專利名稱：具有多臺高壓發(fā)生器的高壓電源的制作方法
本申請是1995年4月5日遞交的美國專利申請No.08/416,997的部分繼續(xù)申請，在此根據(jù)35U.S.C.§120主張該遞交申請的權(quán)利。
本發(fā)明一般涉及高壓電源，更具體地涉及在具有可變電感和電容元件的負(fù)荷中產(chǎn)生可控電流的高壓電源。
高壓電源通常用于連接到電源上的負(fù)荷中含有明顯的電感或容性元件的應(yīng)用中。在大量的應(yīng)用中，電感元件構(gòu)成了負(fù)荷的主要成分。例如，靜電過濾器包括通過高壓電纜或母線連接到高壓電源的電極組。電極組、電纜和母線均提供了系統(tǒng)的總電感值。即使在不包括大的電感元件的應(yīng)用中，系統(tǒng)的元件可能具有不可忽略的電感值。例如，連接到高壓電源的負(fù)荷可能通過具有固有電感的高壓電纜連接到電源上。因此，作為一般規(guī)律，所有的大功率電路都可以用電阻、電感和電容元件來模擬。
電感和電容負(fù)荷分量的出現(xiàn)通常難以使負(fù)荷中電流保持為所希望值。因為這些元件使負(fù)荷中電流不能很快地變化。這是不利的，因為在許多應(yīng)用中，最好將大功率電路中的電流保持在所希望的值。不變的電流允許在一個最短的時間里傳輸最大量的電能。限制幅值也提高了電路中元件的安全性。最后，限制幅值對于由功率晶體管構(gòu)成的電源是理想的。由于功率晶體管的額定容量是按照能夠處理最大電流來考慮的，必須選用在電源中所產(chǎn)生的電流波形會周期性地超過平均電流值的晶體管，以處理周期性的峰值達(dá)到非常高的電流值。如果能控制負(fù)荷電流的幅值保持在平均值附近，在電源中就可以選用具有較低載流能力的廉價功率晶體管。
有幾種不同的方法來設(shè)計產(chǎn)生直流(DC)高壓的電源。例如，一種普通的方法是用逆變器將DC電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流(AC)方波電壓，用高壓變壓器將方波電壓升壓，將變壓器的升壓后的輸出整流，產(chǎn)生近似于DC的輸出電壓。這種產(chǎn)生方法的缺點是不能簡單地控制在變壓器中以及在負(fù)荷中產(chǎn)生的電流幅值和波形。負(fù)荷中電流的幅值受到兩個變化電壓的影響。首先，一次DC電壓源的波動可以造成逆變器輸出的AC方波電壓幅值變化。逆變器輸出的變化直接地影響電源的輸出電壓。其次，如果電源的輸出電壓保持不變，負(fù)荷中電感或電容元件上的壓降的變化將影響負(fù)荷上的電流。例如，在濾波器應(yīng)用中，在濾波器電極組上的電壓降將隨著通過濾波器的諧波量的變化而波動。兩種變化的電壓，即由高壓電源產(chǎn)生的輸出電壓幅值(以下稱為Vgen)和負(fù)荷電容元件上的電壓(以下稱為Vc)通常是相互獨立地變化。Vgen和Vc二者的變化均影響負(fù)荷中電流變化率。因為現(xiàn)有技術(shù)的電源不能成功地快速控制電源輸出電壓與負(fù)荷電壓之差，電源與負(fù)荷的電流幅值和波形通常也是不可控的。
因此，在一個包括有電感和電容元件的電路中產(chǎn)生可控電流是一個困難的問題。已經(jīng)建議了幾種解決方法，它們均限制電源的開關(guān)速度。例如，一種解決方法是通過對電源輸出增加一個電流調(diào)節(jié)器或限制器，將不穩(wěn)定的DC輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電流。在所增加的調(diào)節(jié)器限制高壓電源的輸出電流同時，電流調(diào)節(jié)器也包括了貯存能量的無功元件。當(dāng)電源切斷時，所貯存的能量必須通過其它元件釋放，阻止了電源輸出快速地下降到另。因此，可以從高壓電源生成可調(diào)節(jié)電流的這些技術(shù)傾向于阻止電源關(guān)斷。本發(fā)明的目的在于創(chuàng)造一種可以在負(fù)荷中產(chǎn)生可調(diào)節(jié)電流的電源，并且允許它快速關(guān)斷。
