專利名稱：電力調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力調(diào)制器(power modulator)，并且更具體地涉及帶有采用初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的脈沖生成模塊的電力調(diào)制器。
背景技術(shù)：
a.調(diào)制器，術(shù)語(yǔ)的總說(shuō)明和定義調(diào)制器是控制電力的流動(dòng)的部件。當(dāng)接通一個(gè)電燈并且接著再次斷開時(shí)，可以說(shuō)對(duì)饋送到該燈的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。在其最常見的形式下，調(diào)制器向例如微波產(chǎn)生器的規(guī)定負(fù)載傳送高電力的電脈沖串。世界上的大多數(shù)高功率雷達(dá)利用調(diào)制器向微波源傳送電力脈沖，后者轉(zhuǎn)而以周期性微波脈沖串的形式向天線結(jié)構(gòu)饋送電力。這種電力調(diào)制器的其它可能應(yīng)用在下面列出。
二次大戰(zhàn)后的幾十年中，電力調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)沒有明顯改變。常規(guī)調(diào)制器包括一個(gè)從AC(交流)電力線接收電力的電源，調(diào)制器升高電壓、整流電力以產(chǎn)生直流DC電力并把能量傳送到通常由能量電容器組構(gòu)成的蓄能器。由于電力輸入線不能傳送峰值電力這是必須的，從而該蓄能器按小的能量片傳送峰值電力，并且通過(guò)DCPS以小得多的平均功率按合理恒定速率加以補(bǔ)充或者充填。
該蓄能器的部分能量接著傳送到一個(gè)較小的第二蓄能器，其通常是一個(gè)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)。PFN是設(shè)計(jì)成向負(fù)載以方波(平頂波)的形式傳送電力的電容器和電感器網(wǎng)絡(luò)，其中這些方波具有和脈沖寬度或持續(xù)時(shí)間相比為很快的上升時(shí)間和下降時(shí)間。
接著該脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(人工傳輸線或延遲線)切換成使其和一個(gè)通常是但不總是為一個(gè)升壓變壓器的脈沖變壓器的初級(jí)側(cè)連接。切換前PEN電壓為V，而施加到該脈沖變壓器初級(jí)的電壓為V/2或略小。這是PFN技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)。該脈沖變壓器的匝數(shù)比(升壓比)對(duì)于PEN以及對(duì)于本發(fā)明必須為二倍。
PFN在時(shí)間T(典型地為幾到幾十微秒)內(nèi)完全放電，其在該脈沖變壓器初級(jí)上保持相當(dāng)恒定的電壓并且在該變壓器的次級(jí)上產(chǎn)生相當(dāng)平坦的輸出脈沖。但是如果要求百分之0.1左右的脈沖平直度，則PFN必須具有數(shù)量非常大的電感器-電容器(LC)環(huán)節(jié)，并且這難以調(diào)整。另外，如果PFN中的任何元件出故障，當(dāng)安裝新元件時(shí)需要重新調(diào)整PFN，因?yàn)樵赑FN中所有元件的值和位置都是非常關(guān)鍵的。
傳送該脈沖后，必須為下一個(gè)脈沖把PFN完全充電到電壓V。為了把脈沖對(duì)脈沖重復(fù)性保持在百分之零點(diǎn)幾，必須以高精確度出現(xiàn)大的充電電壓“擺動(dòng)”。所有PFN電容器按每秒幾百次或幾千次地在每個(gè)脈沖中完全充電并且完全放電會(huì)在這些電容器的介質(zhì)材料上施加強(qiáng)應(yīng)變，從而強(qiáng)制把這些電容器設(shè)計(jì)成應(yīng)力非常低以及因此能量密度非常低。這使得和本發(fā)明的其中不是對(duì)于每個(gè)脈沖電容器都放電和再充電并且從而電容器可以具有高得多的能量密度的新概念相比，PFN的結(jié)構(gòu)大。
概括之，現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制器的缺點(diǎn)是·脈沖變壓器初級(jí)側(cè)上的電壓高，典型地為10千伏或更高。
·對(duì)于每個(gè)脈沖必須把PFN完全充電到10-20千伏并在該脈沖期間完全放電，這在電容器上施加高應(yīng)力·由于上面的原因PFN電容器的能量密度低，從而它們和本發(fā)明的新概念中使用的低應(yīng)力電容器相比相當(dāng)大。
·如果負(fù)載出現(xiàn)短路(例如磁控管經(jīng)常發(fā)生的那樣)，不能中斷電流，因?yàn)樵陔娏鹘档搅阒安荒軘嚅_高電壓的PFN開關(guān)(充氣閘流管)。
·如果PFN中的一個(gè)元件出故障，更換該元件后必須把該P(yáng)FN重新調(diào)諧到最優(yōu)脈沖形狀。這是一項(xiàng)麻煩和危險(xiǎn)的工作，因?yàn)樗仨氃谙騊FN施加高電壓的情況下進(jìn)行。
