有的离子高压极性切换方法包括通过继电器切换高压输出极性和使用低阻负载将不需要的极性高压强制拉低的方法来实现高压极性的切换。

以上两种常用的方法均有不足之处。首先，通过继电器切换高压极性既有成本高的缺点，又难以提升到50ms以内的切换速度。其次，使用低阻负载将非需极性高压强制拉低的方法主要缺点包括静态损耗大、对升压电路冲击大等问题。针对于上述问题，亟需一种在高电压下能够简单有效实现高速切换并具有低功耗的切换装置。

发明内容

本发明提供一种高压极性高速切换装置及其质谱仪，用以解决现有技术中高压切换速度慢，切换装置结构复杂造价成本高的缺陷。

本发明提供一种高压极性高速切换装置，包括：驱动控制模组、极性输出驱动模组、正电压输出控制模组以及负电压输出控制模组；

所述正电压输出控制模组具有正电压输入端、电压输出端以及用于控制正电压输入端与电压输出端导通或截止的控制端；所述正电压输出控制模组的正电压输入端与所述驱动控制模组耦合，所述正电压输出控制模组的控制端与所述极性输出驱动模组耦合；

所述负电压输出控制模组具有负电压输入端、电压输出端以及用于控制负电压输入端与电压输出端导通或截止的控制端，所述负电压输出控制模组的负电压输入端与所述驱动控制模组耦合，所述负电压输出控制模组的控制端与所述极性输出驱动模组耦合；

其中，所述驱动控制模组与所述极性输出驱动模组电性连接，以通过所述驱动控制模组控制所述极性输出驱动模组与所述正电压输出控制模组耦合；

或，通过所述驱动控制模组控制所述极性输出驱动模组与所述负电压输出控制模组耦合。

根据本发明提供的高压极性高速切换装置，所述驱动控制模组与所述正电压输出控制模组之间还设有正电压升压模块；

所述驱动控制模组与所述负电压输出控制模组之间还设有负电压升压模块。

根据本发明提供的高压极性高速切换装置，还包括正电压反馈电路和负电压反馈电路，所述正电压反馈电路的输入端与所述正电压升压模块的输出端连接，所述正电压反馈电路的输出端与所述驱动控制模组连接；

所述负电压反馈电路的输入端与所述负电压升压模块的输出端连接，所述负电压反馈电路的输出端与所述驱动控制模组连接，以适于监测所述正电压升压模块和所述负电压升压模块的输出电压。

根据本发明提供的高压极性高速切换装置，所述正电压反馈电路上和所述负电压反馈电路上分别设有反馈电压调节器，所述反馈电压调节器能够将所述正电压升压模块的输出电压以及所述负电压升压模块的输出电压调节至与所述驱动控制模组的输入电压相匹配。