所公開的高壓電源具有多臺高壓發(fā)生器，它們可以分為三組，以下稱為組I，組II和組III。每一臺高壓發(fā)生器包括有一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)逆變器，一臺高壓變壓器，和一個高壓全橋整流器。在運行時，PWM逆變器產(chǎn)生高頻AC電壓，它可以經(jīng)變壓器升壓，并由整流器整流。由電源所產(chǎn)生的輸出電壓(以下稱Vgen)等于三組高壓發(fā)生器各自輸出電壓之和。該輸出電壓可以施加在具有可變電感，電容和電阻元件的負(fù)荷之上。在負(fù)荷中電容元件上產(chǎn)生電壓(以下稱為Vc)。
每一組高壓發(fā)生器向由電源所產(chǎn)生的輸出電壓貢獻(xiàn)不同的分量。該電源周期性地通過兩種運行模式，以保持負(fù)荷中所希望的電流。在驅(qū)動模式中，高壓發(fā)生器中組I，II，III共同提供輸出電壓，它超過負(fù)荷中電容元件上的電壓。為達(dá)到這一目的，組I產(chǎn)生跟蹤電壓(V1)，它隨負(fù)荷中電流上升而下降，組II產(chǎn)生基本電壓(V2)，它接近于負(fù)荷上的電壓，組III產(chǎn)生加速電壓(V3)，它的值能保證三個電壓的總和超過負(fù)荷上的電壓(即V1+V2+V3＞Vc)。在驅(qū)動模式期間，負(fù)荷和高壓發(fā)生器變壓器中電流的變化率為最大值。
當(dāng)負(fù)荷電流達(dá)到希望值時，便開始運行于跟蹤模式。在跟蹤模式期間，高壓發(fā)生器的組I和II運行，以共同提供輸出電壓，它等于負(fù)荷中電容元件上的電壓。輸出電壓中的組II分量為基本上不變的基本電壓(V2)，它等于或小于負(fù)荷電壓。組I高壓發(fā)生器產(chǎn)生的跟蹤電壓(V1)，等于由組II高壓發(fā)生器所提供的電壓與電容元件上所出現(xiàn)的電壓之差值(即V1+V2＝Vc)。因為電源的輸出電壓跟蹤負(fù)荷中電容元件上的電壓，在跟蹤模式期間，負(fù)荷上和高壓發(fā)生器的變壓器上的電流保持不變。
為了擴(kuò)大電源范圍，提供有一個控制電路，用于啟動或中止在組II中包括的附加高壓發(fā)生器。為了跟蹤負(fù)荷中電容元件上的電壓變化，由組II發(fā)生器產(chǎn)生的高壓必須能夠產(chǎn)生大范圍的輸出電壓。為了產(chǎn)生這些電壓，附加高壓發(fā)生器可以由控制電路啟動或中止，以便調(diào)整電源的輸出。能夠動態(tài)地啟動或中止這些發(fā)生器來響應(yīng)負(fù)荷電壓的變化。當(dāng)組II內(nèi)的高壓發(fā)生器故障時，也能夠啟動附加發(fā)生器。故障的發(fā)生器可以動態(tài)地被替補(bǔ)發(fā)生器替換，以便保持所希望的輸出電壓不受顯著的干擾。動態(tài)地替換失效的發(fā)生器增強(qiáng)了高壓電源的可靠性。
可以體會到本文所公開的電源比起現(xiàn)有技術(shù)所提供的其它高壓電源有一些優(yōu)點。具體地，目前的電源在控制負(fù)荷和變壓器中電流幅值和波形的同時產(chǎn)生高壓。盡管在一次電壓與負(fù)荷中電容元件上電壓差的波動，電流也能被控制?？刂齐娏魇沟秒娫窗l(fā)出并提供具有所希望波形的高電壓。在先進(jìn)技術(shù)的雷達(dá)和其它高壓應(yīng)用上，整形的波形電壓是特別是有好處的。
此外，根據(jù)所希望的電源運行范圍，可以選擇在每一個電源中所包括的高壓發(fā)生器數(shù)量。在驅(qū)動模式和在跟蹤模式中，可以包括或多或少的組II發(fā)生器數(shù)，以便改變由電源所提供的基本電壓值。因此，使用模塊式設(shè)計可以增加電源的使用和靈活性。