·如果需要不同的脈沖寬度，必須更換并且重新調(diào)諧PFN結(jié)構(gòu)b.脈沖變壓器所謂的分?jǐn)?shù)線匝(fractional-turn)脈沖變壓器的歷史是從NicholasChristofilos的一項(xiàng)發(fā)明開始，該發(fā)明在20世紀(jì)60年代早期轉(zhuǎn)讓給美國(guó)政府的Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)。當(dāng)時(shí)該實(shí)驗(yàn)室稱為L(zhǎng)awrence Livermore實(shí)驗(yàn)室或LLL。該發(fā)明公開一種使用大量環(huán)形(圓環(huán)形)磁心的方法，每個(gè)磁心由一個(gè)幾十千伏(KV)的高電壓脈沖產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)(利用火花隙開關(guān)(spark-gap switch)和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)或PFN)以便產(chǎn)生幾百kV到幾兆伏(MV)的加速電勢(shì)來(lái)加速帶電粒子束。在下面的圖1和2中示出所謂的線性磁感應(yīng)(LMI)加速器的基本思想。
圖1示出一組環(huán)形磁心，它們排列成使它們的中心孔圍繞著一條沿其加速粒子束的直線。
圖2示出增加了更多細(xì)節(jié)的LMI結(jié)構(gòu)；示出一個(gè)高電壓(HV)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)(每個(gè)磁心一個(gè))并且指出粒子束路徑。
這種類型的加速器的關(guān)鍵特征在于，它和所有LINAC加速器一樣具有一個(gè)接地電勢(shì)的外表面。驅(qū)動(dòng)各個(gè)磁心的電壓全部呈現(xiàn)成沿著中心軸向下地串聯(lián)相加，但是不呈現(xiàn)在任何其它地方。這意味著該加速器不向外部世界輻射能量并且由于它不需要對(duì)環(huán)境隔離而容易在實(shí)驗(yàn)室中安裝，LLL在20世紀(jì)60年代建立一個(gè)臺(tái)800kV的LMI(ASTRON加速器)并且用于聚變?cè)囼?yàn)中的電子束加速。在該實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)70年代建立一個(gè)更大的LMI機(jī)(FXR，用于瞬間X射線)并把電子束脈沖加速到X射線轉(zhuǎn)換目標(biāo)。FXR用于爆炸的凍結(jié)幀X射線照相術(shù)。
可借助圖3說(shuō)明LMI加速器的操作原理，圖3在一個(gè)包含粒子束軸的平面中示出機(jī)器剖面圖。
為了討論圖3中示出的多磁心結(jié)構(gòu)的行為需要一些規(guī)則。首先，需要右手規(guī)則。該(經(jīng)驗(yàn))規(guī)則指出，如果你用右手握著導(dǎo)體并且用姆指指向電流的正方向，則你的各個(gè)手指會(huì)按磁通線圍繞該導(dǎo)體的方向握住該導(dǎo)體。把該規(guī)則應(yīng)用到圖3，環(huán)形磁心中感應(yīng)的磁通會(huì)如圖所示環(huán)行。利用“點(diǎn)”指示磁通向量指向讀者，而“X”用于表示磁通向量離開讀者。
把該規(guī)則應(yīng)用到沿著圖3中結(jié)構(gòu)的軸向右側(cè)流動(dòng)的粒子束，我們發(fā)現(xiàn)該束產(chǎn)生的磁通以和初級(jí)電流感應(yīng)的磁通相反的方向環(huán)行，這是正確的。如果我們把它看成是一個(gè)變壓器并且該粒子束是次級(jí)繞組上的一條短路電路，則次級(jí)中的電流將按抵消初級(jí)感應(yīng)的磁通的方向流動(dòng)，從而造成磁心中不感應(yīng)凈磁通并且由此代表一條對(duì)初級(jí)電源的短路電路。磁心中磁通不改變意味著初級(jí)繞組上沒有電壓，并且按定義這是一條短路電路。從而，帶正電的粒子(質(zhì)子)束會(huì)通過(guò)該結(jié)構(gòu)向右加速，而帶負(fù)電的粒子(電子)束會(huì)向左加速。
現(xiàn)在應(yīng)用電學(xué)的另一個(gè)規(guī)則，即圍繞磁通的導(dǎo)體中感應(yīng)的電壓等于該磁通的變化率。研究圍繞所有五個(gè)磁心的磁通的路徑ABCD。流過(guò)該路徑的該導(dǎo)線中感應(yīng)的電壓等于所有五個(gè)磁心共同的磁通的變化率。但是每個(gè)磁心由初級(jí)電壓V驅(qū)動(dòng)，所以每個(gè)磁心具有等于V的磁通變化率。從而，沿著路徑ABCD感應(yīng)的電壓應(yīng)為5V。該結(jié)構(gòu)起一個(gè)升壓變壓器的作用。另一個(gè)規(guī)則是，在變壓器中次級(jí)電壓對(duì)初級(jí)電壓的比等于次級(jí)匝數(shù)對(duì)初級(jí)匝數(shù)的比，從而盡管路徑ABCD只表示單個(gè)匝，圖3的LMI加速器有效匝數(shù)比等于5。從而初級(jí)必須為1/5匝，這樣可把LMI加速器看成是一個(gè)帶有分?jǐn)?shù)匝數(shù)初級(jí)的變壓器c.其它相關(guān)技術(shù)圖4是Crewson等1999年5月18日在美國(guó)5,905,646號(hào)專利中公開的脈沖變壓器連接的草圖。為了簡(jiǎn)明，示出二個(gè)脈沖生成模塊。如可看出那樣，每個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)一個(gè)繞著二個(gè)磁心中的一個(gè)的單匝初級(jí)(1)。每個(gè)模塊包含一個(gè)充到電壓為V的電容器，并且具有一個(gè)箝位二極管或反向二極管D以防止開關(guān)發(fā)生當(dāng)斷開開關(guān)時(shí)導(dǎo)致的電壓的破壞性“反向尖峰”。
