專利名稱：帶有高效開關(guān)保護(hù)的電功率切換的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及電功率系統(tǒng)，比如功率發(fā)生器、功率調(diào)制器等，更確切地說，涉及這樣的系統(tǒng)中功率切換和開關(guān)保護(hù)的問題。
背景技術(shù)：
在幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域中都能夠發(fā)現(xiàn)電功率系統(tǒng)，正常情況下它們涉及某種形式的功率切換設(shè)備，向預(yù)期的負(fù)載可控地傳遞電功率即電能。電功率切換用于范圍廣泛的應(yīng)用中，比如機(jī)車牽引、汽車、傳送帶系統(tǒng)、自動(dòng)扶梯、電梯、空調(diào)設(shè)備、電氣設(shè)備、微波系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、激光驅(qū)動(dòng)器和雷達(dá)應(yīng)用。
常用功率系統(tǒng)的具體實(shí)例是功率調(diào)制器，它可以被視為控制電功率流動(dòng)的設(shè)備。當(dāng)功率調(diào)制器設(shè)計(jì)為產(chǎn)生電脈沖時(shí)，它也被稱為脈沖調(diào)制器或脈沖發(fā)生器。功率調(diào)制器以其最常見的形式，向?qū)ｉT的負(fù)載傳遞大功率電脈沖串。舉例來說，在比如醫(yī)療放射性應(yīng)用和雷達(dá)應(yīng)用等應(yīng)用中，大功率電脈沖用于向驅(qū)動(dòng)電子加速器系統(tǒng)和/或微波發(fā)生系統(tǒng)中的微波放大管提供功率。世界上大多數(shù)大功率雷達(dá)設(shè)施使用調(diào)制器向微波源傳遞功率脈沖，它又以微波周期脈沖串的形式向天線結(jié)構(gòu)饋送功率。當(dāng)然也存在著許多其他應(yīng)用。對所產(chǎn)生脈沖的品質(zhì)要求可能很高。脈沖能量、脈沖寬度、上升時(shí)間、下降時(shí)間和脈沖平坦度是通?？紤]的某些品質(zhì)參數(shù)。
在二次世界大戰(zhàn)后的幾十年中，功率調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)沒有顯著變化。傳統(tǒng)的功率調(diào)制器包括功率源，它從AC電源線路接收電源，逐步提高電壓，對電源進(jìn)行整流以產(chǎn)生直流(DC)電源，并用于傳遞能量到蓄能器，蓄能器通常由高能電容器組形成。有必要這樣做，因?yàn)檩斎腚娫淳€路無法傳遞正常情況下需要的峰值功率，所以蓄能器用于多次以一點(diǎn)點(diǎn)的能量傳遞峰值功率，再以低得多的平均功率以合理的不變速率由DC電源補(bǔ)充即充滿。這個(gè)蓄能器中能量的一部分再傳遞到第二個(gè)更小的蓄能器，通常是所謂的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)，一般基于幾個(gè)互連的電感器和電容器。
PFN快速充電至例如20kV，然后由高壓開關(guān)瞬間連接到脈沖變壓器，向脈沖變壓器傳遞一半的充電電壓。典型情況下，高壓開關(guān)為等離子體或離子化氣體開關(guān)，比如氫閘流管，它只能被閉合而不能被斷開。然而PFN需要以矩形脈沖的形式產(chǎn)生脈沖并向負(fù)載傳遞功率，所述矩形脈沖的上升和下降時(shí)間與脈沖寬度相比相對較快。PFN以行波的方式放電，電脈沖波從切換端向“開路”端行進(jìn)，從這個(gè)開路端反射并向切換端返回，在其傳播時(shí)從能量存儲(chǔ)電容器提取能量，并將能量饋送到脈沖變壓器中。當(dāng)行波在兩個(gè)方向都穿越了PFN結(jié)構(gòu)并且從網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)提取了存儲(chǔ)的全部能量時(shí)，脈沖就終止了。切換前的PFN電壓為V，施加在脈沖變壓器初級端的電壓為V/2或略低。
如果PFN中的組件出現(xiàn)故障，就需要在更換了組件后再次優(yōu)化PFN以獲得最優(yōu)脈沖波形。這是費(fèi)力且危險(xiǎn)的工作，因?yàn)楸仨氃赑FN施加了高壓時(shí)進(jìn)行。另外，如果需要不同的脈沖寬度，也需要更換和/或再次優(yōu)化整個(gè)PFN結(jié)構(gòu)。
PFN已經(jīng)傳遞了脈沖后，必須為下一個(gè)脈沖完全充電至電壓V。為了使脈沖間的可重復(fù)性誤差保持在零點(diǎn)幾個(gè)百分點(diǎn)，充電電壓的這種大“擺動(dòng)”必須以高精度出現(xiàn)。同時(shí)，對于每個(gè)脈沖每秒鐘幾百至幾千次地對全部PFN電容器完全充電并完全放電，會(huì)使這些電容器中的絕緣材料產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)變，這迫使將電容器設(shè)計(jì)為具有非常低的應(yīng)力，從而具有非常低的能量密度。這使得PFN的結(jié)構(gòu)相當(dāng)大。
如果在負(fù)載處發(fā)生短路(例如磁控管經(jīng)常發(fā)生的短路)，基于高壓PFN開關(guān)比如閘流管或可控硅整流器開關(guān)的全部常規(guī)功率調(diào)制器都有一個(gè)問題。這些調(diào)制器無法在脈沖期間斷開，可能會(huì)產(chǎn)生非常大的故障電流，常常既損壞調(diào)制器(尤其是開關(guān))又損壞負(fù)載。因?yàn)樵陔娏飨陆抵亮阒案邏篜FN開關(guān)無法斷開，所以無法中斷電流的流動(dòng)。
對于感興趣的讀者，在從1940年代后期開始的M.I.T.RadiationlaboratorySeries on Radar“Pulse Generators”，edited by Glasoe andLeBacqz，Wiley，N.Y.的第5卷中，可以找到常規(guī)脈沖發(fā)生器的一般信息。
美國專利5,905,646號涉及一種新穎的功率調(diào)制器概念，使用一個(gè)或多個(gè)在閉合與斷開時(shí)都是電子可控的開關(guān)20，將功率源10與脈沖變壓器30和/或負(fù)載40差不多直接連接，如圖1中的示意展示。功率源10一般是基于一個(gè)或多個(gè)由DC電源充電的能量存儲(chǔ)電容器。脈沖寬度由控制電路22電子控制，所述控制電路22觸發(fā)開關(guān)閉合以開始脈沖，斷開以終止脈沖。為了確保足夠的脈沖平坦度，可以采用專用電路補(bǔ)償電容器放電期間的電壓下降。這種在發(fā)明者Lindholm、Crewson和Woodburn之后通常被稱為LCW調(diào)制器的新穎的調(diào)制器類型提供了優(yōu)于傳統(tǒng)的基于PFN調(diào)制器的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)■不再需要PFN網(wǎng)絡(luò)；■可以獲得更緊湊的結(jié)構(gòu)；■更小的雜散損耗；■更長的預(yù)期壽命；■脈沖寬度可以電子方式調(diào)整。不需要電路改變或重新調(diào)整。在極限狀態(tài)下，在需要時(shí)脈沖寬度甚至可以逐個(gè)脈沖改變。
■傳遞到負(fù)載的電壓與電容器電壓相同，而不是基于PFN調(diào)制器電壓的一半。這意味著可以使用開關(guān)的全部額定功率而不是半功率(全部電壓和電流)。
圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的示范LCW類型調(diào)制器的示意電路圖。電源10基本上是對能量存儲(chǔ)電容器充電的DC電源。電子通斷可控開關(guān)20比如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)開關(guān)通過無源脈沖整平網(wǎng)絡(luò)連接著電容器和升壓脈沖變壓器30的初級端。
雖然LCW調(diào)制器為調(diào)制器技術(shù)帶來了顯著進(jìn)步，但是以上優(yōu)點(diǎn)要付出代價(jià)。充電后電容器與負(fù)載之間簡單且差不多的直接連接在發(fā)生負(fù)載故障比如短路時(shí)使開關(guān)遭受可能是破壞性的電流和電壓。
某些現(xiàn)代的固態(tài)開關(guān)比如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)開關(guān)有內(nèi)置的防短路保護(hù)。不過，中斷大電流通常以不可預(yù)測的方式縮短了IGBT的壽命。雖然某些額定DC電流為1600安培的IGBT具有“10X”的短路電流，意味著它們應(yīng)當(dāng)能夠在大約10毫秒內(nèi)中斷高達(dá)10倍的額定DC電流即16000安培，但是對開關(guān)而言這實(shí)際上是“壽命中僅僅一次”的事件，通常并不意味著可以重復(fù)發(fā)生。
因此，一般需要針對負(fù)載故障比如短路故障保護(hù)開關(guān)，以防止開關(guān)被毀壞和/或保持其壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)方案的這些和其他缺點(diǎn)。
本發(fā)明的一般目的是能夠針對負(fù)載故障等情況保護(hù)電源系統(tǒng)的功率切換系統(tǒng)中的開關(guān)。
具體地說，需要針對負(fù)載短路保護(hù)開關(guān)。
本發(fā)明的目的還有能夠針對開路負(fù)載故障保護(hù)開關(guān)。
特定目的是保留基于電子通斷可控開關(guān)的現(xiàn)代功率調(diào)制器電路的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)消除破壞性負(fù)載故障電流和/或電壓尖峰的問題。
具體目的是提供改進(jìn)的電功率切換系統(tǒng)。
另一個(gè)具體目的是提供改進(jìn)的電源系統(tǒng)。
由附帶的專利權(quán)利要求書定義的本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)這些和其他目的。
本發(fā)明的基本思路是在功率切換系統(tǒng)的開關(guān)和功率輸出端之間引入傳輸延遲線，使得負(fù)載的任何火花都對開關(guān)隱藏傳輸線的時(shí)間延遲。這就使得有可能檢測負(fù)載火花并在開關(guān)實(shí)際上知道已經(jīng)有了負(fù)載故障火花之前主動(dòng)地保護(hù)開關(guān)，典型情況下是通過使開關(guān)斷開。作為替代，傳輸線的延遲足夠長，使得在正常脈沖操作中負(fù)載故障電流到達(dá)開關(guān)之前開關(guān)已經(jīng)斷開。無論哪種方式，開關(guān)都是在正常電流下斷開，將不會(huì)遭受破壞性的過流或過壓條件。
優(yōu)選情況下，根據(jù)本發(fā)明的電功率切換系統(tǒng)基本上包括功率輸入端和功率輸出端、將能量脈沖從功率輸入端切換到功率輸出端的開關(guān)以及連接在開關(guān)和功率輸出端之間用于以某個(gè)延遲傳送能量脈沖以能夠保護(hù)開關(guān)免受負(fù)載故障電流的傳輸線。
為了能夠減少延遲并因此減小傳輸線的物理尺寸，通過檢測負(fù)載故障電流，并且在優(yōu)選情況下，在過流到達(dá)開關(guān)之前立即使開關(guān)斷開而主動(dòng)地保護(hù)開關(guān)是非常有利的。
優(yōu)選情況下，由開關(guān)的電子控制的閉合和斷開實(shí)現(xiàn)切換，以便在開關(guān)閉合時(shí)開始脈沖，斷開時(shí)終止脈沖。大多數(shù)電子通斷可控開關(guān)，比如現(xiàn)代的固態(tài)開關(guān)都具有所謂的存儲(chǔ)時(shí)間，所述存儲(chǔ)時(shí)間對應(yīng)于施加斷開信號和開關(guān)響應(yīng)以開始斷開電流之間的時(shí)延。這種時(shí)延往往被稱為開關(guān)的斷開延遲。因此，除非產(chǎn)生了非常短的脈沖，優(yōu)選情況下，傳輸線配置的延遲要大于開關(guān)的斷開延遲，以便將有足夠的時(shí)間將開關(guān)真正斷開。
作為可選的安全措施，僅僅為了安全可靠，傳輸線的延遲典型情況下要大于開關(guān)斷開延遲和電流下降時(shí)間之和，以便在故障消息到達(dá)開關(guān)之前能夠徹底地“切斷”電流。
為了避免干擾脈沖波形，優(yōu)選情況下傳輸線的延遲要大于半個(gè)脈寬。這樣由傳輸線引起的反射將永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)在脈沖期間。
優(yōu)選情況下，傳輸線是基于電感器電容器(LC)的傳輸線，它看起來很像傳統(tǒng)的PFN網(wǎng)絡(luò)，但是卻具有完全不同的功能。傳輸線不像PFN那樣用于存儲(chǔ)脈沖能量，而僅僅是傳輸脈沖能量的延遲線，輸出端的電壓與輸入端的電壓差不多相同。PFN的輸出電壓僅僅是輸入電壓的一半，并且需要行波來提取電容器的能量。
作為附加的可選安全措施，可以在傳輸線的輸入端上連接削峰二極管，與基于電感器電容器的傳輸線的電容器并聯(lián)連接。
傳輸延遲線可以以其他方式實(shí)施，例如基于許多飽和鐵心。
根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例，傳輸線事實(shí)上可以被設(shè)計(jì)為非均勻的傳輸線，以定制脈沖波形。例如，傳輸延遲線輸出端上的阻抗可以不同于傳輸延遲線輸入端上的阻抗，從而在延遲線之上實(shí)現(xiàn)阻抗?jié)u變。如果傳輸延遲線輸出端上的阻抗低于傳輸延遲線輸入端上的阻抗，就有可能例如在基于電容器的功率源放電期間補(bǔ)償電壓下降，并且使脈沖平坦度維持在優(yōu)于平均脈沖幅度的1％。舉例來說，可以通過將具有漸變橫截面的導(dǎo)電棒插入延遲線的線圈內(nèi)來實(shí)現(xiàn)阻抗的漸變。
典型情況下，傳輸線的阻抗要與功率切換系統(tǒng)意圖使用的負(fù)載匹配，以便脈沖能量能夠進(jìn)入負(fù)載，而不會(huì)反射回到脈沖發(fā)生模塊。
在負(fù)載端不僅存在短路的問題，而且還可能存在開路負(fù)載故障的問題。為此，優(yōu)選情況下，本發(fā)明的功率切換系統(tǒng)包括電壓箝位電路，比如金屬氧化物壓敏電阻，配備在傳輸線的輸出端上以實(shí)現(xiàn)針對開路負(fù)載故障的保護(hù)。
本發(fā)明可應(yīng)用于必須對開關(guān)進(jìn)行抗負(fù)載故障電流保護(hù)的所有切換功率系統(tǒng)。整體功率系統(tǒng)，比如產(chǎn)生脈沖輸出功率的功率調(diào)制器包括升壓變壓器，配備在傳輸線和功率輸出端之間。變壓器可以是例如美國專利5,905,646或者美國專利6,741,484對應(yīng)的電路配置中的分離鐵心變壓器。
