TWI491158B - 電容器充電器系統、功率調變器以及該電容器充電器系統之數位控制模組與隔離擷取模組 - Google Patents

電容器充電器系統、功率調變器以及該電容器充電器系統之數位控制模組與隔離擷取模組 Download PDF

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TWI491158B
TWI491158B TW099118545A TW99118545A TWI491158B TW I491158 B TWI491158 B TW I491158B TW 099118545 A TW099118545 A TW 099118545A TW 99118545 A TW99118545 A TW 99118545A TW I491158 B TWI491158 B TW I491158B
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Andreas Wickstrom
Jonas Gustafsson
Jan Lundgren
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Description

電容器充電器系統、功率調變器以及該電容器充電器系統之數位控制模組與隔離擷取模組
本發明是有關於電容器充電器系統(capacitor charger systems)，且特別是有關於一種具有高穩定性及/或準確度之電容器充電器系統，以及該電容器充電器系統之數位控制模組(digital control module)與隔離擷取模組(isolated acquisition module)。
只要是利用短、高的電流脈衝(current pulses)就常會用到電容器充電器系統。此種應用實例包括功率調變器(power modulators)、加速器(accelerators)、閃光燈(light flashes)、z光系統(z-ray system)等等。當電容器部分地或完全地放電時將達成高電流。電流的穩定性直接取決於電容器充電器系統所供應的電壓。穩定的電容器充電器電壓將因而從脈衝產生系統提供穩定的電流。因為在此系統中通常具有高電流突波(current spikes)及敏感的電子元件，所以不容易精確地調節放電速率及終止電壓(end-voltage)準位。完美的調節系統的穩定性非常仰賴電容器充電器系統的輸出電壓的測量準確度。通常藉由電阻分壓器(resistive voltage divider)來測量輸出電壓，並且其失真的起源通常是在電容器充電器模組(capacitor charger module)中切換的高電流。這些切換事件產生電壓失真是由於共同接地與取決於已充電的電容器的纜線電感之輸出端的實際電壓變化。
本發明克服先前技藝的這些及其他的缺點。
本發明的一般目的在於提供一種改良的電容器充電器系統。
本發明的特定目的在於提供一種基於電容器充電器系統之功率調變器。
本發明的目的也在於提供一種電容器充電器系統之數位控制模組。
本發明的目的也在於提供一種電容器充電器系統之隔離擷取模組。
所附之申請專利範圍所定義的內容符合本發明的這些及其他的目的。
第一樣態中，本發明提供一種電容器充電器系統，包括：電容器充電器模組；隔離擷取模組；以及數位控制模組。隔離擷取模組用以取樣該電容器充電器模組的輸出電壓準位。數位控制模組經由雙向連結(bi-directional link)而與隔離擷取模組連接，並且經由控制訊號介面(control signal interface)而與電容器充電器模組連接。數位控制模組用以根據資料來產生控制訊號資訊(control signal information)及同步訊號資訊(synchronization signal information)，此資料表示經由雙向連結而從隔離擷取模組接收之已取樣的輸出電壓準位。數位控制模組更用以經由控制訊號介面而傳送控制訊號資訊到電容器充電器模組，並且經由雙向連結而傳送同步訊號資訊到隔離擷取模組。電容器充電器模組根據數位控制模組之控制訊號資訊而受 到控制，並且隔離擷取模組用以根據同步訊號資訊來進行取樣。
隔離擷取模組較佳是用以根據同步訊號資訊以與電容器充電器模組的輸出脈衝有關之控制時序來進行取樣。
例如，可將電容器充電器模組實施為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulated,PWM)電容器充電器模組，其中數位控制模組用以產生形式是包含脈衝寬度調變(PWM)控制脈衝的脈衝寬度調變(PWM)控制模式(control pattern)之控制訊號資訊。在此情況下，隔離擷取模組較佳是用以在接近下一個脈衝寬度調變(PWM)控制脈衝之前進行電容器充電器模組的輸出電壓準位的取樣，使電容器充電器模組的前一個輸出脈衝之輸出電壓失真已經降低到可接受的水準。
