CN1666415A - 电力调制器 - Google Patents

Abstract

一种电力调制器，包括：多个磁心，至少一个围绕着所有磁心的次级绕组，至少一个由能量存储电容器、电子可控地接通或断开的开关装置、和输出导体并联连接的二极管以及一组单匝或多匝的初级绕组构成的脉冲生成模块，每组初级绕组围绕该多个磁心中的一个对应磁心，这些初级绕组组并联连接，从而提供一种其中每个脉冲生成模块驱动所有多个磁心的电力调制器。

Description

电力调制器

技术领域

本发明涉及电力调制器(power modulator)，并且更具体地涉及带有采用初级绕组和次级绕组的脉冲生成模块的电力调制器。

背景技术

a.调制器，术语的总说明和定义

调制器是控制电力的流动的部件。当接通一个电灯并且接着再次断开时，可以说对馈送到该灯的电流进行调节。在其最常见的形式下，调制器向例如微波产生器的规定负载传送高电力的电脉冲串。世界上的大多数高功率雷达利用调制器向微波源传送电力脉冲，后者转而以周期性微波脉冲串的形式向天线结构馈送电力。这种电力调制器的其它可能应用在下面列出。

二次大战后的几十年中，电力调制器的基本结构没有明显改变。常规调制器包括一个从AC(交流)电力线接收电力的电源，调制器升高电压、整流电力以产生直流DC电力并把能量传送到通常由能量电容器组构成的蓄能器。由于电力输入线不能传送峰值电力这是必须的，从而该蓄能器按小的能量片传送峰值电力，并且通过DCPS以小得多的平均功率按合理恒定速率加以补充或者充填。

该蓄能器的部分能量接着传送到一个较小的第二蓄能器，其通常是一个脉冲形成网络(PFN)。PFN是设计成向负载以方波(平顶波)的形式传送电力的电容器和电感器网络，其中这些方波具有和脉冲宽度或持续时间相比为很快的上升时间和下降时间。

接着该脉冲形成网络(人工传输线或延迟线)切换成使其和一个通常是但不总是为一个升压变压器的脉冲变压器的初级侧连接。切换前PEN电压为V，而施加到该脉冲变压器初级的电压为V/2或略小。这是PFN技术的一个缺点。该脉冲变压器的匝数比(升压比)对于PEN以及对于本发明必须为二倍。

PFN在时间T(典型地为几到几十微秒)内完全放电，其在该脉冲变压器初级上保持相当恒定的电压并且在该变压器的次级上产生相当平坦的输出脉冲。但是如果要求百分之0.1左右的脉冲平直度，则PFN必须具有数量非常大的电感器-电容器(LC)环节，并且这难以调整。另外，如果PFN中的任何元件出故障，当安装新元件时需要重新调整PFN，因为在PFN中所有元件的值和位置都是非常关键的。

传送该脉冲后，必须为下一个脉冲把PFN完全充电到电压V。为了把脉冲对脉冲重复性保持在百分之零点几，必须以高精确度出现大的充电电压“摆动”。所有PFN电容器按每秒几百次或几千次地在每个脉冲中完全充电并且完全放电会在这些电容器的介质材料上施加强应变，从而强制把这些电容器设计成应力非常低以及因此能量密度非常低。这使得和本发明的其中不是对于每个脉冲电容器都放电和再充电并且从而电容器可以具有高得多的能量密度的新概念相比，PFN的结构大。