根据本发明提供的高压极性高速切换装置，所述正电压输出控制模组包括正电压输出模块，所述正电压输出模块包括两个并联的双极型晶体管；

所述负电压输出控制模组包括负电压输出模块，所述负电压输出模块包括两个并联的双极型晶体管。

根据本发明提供的高压极性高速切换装置，所述极性输出驱动模组与所述正电压输出控制模组之间设有整流模块；

所述极性输出驱动模组与所述负电压输出控制模组之间设有整流模块。

根据本发明提供的高压极性高速切换装置，还包括多个所述正电压输出控制模组，多个所述正电压输出控制模组串联；

还包括多个所述负电压输出控制模组，多个所述负电压输出控制模组串联。

根据本发明提供的高压极性高速切换装置，所述正电压输出控制模组与所述极性输出驱动模组之间通过第一变压器耦合；

所述负电压输出控制模组与所述极性输出驱动模组之间通过第二变压器耦合。

根据本发明提供的高压极性高速切换装置，所述正电压输出控制模组与所述驱动控制模组之间通过第三变压器耦合；

所述负电压输出控制模组与所述驱动控制模组之间通过第四变压器耦合。

本发明还提供了一种质谱仪，包括质谱仪本体，所述质谱仪本体内设有上述任一实施例所述的质谱直流高压极性高速切换装置。

根据上述任一实施例提供的质谱直流高压极性高速切换装置，至少具有如下的有益效果：

本发明提供的一种高压极性高速切换装置，通过极性输出驱动模组的设置以及在输出控制模组中设置绝缘栅双极型晶体管，使得在切换时速度更快，并使得在使用正高压时负高压输出为空载，在使用负高压时正高压为空载，比通过低阻负载将未用极性高压拉低的方式功耗更低、更可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的高压极性高速切换装置的电路连接结构图；

图2是本发明提供的高压极性高速切换装置的模组串联的部分电路连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明中的描述术语“模组”、“模块”表示的是由多个具备基础功能的特定元器件通过电路连接的方式形成的能够实现特定功能的集合组件。例如，在下述说明中，驱动控制模组可以指代的是一个或多个用于控制驱动的控制器。此外，除非另有明确具体的限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或或暗示相对重要性或隐含之妙所指示的技术特征的数量。

在相关技术领域中，如申请公布号为CN108092495A的专利中，公开了“电压极性切换装置及方法”，包括控制器、正压输出模组、负压输出模组和反馈电路，其中正压和负压输出模组中分别具有第一负载切换电路和第二负载切换电路，在具体进行切换时，通过关闭第一负载电路或关闭第二负载电路实现第一负载切换电路和第二负载切换电路的切换。也就是，该专利中的技术方案需要通过关闭一路负载电路才能实现切换，但是在关闭后切换的过程中需要升压到预定的电压需要消耗大量的时间，使得切换时间延长，该方案通过接地的方式实现关闭切换，这使得能耗增大，且切换过程中过冲严重容易造成元器件损伤。针对上述，本发明提出了一种能耗低，切换速度快且安全的电压极性切换装置，具体通过下述的实施例进行详细说明。

下面结合图1描述本发明的一种高压极性高速切换装置，该切换装置能够实现高直流电压的快速切换，构造为适于质谱仪中，尤其适用于多重四极杆液相质谱仪中，并具体应用于直流高压极性的高速切换。该装置具体包括：驱动控制模组、极性输出驱动模组、正电压输出控制模组以及负电压输出控制模组；正电压输出控制模组具有正电压输入端、电压输出端以及用于控制正电压输入端与电压输出端导通或截止的控制端；正电压输出控制模组的正电压输入端与驱动控制模组耦合，正电压输出控制模组的控制端与极性输出驱动模组耦合；负电压输出控制模组具有负电压输入端、电压输出端以及用于控制负电压输入端与电压输出端导通或截止的控制端，负电压输出控制模组的负电压输入端与驱动控制模组耦合，负电压输出控制模组的控制端与极性输出驱动模组耦合；其中，驱动控制模组与极性输出驱动模组电性连接，以通过驱动控制模组控制极性输出驱动模组与正电压输出控制模组耦合；或，通过驱动控制模组控制所述极性输出驱动模组与负电压输出控制模组耦合。

上述实施例中，驱动控制模组分别与正电压输出控制模组以及负电压输出控制模组耦合，通过耦合能够将输入的交流电压进行升压操作，使其能够分别以高压输入到电路中。

可以理解的是，极性输出驱动模组分别与正电压输出控制模组和负电压输出控制模组耦合，具体通过分别与各自输出控制模组的控制端关联。也就是，极性输出驱动模组能够分别输出控制信号到各自的控制端，通过控制端的控制实现各自输出驱动模组的操作，进而能够实现对于电压极性的控制。

例如，通过极性输出驱动模组与正电压输出控制模组的耦合输入交流信号，该交流信号通过转变以能够激发正电压输出控制模组的控制端动作，实现正电压输出控制模组上的正电压输入端与电压输出端导通，进而实现了正高电压的输出；此时，负电压输出控制模组与极性输出驱动模组的耦合断开。同上述的，在需要切换时，将负电压输出控制模组与极性输出驱动模组的耦合开启，关闭正电压输出控制模组与极性输出驱动模组的耦合。