舉例來說，電容器充電器模組的輸出脈衝頻率高於10千赫(KHz)，並且最好是25千赫(KHz)之等級，而取樣頻率則較佳是至少等於輸出脈衝頻率。
利用這種等級的取樣頻率可使要在雙向連結上傳輸的資訊量相當可觀，因此將雙向連結實施為數位光學連結(digital optical link)是有益的。為此目的，隔離擷取模組與數位控制模組可各自具有光學輸入/輸出介面(optical input/output interface)。
第二樣態中，本發明提供一種電容器充電器系統之數位控制模組。此電容器充電器系統具有電容器充電器模組及用以取樣該電容器充電器模組的輸出電壓準位之隔離擷 取模組。數位控制模組經由雙向連結而與隔離擷取模組連接，並且經由控制訊號介面而與電容器充電器模組連接。數位控制模組用以根據資料來產生控制訊號資訊及同步訊號資訊，此資料表示經由雙向連結而從隔離擷取模組接收之電容器充電器模組的已取樣的輸出電壓準位。數位控制模組更用以經由控制訊號介面而傳送控制訊號資訊到電容器充電器模組以便控制電容器充電器模組的輸出脈衝，並且經由雙向連結而傳送同步訊號資訊到隔離擷取模組以便控制隔離擷取模組的取樣操作。
第三樣態中，本發明提供一種電容器充電器系統之隔離擷取模組。此電容器充電器系統具有電容器充電器模組及數位控制模組。隔離擷取模組經由雙向連結而與數位控制模組連接，並且隔離擷取模組用以根據數位控制模組之同步訊號資訊以與電容器充電器模組的輸出脈衝有關之控制時序來取樣電容器充電器模組的輸出電壓準位。
本發明之不同樣態包括：一種電容器充電器系統；一種包含電容器充電器系統之功率調變器；以及一種電容器充電器系統之數位控制模組與隔離擷取模組。
本發明所提供的其他優點在閱讀本發明之實施例之下列說明時可明瞭。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在所有的圖式中，相同的參考數字將表示相同或類似 的元件。
圖1是一種包含電容器充電器系統之示範應用的示意圖。圖1所示之整個應用基本上對應於功率調變器，圖中繪示完整的電容器充電器系統100及其如何連接電容器200與進一步連接可選擇的升壓脈衝變壓器(step-up pulse transformer)300。電容器200的輸出通過升壓脈衝變壓器300的主要線圈。用以使電容器200放電之開關(switch)400基本上將電容器充電系統的輸出予以短路。
圖2繪示電容器電壓隨時間變化之實例。電容器以類似脈衝的方式放電，然後再度充電，一開始很快速但接下來通常較緩慢直到電容器完全充電且準備再度放電為止。
舉例來說，電容器充電器模組的輸出脈衝的電壓高於500伏特(V)但低於2500伏特(V)，並且最好是在900伏特(V)與1500伏特(V)之間。
適合於圖1所示之功率調變器之開關的實例包括絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)開關以及可電子式控制切換之類似開關。
當然，在先前技術段落中已經說明其他的應用。
圖3是依照本發明之一實施例之一種電容器充電器系統的示意圖。電容器充電器系統100基本上包括電容器充電器模組110、隔離擷取模組120以及數位控制模組130。隔離擷取模組120用以取樣電容器充電器模組110的輸出電壓準位。數位控制模組130經由雙向連結而與隔離擷取模組120連接，並且經由控制訊號介面而與電容器充電器 模組110連接。數位控制模組130用以根據資料來產生控制訊號資訊及同步訊號資訊，此資料表示經由雙向連結而從隔離擷取模組120接收之已取樣的輸出電壓準位。數位控制模組130更用以經由控制訊號介面而傳送控制訊號資訊到電容器充電器模組110，並且經由雙向連結而傳送同步訊號資訊到隔離擷取模組120。電容器充電器模組110根據數位控制模組之控制訊號資訊而受到控制，並且隔離擷取模組120用以根據同步訊號資訊來進行取樣。
尤其，希望使測量與共同接地互相隔離且能夠在切換失真較少或不存在之情況下測量或取樣該輸出電壓。
隔離擷取模組120較佳是用以根據同步訊號資訊以與電容器充電器模組110的輸出脈衝有關之控制時序來進行取樣，以確保在輸出電壓失真相當少之情況下取樣。
例如，希望可將電容器充電器模組實施為脈衝寬度調變(PWM)電容器充電器模組，其中數位控制模組用以產生形式為包含脈衝寬度調變(PWM)控制脈衝的脈衝寬度調變(PWM)控制模式之控制訊號資訊。在此情況下，隔離擷取模組較佳是用以在接近下一個脈衝寬度調變(PWM)控制脈衝之前進行電容器充電器模組的輸出電壓準位的取樣，使電容器充電器模組的前一個輸出脈衝之輸出電壓失真已經降低到可接受的水準。因此希望在脈衝寬度調變(PWM)控制模式是靜止(silent)且切換失真及其他失真已經逐漸降至低於已知臨界值之情況下取樣該輸出電壓。