概括之，现有技术调制器的缺点是：

·脉冲变压器初级侧上的电压高，典型地为10千伏或更高。

·对于每个脉冲必须把PFN完全充电到10-20千伏并在该脉冲期间完全放电，这在电容器上施加高应力

·由于上面的原因PFN电容器的能量密度低，从而它们和本发明的新概念中使用的低应力电容器相比相当大。

·如果负载出现短路(例如磁控管经常发生的那样)，不能中断电流，因为在电流降到零之前不能断开高电压的PFN开关(充气闸流管)。

·如果PFN中的一个元件出故障，更换该元件后必须把该PFN重新调谐到最优脉冲形状。这是一项麻烦和危险的工作，因为它必须在向PFN施加高电压的情况下进行。

·如果需要不同的脉冲宽度，必须更换并且重新调谐PFN结构

b.脉冲变压器

所谓的分数线匝(fractional-turn)脉冲变压器的历史是从NicholasChristofilos的一项发明开始，该发明在20世纪60年代早期转让给美国政府的Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)。当时该实验室称为Lawrence Livermore实验室或LLL。该发明公开一种使用大量环形(圆环形)磁心的方法，每个磁心由一个几十千伏(KV)的高电压脉冲产生器驱动(利用火花隙开关(spark-gap switch)和脉冲形成网络或PFN)以便产生几百kV到几兆伏(MV)的加速电势来加速带电粒子束。在下面的图1和2中示出所谓的线性磁感应(LMI)加速器的基本思想。

图1示出一组环形磁心，它们排列成使它们的中心孔围绕着一条沿其加速粒子束的直线。

图2示出增加了更多细节的LMI结构；示出一个高电压(HV)驱动器系统(每个磁心一个)并且指出粒子束路径。

这种类型的加速器的关键特征在于，它和所有LINAC加速器一样具有一个接地电势的外表面。驱动各个磁心的电压全部呈现成沿着中心轴向下地串联相加，但是不呈现在任何其它地方。这意味着该加速器不向外部世界辐射能量并且由于它不需要对环境隔离而容易在实验室中安装，LLL在20世纪60年代建立一个台800kV的LMI(ASTRON加速器)并且用于聚变试验中的电子束加速。在该实验室于20世纪70年代建立一个更大的LMI机(FXR，用于瞬间X射线)并把电子束脉冲加速到X射线转换目标。FXR用于爆炸的冻结帧X射线照相术。

可借助图3说明LMI加速器的操作原理，图3在一个包含粒子束轴的平面中示出机器剖面图。

为了讨论图3中示出的多磁心结构的行为需要一些规则。首先，需要右手规则。该(经验)规则指出，如果你用右手握着导体并且用姆指指向电流的正方向，则你的各个手指会按磁通线围绕该导体的方向握住该导体。把该规则应用到图3，环形磁心中感应的磁通会如图所示环行。利用“点”指示磁通向量指向读者，而“X”用于表示磁通向量离开读者。

把该规则应用到沿着图3中结构的轴向右侧流动的粒子束，我们发现该束产生的磁通以和初级电流感应的磁通相反的方向环行，这是正确的。如果我们把它看成是一个变压器并且该粒子束是次级绕组上的一条短路电路，则次级中的电流将按抵消初级感应的磁通的方向流动，从而造成磁心中不感应净磁通并且由此代表一条对初级电源的短路电路。磁心中磁通不改变意味着初级绕组上没有电压，并且按定义这是一条短路电路。从而，带正电的粒子(质子)束会通过该结构向右加速，而带负电的粒子(电子)束会向左加速。

现在应用电学的另一个规则，即围绕磁通的导体中感应的电压等于该磁通的变化率。研究围绕所有五个磁心的磁通的路径ABCD。流过该路径的该导线中感应的电压等于所有五个磁心共同的磁通的变化率。但是每个磁心由初级电压V驱动，所以每个磁心具有等于V的磁通变化率。从而，沿着路径ABCD感应的电压应为5V。该结构起一个升压变压器的作用。另一个规则是，在变压器中次级电压对初级电压的比等于次级匝数对初级匝数的比，从而尽管路径ABCD只表示单个匝，图3的LMI加速器有效匝数比等于5。从而初级必须为1/5匝，这样可把LMI加速器看成是一个带有分数匝数初级的变压器

c.其它相关技术

图4是Crewson等1999年5月18日在美国5,905,646号专利中公开的脉冲变压器连接的草图。为了简明，示出二个脉冲生成模块。如可看出那样，每个模块驱动一个绕着二个磁心中的一个的单匝初级(1)。每个模块包含一个充到电压为V的电容器，并且具有一个箝位二极管或反向二极管D以防止开关发生当断开开关时导致的电压的破坏性“反向尖峰”。