本發(fā)明提供以下優(yōu)點(diǎn)■基于傳輸延遲的高效開關(guān)保護(hù)；■大功率輸出。與對應(yīng)的沒有基于延遲的開關(guān)保護(hù)的常規(guī)功率系統(tǒng)相比，本發(fā)明的功率系統(tǒng)能夠傳遞的功率竟高達(dá)其四(4)倍！■針對短路負(fù)載故障的保護(hù)；■檢測負(fù)載故障電流并主動(dòng)斷開開關(guān)，以減少延遲并因此減小傳輸線的物理尺寸；■具有集成的電壓下降補(bǔ)償?shù)膫鬏斞舆t線；■抗開路負(fù)載故障的保護(hù)。
當(dāng)閱讀下面本發(fā)明實(shí)施例的說明時(shí)將會(huì)理解本發(fā)明提供的其他優(yōu)點(diǎn)。


連同附圖參考以下說明將最好地理解本發(fā)明與其進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有功率開關(guān)電子通斷控制的電功率系統(tǒng)的示意框圖；圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的示范LCW類型調(diào)制器的示意電路圖；圖3是示意框圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的基本示范實(shí)施例的功率系統(tǒng)；圖4是示意信號圖，展示了脈沖上相對長的時(shí)延；圖5是示意框圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的示范優(yōu)選實(shí)施例的具有主動(dòng)電流檢測和通斷的功率系統(tǒng)；圖6是示意信號圖，展示了相對短于圖4延遲的時(shí)延；圖7是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的基于LC傳輸線的示范功率切換系統(tǒng)；圖8是示意信號圖，展示了根據(jù)本發(fā)明具有電壓下降補(bǔ)償?shù)难舆t脈沖；圖9是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的基于LC傳輸線的示范功率切換系統(tǒng)；圖10是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的基于LC傳輸線的示范功率切換系統(tǒng)；圖11是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例的功率調(diào)制器；圖12是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示范實(shí)施例的功率調(diào)制器；圖13是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明示范優(yōu)選實(shí)施例的功率調(diào)制器；圖14是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示范優(yōu)選實(shí)施例的功率調(diào)制器；圖15是示意圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的延遲線裝配的示范實(shí)施。
具體實(shí)施例方式
在全部附圖中，對應(yīng)或類似的元件將使用同樣的附圖標(biāo)記。
從對基本的潛在問題進(jìn)行簡要分析開始也許是最有利的。如在背景技術(shù)部分中所提及的，與基于PFN的功率調(diào)制器系統(tǒng)相比，LCW類型的功率調(diào)制器提供了許多優(yōu)點(diǎn)。不過，這些優(yōu)點(diǎn)要付出代價(jià)。充電后電容器與負(fù)載之間進(jìn)行簡單而直接的連接在負(fù)載變?yōu)槎搪返那闆r下使LCW類型調(diào)制器的開關(guān)遭受可能是破壞性的電流和電壓。這種情況的確會(huì)出現(xiàn)，比如在許多微波調(diào)制器系統(tǒng)中，因?yàn)樨?fù)載(如速調(diào)管或磁控真空管)在脈沖期間不可預(yù)見時(shí)間可能打火并的確產(chǎn)生火花。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到如果負(fù)載短路，唯一的求助就是盡可能快速地?cái)嚅_開關(guān)。但是固態(tài)開關(guān)具有非零斷開延遲時(shí)間。例如對于IGBT開關(guān)，降低IGBT門電壓和IGBT開始斷開電流的響應(yīng)之間的時(shí)間典型情況下是在0.1和2毫秒之間的范圍，如果調(diào)制器必須產(chǎn)生亞微秒的脈沖上升時(shí)間，其內(nèi)部電感將非常低，足以使負(fù)載(和開關(guān))電流可能在這種延時(shí)期間上升至正常脈沖電流的許多倍。
當(dāng)開關(guān)最后中斷這種大電流時(shí)，電路的內(nèi)部電感阻止這種改變，導(dǎo)致電壓尖峰出現(xiàn)在開關(guān)兩側(cè)。這是一種雙重的威脅，如果大電流沒有損壞開關(guān)，電壓尖峰也可能損壞它。
本發(fā)明的基本思想是在功率切換系統(tǒng)的開關(guān)和功率輸出端之間引入傳輸延遲線，以便為開關(guān)屏蔽負(fù)載故障的過流傳輸線的時(shí)間延遲，如圖3所示。除在開關(guān)20和(可選的)變壓器30或者實(shí)際負(fù)載40之間適當(dāng)?shù)嘏渲玫难舆t線25之外，圖3的功率系統(tǒng)類似于圖1的功率系統(tǒng)。圖3的功率切換系統(tǒng)基本上包括連接到電功率源10的功率輸入端和連接到變壓器30(如果使用了變壓器)或負(fù)載40的功率輸出端。從功率切換方面來看，變壓器(可選的)可以視為負(fù)載的一部分；這僅僅是邏輯定義的問題。功率切換系統(tǒng)進(jìn)一步具有將能量脈沖從功率輸入端切換到功率輸出端的開關(guān)20，以及連接在開關(guān)和功率輸出端之間的傳輸線25，以便傳輸能量脈沖時(shí)帶有延遲，使開關(guān)能夠防護(hù)可能的負(fù)載故障電流。這種開關(guān)防護(hù)原理通常可應(yīng)用于所有的功率切換系統(tǒng)，但是對通斷可控開關(guān)尤其有用，比如IGBT、MCT、GTO、ICT、MosFet以及其他現(xiàn)代固態(tài)開關(guān)，它們與適當(dāng)?shù)挠|發(fā)器或控制電路22一起使用。
以這種方式，功率開關(guān)20將不必中斷高于其額定值的電流，并且斷開時(shí)的“返回尖峰”電壓也被大為降低。這將賦予我們能夠承受反復(fù)性負(fù)載火花的能力，例如在磁控調(diào)制器中。
傳輸線例如可以被配置為具有的延遲長到足以使在負(fù)載故障電流到達(dá)開關(guān)之前，在正常脈沖操作中已經(jīng)斷開了開關(guān)，如圖4所示。由虛線標(biāo)明的脈沖是開關(guān)看到的脈沖，而實(shí)線標(biāo)明的脈沖是在功率輸出端負(fù)載看到的延遲脈沖。