由上述实施例可知，本发明的高速切换装置，通过输入交流信号的方式控制正、负电压极性的切换有效提升了切换速度，使得切换速度显著提升。例如，现有的高压继电器在5KVDC高压下且切换速度大于50ms，而本申请的装置在同样的高电压下的切换速度在实际测试中可达20ms，可以看出，本发明显著幅缩短了切换时间。使用时仅有一路的输出控制模组工作，剩下一路的输出控制模组为空载状态，能够有效减小整体的功耗，提升了装置的可靠性。

一些实施例，驱动控制模组与正电压输出控制模组之间还设有正电压升压模块；驱动控制模组与所述负电压输出控制模组之间还设有负电压升压模块。

电压升压模块用于实现对输入交流电的转化以及对输入电路的电压进行升压，通过将升压后的直流电压分别输入到正电压输出控制模组和负电压输出控制模组。

具体地，正电压升压模块由科克罗夫特-沃尔顿电路形成。如图1所示，在本实施例中，科克罗夫特-沃尔顿电路由两个电容器C1、C2以及两个二级管D1、D2构成。负电压升压模块中，科克罗夫特-沃尔顿电路中的两个二级管D3、D4的朝向与正电压升压模块相反，除此以外，负电压升压模块的基本构成与正电压升压模块的基本构成相同。

上述示例中，还包括正电压反馈电路和负电压反馈电路，正电压反馈电路的输入端与正电压升压模块的输出端连接，正电压反馈电路的输出端与驱动控制模组连接；负电压反馈电路的输入端与负电压升压模块的输出端连接，负电压反馈电路的输出端与驱动控制模组连接，以适于监测正电压升压模块和负电压升压模块的输出电压。

通过设置反馈电路能够实时监测电路中的电压以实现对电路中输出电压的控制，能够通过实时的反馈进而进行调整，使得本装置具有更准确的输出电压。

更具体的实施例，正电压反馈电路以及负电压反馈电路上分别设有反馈电压调节器，反馈电压调节器能够将正电压升压模块的输出电压以及负电压升压模块的输出电压调节至与驱动控制模组的输入电压相匹配。

通过反馈电压调节器能够将输入的电压进行调节。例如，在本发明的装置中，输入的交流电通过正电压升压模块以及负电压升压模块的作用，使其转换为直流高压电，反馈电路分别连接升压模块与驱动控制模组，通过反馈电路调节器对于升压模块输出的直流高压电按比例缩小，使得输入到驱动控制模组中的电压为直流低电压，以用于能够与驱动控制模组的输入电压匹配。

一些实施例中，正电压输出控制模组和负电压输出控制模组具有相同的电路结构。其两者的区别在于，正电压输出控制模组的输入电压为正高电压，负电压输出控制模组的输入电压为负高电压。具体地，正电压输出控制模组包括正电压输出模块，正电压输出模块包括两个并联的双极型晶体管；负电压输出控制模组包括负电压输出模块，负电压输出模块包括两个并联的双极型晶体管。

具体的示例，如图1所示，在正电压输出控制模组中包括两个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）VT1、VT2，两个二级管D5、D6，以及三个电阻R1、R2、R3，两个绝缘栅双极型晶体管的栅极（即图示中G极）分别通过整流模块与极性输出驱动模组耦合，两个绝缘栅双极型晶体管的集电极（即图示中C极）分别与正电压升压模块的输出端连接；其中一个绝缘栅双极型晶体管与正电压升压模块连接的通路上连接有电阻R1，另一个绝缘栅双极型晶体管与正电压升压模块上连接有电阻R2、R3，R2和R3的阻值大于R1；两个绝缘栅双极型晶体管的漏电极（即图示中E极）相互导通并作为高电压的电压输出端，两个二级管D5、D6分别配置于各自绝缘栅双极型晶体管的集电极和漏电极之间的连接通路上。继续如图1所示，负电压输出控制模组的电路结构与正电压输出控制模组中的电路结构一致，两者的区别在于输入的电压极性不同。