上面给出的美国5,905,646号专利强调每个模块驱动初级结构中的一个独立的匝的思路。这是通过保证所有模块开关会传导相同电流达到的。但是该限制使得调制器存在一种潜在的破坏性故障模式。为了理解这种破坏性故障，假定图4中的二个开关不准确地同时导通。如果上面的开关比下面的开关早几分之一微秒导通(或者反之)，麻烦突然出现。如果此种情况发生，上面的磁心按示出的方向(在“X”处流入页面并在点符号处流出页面)产生磁通。该磁通如图所示感应流入次级和负载的电流。在下面的磁心中尚不存在磁通，因为它的模块开关还未导通，但流入次级绕组的电流会在下面的磁心中按与指示方向相反的方向地感应磁通。该磁通会在所示出的下面的模块连接中感应电流，并且该电流造成下面模块中的二极管D导通。

现在，当下面模块中的开关的确接通时，所施加的电压反向偏置下面的二极管(其是导通的)并且这迫使该二极管断开。当导通的二极管在高电流导通情况下于几纳秒内断开，该二极管通常会损坏。当该二极管损坏时，它变成一条短路电路。该短路电路接着吸引几乎不受限制的电流流过下面模块的开关，从而损坏该开关。

发明内容

本发明的一个目的是消除上面提到的如美国5,905,646号专利中那样的现有技术调制器的缺点。本发明的另一个目的是提供一种电力调制器，其初级绕组连接不必要求脉冲生成模块和初级绕组的数量相同。本发明的再一个目的是提供一种如下所述那样消除前面提到的现有技术调制器的缺点的电力调器：

·其脉冲变压器初级侧的电压低，典型地为1kV或更低；

·不存在PFN，从而避免PFN的所有缺点，这是因为调制器开关是例如IGBT或MosFet的半导体，当电流流入时它们可以断开从而终止脉冲。

·能量存储电容器在脉冲期间的放电不超过几个百分点，从而它们的能量密度可以大大高于PFN电容器的能量密度；

·如果负载上出现短路电路，通过观测负载电压的突然下降可以检测出短路，产生一个释放快速比较器的信号，该快速比较器从这些半导体开关移除低电压选通脉冲，从而结束脉冲(现有技术调制器为此目的采用过电流检测器，它们操作上慢得多并且在断开之前让高得多的电流流过)；以及

·如果需要不同的脉冲宽度，则可以通过简单地改变固态开关触发器的定时来提供，这种操作是在低电压下进行的并且可以从计算机控制站完成，从而允许简单地电子地调整脉冲宽度。

这些优点导致和老式技术PFN/闸流管相比这种固态调制器系统的小得多的尺寸以及长得多的服务寿命。

本发明的又一个目的是提供一种可在不同时间接通或断开不同脉冲生成模块的电力调制器，能在不同时刻接通或断开脉冲生成模块对于消除脉冲开始时的过调或阻尼振荡是有用的。

出于说明上的简明，讨论限于二个脉冲生成模块的情况。这决不意味对本发明的限制，相反本发明可以任何数量的脉冲生成模块工作。

如图5中所示添加二个单匝会完全消除掉前面提到的过电压故障模式，并且同时消除脉冲生成模块和初级绕组数量相等的限制。按美国5,906,646号专利建立的现有技术调制器受到每个初级绕组具有一个脉冲生成模块以及每个磁心段具有至少一个初级绕组的限制。利用本发明可以消除该限制，从而可以使用任何数量的模块。现有技术要求每个磁心段由数量相同的模块驱动。但是借助本发明，可以使用任何数量的模块并且仍对每个磁心提供相同的驱动信号。这是有利于本发明的强大经济优势。

当添加图5中的导线(11)时，则无论哪个模块开关首先接通都会控制该电路直到其它开关闭合。如果上面的开关先于下面的开关导通，则上面的模块会驱动二个磁心中的而不仅仅是上面磁心中的磁通。这会防止下面的二极管被拉入导通状态，因为该二极管将被反向偏置。如果所有初级并联连接则该效果几乎相同，即“早”的开关会对所有“迟”的模块里的二极管施加正电压。