因此，本發(fā)明提供了時(shí)間延遲，為開關(guān)屏蔽了負(fù)載短路導(dǎo)致的過流。利用根據(jù)本發(fā)明的電路，開關(guān)能夠工作達(dá)到其電壓和電流滿額定值，因此它被最高效地使用。對于基于PFN的電路，開關(guān)僅僅向負(fù)載傳遞運(yùn)行(充電)電壓的一半，并且因?yàn)樗鼤?huì)遭受負(fù)載短路的后果，由于負(fù)載短路時(shí)開關(guān)電流將加倍，因此開關(guān)必須在額定電流的僅僅一半工作。總之，與對應(yīng)的沒有基于延遲的開關(guān)保護(hù)的常規(guī)功率系統(tǒng)相比，使用本發(fā)明保護(hù)原理的功率系統(tǒng)能夠傳遞的功率竟高達(dá)其四(4)倍！。在這方面，優(yōu)選情況下，根據(jù)本發(fā)明的傳輸線實(shí)質(zhì)上是電壓透明的，盡管某些電壓調(diào)制可以集成到傳輸線內(nèi)，以補(bǔ)償基于電容器的功率源的電壓下降，正如后面的解釋。
在圖5中示意性展示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，功率切換系統(tǒng)還配備了電流檢測器27，它檢測故障電流并在檢測到過流時(shí)向開關(guān)觸發(fā)斷開信號。以這種方式，也有可能主動(dòng)地檢測負(fù)載故障電流并在實(shí)際知道已經(jīng)存在著負(fù)載故障之前，主動(dòng)地將開關(guān)斷開。因此該開關(guān)將在正常的電流流動(dòng)下斷開(開路)，將不承受破壞性的過流或過壓的條件。也可以有其他響應(yīng)檢測到的故障電流保護(hù)開關(guān)的方式，包括使正常運(yùn)行期間正常情況下總是閉合著的附加開關(guān)斷開(開路)。
優(yōu)選情況下，電流檢測器27安裝在延遲線的輸出端?？梢允褂矛F(xiàn)有技術(shù)已知的任何適當(dāng)?shù)碾娏鳈z測器。如基于簡單線圈和分流電阻器的電流檢測器。優(yōu)選情況下，電流檢測器與簡單比較器電路(未顯示)相關(guān)聯(lián)，它對檢測器的輸出信號操作。比較器可以被配置為當(dāng)輸出信號超過高于正常電流的某個(gè)值，比如說正常電流的1.5倍時(shí)它便跳起。那么如果負(fù)載發(fā)生故障，電流加倍，這就會(huì)使比較器跳起。舉例來說，如果使用IGBT開關(guān)，那么來自比較器的輸出電壓則可以用于閉合位于IGBT柵極處的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Mosfet)，從IGBT去除柵極電壓。本操作可以被鎖定，所以它需要復(fù)位信號重新啟動(dòng)脈沖，或者至少展寬斷開信號，使之激活狀態(tài)長于故障瞬態(tài)在延遲線中存在的旅程，并且對于這個(gè)間隔使IGBT保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，然后才允許另一個(gè)柵極脈沖出現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)可以浮動(dòng)，但是如果系統(tǒng)接地，優(yōu)選情況下電流檢測器應(yīng)當(dāng)在熱線上布置。
使用電流檢測器和主動(dòng)地?cái)嚅_開關(guān)也意味著與圖3的基本實(shí)施例相比，能夠使所需要的延遲最小化。這就意味著能夠?qū)崿F(xiàn)更緊湊的結(jié)構(gòu)，因?yàn)閭鬏斁€的物理尺寸也能夠最小化，這自然是一種巨大優(yōu)勢。在這方面，重要的是考慮需要多少延遲。通常情況下，延遲必須大于開關(guān)的斷開延遲，除非要產(chǎn)生非常短的脈沖(如果斷開延遲是幾微秒，卻要產(chǎn)生亞微秒的脈沖，則延遲足夠大于亞微秒的脈沖寬度)。作為可選的安全措施，僅僅為了安全可靠，傳輸線的延遲典型情況下大于開關(guān)斷開延遲和電流下降時(shí)間之和，以便在故障消息到達(dá)開關(guān)之前能夠徹底“切斷”電流。為了避免干擾脈沖波形，優(yōu)選情況下傳輸線具有的延遲大于脈沖寬度的一半。這樣由傳輸線引起的反射將不會(huì)出現(xiàn)在脈沖期間。
舉例來說，考慮具有比如說2微秒斷開延時(shí)(降低IGBT柵極電壓與IGBT開始斷開電流的響應(yīng)之間的時(shí)間)的IGBT開關(guān)，延遲后電流的下降時(shí)間是比如說0.5微秒，則可能希望提供至少2微秒的延遲時(shí)間，或者優(yōu)選情況下提供至少2.5微秒的延遲時(shí)間，以便在故障消息到達(dá)IGBT之前能夠徹底“切斷”電流。如果做到了這一點(diǎn)，電壓“返回尖峰”應(yīng)當(dāng)如同IGBT正在遇到常規(guī)的電阻性負(fù)載一樣。被切斷的電流不大于正常情況，斷開的電壓也是正常的。
在每個(gè)脈沖模塊與其脈沖變壓器初級連接之間插入2.5μs的延遲線實(shí)際上將脈沖模塊與負(fù)載“分離”了5μs。換句話說，先要經(jīng)過5μs或在延遲線中的完整來回旅程，該模塊才能“見到”負(fù)載。這能夠簡化調(diào)制器的調(diào)諧，并使之對負(fù)載阻抗較不敏感，尤其是延遲線長度至少是我們需要的調(diào)制器最大脈寬的一半時(shí)。如果我們需要10μs的最大脈沖，延遲線的“長度”應(yīng)當(dāng)至少是5μs，以得到這種“分離”效果。如果做到了這一點(diǎn)，則能夠在工作平臺(tái)上以應(yīng)用于延遲線的假負(fù)載“調(diào)諧”調(diào)制器脈沖頂部的平坦度和過沖，該假負(fù)載表示脈沖變壓器的雜散電感和電容以及反射的負(fù)載電阻，然后在滿功率測試和/或運(yùn)轉(zhuǎn)之前我們能夠確信，負(fù)載上將產(chǎn)生正確的脈沖波形。
圖7是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的基于LC傳輸線的示范功率切換系統(tǒng)。優(yōu)選情況下，延遲線是無源傳輸延遲線，比如基于電感器電容器(LC)的傳輸線?；贚C的傳輸延遲線看起來很像傳統(tǒng)的PFN網(wǎng)絡(luò)，但是卻具有完全不同的功能。該傳輸線不像PFN那樣用于存儲(chǔ)脈沖能量，而僅僅是傳輸脈沖的延遲線，該延遲線輸出端的電壓與輸入端的電壓大約相同。PFN輸出電壓僅僅是輸入電壓的一半，并且需要行波來提取電容器能量。在這方面，本發(fā)明的傳輸延遲線是非PFN電路。
在示范實(shí)施例中，RIFA 0.68μF 1600伏的電容器在1000安培、1000伏特，振蕩頻率為400kHz情況下進(jìn)行了測試，并且確定這些器件的確堅(jiān)固，足以充當(dāng)延遲線電容器。這些電容器的巨大優(yōu)點(diǎn)在于它們都是質(zhì)量非常高的器件，并且也相當(dāng)便宜。在脈沖變壓器的油箱中可能有延遲線裝配所需要的空間，在該空間中適合的冷卻液比如油劑能夠相當(dāng)高效地冷卻這些組件。只要整個(gè)功率調(diào)制器被“調(diào)諧”并在運(yùn)行，通常沒有必要調(diào)整延遲線。
正常情況下，傳輸延遲線具有兩個(gè)輸出端子連接負(fù)載端，用于防護(hù)來自負(fù)載短路的過流。后面將討論其他的等效配置。
典型情況下，傳輸線的阻抗要與功率切換系統(tǒng)意圖使用的負(fù)載匹配，以便脈沖能量能夠進(jìn)入負(fù)載，而不會(huì)反射回到脈沖發(fā)生模塊。
雖然正常情況下延遲線傳輸脈沖時(shí)傳輸線輸出端上的電壓與輸入端上的電壓大約相同，但是事實(shí)上傳輸線可以設(shè)計(jì)為某種非均勻的傳輸線，以定制脈沖波形。例如，傳輸延遲線輸出端上的阻抗可以不同于傳輸延遲線輸入端上的阻抗，從而在延遲線之上實(shí)現(xiàn)阻抗?jié)u變。如果傳輸延遲線輸出端上的阻抗低于傳輸延遲線輸入端上的阻抗，就有可能例如在基于電容器的功率源放電期間補(bǔ)償電壓下降，并且使脈沖平坦度維持在優(yōu)于平均脈沖幅度的1％，如圖8中的示意展示。舉例來說，實(shí)現(xiàn)阻抗的漸變可以通過將具有漸變橫截面的導(dǎo)電棒插入延遲線的線圈內(nèi)。