上面給出的美國(guó)5,905,646號(hào)專利強(qiáng)調(diào)每個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)初級(jí)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)獨(dú)立的匝的思路。這是通過(guò)保證所有模塊開關(guān)會(huì)傳導(dǎo)相同電流達(dá)到的。但是該限制使得調(diào)制器存在一種潛在的破壞性故障模式。為了理解這種破壞性故障，假定圖4中的二個(gè)開關(guān)不準(zhǔn)確地同時(shí)導(dǎo)通。如果上面的開關(guān)比下面的開關(guān)早幾分之一微秒導(dǎo)通(或者反之)，麻煩突然出現(xiàn)。如果此種情況發(fā)生，上面的磁心按示出的方向(在“X”處流入頁(yè)面并在點(diǎn)符號(hào)處流出頁(yè)面)產(chǎn)生磁通。該磁通如圖所示感應(yīng)流入次級(jí)和負(fù)載的電流。在下面的磁心中尚不存在磁通，因?yàn)樗哪K開關(guān)還未導(dǎo)通，但流入次級(jí)繞組的電流會(huì)在下面的磁心中按與指示方向相反的方向地感應(yīng)磁通。該磁通會(huì)在所示出的下面的模塊連接中感應(yīng)電流，并且該電流造成下面模塊中的二極管D導(dǎo)通。
現(xiàn)在，當(dāng)下面模塊中的開關(guān)的確接通時(shí)，所施加的電壓反向偏置下面的二極管(其是導(dǎo)通的)并且這迫使該二極管斷開。當(dāng)導(dǎo)通的二極管在高電流導(dǎo)通情況下于幾納秒內(nèi)斷開，該二極管通常會(huì)損壞。當(dāng)該二極管損壞時(shí)，它變成一條短路電路。該短路電路接著吸引幾乎不受限制的電流流過(guò)下面模塊的開關(guān)，從而損壞該開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是消除上面提到的如美國(guó)5,905,646號(hào)專利中那樣的現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制器的缺點(diǎn)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種電力調(diào)制器，其初級(jí)繞組連接不必要求脈沖生成模塊和初級(jí)繞組的數(shù)量相同。本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種如下所述那樣消除前面提到的現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制器的缺點(diǎn)的電力調(diào)器·其脈沖變壓器初級(jí)側(cè)的電壓低，典型地為1kV或更低；·不存在PFN，從而避免PFN的所有缺點(diǎn)，這是因?yàn)檎{(diào)制器開關(guān)是例如IGBT或MosFet的半導(dǎo)體，當(dāng)電流流入時(shí)它們可以斷開從而終止脈沖。
·能量存儲(chǔ)電容器在脈沖期間的放電不超過(guò)幾個(gè)百分點(diǎn)，從而它們的能量密度可以大大高于PFN電容器的能量密度；·如果負(fù)載上出現(xiàn)短路電路，通過(guò)觀測(cè)負(fù)載電壓的突然下降可以檢測(cè)出短路，產(chǎn)生一個(gè)釋放快速比較器的信號(hào)，該快速比較器從這些半導(dǎo)體開關(guān)移除低電壓選通脈沖，從而結(jié)束脈沖(現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制器為此目的采用過(guò)電流檢測(cè)器，它們操作上慢得多并且在斷開之前讓高得多的電流流過(guò))；以及·如果需要不同的脈沖寬度，則可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變固態(tài)開關(guān)觸發(fā)器的定時(shí)來(lái)提供，這種操作是在低電壓下進(jìn)行的并且可以從計(jì)算機(jī)控制站完成，從而允許簡(jiǎn)單地電子地調(diào)整脈沖寬度。
這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致和老式技術(shù)PFN/閘流管相比這種固態(tài)調(diào)制器系統(tǒng)的小得多的尺寸以及長(zhǎng)得多的服務(wù)壽命。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種可在不同時(shí)間接通或斷開不同脈沖生成模塊的電力調(diào)制器，能在不同時(shí)刻接通或斷開脈沖生成模塊對(duì)于消除脈沖開始時(shí)的過(guò)調(diào)或阻尼振蕩是有用的。
出于說(shuō)明上的簡(jiǎn)明，討論限于二個(gè)脈沖生成模塊的情況。這決不意味對(duì)本發(fā)明的限制，相反本發(fā)明可以任何數(shù)量的脈沖生成模塊工作。
如圖5中所示添加二個(gè)單匝會(huì)完全消除掉前面提到的過(guò)電壓故障模式，并且同時(shí)消除脈沖生成模塊和初級(jí)繞組數(shù)量相等的限制。按美國(guó)5,906,646號(hào)專利建立的現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制器受到每個(gè)初級(jí)繞組具有一個(gè)脈沖生成模塊以及每個(gè)磁心段具有至少一個(gè)初級(jí)繞組的限制。利用本發(fā)明可以消除該限制，從而可以使用任何數(shù)量的模塊?，F(xiàn)有技術(shù)要求每個(gè)磁心段由數(shù)量相同的模塊驅(qū)動(dòng)。但是借助本發(fā)明，可以使用任何數(shù)量的模塊并且仍對(duì)每個(gè)磁心提供相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這是有利于本發(fā)明的強(qiáng)大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)添加圖5中的導(dǎo)線(11)時(shí)，則無(wú)論哪個(gè)模塊開關(guān)首先接通都會(huì)控制該電路直到其它開關(guān)閉合。如果上面的開關(guān)先于下面的開關(guān)導(dǎo)通，則上面的模塊會(huì)驅(qū)動(dòng)二個(gè)磁心中的而不僅僅是上面磁心中的磁通。這會(huì)防止下面的二極管被拉入導(dǎo)通狀態(tài)，因?yàn)樵摱O管將被反向偏置。如果所有初級(jí)并聯(lián)連接則該效果幾乎相同，即“早”的開關(guān)會(huì)對(duì)所有“遲”的模塊里的二極管施加正電壓。