事实上可以并联连接所有初级以便进一步简化。这不是显然的，但是考察图4会看出这是起作用的。如果实际上所有开关都在相同时刻闭合，则在图中的点P和R之间不存在电压。如果把点Q和T连接在一起，这些点之间也不存在电压。如果P和R之间不存在电压，则还能在不会引起附加电流流动的情况下把这些点连接在一起，从而该电路会和把所有初级连接到一起的情况同样地工作。

上面这二种连接事实上都用来均衡模块电流，而美国5,906,646号专利中公开的独立连接不能达到该结果。这是因为本发明首次保证了向所有脉冲生成模块体现的负载阻抗是完全相同的。而在现有技术中这得不到保证。至于上面给出的二种初级连接，图5中示出的连接优于把所有初级简单地并联到一起的思路，因为当所有初级并联时任何模块中的任何二极管故障会把来自所有模块的所有电流拉入到该出故障的二极管中，这对于开关会是很有破坏性的。图5的连接消除了这种可能。

附图说明

图1示出用于LMI加速器的磁心排列；

图2示出带有一个PFN和一条粒子束路径的LMI加速器；

图3示出五心LMI加速器的结构；

图4是依据现有技术的带有二个脉冲生成模块的半匝初级连接的示意图；

图5是依据本发明的带有二个脉冲生成模块的半匝初级连接的示意图；

图6是一实施例中的一个脉冲生成模块的详图；

图7示出一些典型的高压脉冲变压器；

图8是含有二个并排磁心的脉冲变压器的三维图。

具体实施方式

下面通过例子详细说明如何设计本发明中的电力调制器以及本发明的一些优选实施例。这些优选实施例和该设计例子只是示意性的，并且决不要把它们看成是对本发明的限制。

本发明提供一种电力调制器。该电力调制器包括：脉冲生成模块组，其中每个脉冲生成模块具有围绕一组磁心的初级绕组连接，并且具有一个围绕所有这些磁心的次级绕组。这些脉冲生成模块还包括一个能量存储电容器、开关装置和一个二极管或串联连接的二极管组件。该二极管或该串联连接二极管组件连接在该开关装置和向该电容器回送电流的导体之间。该开关装置可以是电子学领域技术人员周知的任何开关，例如IGBT固态开关。如上面所述，该调制器中的脉冲生成模块/模块组带有初级绕组的一种连接，并且在图5中示出用于一个带有二个脉冲生成模块和二个磁心的电力调制器特定情况的连接。带有这些特征的电力调制器是下面的各实施例中引用的电力调制器。

如前面强调指出的那样，图5中示出的连接完全消除了现有技术中经常发生的破坏性故障模式。图5示出带有二个脉冲生成模块和二个磁心的连接。这只是说明性的，模块的数量可以为任何数量并且磁心的数量也可以为任何数量。所需要的只是使得带有二个以上脉冲生成模块的电力调制器通过围绕每个磁心的初级绕组连接所有的模块，从而每个磁心由来自各个模块的一个初级绕组围绕。因而，这是一种对任何数量的磁心添加任何数量的模块的简单方法。作为一个例子可以考察一个具有N个脉冲生成模块和M个磁心的电力调制器。如果要只利用单匝初级绕组以及本发明的连接建立一个电力调制器，则单匝初级绕组的总数量应为2M×N，其中用于每个脉冲生成模块的2M个单匝初级线圈应包围M个磁心(如图7中所示，每个磁心“腿(leg)”一个初级匝并且每个磁心二条“腿”)，以及N个脉冲生成模块。重要的是，要注意到在一优选实施例中这些脉冲生成模块不通过诸如导线的外部连接连接在一起。模块之间存在的唯一连接只是通过磁心中的磁通造成的感应连接。当然可能通过并联地连接所有初级绕组互连各模块，尽管这可能导致前面提到的故障，即，当所有初级绕组并联时，任何模块中的任何二极管故障会把所有电流从所有模块拉入该故障模块，这对开关可能是极具破坏性的。