可參考例如圖4A至圖4D之示範訊號圖。圖4A繪示 脈衝寬度調變(PWM)控制脈衝模式之實例。圖4B繪示電容器充電器模組的輸出線路之間的輸出電壓脈衝。圖4C繪示隔離擷取模組的類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)的取樣控制脈衝之實例。可看出取樣控制脈衝處於與電容器充電器模組的輸出電壓脈衝有關之控制時序，因而也處於與脈衝寬度調變(PWM)脈衝有關之控制時序，以確保在輸出電壓失真相當少或不存在之情況下取樣。如此可確保脈衝寬度調變(PWM)調節時之高精確度及/或穩定性，這是因為當作調節基礎之測量更準確地表示電容器充電器模組的輸出電壓。圖4D顯示零伏特線與接地之間的電壓之表示圖。附圖僅用以說明，未必按實際比例繪製。
圖5是依照本發明之一實施例之一種電容器充電器系統的特例的示意圖。在此特例中，將電容器充電器模組110實施為脈衝寬度調變(PWM)電容器充電器。擷取輸出電壓是藉由例如電阻分壓器來執行。擷取模組120感測或獲得分壓器之電壓。擷取模組120在此包括(差動)放大器((differential)amplifier)122、類比數位轉換器(ADC)124、數位訊號處理模組(digital signal processing module)126以及光學輸入/輸出介面128。來自分壓器之感測電壓通過(差動)放大器122然後前往類比數位轉換器(ADC)124。類比數位轉換器(ADC)124之輸出連接至可使已取樣的測量資料適應光學連結所使用的串列通訊協定(serial protocol)之數位訊號處理模組126。此光學連結是雙向性且將資料 傳送到數位控制模組130。數位控制模組130包括光學輸入/輸出介面132、數位訊號處理模組134以及驅動器(driver)136。光學輸入/輸出介面132接收該擷取模組120之資料，然後將資料傳送到數位訊號處理模組134。在此例中，模組134產生脈衝寬度調變(PWM)控制脈衝的脈衝寬度調變(PWM)模式。脈衝寬度調變(PWM)模式較佳是在傳送到脈衝寬度調變(PWM)電容器充電器模組110之前在驅動器階段136中予以放大。
舉例來說，電容器充電器模組的輸出脈衝頻率高於10千赫(KHz)，最好是25千赫(KHz)之等級，並且取樣頻率較佳是至少等於輸出脈衝頻率。
利用這種等級的取樣頻率可使要在雙向連結上傳輸的資訊量相當可觀，因此將雙向連結實施為數位光學連結是有益的。為此目的，隔離擷取模組120與數位控制模組130可各自具有光學輸入/輸出介面，如同圖5的實例所作的說明。
例如，為了能夠在數位控制模組130的數位訊號處理中使用平均化技術(averaging techniques)，隔離擷取模組120的類比數位轉換器(ADC)124的取樣頻率最好高於輸出脈衝頻率。舉例來說，此取樣頻率可高於50千赫(KHz)，並且最好是1百萬赫(MHz)或更高之等級。這意味資料傳輸率(data rate)可能相當高，例如介於10百萬位元/秒(Mbit/s)與500百萬位元/秒(Mbit/s)之間的等級。例如，若使用16位元來表示每次取樣或測量之輸出電壓準位，並 且取樣頻率是1百萬赫(MHz)(亦即每秒一百萬次取樣)，則這將對應於16百萬位元/秒(Mbit/s)之資料傳輸率。
在一特例中，於數位控制模組130內產生脈衝寬度調變(PWM)模式，並且同步進行將脈衝經由光學連結而傳送到隔離擷取模組120的類比數位轉換器(ADC)124。這樣能夠以與脈衝寬度調變(PWM)模式有關之受控制的延遲(delay)來取樣輸出電壓。因為輸出電壓失真通常傾向於隨時間而消退或降低，所以取樣的適當時間是在接近下一個脈衝寬度調變(PWM)脈衝時。取樣結果將轉換成位於隔離擷取板上的數位訊號處理單元126之串列通訊協定，然後經由光學連結而送回到數位控制模組130。這模組較佳是能對多個測量值與一參考值進行比較，並且根據比較結果來改變脈衝寬度調變(PWM)模式，如同圖6的實例所作的詳細說明。
圖6是一種電容器充電器系統之數位控制模組的特例的示意圖。在此例中，經由光收發器(opto transceiver)132(亦即光學輸入/輸出介面)接收已測量/已取樣的資料，然後傳送到數位訊號處理模組134。例如，可將數位訊號處理模組134實施為現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)或數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)。數位訊號處理模組134包括調節器(regulator)，用以比較已測量/已取樣的資料與一預定參考值且根據比較結果來改變脈衝寬度調變 (PWM)模式。為了改善脈衝寬度調變(PWM)的調節，調節器也可使用選擇性輸入，這些輸入例如包括整流(rectification)之後輸入到電容器充電器模組之電源電壓(mains voltage)及/或電容器充電器模組的輸出電流。調節器也產生經由光收發器132而傳送到隔離擷取模組120之同步訊號。