另一個優(yōu)點是幾個本發(fā)明的高壓電源可以相互并聯(lián)，以產(chǎn)生具有所希望輸出功率和電壓的電源。并聯(lián)是可能的，因為每一臺高壓電源的輸出電流是可調(diào)節(jié)的，防止了電源變?yōu)檫^負(fù)荷。幾個高壓電源也可以串聯(lián)，在諸如行波管和射線的設(shè)備的應(yīng)用中所需要的增加可投切多輸出電源。
所公布的電源的另一個優(yōu)點是，包括在組II中的附加高壓發(fā)生器也可以啟動或中止，以補(bǔ)償整流的AC輸入電壓中的紋波。由AC線路電壓整流提供所公布的電源所需要的DC電壓。通常需要用大型和昂貴的電容濾波器來產(chǎn)生足夠平滑的DC電壓，以防止高壓電源的輸出產(chǎn)生波動。如果不采用電容濾波器，所公開的電源可以在輸入DC電壓下降時啟動附加組II的發(fā)生器，在輸入DC電壓升高時中止組II的發(fā)生器，以達(dá)到保持所希望的輸出電壓的目的。
還有一個優(yōu)點是在電源設(shè)計時只包括有極少量的貯能元件。使用最少量的電感或電容使得本發(fā)明的高壓電源能夠迅速地投入或切除。電源的快速響應(yīng)使它可以應(yīng)用于在諸如負(fù)荷短路的故障條件出現(xiàn)時，希望能夠快速地斷電的情況下。本文所公開的電源的快速開關(guān)時間使它特別適用于如靜電濾波器，X-射線設(shè)備，脈沖和連續(xù)激光以及雷達(dá)系統(tǒng)等。
連同附圖一起參考以下詳述，將會更好地理解本發(fā)明，對于本發(fā)明的以上方面和許多附帶的優(yōu)點將會更加容易理解。其中

圖1為連接到具有電容、電感和電阻元件上的現(xiàn)有技術(shù)高壓電源的方塊圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的具有多臺高壓發(fā)生器的高壓電源方塊圖；圖3為顯示圖2的高壓電源運行期間，各種電壓產(chǎn)生的時序圖；圖4為顯示圖2的高壓電源運行期間，當(dāng)負(fù)荷中電容元件上的電壓升高時，各種電壓產(chǎn)生的時序圖；圖5為顯示圖2的高壓電源運行期間，當(dāng)負(fù)荷中電容元件上的電壓下降時，各種電壓產(chǎn)生的時序圖；圖6為一個逆變器的電路圖，它適合于應(yīng)用在圖2電源中包括的高壓發(fā)生器中；圖7為高壓整流器的電路圖，它適合于應(yīng)用在圖2電源中包括的高壓發(fā)生器中；
圖8為控制電路的電路圖，它適用于啟動和中止在圖2電源中的多中高壓發(fā)生器；并且圖9為電流控制電路的電路圖，它適合于在圖2電源中的高壓發(fā)生器中維持不變的電流。
現(xiàn)有技術(shù)的一臺高壓電源設(shè)計如圖1中的方塊圖所示。該電源包括一次DC電壓源20，它向高壓發(fā)生器22提供未經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電壓。高壓發(fā)生器連接到負(fù)荷24上，它由逆變器26，變壓器28和整流器30組成，產(chǎn)生供負(fù)荷的高壓。逆變器26將一次電源的未調(diào)節(jié)的DC電壓轉(zhuǎn)換為高頻方波。用高壓變壓器28將高頻方波升壓，經(jīng)高壓整流器30整流。最后輸出到負(fù)荷上的電壓是具有近似不變的DC幅值的全整流方波。
通過負(fù)荷的電流取決于由高壓發(fā)生器22產(chǎn)生并且施加于負(fù)荷上的電壓。負(fù)荷24可以用三種元件來模擬電感元件32，電容元件34以及電阻元件36。當(dāng)由高壓發(fā)生器施加電壓時，在電感元件中所產(chǎn)生的電流可以用以下公式表示Vgen-VcL=didt-----(1)]]>其中，Vgen＝高壓發(fā)生器22所產(chǎn)生的電壓；Vc＝電容元件34上的電壓；i＝通過電感元件32中的電流；L＝電感元件32的等效值；和di/dt＝電感元件中電流的變化率。