本发明的另一实施例包括一种电力调制器，其带有单个脉冲生成模块，该模块的初级绕组包围所有磁心。在此方式下单个模块驱动所有磁心。

应注意，上面讨论的初级绕组可以是单匝或多匝的初级绕组。在后一种情况下存在所有初级绕组中的每匝的电压都相同的条件，即，如果属于不同脉冲生成模块的电容器中的电压V是不同的，则该不同应在初级绕组的匝数N上反映，从而对于所有的初级绕组V/N相等。如果不满足该条件，初级绕组会彼此斗争并从各脉冲生成模块抽取过量的电流。如果所有电容器上的电压是相同的，则每个多匝中的匝数必须相等以满足该每匝电压条件。

电力调制器通常具有范围广泛的各种应用，如：雷达系统、激光器、癌治疗、微波加热、工艺中的材料消毒、粒子加速(LINAC)驱动、核聚变的等离子加热、半导体清洁、表面处理、气体激光器的电子束泵激、印刷业中的油墨固化、声纳中的压电或磁致换能器驱动、超声波医学成像、驱动单脉冲宽带雷达的天线结构、在航空航天器中驱动高电流和高电压、照明、核武器作用仿真、直接驱动用于材料改进的电子束源、为对雷达产生微波的驱动速调管、磁控管、回旋管或交叉场放大器管等等。当然，诸如本发明的电力调制器也可以用于任何需要电脉冲的场所。

调制器设计例子

下面是一个依据本发明的原理如何设计电力调制器的例子。该例只是说明性的，并且所有数字以及具体部件仅是出于教学目的包含的从而不应看成是对本发明的限制。

a.脉冲生成模块数量的选择

理解该新型调制器概念的有效方法是对这种调制器做一次初步设计练习。假定要实现120kV的脉冲，其带有5微秒(μs)脉宽上的70安培的峰值电并且具有每秒800个脉冲(800Hz)的脉冲重复频率(PRF)。还假定可以得到额定1600伏、2200安的IGBT固态开关。

第一步是计算峰值功率输出，因为它强列影响所需要的开关数量。峰值功率为120kV乘70安，或8.4兆瓦(8.4MW)。要考虑开关的安全裕量，从而它们不在其最大额定条件下工作。经验表明75％的峰值额定值允许长寿命的安全裕量。从而每个开关的工作数值应不超过0.75×1600＝1200伏和2200÷0.75＝1650安。从而，每个开关可以产生1200×1650＝1.98MW。为了传送8.4MW，需要8.4/1.98＝4.24个开关，从而采用五个开关以保持设计安全。

在按美国5,905,646号专利建立的现有技术调制器中，受到每个初级绕组具有一个脉冲生成模块以及每个磁心段至少具有一个初级绕组的限制。利用本发明，如前面的说明中指出那样，该限制被消除并且可以使用任何数量的模块。例如，如果采用带有二个磁心的脉冲变压器以得到1/2匝的初级绕组，则在这样的变压器中存在四条“腿”或者四个磁心段。现有技术要求由数量相同的模块驱动每个这样的“腿”或磁心段。不能使用四个模块，因为这违背该例中选定的安全裕度。从而在现有技术下，必须使用八(8)个模块，以便各个磁心“腿”由二个模块驱动。但是利用本发明，可以使用五(5)个模块并且仍对该变压器的四个磁心“腿”中的每条腿提供相同的驱动信号。

b.电容器尺寸和脉冲平直度

在该例中脉冲生成模块的数量决定为5个(至少在初步设计中)。在涉及到开关的热传输和冷却、电容器以及其它元件的设计的进一步迭代中可能造成该数据轻微改变，但是这种设计的详细程度超出本发明的范围。现在转到每个模块中使用的电容器。如果把法拉值为C的电容器充电到电压V并接着和一个负载连接以在T秒的时间内引出电流I，该电容器的电压将按下式“下降”或“下滑”：

                  ΔV＝ΔQ/C＝IT/C

其中Q是电荷(以库仑为单位)符号而Δ符号意味“改变量”。该式读作“电压改变等于电荷改变除以电容C”。这是立刻从电容的定义得出的，该定义是电容等于电容器中单位外加电压下的电荷量：