圖9是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的基于LC傳輸線的示范功率切換系統(tǒng)。在圖9的功率切換系統(tǒng)中，配備了削峰二極管，連接在傳輸線的輸入端上，與基于電感器電容器的傳輸線的電容器并聯(lián)，作為可選的安全措施。因此削峰二極管布置在延遲線的起點(diǎn)處。這種二極管能夠給出某些優(yōu)點(diǎn)。由于該二極管與是延遲線一部分的電容器并聯(lián)，所以反向電壓和電流不能立即施加在這個(gè)二極管上，能夠允許它的閉合(和斷開)慢于IGBT開關(guān)處使用的快速二極管，以限制集電極上的斷開電壓尖峰。這種削峰二極管能夠與小電阻(未顯示)串聯(lián)地放置，以衰減脈沖之后在延遲線中出現(xiàn)的任何振蕩，作為線端的限幅器。
圖10是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的基于LC傳輸線的示范功率切換系統(tǒng)。在負(fù)載端不僅存在短路的問題，也可能存在開路負(fù)載故障的問題。為此，優(yōu)選情況下，圖10所示的功率切換系統(tǒng)包括可選的電壓箝位電路，比如金屬氧化物壓敏電阻器，與延遲線并聯(lián)地配備在傳輸線的輸出端上，以實(shí)現(xiàn)防護(hù)開路負(fù)載故障。以這種方式，如果未給出負(fù)載，電壓箝位限制電壓的上升，從而防止了延遲線輸出(和輸入)處電壓的加倍。某些技術(shù)一流的開關(guān)具有為此目的而內(nèi)置的二極管保護(hù)，因此不需要電壓箝位。在圖10中也顯示了組合的電流檢測器和比較器，如果檢測出負(fù)載故障電流，便向開關(guān)觸發(fā)OFF命令信號。如果系統(tǒng)接地，電流檢測器必須布置在整個(gè)電路的熱線端。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的功率切換系統(tǒng)具有看起來很像傳統(tǒng)PFN網(wǎng)絡(luò)的傳輸線，但是實(shí)際上在整個(gè)電路中的功能和連接卻完全不同。
在下面將與許多現(xiàn)有技術(shù)文檔對比而介紹本發(fā)明美國專利3,273,075號涉及常規(guī)的PFN類型調(diào)制器，由與飽和電抗器串聯(lián)的大型晶體管進(jìn)行切換。該晶體管被觸發(fā)時(shí)，RC網(wǎng)絡(luò)放電到脈沖變壓器的初級，向磁控管負(fù)載給出預(yù)熱脈沖，使之準(zhǔn)備接受來自PFN的大功率脈沖。在本文檔中有權(quán)利要求說明這是防止磁控管以錯(cuò)誤震蕩模式啟動(dòng)的一種好方法。根據(jù)本文檔，當(dāng)飽和電抗器開關(guān)閉合時(shí)，晶體管直接連接到PFN的熱端，而PFN的接地端連接到脈沖變壓器的初級。因此，在晶體管和脈沖變壓器負(fù)載之間將沒有時(shí)間延遲。來自磁控管的負(fù)載火花將可能立即傳送至晶體管，導(dǎo)致晶體管電流瞬間加倍。
根據(jù)我們發(fā)明的電路，延遲線插入在開關(guān)和脈沖變壓器初級之間，所以負(fù)載的任何火花都對開關(guān)隱藏延遲線的時(shí)間延遲。例如這樣給出的時(shí)間足以檢測負(fù)載火花，并且在開關(guān)實(shí)際知道存在火花之前斷開它。
在美國專利3,273,075號中，先使第一RC網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有時(shí)間使磁控管準(zhǔn)備好，再閉合飽和電抗器的開關(guān)，但是只要這個(gè)電抗器開關(guān)閉合并對磁控管施加PFN脈沖，在負(fù)載(磁控管)和晶體管開關(guān)之間就沒有時(shí)間延遲。與根據(jù)本發(fā)明的電路不同，任何負(fù)載短路都將導(dǎo)致晶體管開關(guān)電流立即上升。
在美國專利3,737,679號介紹的方法中，使用SCR(晶閘管)開關(guān)使PFN向脈沖變壓器初級放電。在SCR開關(guān)中，大問題在于它們對dI/dt的高值處理得不很好，并且在閉合dI/dt大于每毫秒幾百安培時(shí)可能被損壞。所以增加了額外的小型PFN，向SCR傳送預(yù)脈沖電流，并且在SCR和主PFN之間也增加了飽和心電抗器開關(guān)，使主PFN放電的開始延遲到SCR被電流預(yù)熱并準(zhǔn)備好PFN的大脈沖為止。一旦主PFN脈沖開始，在負(fù)載與SCR之間就沒有時(shí)間延遲，所以任何負(fù)載故障(短路)都會(huì)導(dǎo)致SCR電流的立刻上升。無論如何，SCR類型的開關(guān)無法以電子方式斷開。
相反，根據(jù)我們發(fā)明的電路提供了開關(guān)和負(fù)載之間的時(shí)間延遲，使之有可能檢測故障并在開關(guān)感覺到負(fù)載故障出現(xiàn)之前安全地?cái)嚅_開關(guān)。
美國專利4,160,214號介紹了常規(guī)的PFN類型調(diào)制器，其中PFN被劃分為許多并聯(lián)的模塊，每個(gè)模塊都由SCR開關(guān)切換。脈沖變壓器由并聯(lián)到初級端的全部PFN模塊驅(qū)動(dòng)。因而觸發(fā)這些開關(guān)通過基本PFN單元的放電而提供了由預(yù)定長度基本脈沖組成的最終信號。PFN單元的延遲簡單定義了從PFN提取能量的時(shí)間周期，從而確定了各個(gè)基本脈沖的脈沖長度。因此PFN延遲僅僅是規(guī)定脈沖的部分，根本不涉及所產(chǎn)生脈沖自身的任何延遲。充電系統(tǒng)是具有串聯(lián)SCR開關(guān)的常規(guī)諧振充電器。
開關(guān)和負(fù)載之間再一次不存在保護(hù)時(shí)間延遲，負(fù)載故障可立即被開關(guān)看到。同樣，美國專利4,160,214號中的開關(guān)屬于SCR類型，無法以電子方式斷開，所以脈沖寬度被調(diào)制器PFN單元的延遲固定而不能改變。還能夠注意到美國專利4,160,214號中的電路不在電容器中存儲(chǔ)脈沖能量，而是在PFN系統(tǒng)中存儲(chǔ)脈沖能量。因此它們將沒有能力通過斷開開關(guān)而以電子方式控制脈沖寬度。
美國專利4,614,878號公開了基于不是在電容器中而是在PFN結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)脈沖能量的脈沖發(fā)生器，由并聯(lián)的若干MosFet切換它。該脈沖發(fā)生器通常適宜于亞微秒的脈沖，如果人們試圖用它產(chǎn)生5μs或10μs的脈沖，它可能會(huì)大得不切實(shí)際，因?yàn)樗褂脗鬏斁€類型的脈沖倒相器和脈沖變壓器結(jié)構(gòu)，而不是集總元件類型的脈沖變壓器。PFN脈沖被饋送給倒相變壓器，從而將其從負(fù)向脈沖變成正向脈沖，并且在這之后由同軸線類型的變壓器變換，為負(fù)載產(chǎn)生更高的電壓。沒有提及開關(guān)保護(hù)的問題。
下面將在功率調(diào)制器的具體環(huán)境中介紹基于延遲線的功率切換子系統(tǒng)的許多示范實(shí)施例。