下面对上述实施例中正电压输出控制模组的电路作具体说明。

如图1所示，当切换为正电压输出时，极性输出驱动模组输出控制信号控制两个绝缘栅双极型晶体管VT1、VT2使其导通，从而使得正电压输出控制模组工作。具体地，电流经电阻R1进入到绝缘栅双极型晶体管VT2中，然后通过绝缘栅双极型晶体管VT2中的集电极和漏电极之间流动并通过二级管D6后输出。同样的，输出负电压时，绝缘栅双极型晶体管VT3导通开启，电流VT3在集电极C和漏电极E流动并通过二级管D9，最后通过R5回流到负高压输出端。继续如图1所示，其中负电压输出控制模组与正电压输出控制模组采用同样的结构，使得本发明的控制模组易于制造。

进一步地，极性输出驱动模组与正电压输出控制模组之间设有整流模块；极性输出驱动模组与负电压输出控制模组之间设有整流模块。

整流模块能够将极性输出驱动模组的交流信号进行整流和转换，以形成直流匹配的电压，转换后的电压信号控制输入到绝缘栅双极型晶体管的栅极，通过栅极实现其集电极和漏电极的导通，从而使得在进行电压极性切换的时候，另一闲置的通路为空载，使其功耗更低，可靠性更高。

一些实施例中，如图2所示，还包括多个正电压输出控制模组和多个负电压输出控制模组，或多个正电压输出控制模组串联，多个负电压输出控制模组串联。通过在正电压通路或负电压通路上设置多个串联的输出控制模组结构，能够使得负电压通路和正电压通路具有不同的电压幅值，使得本发明能够适于不同的应用场景。

具体的，继续如图2所示，多个负电压输出控制模组串联时，将其中一个模组的电压输出端与另一模组的电压输入端连接实现串联。例如，将第二负电压输出控制模组中的电压输出端Q3’与第一负电压输出控制模组中的负电压输入端Q4相连接，实现了第一负电压输出控制模组与第二负电压输出控制模组的串联。可以理解的是，在多个模组进行串联时同样按照上述连接方式连接。

进一步的示例，如图2所示，还包括多个正电压输出控制模组和多个负电压输出控制模组，多个正电压输出控制模组串联，多个负电压输出控制模组串联。通过多个输出控制模组的串联能够有效提升电压幅值。进一步丰富了本发明的应用场景。

可以理解的是，在对多个正电压输出控制模组或多个负电压输出控制模组进行串联时可以根据实际高压输出幅值进行个数选择。

具体的示例，正电压输出控制模组与极性输出驱动模组之间通过第一变压器T1耦合；负电压输出控制模组与极性输出驱动模组之间通过第二变压器T2耦合。

进一步地，正电压输出控制模组与驱动控制模组之间通过第三变压器T3耦合；负电压输出控制模组与所述驱动控制模组之间通过第四变压器T4耦合。

各自的耦合端通过变压器的方式能够隔离模块之间的不同的控制电压。例如，如图1所示，在负电压通路中与变压器T2耦合的接入端Q1、Q2通过变压器进行隔离。

本发明还提供了一种质谱仪，包括质谱仪本体，在质谱仪本体内设有上述任一实施例所提供的高压极性高速切换装置。具体的说明可结合上文对于高压极性高速切换装置的具体解释。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式不再应用传统的耐高压继电器，使得整体的制作成本降低。通过极性输出驱动模组的设置能够实现对于电压极性的高速切换，并进一步通过控制绝缘栅双极型晶体管的开启和关闭来实现在其中一通路工作时，另一通路处于空载状态，使得整个装置的功耗更低，可靠性更高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高压极性高速切换装置，其特征在于，包括：驱动控制模组、极性输出驱动模组、正电压输出控制模组以及负电压输出控制模组；