從公式(1)中可以看出，負(fù)荷中的電流變化率取決于Vgen和Vc之差。有幾個因素可以造成這些電壓的波動。就Vgen而言，高壓發(fā)生器的輸出正比例于一次電源所產(chǎn)生電壓的幅值。由于一次電壓源的不穩(wěn)定或者電壓紋波產(chǎn)生的波動直接地引起輸出電壓Vgen的變化。相反地，由于負(fù)荷中電感元件上的電壓降變化使Vc的幅值變化。由于釋放能量，例如濾波器運行期間，可以使電感元件上的電壓降發(fā)生變化。隨著Vgen和Vc的變化，電壓之差通常也發(fā)生變化，造成通過負(fù)荷的電感元件中電流成正比例地波動。通常情況下，負(fù)荷電流的大的變化是要避免的，因為它們有可能使負(fù)荷中的電氣元件過熱或損壞。
本發(fā)明的目的在于將負(fù)荷中的電流幅值保持在一個希望的水平上，而與一次電壓的任何波動以及電容元件上電壓的變化無關(guān)。
1.一般電源結(jié)構(gòu)和運行根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)造的高壓電源40的方塊圖如圖2所示。高壓電源40由三組高壓發(fā)生器50組成，標(biāo)志為組I，II和III。在本發(fā)明的一個最佳實施例中，組I是由一臺高壓發(fā)生器50a組成，組II是由八臺高壓發(fā)生器50b，50c，…50i組成，組III是由一臺高壓發(fā)生器50j組成。在理解了本發(fā)明以后，將會理解每一組中所包括的高壓發(fā)生器可多可少，以便構(gòu)成本發(fā)明能運行在所希望的電壓和電流值上。
一個單相AC電源84向高壓電源提供電力。在高壓電源的一個最佳實施例中，AC電源84提供60HZ的120V的AC電壓。該AC電源向經(jīng)過線路100和102連接到高壓發(fā)生器50b，50c，…50j中每一臺的未調(diào)節(jié)AC-至-DC整流器52提供運行電力。在線路100和102之間連接有濾波電容器88。AC電源84還向連接到高壓發(fā)生器50a上的電流控制電路64提供運行電力。在目前的最佳實施例中，整流器52是全橋半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)，它提供了未調(diào)節(jié)的DC電壓。在此類實施例實現(xiàn)時，由整流器產(chǎn)生的DC電壓近似為170V。
每一臺高壓發(fā)生器50a，50b，…50j是由高壓逆變器70a，70b，…70j，高壓變壓器72a，72b，…72j以及高壓整流器78a，78b，…78j組成。如圖2所示，每一臺逆變器70a，70b，…70j的輸出連接到變壓器72a，72b，…72j的對應(yīng)一次繞組74a，74b，…74j并提供信號。相應(yīng)的高壓整流器78a，78b，…78j連接到每一臺變壓器的二次繞組76a，76b，…76j。高壓發(fā)生器以串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，所以，電源的輸出電壓Vgen是每一臺高壓發(fā)生器產(chǎn)生的輸出電壓之和。也就是高壓電源中每一組產(chǎn)生的輸出電壓相加形成Vgen。
高壓電源經(jīng)線路80連接到負(fù)荷24上。負(fù)荷24可以模擬為電感元件32，電容元件34和電阻元件36。當(dāng)電流流過電感元件32，在負(fù)荷的電容元件上產(chǎn)生電壓Vc。如上面所討論的，電感元件32上的電壓降變化的結(jié)果使電壓Vc變化。由于諸如能量釋放引起的Vc變化，通常會造成負(fù)荷中電流的變化。然而，如以下將要演示的那樣，本文公開的電源產(chǎn)生可變的輸出電壓，它保持一個所希望幅值的基本上不變的負(fù)荷電流通過負(fù)荷的電感元件。