                           C＝Q/V

现在作为例子假定要求脉冲具有对脉冲电压平均值不超过0.5％偏差的平顶。在本例中，起始电压为1200伏，从而脉冲末端处的电压应不低于该电压的0.5％，或0.995×1200＝1194伏。V的该偏差值为6伏。每个模块的电流已确定为1650安(1650A)并且脉冲持续时间T为5μs，从而电容为：

C＝Q/V＝ΔQ/ΔV＝IT/ΔV＝1650×5×10^-6/6

 ＝1375×10^-6＝1375μF

这是一个非常大的电容。为了降低对这样大的电容的需求，可以选用脉冲平整电路，其约可把电容减小到十分之一。如果采用这种电路，可把该电容减小到137.5μF而不是1375μF。

c.模块电路

已决定出开关数量(5)和模块电容器的大小(1200伏，138μF)。出于冷却原因，可以把该电容器划分成二个或三个独立的容器，以便提高表面面积与体积的比率，因为这改善排除废热的能力。从而最终的电容器值可以是138/2＝69μF或者138/3＝46μF。现在按图6中示出的形式把这部件组装成脉冲生成模块。

在图6中，接地连接如图所示附着到该电容器的负端上。这是一种灵活的选择—接地连接还可以设置在开关的发射极端上。这样做会使该触发脉冲生成电路是以地为基的，这可免去所示电路中用来使控制极连接与地隔离的小脉冲变压器T1。

还示出反向二极管连接成跨在模块的输出端上。当开关导通时该二极管反向偏置，但当该开关断开(造成不导通)时，由于脉冲变压器的感应输出电流继续流动。此刻该反向二极管变成导通并把输出电压箝位到接近零以防止开关遭受破坏性过电压状态，如果不存在该反相二极管该过电压会破坏开关。在现有技术中，二个相邻脉冲生成模块之间的定时差异会造成该反向二极管过早接通。接着当和该二极管连接的开关接通时，该导通的二极管突然断开。该瞬变常常破坏该二极管，使它短路。这进而通过让过多的电流流到该开关中而破坏该开关。

图6中选用的脉冲平整电路示成和脉冲变压器次线绕组(组)的低电压端串联连接。图6中阻尼电路示出和模块输出串联连接。如前面说明那样，现有技术调制器要求每个模块具有一个这样的阻尼电路，但本发明的新的连接概念允许各模块在不同的时刻接通，这种特征允许只使用一个阻尼电路。和该单个阻尼电路连接的模块首先接通，当输出脉冲到达到峰值并且电压已稳定时，其它模块接着接通以承载脉冲负载。在此情况下所有模块同时断开。这节约成本和降低复杂性。

d.脉冲变压器考虑

图7示出一个脉冲调制器中使用的典型高压脉冲变压器。磁心标记为(15)，而高压输出连接(屏蔽环)标记为(16)。几何尺寸和调制器输出电压及功率成比例。典型地，这种变压器浸在充满基于矿物或基于硅的绝缘油的箱中以改善冷却以及高压绝缘。

图7中示出的磁心是一个单心组件。在双心变压器中，二个相同的磁心并排排列并且都由次级绕组包围，同时每个磁心带有一组单独的初级绕组。这提供半匝初级性能，如前面说明那样。可类似设置三个或更多的磁心，以分别提供1/3或1/4匝初级绕组性能。例如SLAC(斯坦福线性加速器中心)调制器使用比四个磁心多得多的磁心而次级上的匝数很少(一至三个)。依据什么选择磁心数量和次级匝数数量如现在要说明的那样，脉冲上升和下降时间指导这些选择。将回到该设计例子以帮助对此的说明。

在图8中可清楚地看出二个磁心之间的间隙。比较图7和8，看到次级绕组(围绕所有磁心的绕组)和初级绕组之间存在空间容积。当变压器工作时，根据安培定律该变压器中除了各绕组之间的容积之外任何地方(包括磁心材料本身)几乎都不存在磁场。该磁场存储磁能，并且其等于呈现出和负载串联的感应。该感应是串联的而不是并联的，因为除非电流首先流过各绕组并且建立杂散磁场，否则该电流不会到达负载。该磁场代表变压器性能上的“税”，为了获得任何输出电力必须支付该“税”。由该磁场容积建立的电感称为变压器的漏电感。