圖11是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例的功率調(diào)制器。電功率源10基于常規(guī)的DC電源，它為能量存儲(chǔ)電容器充電。該功率調(diào)制器配備了功率開關(guān)20，比如IGBT開關(guān)，用于經(jīng)過脈沖整平電路比如無源LR網(wǎng)絡(luò)切換電容器能量，以及連接到升壓脈沖變壓器30的傳輸延遲線25。除了主IGBT的削峰二極管外，優(yōu)選情況下在傳輸線的輸入端上連接著削峰二極管，與基于電感器電容器的傳輸線的電容器并聯(lián)連接。這將為主IGBT的削峰二極管串去除某些應(yīng)力，因?yàn)樵摯畬⒉槐貞?yīng)付來自變壓器電感的全部剩余電流。這種二極管可以例如是相對“慢”的二極管，如HF160(1600伏，75安培)螺栓式貼裝類型的二極管。優(yōu)選情況下，延遲線25被配置為其延遲大于功率開關(guān)20的斷開延遲，以能夠檢測來自負(fù)載短路的故障電流，使開關(guān)在過流到達(dá)之前能夠斷開。為了避免脈沖期間的反射，典型情況下該延遲大于脈沖寬度的一半。
在這個(gè)具體實(shí)例中，使用了附加的整平電路。不過，這種功能可以內(nèi)置在延遲線中，那么它將有雙重功能i)為保護(hù)開關(guān)目的而延遲能量脈沖，ii)利用由到功率開關(guān)的通斷觸發(fā)器信號給出的預(yù)定脈沖長度定制脈沖的脈沖波形。因此由延遲線定制的脈沖波形通常確實(shí)不影響脈沖長度，但是可以用于例如補(bǔ)償電容器放電期間的電壓下降。
轉(zhuǎn)向具體實(shí)例，假設(shè)(對7.5μs寬的脈沖)建立了具有4μs延遲時(shí)間的延遲線，用于12模塊的調(diào)制器。如果期望的調(diào)制器負(fù)載是170kV，120安培，則負(fù)載阻抗是1417歐姆。如果脈沖變壓器具有170kV/1200V＝142的線匝比(例如，分離鐵心、半線匝初級，71線匝次級)，則反射到初級的負(fù)載將好象是1417/142^2＝0.07歐姆。12個(gè)“獨(dú)立”模塊中的每一個(gè)都必須驅(qū)動(dòng)0.07×12＝0.84歐姆的負(fù)載。最大脈沖寬度(FWHM)是7.5μs，所以8μs的延遲線往返旅程時(shí)間將充分地使模塊與負(fù)載隔離，使模塊的調(diào)諧不依賴運(yùn)行點(diǎn)。重要的是注意到無論負(fù)載阻抗如何，都將不必改變脈沖整平或“調(diào)諧”元件。
為了對本發(fā)明有更親身的感覺，將概述具有0.84歐姆阻抗和4μs長度(單程時(shí)間)的示范延遲線的某些基本設(shè)計(jì)計(jì)算。
針對基于LC傳輸線的某些基本公式Z=LC]]>T=NLC---(1)]]>式中L是每個(gè)線路段的電感，C是每個(gè)線路段的電容，T是該傳輸線端到端的單程延遲時(shí)間(N是該傳輸線中LC線路段的數(shù)目)。除了這些熟知的公式外，關(guān)于延遲線的上升時(shí)間如何與延遲時(shí)間相關(guān)，還有另一個(gè)非常有用的公式tr=TdN0.735;N=[Tdtr]1.36---(2)]]>這里，tr是通常的百分之10到90的上升時(shí)間，Td是延遲時(shí)間，N是延遲線中線路段的數(shù)目。這是重要的公式(從許多實(shí)際延遲線的測量中導(dǎo)出)，并且應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)延遲線時(shí)首先使用的公式。我們希望延遲線的表現(xiàn)像同軸電纜，正常情況下不改變脈沖波形，或者至少不改變脈沖長度，為了使這種情況發(fā)生，延遲線的上升時(shí)間必須快于整個(gè)調(diào)制器的上升時(shí)間，所以延遲線對脈沖長度的影響非常小。選擇延遲線的上升時(shí)間為調(diào)制器上升時(shí)間的1/2在這個(gè)方向上是個(gè)好的開端。顯然，我們無法制造具有零上升時(shí)間的延遲線(像同軸電纜)，因?yàn)檫@需要數(shù)目無限多的線路段(同樣，像非常長的電纜)。但是如果延遲線具有1/2的系統(tǒng)上升時(shí)間，它將僅僅在百分之十的水平影響系統(tǒng)上升時(shí)間，因?yàn)楸娝苤?，如果具有給定上升時(shí)間(t)的脈沖通過具有上升時(shí)間為tr的傳輸系統(tǒng)(放大器、變壓器或延遲線)發(fā)送，輸出脈沖具有的上升時(shí)間由下式給出tout=t2+tr2---(3)]]>所以如果延遲線具有脈沖上升時(shí)間的一半，輸出脈沖具有的上升時(shí)間是輸入脈沖上升時(shí)間的1.11倍。如果我們希望得到0.75μs的輸出上升時(shí)間，則輸入(模塊)上升時(shí)間必須為0.68μs(或更短)。根據(jù)實(shí)際調(diào)制器的性能測量結(jié)果，這是合理的。所以我們要求延遲線的上升時(shí)間為這個(gè)值的一半，即0.34μs。我們希望得到4μs的延遲，從公式(2)得出結(jié)論在這條延遲線中需要29個(gè)線路段。
組合(1)中的兩個(gè)等式給出ZT＝NL(4)假設(shè)Z(0.84歐姆)，T(4μs)和N(29)，則給出每個(gè)線路段的電感為L＝0.116μH，導(dǎo)致C＝0.164μF。
我們能夠得到的最接近的標(biāo)準(zhǔn)RIFA電容器值是0.15F(1600V)，所以我們使用這個(gè)值。每個(gè)線路段的電感變?yōu)?.138μH。對于29個(gè)線路段的延遲線，總的電感是29×0.116＝3.36μH。
作為實(shí)例，我們能夠使延遲線為Guillemin E類型，這是第二次世界大戰(zhàn)以來幾乎所有雷達(dá)PFN的“標(biāo)準(zhǔn)”配置。這是具有分接頭的直線單線圈(螺旋線)，電容器也以直線布置。以微亨為單位長直螺旋線的電感由下式近似給出L=n2r29r+10l---(5)]]>這里，n是螺旋線中的圈數(shù)，r是以英寸為單位螺旋線的平均半徑，l是以英寸為單位螺旋線的總長度。電容器將以雙線形式排列，一條線含有14個(gè)電容器，另一條有15個(gè)電容器，縮短模塊的長度而擴(kuò)大寬度以優(yōu)化其體積。這些電容器(如RIFA 150nF@1600V，類型PHE 450)中的每個(gè)都將裝配在0.5英寸厚，1.25英寸寬以及7/8英寸高的盒子內(nèi)。所以兩條電容器線中較長的將為0.5×15＝7.5英寸長。由于兩條電容器線彼此之間將按1/4英寸交錯(cuò)排列，所以線圈“分接頭”將相隔1/4英寸放置。圖15是示范裝配的示意圖。允許螺旋線的端部線路段為1/4英寸長，螺旋線圈的總長度將為8英寸。
通過對等式(5)進(jìn)行某些數(shù)字的嘗試，0.275英寸的平均螺旋線半徑給出60.5圈，為易于計(jì)算認(rèn)為它是60圈。這是以0.5英寸直徑圓棒為心軸纏繞0.050英寸直徑金屬絲的線圈。對于N個(gè)電容器，這個(gè)線圈有N-1個(gè)中間線路段(兩個(gè)電容器之間的線路段)，加上兩個(gè)端部線路段，因此將線圈分為N+1個(gè)相等的部分。所以如果N＝29，線圈分為30個(gè)部分，每個(gè)部分大約2圈。