如前面所述，每一組發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生電源輸出電壓中的一種不同的分量。圖3中提供了電源中組I，II和III所產(chǎn)生的輸出電壓的代表性時序圖，以下將一般性地討論圖3。可以體會到，顯示每一個高壓發(fā)生器組輸出電壓的圖在圖3中理想化了。例如，逆變器的電壓轉(zhuǎn)換在一定程度上被高壓變壓器和高壓整流器的負(fù)荷所阻尼。因而，在圖3中所示的波形被論為在負(fù)荷中產(chǎn)生所希望電流(Id)的高壓發(fā)生器輸出電壓的有代表性波形。每一高壓發(fā)生器組的特殊結(jié)構(gòu)將對應(yīng)于圖6，7，8和9在后面討論。
在圖2中，每一臺高壓發(fā)生器連接到時序發(fā)生器66上。時序發(fā)生器以高頻時序信號同步地驅(qū)動高壓發(fā)生器中每一個逆變器，在本發(fā)明的一個最佳實施例中，由時序發(fā)生器產(chǎn)生的時序信號是具有幅值為15V，頻率在10-20KHZ范圍內(nèi)的方波電壓。由時序發(fā)生器產(chǎn)生的有代表性的方波時序信號由圖3中的Vsw圖形所示。如圖3所示，每一個發(fā)生器組從方波的上升邊或下降邊開始產(chǎn)生特性輸出電壓。雖然方波時序信號是最佳的，熟悉本領(lǐng)域的人們會論識到，高壓發(fā)生器中的逆變器也可以用任何重復(fù)性信號來驅(qū)動。在以下討論中企圖采用周期性方波時序信號的同時，任何非周期性重復(fù)的時序信號也可以用來產(chǎn)生一個所希望的輸出電壓波形。
組III高壓發(fā)生器50j產(chǎn)生如圖3中圖形V3所示的周期性矩形脈沖。用時序信號的上升邊矩形脈沖開始，脈沖的幅值對應(yīng)于由A-到-DC整流器52所提供的DC電壓幅值，以及變壓器72j的匝數(shù)比。連接在逆變器70j和變壓器72j一次繞組74j之間的電流測量器58感受到逆變器傳遞的電流。當(dāng)電流測量儀58所測到的電流對應(yīng)于電感元件32上所希望的負(fù)荷電流(Id)時，組III高壓發(fā)生器的逆變器被關(guān)斷。當(dāng)關(guān)斷時，由組III發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓降為另。
圖2中的組II高壓發(fā)生器50b，50c，…50j提供如圖3中圖形V2所示的近似地為DC輸出電壓。也就是說，每一個組II逆變器70b，70c，…70i產(chǎn)生方波輸出，它與時序發(fā)生器66所產(chǎn)生的時序信號同步。由每一個逆變器產(chǎn)生的方波電壓由相應(yīng)的變壓器升壓，并且由對應(yīng)的高壓整流器全波整流。在圖2的布置中，有選擇地啟動高壓發(fā)生器50b，50c，…50i的控制電路56，確定由組II發(fā)生器共同產(chǎn)生的輸出電壓?？刂齐娐?6從線路54上的分區(qū)網(wǎng)絡(luò)82接受到代表負(fù)荷電容元件上電壓Vc的電壓?？刂齐娐繁O(jiān)視負(fù)荷上的電壓，啟動或中止高壓發(fā)生器，使得組II發(fā)生器所產(chǎn)生的總電壓小于或等于負(fù)荷上電容元件上的電壓。組II發(fā)生器的輸出電壓因而以對應(yīng)于由組內(nèi)每一臺高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓的微增步長變化。
組I高壓發(fā)生器50a產(chǎn)生輸出電壓V1，它可以在從零到供給電流控制電路64的最大輸入電壓之間的范圍內(nèi)。組I高壓發(fā)生器連接到電流控制電路64上。與組II和組III高壓發(fā)生器不同，組I高壓發(fā)生器是一種電流輸入逆變器。在電流控制電路64和逆變器70a之間所連接的是電流監(jiān)測器60。電流監(jiān)測器60監(jiān)測流過逆變器的電流值。所監(jiān)測的電流是流過包括在高壓發(fā)生器中的變壓器二次繞組的電流標(biāo)量，因而，它正比例于通過電源流到負(fù)荷的電流。如果由電流監(jiān)測器60測量到的電流指示了負(fù)荷中的電流值低于所希望的電流Id，電流控制電路64便向逆變器70a提供附加電流，以增加由高壓發(fā)生器產(chǎn)生的電壓。相反地，如果由電流監(jiān)測器60測量到的電流指示了負(fù)荷中的電流值高于所希望的電流Id，高壓發(fā)生器50a的輸出電壓便降低。按照這樣的方法，由組I高壓發(fā)生器產(chǎn)生一個可變電壓，以便跟蹤電容元件上電壓的變化，將負(fù)荷中的電流保持在一個希望值上。由組I發(fā)生器產(chǎn)生的有代表性的輸出電壓示于圖3中V1圖。