事實(shí)上可以并聯(lián)連接所有初級(jí)以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化。這不是顯然的，但是考察圖4會(huì)看出這是起作用的。如果實(shí)際上所有開關(guān)都在相同時(shí)刻閉合，則在圖中的點(diǎn)P和R之間不存在電壓。如果把點(diǎn)Q和T連接在一起，這些點(diǎn)之間也不存在電壓。如果P和R之間不存在電壓，則還能在不會(huì)引起附加電流流動(dòng)的情況下把這些點(diǎn)連接在一起，從而該電路會(huì)和把所有初級(jí)連接到一起的情況同樣地工作。
上面這二種連接事實(shí)上都用來(lái)均衡模塊電流，而美國(guó)5,906,646號(hào)專利中公開的獨(dú)立連接不能達(dá)到該結(jié)果。這是因?yàn)楸景l(fā)明首次保證了向所有脈沖生成模塊體現(xiàn)的負(fù)載阻抗是完全相同的。而在現(xiàn)有技術(shù)中這得不到保證。至于上面給出的二種初級(jí)連接，圖5中示出的連接優(yōu)于把所有初級(jí)簡(jiǎn)單地并聯(lián)到一起的思路，因?yàn)楫?dāng)所有初級(jí)并聯(lián)時(shí)任何模塊中的任何二極管故障會(huì)把來(lái)自所有模塊的所有電流拉入到該出故障的二極管中，這對(duì)于開關(guān)會(huì)是很有破壞性的。圖5的連接消除了這種可能。


圖1示出用于LMI加速器的磁心排列；圖2示出帶有一個(gè)PFN和一條粒子束路徑的LMI加速器；圖3示出五心LMI加速器的結(jié)構(gòu)；圖4是依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的帶有二個(gè)脈沖生成模塊的半匝初級(jí)連接的示意圖；圖5是依據(jù)本發(fā)明的帶有二個(gè)脈沖生成模塊的半匝初級(jí)連接的示意圖；圖6是一實(shí)施例中的一個(gè)脈沖生成模塊的詳圖；圖7示出一些典型的高壓脈沖變壓器；圖8是含有二個(gè)并排磁心的脈沖變壓器的三維圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)例子詳細(xì)說(shuō)明如何設(shè)計(jì)本發(fā)明中的電力調(diào)制器以及本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例。這些優(yōu)選實(shí)施例和該設(shè)計(jì)例子只是示意性的，并且決不要把它們看成是對(duì)本發(fā)明的限制。
本發(fā)明提供一種電力調(diào)制器。該電力調(diào)制器包括脈沖生成模塊組，其中每個(gè)脈沖生成模塊具有圍繞一組磁心的初級(jí)繞組連接，并且具有一個(gè)圍繞所有這些磁心的次級(jí)繞組。這些脈沖生成模塊還包括一個(gè)能量存儲(chǔ)電容器、開關(guān)裝置和一個(gè)二極管或串聯(lián)連接的二極管組件。該二極管或該串聯(lián)連接二極管組件連接在該開關(guān)裝置和向該電容器回送電流的導(dǎo)體之間。該開關(guān)裝置可以是電子學(xué)領(lǐng)域技術(shù)人員周知的任何開關(guān)，例如IGBT固態(tài)開關(guān)。如上面所述，該調(diào)制器中的脈沖生成模塊/模塊組帶有初級(jí)繞組的一種連接，并且在圖5中示出用于一個(gè)帶有二個(gè)脈沖生成模塊和二個(gè)磁心的電力調(diào)制器特定情況的連接。帶有這些特征的電力調(diào)制器是下面的各實(shí)施例中引用的電力調(diào)制器。
如前面強(qiáng)調(diào)指出的那樣，圖5中示出的連接完全消除了現(xiàn)有技術(shù)中經(jīng)常發(fā)生的破壞性故障模式。圖5示出帶有二個(gè)脈沖生成模塊和二個(gè)磁心的連接。這只是說(shuō)明性的，模塊的數(shù)量可以為任何數(shù)量并且磁心的數(shù)量也可以為任何數(shù)量。所需要的只是使得帶有二個(gè)以上脈沖生成模塊的電力調(diào)制器通過(guò)圍繞每個(gè)磁心的初級(jí)繞組連接所有的模塊，從而每個(gè)磁心由來(lái)自各個(gè)模塊的一個(gè)初級(jí)繞組圍繞。因而，這是一種對(duì)任何數(shù)量的磁心添加任何數(shù)量的模塊的簡(jiǎn)單方法。作為一個(gè)例子可以考察一個(gè)具有N個(gè)脈沖生成模塊和M個(gè)磁心的電力調(diào)制器。如果要只利用單匝初級(jí)繞組以及本發(fā)明的連接建立一個(gè)電力調(diào)制器，則單匝初級(jí)繞組的總數(shù)量應(yīng)為2M×N，其中用于每個(gè)脈沖生成模塊的2M個(gè)單匝初級(jí)線圈應(yīng)包圍M個(gè)磁心(如圖7中所示，每個(gè)磁心“腿(leg)”一個(gè)初級(jí)匝并且每個(gè)磁心二條“腿”)，以及N個(gè)脈沖生成模塊。重要的是，要注意到在一優(yōu)選實(shí)施例中這些脈沖生成模塊不通過(guò)諸如導(dǎo)線的外部連接連接在一起。模塊之間存在的唯一連接只是通過(guò)磁心中的磁通造成的感應(yīng)連接。當(dāng)然可能通過(guò)并聯(lián)地連接所有初級(jí)繞組互連各模塊，盡管這可能導(dǎo)致前面提到的故障，即，當(dāng)所有初級(jí)繞組并聯(lián)時(shí)，任何模塊中的任何二極管故障會(huì)把所有電流從所有模塊拉入該故障模塊，這對(duì)開關(guān)可能是極具破壞性的。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括一種電力調(diào)制器，其帶有單個(gè)脈沖生成模塊，該模塊的初級(jí)繞組包圍所有磁心。在此方式下單個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)所有磁心。