所述正电压输出控制模组具有正电压输入端、电压输出端以及用于控制正电压输入端与电压输出端导通或截止的控制端；所述正电压输出控制模组的正电压输入端与所述驱动控制模组耦合，所述正电压输出控制模组的控制端与所述极性输出驱动模组耦合；

所述负电压输出控制模组具有负电压输入端、电压输出端以及用于控制负电压输入端与电压输出端导通或截止的控制端，所述负电压输出控制模组的负电压输入端与所述驱动控制模组耦合，所述负电压输出控制模组的控制端与所述极性输出驱动模组耦合；

所述驱动控制模组与所述极性输出驱动模组电性连接，以通过所述驱动控制模组控制所述极性输出驱动模组与所述正电压输出控制模组耦合；

或，通过所述驱动控制模组控制所述极性输出驱动模组与所述负电压输出控制模组耦合；

所述正电压输出控制模组包括正电压输出模块，所述正电压输出模块包括两个并联的双极型晶体管；

所述负电压输出控制模组包括负电压输出模块，所述负电压输出模块包括两个并联的双极型晶体管；

其中，所述极性输出驱动模组能够输出控制信号，所述控制信号能够分别控制所述正电压输出控制模组的控制端和所述负电压输出控制模组的控制端，以实现电压极性的切换控制，在具体切换时仅有一路的输出控制模组工作，剩下一路的输出控制模组为空载状态；

所述极性输出驱动模组与所述正电压输出控制模组之间设有整流模块；

所述极性输出驱动模组与所述负电压输出控制模组之间设有整流模块，所述整流模块能够将所述极性输出驱动模组的交流信号进行整流和转换，以形成直流匹配的电压，转换后的电压信号控制输入到双极型晶体管的栅极，通过栅极实现其集电极和漏电极的导通，从而使得在进行电压极性切换的时候，另一闲置的通路为空载。

2.根据权利要求1所述的高压极性高速切换装置，其特征在于，所述驱动控制模组与所述正电压输出控制模组之间还设有正电压升压模块；

所述驱动控制模组与所述负电压输出控制模组之间还设有负电压升压模块。

3.根据权利要求2所述的高压极性高速切换装置，其特征在于，还包括正电压反馈电路和负电压反馈电路，所述正电压反馈电路的输入端与所述正电压升压模块的输出端连接，所述正电压反馈电路的输出端与所述驱动控制模组连接；

所述负电压反馈电路的输入端与所述负电压升压模块的输出端连接，所述负电压反馈电路的输出端与所述驱动控制模组连接，以适于监测所述正电压升压模块和所述负电压升压模块的输出电压。

4.根据权利要求3所述的高压极性高速切换装置，其特征在于，所述正电压反馈电路上和所述负电压反馈电路上分别设有反馈电压调节器，所述反馈电压调节器能够将所述正电压升压模块的输出电压以及所述负电压升压模块的输出电压调节至与所述驱动控制模组的输入电压相匹配。

5.根据权利要求1所述的高压极性高速切换装置，其特征在于，还包括多个所述正电压输出控制模组，多个所述正电压输出控制模组串联；

还包括多个所述负电压输出控制模组，多个所述负电压输出控制模组串联。

6.根据权利要求1所述的高压极性高速切换装置，其特征在于，所述正电压输出控制模组与所述极性输出驱动模组之间通过第一变压器耦合；

所述负电压输出控制模组与所述极性输出驱动模组之间通过第二变压器耦合。

7.根据权利要求1所述的高压极性高速切换装置，其特征在于，所述正电压输出控制模组与所述驱动控制模组之间通过第三变压器耦合；

所述负电压输出控制模组与所述驱动控制模组之间通过第四变压器耦合。

8.一种质谱仪，其特征在于，包括质谱仪本体，所述质谱仪本体内设有如权利要求1-4任一所述的高压极性高速切换装置。