由于高壓發(fā)生器的每一組產(chǎn)生上述輸出電壓，使該電源周期性地通過兩種運行模式，以下稱之為驅(qū)動模式和跟蹤模式。在驅(qū)動模式期間，由圖3中從t1到t2的時間段表示，組I，組II和組III發(fā)生器之和超過負(fù)荷中電容元件上測得的電壓Vc。組I發(fā)生器在驅(qū)動模式期間產(chǎn)生動態(tài)變化的高壓。組II發(fā)生器產(chǎn)生基本上不變的輸出電壓，它由被整流的方波電壓組成。組III發(fā)生器產(chǎn)生正的矩形脈沖。選擇V2和V3的幅值，使得V2和V3之和為不變電壓，并且超過Vc(即V2+V3＞Vc)。由于在驅(qū)動模式期間Vgen大于Vc，根據(jù)公式(1)，在從t1到t2期間，電流的變化率為正。因此，在驅(qū)動模式期間，流過負(fù)荷的電流增大，直到它達(dá)到所希望的值Id。當(dāng)電流達(dá)到所希望的值，電流監(jiān)測器58感受到所希望的電流，并且關(guān)斷組III逆變器70j。此時，電源進(jìn)入到跟蹤模式運行。
應(yīng)到達(dá)所希望的電流值時，電源進(jìn)入了由圖3中t2到t3時間段代表的運行跟蹤模式。在運行的跟蹤模式期間，由電源所產(chǎn)生的電壓Vgen基本上跟蹤負(fù)荷中電容元件上的電壓Vc。具體地說，組III中高壓發(fā)生器的輸出被電流監(jiān)測器58所提供的反饋切斷。因此，電壓Vgen下降到組I和組II高壓發(fā)生器輸出之和的值。組II的發(fā)生器共同產(chǎn)生的DC電壓和小于或等于負(fù)荷電壓。與此同時，組I中的高壓發(fā)生器被控制，使得電壓V1和V2之和基本上等于負(fù)荷中電容元件上的電壓Vc(即V1+V2＝Vc)。如前指出，通過監(jiān)測向負(fù)荷提供的電流，電流監(jiān)測器60使組I發(fā)生器增大或減少它的輸出電壓，以便跟蹤負(fù)荷中電容元件上電壓的變化。電壓Vc可能因為不同原因而變化，例如，因為負(fù)荷中的任何充電或放電過程。如果沒有本發(fā)明，Vc的任何此類變化都將引起負(fù)荷電流的變化。然而，在跟蹤模式期間，本文所公開的電源保持電壓Vgen在基本上等于Vc的值上。因此，根據(jù)公式(1)，在跟蹤模式期間，負(fù)荷電流的幅值并不明顯地變化，因為在理想情況下負(fù)荷中電感元件上的電壓降等于另。在驅(qū)動模式和跟蹤模式期間通過控制輸出電壓，有可能在負(fù)荷中產(chǎn)生一個近似于不變的電流并且具有最小的紋波。此外，在變壓器中保持近似于方波的電流，從能量傳輸?shù)挠^點來看，它是有益的。
在由時序發(fā)生器66所產(chǎn)生的方波電壓Vsw的后半周期中，重復(fù)兩模式電壓產(chǎn)生過程。在時間t3，方波電壓的極性反轉(zhuǎn)，負(fù)電壓驅(qū)動高壓發(fā)生器。用以驅(qū)動高壓發(fā)生器的電壓極性變化引起高壓電源輸出電壓Vgen瞬時下降。它使Vc超過Vgen，在負(fù)荷中產(chǎn)生下降電流，因為根據(jù)公式(1)，流過電感的電流變化為負(fù)。