應(yīng)注意，上面討論的初級(jí)繞組可以是單匝或多匝的初級(jí)繞組。在后一種情況下存在所有初級(jí)繞組中的每匝的電壓都相同的條件，即，如果屬于不同脈沖生成模塊的電容器中的電壓V是不同的，則該不同應(yīng)在初級(jí)繞組的匝數(shù)N上反映，從而對(duì)于所有的初級(jí)繞組V/N相等。如果不滿足該條件，初級(jí)繞組會(huì)彼此斗爭(zhēng)并從各脈沖生成模塊抽取過(guò)量的電流。如果所有電容器上的電壓是相同的，則每個(gè)多匝中的匝數(shù)必須相等以滿足該每匝電壓條件。
電力調(diào)制器通常具有范圍廣泛的各種應(yīng)用，如雷達(dá)系統(tǒng)、激光器、癌治療、微波加熱、工藝中的材料消毒、粒子加速(LINAC)驅(qū)動(dòng)、核聚變的等離子加熱、半導(dǎo)體清潔、表面處理、氣體激光器的電子束泵激、印刷業(yè)中的油墨固化、聲納中的壓電或磁致?lián)Q能器驅(qū)動(dòng)、超聲波醫(yī)學(xué)成像、驅(qū)動(dòng)單脈沖寬帶雷達(dá)的天線結(jié)構(gòu)、在航空航天器中驅(qū)動(dòng)高電流和高電壓、照明、核武器作用仿真、直接驅(qū)動(dòng)用于材料改進(jìn)的電子束源、為對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生微波的驅(qū)動(dòng)速調(diào)管、磁控管、回旋管或交叉場(chǎng)放大器管等等。當(dāng)然，諸如本發(fā)明的電力調(diào)制器也可以用于任何需要電脈沖的場(chǎng)所。
調(diào)制器設(shè)計(jì)例子下面是一個(gè)依據(jù)本發(fā)明的原理如何設(shè)計(jì)電力調(diào)制器的例子。該例只是說(shuō)明性的，并且所有數(shù)字以及具體部件僅是出于教學(xué)目的包含的從而不應(yīng)看成是對(duì)本發(fā)明的限制。
a.脈沖生成模塊數(shù)量的選擇理解該新型調(diào)制器概念的有效方法是對(duì)這種調(diào)制器做一次初步設(shè)計(jì)練習(xí)。假定要實(shí)現(xiàn)120kV的脈沖，其帶有5微秒(μs)脈寬上的70安培的峰值電并且具有每秒800個(gè)脈沖(800Hz)的脈沖重復(fù)頻率(PRF)。還假定可以得到額定1600伏、2200安的IGBT固態(tài)開關(guān)。
第一步是計(jì)算峰值功率輸出，因?yàn)樗鼜?qiáng)列影響所需要的開關(guān)數(shù)量。峰值功率為120kV乘70安，或8.4兆瓦(8.4MW)。要考慮開關(guān)的安全裕量，從而它們不在其最大額定條件下工作。經(jīng)驗(yàn)表明75％的峰值額定值允許長(zhǎng)壽命的安全裕量。從而每個(gè)開關(guān)的工作數(shù)值應(yīng)不超過(guò)0.75×1600＝1200伏和2200÷0.75＝1650安。從而，每個(gè)開關(guān)可以產(chǎn)生1200×1650＝1.98MW。為了傳送8.4MW，需要8.4/1.98＝4.24個(gè)開關(guān)，從而采用五個(gè)開關(guān)以保持設(shè)計(jì)安全。
在按美國(guó)5,905,646號(hào)專利建立的現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制器中，受到每個(gè)初級(jí)繞組具有一個(gè)脈沖生成模塊以及每個(gè)磁心段至少具有一個(gè)初級(jí)繞組的限制。利用本發(fā)明，如前面的說(shuō)明中指出那樣，該限制被消除并且可以使用任何數(shù)量的模塊。例如，如果采用帶有二個(gè)磁心的脈沖變壓器以得到1/2匝的初級(jí)繞組，則在這樣的變壓器中存在四條“腿”或者四個(gè)磁心段?，F(xiàn)有技術(shù)要求由數(shù)量相同的模塊驅(qū)動(dòng)每個(gè)這樣的“腿”或磁心段。不能使用四個(gè)模塊，因?yàn)檫@違背該例中選定的安全裕度。從而在現(xiàn)有技術(shù)下，必須使用八(8)個(gè)模塊，以便各個(gè)磁心“腿”由二個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)。但是利用本發(fā)明，可以使用五(5)個(gè)模塊并且仍對(duì)該變壓器的四個(gè)磁心“腿”中的每條腿提供相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
