开关装置 |
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| 申请号 | CN201180040411.8 | 申请日 | 2011-06-29 | 公开(公告)号 | CN103210587A | 公开(公告)日 | 2013-07-17 |
| 申请人 | E2V技术(英国)有限公司; | 发明人 | 斯蒂芬·马克·伊斯坎达尔; 迈克尔·约翰·布兰德; 保罗·里奇韦尔; | ||||
| 摘要 | 一种用于将 电压 脉冲施加到负载两端的 开关 装置包括： 串联 连接的多个电容性元件(C1-C9)；第一开关装置(S)，第一开关装置(S)连接到该串联连接以将电压脉冲施加到负载上；以及第二开关装置(S1、S2)，第二开关装置(S1、S2)连接到该串联连接中的电容性元件上，使得这些电容性元件中的一个电容性元件(C1)可以被切出或接入该串联连接，以便产生各自的较低电平的电压脉冲或较高电平的电压脉冲，不需要消耗 能量 到 电阻 性负载中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于将电压脉冲施加到负载两端的开关装置，包括： |
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| 说明书全文 | 开关装置技术领域背景技术[0002] 参见图1，其是一种已知的开关装置的示意性电路图，该开关装置包括存储电容器C和开关装置S(美国专利No.6396332)。开关S是由触发器驱动系统1控制的，以将高电压脉冲施加到负载R1(例如，磁控管(magnetron))两端，并且该存储电容器可以由直流电源2重新充满。开关装置和直流电源的组合通常被称为调制器。去往触发器驱动系统的输入脉冲(t1至t2)导致高电压脉冲施加到负载电阻器上，所施加的电压脉冲由波形Edc示出。该存储电容器可以由串联连接的一堆电容性元件组成，并且每个电容性元件可以由并联的多个电容器组成。这些电容性元件不但被串联地充电而且被串联地放电，与已知的Marx类型的发生器形成对比，在Marx类型的发生器中，一堆电容性元件被串联地放电但是被并联地充电(WO2008/109830，US3,496,378，JP2003059678和EP0590318)。开关S可以由串联连接的多个模块组成，以便使用分别具有更低额定电压的模块来切换高电压脉冲。 [0003] 该开关装置的一个应用是在直线加速器(linacs)中。图2是直线加速器结构的示意图。由电子枪G所产生的电子束EB通过共振腔形成脉冲，并且在电子束EB撞击目标T以生成X射线之前，通过由从射频(r.f.)源(例如，磁控管M)所注入的射频能量而得以加速。通过改变注入到直线加速器内的射频能量和/或改变电子束电流，可以容易地产生不同能级处的X射线。直线加速器可以被用于医疗和工业处理。 [0004] X射线扫描仪还被用于货物检查目的。为了获得关于货物的增强信息，以及特别是为了获得针对高密度材料的独特特征(unique signature)，可以使用双能扫描(美国专利No.7257188)和多能隔行扫描(美国专利申请No.20100038563)。 [0005] 存在这样的场合，在非常快地产生X射线脉冲，例如一个脉冲接着一个脉冲地产生时，直线加速器也能够改变所产生的X射线脉冲的能量。然而，通过上述的开关装置，只能通过将存储在电容器中的一部分能量耗散在电阻性负载中，才可能产生不同的能级，这将导致热问题和效率损失。 发明内容[0006] 本发明提供了一种用于将电压脉冲施加到负载两端的开关装置，包括：串联连接的多个电容性元件；第一开关元件，所述第一开关元件用于将所述串联连接的一端连接到所述负载的一端；以及第二开关元件，所述第二开关元件选择性地用于将所述串联连接的另一端或所述串联连接的两端之间的抽头(tapping)连接到所述负载的另一端，以使得较高电压脉冲电平或较低电压脉冲电平施加到所述负载两端。 [0007] 借助于这样的开关装置，可以在没有任何重大能量损耗的情况下产生不同的电压电平。 [0008] 所述第二开关元件可以包括一对开关，所述一对开关是能够控制成与彼此相反被断开和闭合的，所述一对开关分别串联连接到从所述抽头到所述串联连接的所述另一端的路径中和与所述该路径并联。二极管可以与所述开关反向并联地连接。所述开关可以是固态管或真空管。附图说明 [0009] 现在将结合附图，通过实例详细地描述实现本发明的一种方法，其中： [0010] 图1是一种已知的开关装置的示意性电路图； [0011] 图2是由磁控管驱动的直线加速器的示意图； [0012] 图3是本发明的开关装置的示意性电路图； [0013] 图4是图3的开关装置的第一实施例中的一部分的示意性电路图； [0014] 图5是示出了施加到图4所示的实施例中的第二开关装置上的驱动脉冲的时序图、和负载电流； [0015] 图6示出了响应于两个脉冲电压水平而由形成图4的实施例中负载的磁控管所产生的不同能级；以及 [0016] 图7是图2的开关装置的第二实施例中的一部分的示意性电路图。 