众所周知，线圈电感和线圈匝数的平方成比例。当从变压器的次级或输出侧测量时，该漏电感和次级匝数的平方成比例。因此，任何可以减小次级匝数的事件会明显影响漏电感。该电感越小，输出脉冲就可更快地上升到它的最大电力电平。通过并排设置二个各带有自己的初级线圈组的磁心，采用分数匝初级对于给定输入和输出电压将使次级匝数减半。这会(几乎)将漏电感减小到原来的四分之一，并且会允许比采用单磁心的情况脉冲上升要快几乎四倍。

该论点是不确切的，因为漏电感与初级组件和次级组件之间包含的容积以及次级匝数的平方成比例，并且当对变压器添加更多的磁心时该容积会增加。出于这个原因，当磁心从一个变成二个时漏电感的减少更接近1/3而不是1/4。但是在对脉冲变压器得到更快的上升和下降时间上，该效应仍是非常有用的。

再次研究图2和3，看出在二个磁心的情况下存在四条必须由初级线圈包围的垂直磁性材料“腿”。这在前面的讨论中已经提到，并且这样做的原因在这二张图中是明显的。对于单个磁心，存在二条这种垂直的“腿”。概言之，对于N个磁心存在2N个需要由初级线圈包围的“腿”。基本上，多心变压器等同于若干并联连接的变压器。

为了完成该设计例子，需要对变压器定尺寸。假定磁性材料具有等于Bmax泰斯拉的饱和磁通密度。在采用较老的磁单位系统下，该磁通密度的典型值在1泰斯拉或10,000高斯附近。围绕各磁心缠绕一组线圈以承载用来复位这些磁心的DC电流。这些线圈通过一个串联复位扼流圈(reset choke)和DC电源连接，因为当变压器由脉冲生成模块组驱动时这些复位线圈会形成脉冲电压，并且需要一个高串联阻抗以使该DC电源免遭该脉冲影响以及确保复位电流不受该脉冲的影响。该复位扼流圈和变压器中的脉冲动作无关地保持复位电流不变地流动。

该DC复位电流在各磁心中感应等于-Bmax的DC磁通密度，该负号表示该磁通方向上和该变压器产生脉冲时感应的磁通相反。这允许这些磁心使用在没有复位情况下所需材料的一半材料做成，因为现在在脉冲期间磁通密度可从-Bmax摆动到+Bmax从而总的磁通变化范围为2Bmax。每个磁心具有AC平方米的剖面面积(见图2)。而Lenz定律指出若使用单匝初线绕组，在给定模块电压V和脉冲持续时间T情况下，每个磁心的剖面面积按如下计算：

Ac＝V×T/2Bmax

代入数值V＝1200伏、T＝5μs、Bmax＝1泰斯拉，可得到Ac＝0.003平方米或30平方厘米。从而二个磁心中的每个的剖面面积约为5.5cm宽和5.5cm深，这是所建立的典型变压器。通常要为更宽的10到12us的脉宽进行设计，从而更次根据上式磁心要比该磁心大。

接着希望具有1.2kv输入和120kV输出，从而电压增益为100∶1，这要求图2和3中示出的二个并联连接的次级“笼”的每个笼为50匝。这反映初级实际上为1/2匝的事实。电压增益等于匝数比，在本情况下其为50/0.5＝100。

如前面提到那样，具有四条由初级线圈围绕的垂直磁心“腿”，因为实际上在制作二个并联连接的变压器。这些“腿”中的每条腿需要围绕它的五匝，因为要使用五个模块。接着把每个模块连接到一组四个单匝的初级绕组，每个组的每个匝用于四条“腿”中的一条。从而所需的总初级匝数为5个模块乘以每个模块4个腿匝，或20匝初级绕组。这给出每条“腿”五匝，这是符合的。

应该提到，为了保持漏电感低，需要用良好的“电流板(currentsheet)”近似来围绕每个磁心“腿”以使各条导线之间的磁场为最小。沿着用于120kV的长度可为15cm的磁心腿间隔排列的五条小直径导线不是均匀电流板的良好近似，因此可以这样做出五个单匝：绕磁心腿例如缠十条或者甚至二十条单根导线，接着把这些单匝分成五个各为二个或三个或四个单匝的线束，并联连接每个线束以等同于一个宽的单匝。