b.電容器尺寸和脈沖平直度在該例中脈沖生成模塊的數(shù)量決定為5個(gè)(至少在初步設(shè)計(jì)中)。在涉及到開關(guān)的熱傳輸和冷卻、電容器以及其它元件的設(shè)計(jì)的進(jìn)一步迭代中可能造成該數(shù)據(jù)輕微改變，但是這種設(shè)計(jì)的詳細(xì)程度超出本發(fā)明的范圍?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到每個(gè)模塊中使用的電容器。如果把法拉值為C的電容器充電到電壓V并接著和一個(gè)負(fù)載連接以在T秒的時(shí)間內(nèi)引出電流I，該電容器的電壓將按下式“下降”或“下滑”ΔV＝ΔQ/C＝IT/C其中Q是電荷(以庫(kù)侖為單位)符號(hào)而Δ符號(hào)意味“改變量”。該式讀作“電壓改變等于電荷改變除以電容C”。這是立刻從電容的定義得出的，該定義是電容等于電容器中單位外加電壓下的電荷量C＝Q/V現(xiàn)在作為例子假定要求脈沖具有對(duì)脈沖電壓平均值不超過(guò)0.5％偏差的平頂。在本例中，起始電壓為1200伏，從而脈沖末端處的電壓應(yīng)不低于該電壓的0.5％，或0.995×1200＝1194伏。V的該偏差值為6伏。每個(gè)模塊的電流已確定為1650安(1650A)并且脈沖持續(xù)時(shí)間T為5μs，從而電容為C＝Q/V＝ΔQ/ΔV＝IT/ΔV＝1650×5×10-6/6＝1375×10-6＝1375μF這是一個(gè)非常大的電容。為了降低對(duì)這樣大的電容的需求，可以選用脈沖平整電路，其約可把電容減小到十分之一。如果采用這種電路，可把該電容減小到137.5μF而不是1375μF。
c.模塊電路已決定出開關(guān)數(shù)量(5)和模塊電容器的大小(1200伏，138μF)。出于冷卻原因，可以把該電容器劃分成二個(gè)或三個(gè)獨(dú)立的容器，以便提高表面面積與體積的比率，因?yàn)檫@改善排除廢熱的能力。從而最終的電容器值可以是138/2＝69μF或者138/3＝46μF?，F(xiàn)在按圖6中示出的形式把這部件組裝成脈沖生成模塊。
在圖6中，接地連接如圖所示附著到該電容器的負(fù)端上。這是一種靈活的選擇—接地連接還可以設(shè)置在開關(guān)的發(fā)射極端上。這樣做會(huì)使該觸發(fā)脈沖生成電路是以地為基的，這可免去所示電路中用來(lái)使控制極連接與地隔離的小脈沖變壓器T1。
還示出反向二極管連接成跨在模塊的輸出端上。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)該二極管反向偏置，但當(dāng)該開關(guān)斷開(造成不導(dǎo)通)時(shí)，由于脈沖變壓器的感應(yīng)輸出電流繼續(xù)流動(dòng)。此刻該反向二極管變成導(dǎo)通并把輸出電壓箝位到接近零以防止開關(guān)遭受破壞性過(guò)電壓狀態(tài)，如果不存在該反相二極管該過(guò)電壓會(huì)破壞開關(guān)。在現(xiàn)有技術(shù)中，二個(gè)相鄰脈沖生成模塊之間的定時(shí)差異會(huì)造成該反向二極管過(guò)早接通。接著當(dāng)和該二極管連接的開關(guān)接通時(shí)，該導(dǎo)通的二極管突然斷開。該瞬變常常破壞該二極管，使它短路。這進(jìn)而通過(guò)讓過(guò)多的電流流到該開關(guān)中而破壞該開關(guān)。
圖6中選用的脈沖平整電路示成和脈沖變壓器次線繞組(組)的低電壓端串聯(lián)連接。圖6中阻尼電路示出和模塊輸出串聯(lián)連接。如前面說(shuō)明那樣，現(xiàn)有技術(shù)調(diào)制器要求每個(gè)模塊具有一個(gè)這樣的阻尼電路，但本發(fā)明的新的連接概念允許各模塊在不同的時(shí)刻接通，這種特征允許只使用一個(gè)阻尼電路。和該單個(gè)阻尼電路連接的模塊首先接通，當(dāng)輸出脈沖到達(dá)到峰值并且電壓已穩(wěn)定時(shí)，其它模塊接著接通以承載脈沖負(fù)載。在此情況下所有模塊同時(shí)斷開。這節(jié)約成本和降低復(fù)雜性。
d.脈沖變壓器考慮圖7示出一個(gè)脈沖調(diào)制器中使用的典型高壓脈沖變壓器。磁心標(biāo)記為(15)，而高壓輸出連接(屏蔽環(huán))標(biāo)記為(16)。幾何尺寸和調(diào)制器輸出電壓及功率成比例。典型地，這種變壓器浸在充滿基于礦物或基于硅的絕緣油的箱中以改善冷卻以及高壓絕緣。
圖7中示出的磁心是一個(gè)單心組件。在雙心變壓器中，二個(gè)相同的磁心并排排列并且都由次級(jí)繞組包圍，同時(shí)每個(gè)磁心帶有一組單獨(dú)的初級(jí)繞組。這提供半匝初級(jí)性能，如前面說(shuō)明那樣?？深愃圃O(shè)置三個(gè)或更多的磁心，以分別提供1/3或1/4匝初級(jí)繞組性能。例如SLAC(斯坦福線性加速器中心)調(diào)制器使用比四個(gè)磁心多得多的磁心而次級(jí)上的匝數(shù)很少(一至三個(gè))。依據(jù)什么選擇磁心數(shù)量和次級(jí)匝數(shù)數(shù)量如現(xiàn)在要說(shuō)明的那樣，脈沖上升和下降時(shí)間指導(dǎo)這些選擇。將回到該設(shè)計(jì)例子以幫助對(duì)此的說(shuō)明。
在圖8中可清楚地看出二個(gè)磁心之間的間隙。比較圖7和8，看到次級(jí)繞組(圍繞所有磁心的繞組)和初級(jí)繞組之間存在空間容積。當(dāng)變壓器工作時(shí)，根據(jù)安培定律該變壓器中除了各繞組之間的容積之外任何地方(包括磁心材料本身)幾乎都不存在磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)存儲(chǔ)磁能，并且其等于呈現(xiàn)出和負(fù)載串聯(lián)的感應(yīng)。該感應(yīng)是串聯(lián)的而不是并聯(lián)的，因?yàn)槌请娏魇紫攘鬟^(guò)各繞組并且建立雜散磁場(chǎng)，否則該電流不會(huì)到達(dá)負(fù)載。該磁場(chǎng)代表變壓器性能上的“稅”，為了獲得任何輸出電力必須支付該“稅”。由該磁場(chǎng)容積建立的電感稱為變壓器的漏電感。