在t3到t4的驅(qū)動模式期間，應(yīng)用整流的V1，V2和V3之和使Vgen超過Vc，并使流過負(fù)荷中電感元件的電流增大。在時間t4，流過電感的電流達(dá)到所希望的值。當(dāng)達(dá)到所希望的電流時，圖2中的供電開始運行于跟蹤模式。從組III高壓發(fā)生器的輸出被關(guān)斷，電壓Vgen下降到V2值，即組II高壓發(fā)生器的輸出。與此同時，組I高壓發(fā)生器改變其輸出，使得V2和V1之和等于電容負(fù)荷上的電壓Vc。在圖3中t5處，即在方波時序信號負(fù)極性部分的末尾又開始驅(qū)動模式運行。
圖4和圖5為時序圖，所示為造成組II高壓發(fā)生器啟動和中止的電容元件上電壓Vc變化的影響?；貞浽趫D2中，由多臺發(fā)生器50b，50c，…50i產(chǎn)生組II輸出電壓V2。由控制電路56控制產(chǎn)生電壓的組II發(fā)生器數(shù)量，它可以有選擇地啟動或中止每一臺組II發(fā)生器的輸出。圖4表示了負(fù)荷中電容元件上的電壓Vc正在增大的情況。隨著電壓增大，組I高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓V1幅值繼續(xù)地增大，以保證Vgen跟蹤Vc。在時刻t1，由電流控制電路的輸入電壓測得組I高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的電壓達(dá)到最大。從時刻t1到t2，輸出電壓V1保持最大值。因為在此段時期中，Vc繼續(xù)增大，然而，Vc變?yōu)榇笥赩gen引起了通過負(fù)荷的電流IL下降。認(rèn)識到高壓電源的輸出電壓不再跟蹤Vc，電源中的控制電路啟動在組II高壓發(fā)生器中的附加發(fā)生器。組II中的附加發(fā)生器提高了由組II發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓，從而提高了輸出電壓Vgen。到時刻t3時，由組I和組II發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓足以跟蹤Vc，但不引起V1飽和。因而在時刻t3以后，負(fù)荷中的電流IL回到所希望的幅值和波形。
類似地，圖5表示了負(fù)荷中電容元件上的電壓正在減少的情況。隨著電壓Vc減小，組I高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓V1幅值繼續(xù)減小，以保證Vgen跟蹤Vc。在時刻t1，由組I高壓發(fā)生器產(chǎn)生的電壓達(dá)到最小值(基本上等于另)，此時它不產(chǎn)生任何Vgen的分量。從時刻t1到時刻t2，輸出電壓保持為零。因為這段時期中Vc繼續(xù)減小，然而，Vc變?yōu)樾∮赩gen，引起通過負(fù)荷的電流IL增大。認(rèn)識到高壓電源的輸出電壓不再跟蹤Vc，電源中的控制電路中止了組II高壓發(fā)生器中的發(fā)生器。去除組II中的一個發(fā)生器使得組II發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓V2減小，從而減小了輸出電壓Vgen。在時刻t3，由組I和組II中發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓又足以跟蹤Vc，但不強(qiáng)迫V1為零。因而在時刻t3以后，負(fù)荷中的電流IL回到所希望的幅值和波形。
控制電路56也可以啟動附加的組II發(fā)生器，以替換失效的發(fā)生器?？梢杂锰鎿Q發(fā)生器動態(tài)地替代失效發(fā)生器，以便保持所希望的輸出電壓基本上不受干擾。可以用幾種不同的技術(shù)來檢測失效發(fā)生器。一種技術(shù)可以是監(jiān)測每一臺組II發(fā)生器50b，50c，…50i所產(chǎn)生的輸出電壓。一臺給定發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓突然地或者不期望地下降，就可能指示出一臺失效的發(fā)生器。另外，每一臺組II發(fā)生器上也可以裝有熔絲。引起熔絲斷開的故障條件可以被檢測出來，附加的組II發(fā)生器便啟動以補(bǔ)償失效發(fā)生器?？偟恼f來，在控制電路56的控制下，失效的發(fā)生器的動態(tài)替換提高了高壓電源的可靠性。