在该设计例子中，希望800Hz PRF，并且每个脉冲传送的输出能量为Vsec×Isec×Tpulse＝1200kV×70A×5us＝42焦耳/脉冲。在800Hz的重复率下，这代表平均功率为800×42＝33,600瓦或33.6KW。占空率是脉冲持续时间和脉冲之间间隔时间的比，在本情况下为800×5μS＝0.004或0.4％。电流的RMS(均方根)值等于峰值电流乘上占空率的平方根，在本情况下为70安乘0.063，或4.4安的总次级电流。次级是由如图7和8的二个并联连接的绕组构成的，从而这些绕组中的每个承载2.2安的RMS电流。根据承载该电流的标准导线表确定导线剖面尺寸。

类似地，对于每个初线绕组峰值电流为1650安，从而RMS电流为104安。同样，在考虑能把导体冷却到安全等级的热传输/冷却装置的情况下，从承载该电流的标准表确定初级导体的尺寸。

除了对复位绕组和复位电流确定尺寸外，这完成了调制器的连接。确定复位绕组和复位电流的尺寸涉及磁性材料的导磁率，其是以泰斯拉为单位的磁通密度B和以每米安匝数为单位的磁势H的比率，并且是磁性材料目录中被列表的一项特性。当确定该数值时，复位匝数和复位电流的选择涉及简单应用安培定律从而不必进一步说明。这是众所周知的技术。

上面给出的实施例和设计例子仅是说明性的，存在本领域技术人员容易想到在本发明的范围和精神之内的其它实施例。从而应按附后的权利要求书定义本发明。

Claims (14)

1.一种电力调制器，包括：

至少二个脉冲生成模块；以及

至少一个围绕着所有多个磁心的次级绕组，

其中每个所述脉冲生成模块包括：

一个能量存储电容器；

可电子地受控接通和断开的开关装置；

至少一个和所述脉冲生成模块的输出导体并联连接的二极管；以及

一组初级绕组；以及

其中，所述初级绕组组中的每个初级绕组围绕所述多个磁心中的一个对应磁心，所述初级绕组组并联连接，从而提供一种其中所述至少一个脉冲生成模块中的每一个驱动所有所述多个磁心的电力调制器。

2.如权利要求1所述的电力调制器，其中，所述至少一个二极管是一个串联连接二极管组件中的一部分。

3.如权利要求1所述的电力调制器，其中，所述初级绕组是单匝初级绕组。

4.如权利要求1所述的电力调制器，其中，所述初级绕组是多匝初级绕组。

5.如权利要求1所述的电力调整器，其具有至少二个脉冲生成模块，所述至少二个脉冲生成模块中的每个包括一组初级绕组，每个初级绕组围绕多个磁心中的一个对应磁心，所述初级绕组组并联连接并与所述脉冲生成模块并联连接，从而在所述至少二个脉冲生成模块的所有模块中得到相等电流并且在所述至少二个脉冲生成模块中消除掉破坏性过电压状态。

6.如权利要求5所述的电力调制器，其中，脉冲生成模块的数量和磁心的数量相等。

7.如权利要求5所述的电力调制器，其中，脉冲生成模块的数量和磁心的数量不同。

8.如权利要求5所述的电力调制器，其中，可以通过手工或自动装置在不同时刻接通或断开每个脉冲生成模块。

9.如权利要求5所述的电力调制器，其中，并联连接所有脉冲生成模块。

10.如权利要求5所述的电力调制器，其中，所述开关装置是IGBT固态开关。

11.如权利要求1所述的电力调制器，其中，脉冲生成模块的数量和磁心的数量相等。

12.如权利要求1所述的电力调制器，其中，脉冲生成模块的数量和磁心的数量不同。

13.如权利要求1所述的电力调制器，其中，可以通过手工或自动装置在不同时刻接通或断开每个脉冲生成模块。

14.如权利要求1所述的电力调制器，其中，所述开关装置是IGBT固态开关。

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