眾所周知，線圈電感和線圈匝數(shù)的平方成比例。當(dāng)從變壓器的次級(jí)或輸出側(cè)測(cè)量時(shí)，該漏電感和次級(jí)匝數(shù)的平方成比例。因此，任何可以減小次級(jí)匝數(shù)的事件會(huì)明顯影響漏電感。該電感越小，輸出脈沖就可更快地上升到它的最大電力電平。通過(guò)并排設(shè)置二個(gè)各帶有自己的初級(jí)線圈組的磁心，采用分?jǐn)?shù)匝初級(jí)對(duì)于給定輸入和輸出電壓將使次級(jí)匝數(shù)減半。這會(huì)(幾乎)將漏電感減小到原來(lái)的四分之一，并且會(huì)允許比采用單磁心的情況脈沖上升要快幾乎四倍。
該論點(diǎn)是不確切的，因?yàn)槁╇姼信c初級(jí)組件和次級(jí)組件之間包含的容積以及次級(jí)匝數(shù)的平方成比例，并且當(dāng)對(duì)變壓器添加更多的磁心時(shí)該容積會(huì)增加。出于這個(gè)原因，當(dāng)磁心從一個(gè)變成二個(gè)時(shí)漏電感的減少更接近1/3而不是1/4。但是在對(duì)脈沖變壓器得到更快的上升和下降時(shí)間上，該效應(yīng)仍是非常有用的。
再次研究圖2和3，看出在二個(gè)磁心的情況下存在四條必須由初級(jí)線圈包圍的垂直磁性材料“腿”。這在前面的討論中已經(jīng)提到，并且這樣做的原因在這二張圖中是明顯的。對(duì)于單個(gè)磁心，存在二條這種垂直的“腿”。概言之，對(duì)于N個(gè)磁心存在2N個(gè)需要由初級(jí)線圈包圍的“腿”?；旧希嘈淖儔浩鞯韧谌舾刹⒙?lián)連接的變壓器。
為了完成該設(shè)計(jì)例子，需要對(duì)變壓器定尺寸。假定磁性材料具有等于Bmax泰斯拉的飽和磁通密度。在采用較老的磁單位系統(tǒng)下，該磁通密度的典型值在1泰斯拉或10,000高斯附近。圍繞各磁心纏繞一組線圈以承載用來(lái)復(fù)位這些磁心的DC電流。這些線圈通過(guò)一個(gè)串聯(lián)復(fù)位扼流圈(reset choke)和DC電源連接，因?yàn)楫?dāng)變壓器由脈沖生成模塊組驅(qū)動(dòng)時(shí)這些復(fù)位線圈會(huì)形成脈沖電壓，并且需要一個(gè)高串聯(lián)阻抗以使該DC電源免遭該脈沖影響以及確保復(fù)位電流不受該脈沖的影響。該復(fù)位扼流圈和變壓器中的脈沖動(dòng)作無(wú)關(guān)地保持復(fù)位電流不變地流動(dòng)。
該DC復(fù)位電流在各磁心中感應(yīng)等于-Bmax的DC磁通密度，該負(fù)號(hào)表示該磁通方向上和該變壓器產(chǎn)生脈沖時(shí)感應(yīng)的磁通相反。這允許這些磁心使用在沒有復(fù)位情況下所需材料的一半材料做成，因?yàn)楝F(xiàn)在在脈沖期間磁通密度可從-Bmax擺動(dòng)到+Bmax從而總的磁通變化范圍為2Bmax。每個(gè)磁心具有AC平方米的剖面面積(見圖2)。而Lenz定律指出若使用單匝初線繞組，在給定模塊電壓V和脈沖持續(xù)時(shí)間T情況下，每個(gè)磁心的剖面面積按如下計(jì)算Ac＝V×T/2Bmax代入數(shù)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。從而二個(gè)磁心中的每個(gè)的剖面面積約為5.5cm寬和5.5cm深，這是所建立的典型變壓器。通常要為更寬的10到12us的脈寬進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而更次根據(jù)上式磁心要比該磁心大。
接著希望具有1.2kv輸入和120kV輸出，從而電壓增益為100∶1，這要求圖2和3中示出的二個(gè)并聯(lián)連接的次級(jí)“籠”的每個(gè)籠為50匝。這反映初級(jí)實(shí)際上為1/2匝的事實(shí)。電壓增益等于匝數(shù)比，在本情況下其為50/0.5＝100。
如前面提到那樣，具有四條由初級(jí)線圈圍繞的垂直磁心“腿”，因?yàn)閷?shí)際上在制作二個(gè)并聯(lián)連接的變壓器。這些“腿”中的每條腿需要圍繞它的五匝，因?yàn)橐褂梦鍌€(gè)模塊。接著把每個(gè)模塊連接到一組四個(gè)單匝的初級(jí)繞組，每個(gè)組的每個(gè)匝用于四條“腿”中的一條。從而所需的總初級(jí)匝數(shù)為5個(gè)模塊乘以每個(gè)模塊4個(gè)腿匝，或20匝初級(jí)繞組。這給出每條“腿”五匝，這是符合的。
應(yīng)該提到，為了保持漏電感低，需要用良好的“電流板(currentsheet)”近似來(lái)圍繞每個(gè)磁心“腿”以使各條導(dǎo)線之間的磁場(chǎng)為最小。沿著用于120kV的長(zhǎng)度可為15cm的磁心腿間隔排列的五條小直徑導(dǎo)線不是均勻電流板的良好近似，因此可以這樣做出五個(gè)單匝繞磁心腿例如纏十條或者甚至二十條單根導(dǎo)線，接著把這些單匝分成五個(gè)各為二個(gè)或三個(gè)或四個(gè)單匝的線束，并聯(lián)連接每個(gè)線束以等同于一個(gè)寬的單匝。
在該設(shè)計(jì)例子中，希望800Hz PRF，并且每個(gè)脈沖傳送的輸出能量為Vsec×Isec×Tpulse＝1200kV×70A×5us＝42焦耳/脈沖。在800Hz的重復(fù)率下，這代表平均功率為800×42＝33,600瓦或33.6KW。占空率是脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖之間間隔時(shí)間的比，在本情況下為800×5μS＝0.004或0.4％。電流的RMS(均方根)值等于峰值電流乘上占空率的平方根，在本情況下為70安乘0.063，或4.4安的總次級(jí)電流。次級(jí)是由如圖7和8的二個(gè)并聯(lián)連接的繞組構(gòu)成的，從而這些繞組中的每個(gè)承載2.2安的RMS電流。根據(jù)承載該電流的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線表確定導(dǎo)線剖面尺寸。