圖7是一種電容器充電器系統之隔離擷取模組或隔離擷取板的特例的示意圖。如上所述，隔離擷取模組120可包括差動放大器122。較佳是利用類比數位轉換器(ADC)124來取樣放大器122的輸出，其數位值然後前往數位訊號處理模組126。這模組126基本上將已取樣的資料轉換成藉由光收發器128(亦即光學輸入/輸出介面)送出之串列通訊協定。光收發器128也接收來自數位控制模組130之同步訊號。通常藉由數位訊號處理模組126來處理此訊號以產生類比數位轉換器(ADC)124之取樣控制脈衝。例如，可將數位訊號處理模組126實施為現場可程式閘陣列(FPGA)、特殊應用積體電路(ASIC)或數位訊號處理器(DSP)。
雖然本發明已經以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電容器充電器系統
110‧‧‧電容器充電器模組
120‧‧‧隔離擷取模組
122‧‧‧差動放大器
124‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
126、134‧‧‧數位訊號處理模組
128、132‧‧‧光學輸入/輸出介面
130‧‧‧數位控制模組
136‧‧‧驅動器
200‧‧‧電容器
300‧‧‧升壓脈衝變壓器
400‧‧‧開關
圖1是一種包含電容器充電器系統之示範應用的示意圖。
圖2繪示電容器電壓隨時間變化之實例。
圖3是依照本發明之一實施例之一種電容器充電器系統的示意圖。
圖4A至圖4D是依照一特例之訊號圖。
圖5是依照本發明之一實施例之一種電容器充電器系統的特例的示意圖。
圖6是一種電容器充電器系統之數位控制模組的特例的示意圖。
圖7是一種電容器充電器系統之隔離擷取模組或隔離擷取板的特例的示意圖。
100‧‧‧電容器充電器系統
110‧‧‧電容器充電器模組
120‧‧‧隔離擷取模組
130‧‧‧數位控制模組

Claims (17)

  1. 一種電容器充電器系統，包括：電容器充電器模組；隔離擷取模組，用以取樣所述電容器充電器模組的輸出電壓準位，其中所述隔離擷取模組包括與類比數位轉換器連接之訊號擷取電路，所述類比數位轉換器用以取樣所述輸出電壓準位；以及數位控制模組，經由雙向連結而與所述隔離擷取模組連接且經由控制訊號介面而與所述電容器充電器模組連接，用以根據資料來產生控制訊號資訊及同步訊號資訊，所述資料表示經由所述雙向連結而從所述隔離擷取模組接收之已取樣的所述輸出電壓準位，所述數位控制模組並且用以經由所述控制訊號介面而傳送所述控制訊號資訊到所述電容器充電器模組且經由所述雙向連結而傳送所述同步訊號資訊到所述隔離擷取模組，其中所述雙向連結是數位光學連結，並且所述隔離擷取模組與所述數位控制模組皆包括光學輸入/輸出介面，其中所述電容器充電器模組根據所述數位控制模組之所述控制訊號資訊而受到控制，以及其中所述隔離擷取模組用以根據所述同步訊號資訊來進行所述取樣，其中根據所述同步訊號資訊來控制所述類比數位轉換器之所述取樣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電容器充電器系統，其中所述隔離擷取模組用以根據所述同步訊號資訊以與所 述電容器充電器模組的輸出脈衝有關之控制時序來進行所述取樣。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電容器充電器系統，其中所述電容器充電器模組是脈衝寬度調變電容器充電器模組，並且所述數位控制模組用以產生形式是包含脈衝寬度調變控制脈衝的脈衝寬度調變控制模式之所述控制訊號資訊，其中所述隔離擷取模組用以在接近下一個脈衝寬度調變控制脈衝之前進行所述電容器充電器模組的所述輸出電壓準位的取樣，使所述電容器充電器模組的前一個輸出脈衝之輸出電壓失真已經降低到可接受的水準。