具体实施方式[0017] 在所有附图中，相同的部分已经由相同的附图标记给出。 [0018] 参见图3，本发明的开关装置包括高电压开关栈S形式的第一开关装置，高电压开关栈S包括固态开关，固态开关串联连接以用于在触发器驱动系统(未示出)的控制下将存储电容器C连接到负载R1(磁控管)。存储电容器C由一堆串联设置的电容性元件C1-C9组成(图4中所示)。存储电容器由高压电源2进行充电。 [0019] 根据本发明，第二开关装置S1、S2用于使得电容性元件C1能够切出和接入这一堆电容性元件C1-C9(未示出)。开关装置S1、S2将负载的低压端连接到整个串联连接C1-C9或串联连接C2-C9。当高电压开关栈S闭合时，两个HT电压电平(C1-C9或C2-C9)中的任一者被切换成横跨负载R1，这取决于操作开关S1和S2中的哪一个被闭合。因此，两个不同的电压电平可以选择性地被施加到负载上(负载电压脉冲示意性地被示出)。 [0020] 控制系统4控制隔离驱动电路3，以操作开关S1、S2将电容性元件C1接入和切出该栈。S1和S2中的控制端与地隔离，因为通过S1和S2切换的整个周期，S1和S2将在C1上的电压之前加上+/-来使内建电势摆动。流过负载的电流由电流传感器5进行监控。 [0021] 参见图4和图5，在本发明的第一实施例中，电容性元件C1按照如下方式接入和切出串联连接。在开关S1(与C1串联)闭合时，负载的低压(地线)端连接到整个串联连接C1-C9的低压端，而在S1断开时，连接到电容性元件C1、C2的接合点处的抽头6，因为开关S2(与C1并联)现在是闭合的。开关S1和S2的操作是相反的，即，当开关S1断开时，开关S2闭合，并且反之亦然。 [0022] 图5中的上波形示出了施加到晶体管S1上的栅极电压，并且下波形示出了施加到晶体管S2上的栅极电压。每个波形的顶部都表明了当各自的晶体管导通并且开关因此闭合时的时间段，并且每个波形的顶部都表明了当它们未导通并且开关因此断开时的时间段。中央波形示出了负载电流，高电平脉冲是7和9，并且低电平脉冲是8和10。这些脉冲在开关S闭合时产生的。 [0023] 从图5将看到，开关S1在高电平脉冲7之后的时间T1处就断开，并且对于低电平脉冲8之前的绝大部分时间，开关S1保持断开。在低电平脉冲8之后，在时间T2处，开关S1就闭合并且保持闭合直到下一个高电平脉冲9之后一点的时间T3处。对于下一个低电平脉冲10之前的绝大部分时间，开关S1保持断开，并且在时间T4处不久之后闭合。该模式被重复。 [0024] 当电压脉冲被传递时，大负载电流(对于磁控管，通常为100安培的量级)Im通过串联连接C9-C2、并且通过可切换的电容性元件C1或者从抽头6通过并联连接流到负载。在脉冲之间的时间段中，电容性元件的电荷由高压电源2重新充满，并且充电电流IC经由开关S2通过并联连接流入电容性栈C2-C9，或者充电电流经由开关S1通过串联连接流经整个栈C1-C9。 [0025] 为了将电容性元件重新充满到所期望的量，控制系统4的算法负责在每个磁控管脉冲之后对各栈C1-C9、C2-C9两端的电压进行测量，以查明它们已经被消耗多少，对由磁控管在该脉冲期间所汲取的电流进行测量，并且考虑针对指定量的电流或射频能量或者脉冲之间的指定能量差的任何输入指令。后者可以取决于被扫描的货物的需求。可能需要某些具体值的射频能量，这将暗示了某些指定的磁控管峰值电流，并且继而某些负的阴极电压电平。通过适量的再充电使高电压电平和低电压电平对应于这些电平。 [0026] 对脉冲已经被传递之后栈上剩余的电压进行测量如下。在高电平脉冲之后，控制系统4就对整个栈C1至C9两端剩余的电压(在时间段11期间)进行测量，并且在S1断开(周期12)之后，立即对栈C2至C9两端剩余的电压进行测量，C1两端剩余的电压可以从栈C2至C9两端剩余的电压推测出。 [0027] 这使再充电电流(通常为数百毫安)的幅值和持续时间能够得以测量，因此可以适当地对栈C1至C9和C2至C9进行再充电。在周期13内对栈C1至C9进行再充电，并且在周期14内对栈C2至C9进行再充电。 [0028] 这种简单的充电模式的缺点是：高电平脉冲和低电平脉冲之间的比值可能是固定的，例如在比值8至9内。为了避免这个缺点，在低电平脉冲(开关S1是断开的)之后的短时间段15内，可以在S1已经闭合之后整个栈的主再充电之前，对栈C2至C9进行充电。同样地，在低电平脉冲之前栈C2至C9的再充电之前，开关S1在时间段16处短暂地闭合，以使短暂的充电能够施加到整个栈C1至C9。在前一种情况下，C1将接收到比固定比值少的电荷，并且在后一种情况下，C1将接收到比固定比值多的电荷。因此，独立地控制电容器C1上的电压和电容器栈C2至C9上的电压在本发明的范围内。 [0029] 虽然图5示出了与产生交替的低电平脉冲和高电平脉冲的开关装置，但是本发明还适用于其他模式的脉冲，例如，在成对的高电平脉冲中出现一个低电平脉冲或者其他脉冲模式。 [0030] 开关S1、S2是由绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)来实现，二极管D1、D2与各自的开关S1、S2并联。操作如下。 [0031] 为了允许对电容性元件C2-C9单独地进行再充电，S1断开，并且S2闭合。再充电电流Ic将在S2中沿常规的方向流动，同时D2将是反向偏置的。尽管二极管D1可以允许再充电电流流入C1中，但是抽头6通过S2有效地接地，这因此排除了C1的再充电过程。在任何情况下，导致对C1进行充电的任何历史，将会导致其S1端比其S2端电压高。这将导致D1反向偏置，再一次有效地阻塞C1再充电电流。 [0032] 为了允许对整个串联连接C1-C9进行再充电，S1是闭合的，并且S2断开。再充电电流将流入D1。D1将箝位C1的该端到接地，并且因为再充电电流将导致抽头6处的电压逆向地增大，D2将保持反向偏置，使该过程能够继续。注意的是，S1不需要为了再充电的目的而接通(仅为了负载脉冲目的)，因为D1正在提供导通路径，正如所描述的。 [0033] 修正的切换模式是可能的，由此在传递高电平脉冲(开关S因此是闭合的)的时间段期间，S1断开。负载电流流入D2中以完成该路径，因此剩余的负载脉冲是低电平，从而允许脉冲的幅值在该脉冲期间变化。 [0034] 对于较短的再充电时间段15、16，电源2能够被设置成显著地超过所需电压。对于较长的再充电时间段13、14，电源2被控制为在栈将要被重设到的所需电压处结束充电时间段，尽管如果需要，它可以在一个更高的电压处开始补充(replenishment)。 [0035] 高压电源的典型值为-60kV。这能够在九个电容性元件之间进行分割，每个电容性元件额定为约7kV。这将使得能够使用-60kV和-53kV的电压脉冲来驱动磁控管。每个脉冲可以具有约4微秒的持续时间。栈的总电容值可以在0.5微法的范围内。随后，可切换的电容性元件可以具有约0.5微法的值。参见图6，-60kV和-53kV的阴极上的不同电压水平(A低、A高)将对应于阴极电流水平(B低、B高)中更大的差值，并且同样地对应于射频功率水平(C低、C高)中更大的差值。 [0036] 当然，在不脱离本发明的范围内可以进行改变。因此，可以使用两个分立的电容器，一个作为C1，另一个代替C2至C9。代替将单个电容性元件接入或切出开关栈，两个或更多个电容性元件可以被接入或切出。代替固定的抽头，抽头在串联连接中的不同电容性元件之间是可选的。进一步，开关装置S可以连接到多个抽头而不是单个抽头上。每个电容性元件可以是单个电容器，或者可以由许多(例如，四个)电容器并行地组成。代替监视与磁控管相关联的电流传感器中的阴极电流，电流传感器可以被设置为感应通过电容性元件的电流。或者，控制环可以监视射频脉冲功率或x射线能量。开关栈S、或开关S1或S2可以由场效应晶体管(FETs)或IGBTs实现，但是本发明还适用于开关S、S1或S2是一个阀(例如，四极管或三极管)。为了减小开关S1、S2的组件上的额定电压，一对相同的IGBT晶体管和二极管可以串联地被提供，与所示出的一样。这将这些组件上的额定电压减小了一半。在其他的应用中，更多的设备可以被串联地连接以提供额定电压或被并联地连接以提供额定电流，或者可以使用设备的串并联组合。当磁控管被描述成是用于货物筛检(screening)的直线加速器的一部分时，本发明可以被用在非破坏性试验、放射疗法、医学成像中，或者磁控管可以被用于驱动粒子加速器。此外，除了磁控管，可以使用电子管(例如，调速管)，并且本发明还适用于不是真空管的负荷中。 [0037] 电容器的物理布置可以是串并联组合。例如，C1至C9可以由144个电容器组成。连接成一链的九个电容性元件中的每个电容性元件可以由并联的两个电容器组成。八个这样的串联链可以并行输入到最后装配(final assembly)中，以针对串联连接C1至C9所要求的，实现所需要的电容值、额定电压、ESR和物理尺寸。 [0038] 在所描述的实施例中，相同的电源被用于对完整的栈和没有电容性元件C1的栈进行充电。如果需要，可以提供一个辅助电源仅对电容性元件C1进行充电。参见图7，在第二实施例中，单独的电源2a用于在高脉冲和低脉冲之间给C1进行再充电。在该方法中，C2-C9和C1-C9之间的差别可以通过在相互脉冲周期(inter pulse period)中加上和减去来自C1的电荷进行改变。电源2a因此被要求是双向传递和接收来自C1的电流。 [0039] 本发明允许产生不同的电压电平，而没有任何显著的能量损失，并且允许使用专有控制系统(适当地被编程)。 |
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