類似地，對(duì)于每個(gè)初線繞組峰值電流為1650安，從而RMS電流為104安。同樣，在考慮能把導(dǎo)體冷卻到安全等級(jí)的熱傳輸/冷卻裝置的情況下，從承載該電流的標(biāo)準(zhǔn)表確定初級(jí)導(dǎo)體的尺寸。
除了對(duì)復(fù)位繞組和復(fù)位電流確定尺寸外，這完成了調(diào)制器的連接。確定復(fù)位繞組和復(fù)位電流的尺寸涉及磁性材料的導(dǎo)磁率，其是以泰斯拉為單位的磁通密度B和以每米安匝數(shù)為單位的磁勢(shì)H的比率，并且是磁性材料目錄中被列表的一項(xiàng)特性。當(dāng)確定該數(shù)值時(shí)，復(fù)位匝數(shù)和復(fù)位電流的選擇涉及簡(jiǎn)單應(yīng)用安培定律從而不必進(jìn)一步說(shuō)明。這是眾所周知的技術(shù)。
上面給出的實(shí)施例和設(shè)計(jì)例子僅是說(shuō)明性的，存在本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)的其它實(shí)施例。從而應(yīng)按附后的權(quán)利要求書定義本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種電力調(diào)制器，包括至少二個(gè)脈沖生成模塊；以及至少一個(gè)圍繞著所有多個(gè)磁心的次級(jí)繞組，其中每個(gè)所述脈沖生成模塊包括一個(gè)能量存儲(chǔ)電容器；可電子地受控接通和斷開的開關(guān)裝置；至少一個(gè)和所述脈沖生成模塊的輸出導(dǎo)體并聯(lián)連接的二極管；以及一組初級(jí)繞組；以及其中，所述初級(jí)繞組組中的每個(gè)初級(jí)繞組圍繞所述多個(gè)磁心中的一個(gè)對(duì)應(yīng)磁心，所述初級(jí)繞組組并聯(lián)連接，從而提供一種其中所述至少一個(gè)脈沖生成模塊中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)所有所述多個(gè)磁心的電力調(diào)制器。
2.如權(quán)利要求1所述的電力調(diào)制器，其中，所述至少一個(gè)二極管是一個(gè)串聯(lián)連接二極管組件中的一部分。
3.如權(quán)利要求1所述的電力調(diào)制器，其中，所述初級(jí)繞組是單匝初級(jí)繞組。
4.如權(quán)利要求1所述的電力調(diào)制器，其中，所述初級(jí)繞組是多匝初級(jí)繞組。
5.如權(quán)利要求1所述的電力調(diào)整器，其具有至少二個(gè)脈沖生成模塊，所述至少二個(gè)脈沖生成模塊中的每個(gè)包括一組初級(jí)繞組，每個(gè)初級(jí)繞組圍繞多個(gè)磁心中的一個(gè)對(duì)應(yīng)磁心，所述初級(jí)繞組組并聯(lián)連接并與所述脈沖生成模塊并聯(lián)連接，從而在所述至少二個(gè)脈沖生成模塊的所有模塊中得到相等電流并且在所述至少二個(gè)脈沖生成模塊中消除掉破壞性過(guò)電壓狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的電力調(diào)制器，其中，脈沖生成模塊的數(shù)量和磁心的數(shù)量相等。
7.如權(quán)利要求5所述的電力調(diào)制器，其中，脈沖生成模塊的數(shù)量和磁心的數(shù)量不同。
8.如權(quán)利要求5所述的電力調(diào)制器，其中，可以通過(guò)手工或自動(dòng)裝置在不同時(shí)刻接通或斷開每個(gè)脈沖生成模塊。
9.如權(quán)利要求5所述的電力調(diào)制器，其中，并聯(lián)連接所有脈沖生成模塊。
10.如權(quán)利要求5所述的電力調(diào)制器，其中，所述開關(guān)裝置是IGBT固態(tài)開關(guān)。
11.如權(quán)利要求1所述的電力調(diào)制器，其中，脈沖生成模塊的數(shù)量和磁心的數(shù)量相等。
12.如權(quán)利要求1所述的電力調(diào)制器，其中，脈沖生成模塊的數(shù)量和磁心的數(shù)量不同。
13.如權(quán)利要求1所述的電力調(diào)制器，其中，可以通過(guò)手工或自動(dòng)裝置在不同時(shí)刻接通或斷開每個(gè)脈沖生成模塊。
14.如權(quán)利要求1所述的電力調(diào)制器，其中，所述開關(guān)裝置是IGBT固態(tài)開關(guān)。
全文摘要
一種電力調(diào)制器，包括多個(gè)磁心，至少一個(gè)圍繞著所有磁心的次級(jí)繞組，至少一個(gè)由能量存儲(chǔ)電容器、電子可控地接通或斷開的開關(guān)裝置、和輸出導(dǎo)體并聯(lián)連接的二極管以及一組單匝或多匝的初級(jí)繞組構(gòu)成的脈沖生成模塊，每組初級(jí)繞組圍繞該多個(gè)磁心中的一個(gè)對(duì)應(yīng)磁心，這些初級(jí)繞組組并聯(lián)連接，從而提供一種其中每個(gè)脈沖生成模塊驅(qū)動(dòng)所有多個(gè)磁心的電力調(diào)制器。
文檔編號(hào)H03K3/51GK1666415SQ02827805
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2002年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月4日
發(fā)明者沃爾特·克魯森, 戴維·伍德伯恩 申請(qǐng)人:斯勘的諾維亞公司