  4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述之電容器充電器系統，其中所述電容器充電器模組的輸出脈衝頻率高於10千赫，或25千赫或更高之等級，而取樣頻率則至少等於所述輸出脈衝頻率。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電容器充電器系統，其中所述取樣頻率高於50千赫，或1百萬赫或更高之等級。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電容器充電器系統，其中所述隔離擷取模組用以進行與共同接地隔離之取樣。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電容器充電器系統，其中所述類比數位轉換器與第一數位訊號處理模組連接，且將所述第一數位訊號處理模組實施為現場可程式閘陣列、特殊應用積體電路或數位訊號處理器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電容器充電器系統，其中所述數位控制模組包括第二數位訊號處理模組，用以 根據從所述隔離擷取模組接收之所述取樣訊號準位與預定參考訊號準位來產生控制資料，並且所述數位控制模組用以根據所述控制資料來產生所述控制訊號資訊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電容器充電器系統，其中所述電容器充電器模組是脈衝寬度調變電容器充電器模組，並且所述數位控制模組更包括與所述第二數位訊號處理模組連接之驅動器電路，用以根據所述控制資料來產生形式為脈衝寬度調變控制模式之所述控制訊號資訊。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電容器充電器系統，其中將所述第二數位訊號處理模組實施為現場可程式閘陣列、特殊應用積體電路或數位訊號處理器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電容器充電器系統，其中所述電容器充電器模組的輸出脈衝的電壓高於500伏特但低於2500伏特，或在900伏特與1500伏特之間。
  12. 一種功率調變器，包括如申請專利範圍第1項至第11項之任一項所述之電容器充電器系統。
  13. 一種電容器充電器系統之數位控制模組，其中所述電容器充電器系統具有電容器充電器模組及用以取樣所述電容器充電器模組的輸出電壓準位之隔離擷取模組，其中所述數位控制模組經由雙向連結而與所述隔離擷取模組連接且經由控制訊號介面而與所述電容器充電器模組連接，其中所述雙向連結是數位光學連結，並且所述所述數位控制模組包括光學輸入/輸出介面， 其中所述數位控制模組用以根據資料來產生控制訊號資訊及同步訊號資訊，所述資料表示經由所述雙向連結而從所述隔離擷取模組接收之所述電容器充電器模組的已取樣的所述輸出電壓準位，以及其中所述數位控制模組用以經由所述控制訊號介面而傳送所述控制訊號資訊到所述電容器充電器模組以便控制所述電容器充電器模組的輸出脈衝，並且經由所述雙向連結而傳送所述同步訊號資訊到所述隔離擷取模組以便控制所述隔離擷取模組之取樣操作。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之數位控制模組，其中所述數位控制模組用以產生所述同步訊號資訊，以便所述隔離擷取模組以與所述電容器充電器模組的所述輸出脈衝有關之控制時序來進行所述取樣。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之數位控制模組，其中所述數位控制模組用以產生形式是包含脈衝寬度調變控制脈衝的脈衝寬度調變控制模式之所述控制訊號資訊，並且用以產生所述同步訊號資訊，以便在接近下一個脈衝寬度調變控制脈衝之前進行所述電容器充電器模組的所述輸出電壓準位的取樣，使所述電容器充電器模組的前一個輸出脈衝之輸出電壓失真已經降低到可接受的水準。
  16. 一種電容器充電器系統之隔離擷取模組，其中所述電容器充電器系統具有電容器充電器模組及數位控制模組，其中所述隔離擷取模組經由雙向連結而與所述數位 控制模組連接，其中所述雙向連結是數位光學連結，並且所述隔離擷取模組包括光學輸入/輸出介面，以及其中所述隔離擷取模組用以根據所述數位控制模組之同步訊號資訊以與所述電容器充電器模組的輸出脈衝有關之控制時序來取樣所述電容器充電器模組的輸出電壓準位，其中所述隔離擷取模組包括與類比數位轉換器連接之訊號擷取電路，所述類比數位轉換器用以取樣所述輸出電壓準位，且根據所述同步訊號資訊來控制所述類比數位轉換器之所述取樣。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之隔離擷取模組，其中所述電容器充電器模組是在脈衝寬度調變控制脈衝的控制下操作之脈衝寬度調變電容器充電器模組，其中所述隔離擷取模組用以在接近下一個脈衝寬度調變控制脈衝之前進行所述電容器充電器模組的所述輸出電壓準位的取樣，使所述電容器充電器模組的前一個輸出脈衝之輸出電壓失真已經降低到可接受的水準。
TW099118545A 2009-06-30 2010-06-08 電容器充電器系統、功率調變器以及該電容器充電器系統之數位控制模組與隔離擷取模組 TWI491158B (zh)

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