圖12是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示范實(shí)施例的功率調(diào)制器。在這個(gè)實(shí)例中，除去了圖11所示的分開的脈沖整平電路，而將整平功能集成到延遲線25內(nèi)。為此目的，延遲線可以被配置為傳輸延遲線輸出端的阻抗低于傳輸延遲線輸入端的阻抗，以便在能量存儲(chǔ)電容器放電期間補(bǔ)償電壓下降。通過將具有漸變橫截面的導(dǎo)電棒插入延遲線的線圈內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)這種阻抗的漸變。在這個(gè)實(shí)例中，調(diào)制器只有單一的削峰二極管。
圖13是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明示范優(yōu)選實(shí)施例的功率調(diào)制器。與圖12的功率調(diào)制器相比，開關(guān)和電容器在電路布局中已經(jīng)交換了位置。這是本發(fā)明當(dāng)前最優(yōu)選的實(shí)施例。
圖14是示意電路圖，展示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示范優(yōu)選實(shí)施例的功率調(diào)制器。與圖13的電路相比，這是等效的電路，不是像圖13中那樣使延遲線的兩個(gè)輸出端子連接到脈沖變壓器，而是使變壓器直接接地，并使延遲線的熱端子連接到脈沖變壓器的熱端子。延遲線也接地。
本發(fā)明也可應(yīng)用于具有與脈沖變壓器相連并基于多個(gè)開關(guān)的脈沖發(fā)生模塊的功率調(diào)制器和功率系統(tǒng)，使用一條或多條傳輸延遲線保護(hù)開關(guān)。例如，變壓器可以是例如對應(yīng)于美國專利5,905,646號(也以國際公開號WO98/28845A1公開的國際PCT申請PCT/SE97/02139)的電路配置中的分離鐵心變壓器，該變壓器例如使用幾個(gè)獨(dú)立的脈沖發(fā)生模塊，其能量存儲(chǔ)電容器電氣分離，以確保在初級線圈和脈沖開關(guān)中流動(dòng)相等的電流，也可以是根據(jù)美國專利6,741,484號(也以國際公開號WO03/061125A1公開的國際PCT申請PCT/SE02/02398)的電路配置中的分離鐵心變壓器，該變壓器使用幾個(gè)脈沖發(fā)生模塊，其中每個(gè)都驅(qū)動(dòng)所有的磁性鐵心。例如有可能在每個(gè)脈沖開關(guān)和初級連接點(diǎn)之間提供延遲電路，以便能夠檢測負(fù)載短路并在過流毀壞對應(yīng)的開關(guān)之前將其斷開。
事實(shí)上，本發(fā)明的故障保護(hù)思想可應(yīng)用于所有具有非零斷開延遲時(shí)間的開關(guān)，不僅僅是諸如IGBT之類的固態(tài)開關(guān)。它也可應(yīng)用于任何功率切換用途中固態(tài)開關(guān)的所有應(yīng)用，包括機(jī)車牽引、汽車、傳送帶系統(tǒng)、自動(dòng)扶梯、電梯、空調(diào)設(shè)備、電氣設(shè)備，而不僅僅是功率調(diào)制器。因而，它是一種深遠(yuǎn)的和用途非常廣泛的概念。
以上介紹的實(shí)施例僅僅是作為實(shí)例給出，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于它們。保持本文所公開和本文權(quán)利要求的基本原理的進(jìn)一步修改、變化和改進(jìn)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電功率切換系統(tǒng)，包括功率輸入端和功率輸出端；將能量脈沖從所述功率輸入端切換到所述功率輸出端的開關(guān)；以及連接在所述開關(guān)和所述功率輸出端之間的傳輸線，用于以某個(gè)延遲傳送所述能量脈沖以能夠保護(hù)所述開關(guān)免受負(fù)載故障電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的功率切換系統(tǒng)，進(jìn)一步包括檢測所述負(fù)載故障電流的檢測器；以及響應(yīng)檢測出的負(fù)載故障電流而主動(dòng)保護(hù)所述開關(guān)的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的功率切換系統(tǒng)，其中，主動(dòng)保護(hù)所述開關(guān)的所述裝置可操作用于響應(yīng)檢測出的負(fù)載故障電流而主動(dòng)斷開所述開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一條的功率切換系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)電子可控地閉合與斷開以切換所述能量脈沖，而且所述傳輸線被配置為其延遲大于所述開關(guān)的斷開延遲。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的功率切換系統(tǒng)，其中，所述延遲大于所述開關(guān)斷開延遲與所述電流下降時(shí)間之和。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的功率切換系統(tǒng)，其中，所述延遲大于所述脈沖寬度的一半。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的功率切換系統(tǒng)，進(jìn)一步包括以電子方式控制所述開關(guān)閉合以開始所述能量脈沖和斷開以終止所述能量脈沖的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的功率切換系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)是固態(tài)開關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的功率切換系統(tǒng)，其中，所述傳輸線是基于電感器電容器(LC)的傳輸線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的功率切換系統(tǒng)，其中，所述傳輸線是Guillemin E型LC網(wǎng)絡(luò)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的功率切換系統(tǒng)，進(jìn)一步包括削峰二極管，在所述傳輸線的輸入端上與所述基于電感器電容器的傳輸線的電容器并聯(lián)連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的功率切換系統(tǒng)，其中，所述傳輸線是定制所述脈沖波形的非均勻的傳輸線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的功率切換系統(tǒng)，其中，所述傳輸延遲線輸出端的阻抗不同于所述傳輸延遲線輸入端的阻抗，從而在延遲線之上實(shí)現(xiàn)阻抗?jié)u變。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的功率切換系統(tǒng)，其中，所述傳輸延遲線輸出端的阻抗低于所述傳輸延遲線輸入端的阻抗，在基于電容器的功率源放電期間補(bǔ)償電壓下降。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的功率切換系統(tǒng)，其中，實(shí)現(xiàn)所述漸變是通過將導(dǎo)電棒插入所述延遲線的線圈內(nèi)，所述導(dǎo)電棒具有漸變的橫截面。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的功率切換系統(tǒng)，其中，所述傳輸線的阻抗與所述功率切換系統(tǒng)意圖使用的負(fù)載匹配。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的功率切換系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電壓箝位電路，配備在所述傳輸線的輸出端上，以實(shí)現(xiàn)對開路負(fù)載故障的保護(hù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的功率切換系統(tǒng)，其中，所述傳輸線具有兩個(gè)輸出端子，以在所述負(fù)載端上連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的功率切換系統(tǒng)，其中，所述輸出端子之一接地，而另一個(gè)熱輸出端子用于連接到所述負(fù)載端上的熱端子。
20.一種電功率系統(tǒng)，包括功率源；將能量脈沖從所述功率源切換到功率輸出端的開關(guān)；以及連接在所述開關(guān)和所述功率輸出端之間的傳輸線，用于以某個(gè)延遲傳送所述能量脈沖以能夠保護(hù)所述開關(guān)免受負(fù)載故障電流。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的電功率系統(tǒng)，進(jìn)一步包括檢測所述負(fù)載故障電流的檢測器；以及響應(yīng)檢測出的負(fù)載故障電流而主動(dòng)保護(hù)所述開關(guān)的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的電功率系統(tǒng)，其中，主動(dòng)保護(hù)所述開關(guān)的所述裝置可操作用于響應(yīng)檢測出的負(fù)載故障電流而主動(dòng)斷開所述開關(guān)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22中任何一條的電功率系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)電子可控地閉合與斷開以切換所述能量脈沖，而且所述傳輸線被配置為其延遲大于所述開關(guān)的斷開延遲。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的電功率系統(tǒng)，其中，所述延遲大于所述開關(guān)斷開延遲與所述電流下降時(shí)間之和。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的電功率系統(tǒng)，其中，所述延遲大于所述脈沖寬度的一半。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的電功率系統(tǒng)，進(jìn)一步包括以電子方式控制所述開關(guān)閉合以開始所述能量脈沖和斷開以終止所述能量脈沖的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的電功率系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)是固態(tài)開關(guān)。
28.根據(jù)權(quán)利要求20的電功率系統(tǒng)，其中，所述傳輸線是基于電感器電容器(LC)的傳輸線。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的電功率系統(tǒng)，其中，所述傳輸線是Guillemin E型LC網(wǎng)絡(luò)。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的電功率系統(tǒng)，進(jìn)一步包括削峰二極管，在所述傳輸線的輸入端上與所述基于電感器電容器的傳輸線的電容器并聯(lián)連接。
31.根據(jù)權(quán)利要求20的電功率系統(tǒng)，其中，所述傳輸線是定制所述脈沖波形的非均勻的傳輸線。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的電功率系統(tǒng)，其中，所述傳輸延遲線輸出端的阻抗不同于所述傳輸延遲線輸入端的阻抗，從而在延遲線之上實(shí)現(xiàn)阻抗?jié)u變。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的電功率系統(tǒng)，其中，所述功率源是基于電容器的功率源，而且所述傳輸延遲線輸出端的阻抗低于所述傳輸延遲線輸入端的阻抗，以在所述基于電容器的功率源放電期間補(bǔ)償電壓下降。
34.根據(jù)權(quán)利要求32或33的電功率系統(tǒng)，其中，實(shí)現(xiàn)所述漸變是通過將導(dǎo)電棒插入所述延遲線線圈內(nèi)，所述導(dǎo)電棒具有漸變的橫截面。
35.根據(jù)權(quán)利要求20的電功率系統(tǒng)，其中，所述傳輸線的阻抗與所述負(fù)載匹配。
36.根據(jù)權(quán)利要求20的電功率系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電壓箝位電路，配備在所述傳輸線的輸出端上，以實(shí)現(xiàn)對開路負(fù)載故障的保護(hù)。
37.根據(jù)權(quán)利要求20的電功率系統(tǒng)，其中，所述傳輸線具有兩個(gè)輸出端子，以在所述負(fù)載端上連接。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的電功率系統(tǒng)，其中，所述輸出端子之一接地，而另一個(gè)熱輸出端子用于連接脈沖變壓器的熱端子。
39.根據(jù)權(quán)利要求20的電功率系統(tǒng)，進(jìn)一步包括配備在所述傳輸線和所述負(fù)載端之間的升壓變壓器。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的電功率系統(tǒng)，其中，所述變壓器是分離鐵心變壓器。
41.根據(jù)權(quán)利要求20的電功率系統(tǒng)，其中，所述功率系統(tǒng)是產(chǎn)生脈沖輸出功率的功率調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明的基本思路是引入功率切換系統(tǒng)的開關(guān)(20)和功率輸出端之間的傳輸延遲線(25)，使得負(fù)載(40)的任何火花都由傳輸線(25)的時(shí)間延遲對開關(guān)(20)隱藏。這就使得有可能檢測負(fù)載火花并在開關(guān)實(shí)際上知曉已經(jīng)有了負(fù)載故障火花之前主動(dòng)地保護(hù)開關(guān)，典型情況下是通過使開關(guān)斷開。作為替代，傳輸線的延遲足夠長，使得在正常脈沖操作中負(fù)載故障電流到達(dá)開關(guān)之前開關(guān)已經(jīng)斷開。無論哪種方式，開關(guān)都是在正常電流下斷開，將不會(huì)遭受破壞性的過流或過壓條件。
文檔編號H02H7/20GK101015107SQ200580021420
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者沃爾特·克魯森, 馬克·H·卡爾坦博恩 申請人:斯勘的諾維亞系統(tǒng)公司