在敘述了所公開的高壓電源的一般運行以后，將參照圖6，7，8和9敘述電源的最佳實施例中元件的詳細(xì)電路圖。
2.組III高壓發(fā)生器組III高壓發(fā)生器設(shè)計來產(chǎn)生周期性變寬度矩形脈沖，在電源的驅(qū)動模式期間，該脈沖用作為加速電壓。在圖2的布置中，組III發(fā)生器包括一臺高壓發(fā)生器50j。從AC-到-DC整流器52輸出的未調(diào)節(jié)DC電壓經(jīng)過線路100和102直接連接到高壓發(fā)生器50j上。圖6為適合高壓發(fā)生器50j使用的脈沖寬度調(diào)制(PWM)逆變器的電路圖。該PWM逆變器70j原理圖所示包括以下基本元件變壓器148，四個功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)157，158，159和160，電流互感器165，電阻166以及三端雙向可控硅開關(guān)146和147。晶體管157，158，159和160連接為全橋式結(jié)構(gòu)。當(dāng)一對晶體管，例如晶體管157和160，加偏壓為ON(即導(dǎo)通)，由晶體管158和159組成的另一對晶體管被關(guān)斷OFF，使電流從線路100通過晶體管157和變壓器165流入端點168。端點168和170連接到高壓變壓器72j的一次繞組74j上，電流從端點168，經(jīng)過高壓變壓器的一次繞組，并且通過端點170和晶體管160流入地中。當(dāng)晶體管157和160為關(guān)斷OFF，晶體管158和159加偏壓為ON，電流以相反方向流入一次繞組74j。也就是說，電流從線路100經(jīng)過晶體管159，端點170，一次繞組74j，端點168以及晶體管158流入地。交替地加偏壓或開斷每一對晶體管ON或者OFF，從而使電流在一個方向或另一方向流入高壓變壓器72j的一次繞組。
MOSFET對的開斷是由時序發(fā)生器66所產(chǎn)生的時序信號來控制，并且在端點105和106與逆變器相連接。在運行的最佳模式，由時序發(fā)生器所產(chǎn)生的方波時序信號的頻率為10至20KHZ，幅值為15V。端點105和106連接到變壓器148的一次繞組上。在變壓器148上加方波電壓使晶體管對偏置為ON和OFF。當(dāng)端點105相對于端點106為正極性時，正電壓加在晶體管157和160的門極上，使晶體管偏置為ON。與此同時，負(fù)電壓加在晶體管158和159的門極上，因為連接到這些晶體管上變壓器148的二次繞組的反向極性。當(dāng)晶體管157和160偏置為ON的同時，晶體管158和159因此為開斷OFF。相類似地，當(dāng)端點106和105上電壓反轉(zhuǎn)其極性，使端點106相對于端點105為正，晶體管157的160為關(guān)斷OFF，晶體管158和159偏置為ON。
在逆變器中有一些附加元件使逆變器的運行為最優(yōu)化。在端點168和170以及線路100和102之間連接有半導(dǎo)體161，162，163和164，當(dāng)全部四個晶體管均為關(guān)斷OFF時，允許電流從高壓變壓器72j流入線路100和102。在關(guān)閉期間，或者當(dāng)高壓發(fā)生器不產(chǎn)生電壓時，晶體管為關(guān)斷OFF。在變壓器148的二次繞組和晶體管的門極之間連接有電阻149，151，153和155，以便限制施加于晶體管上的門電壓。在晶體管157，158，159和160的門極和源極之間連接有電阻150，152，154和156。電阻為電流通過晶體管的門極-對-源極電容建立了一條通道，使得晶體管接到關(guān)斷位置更為迅速。
通過施加于端點144上的適當(dāng)控制信號，每一逆變器可以啟動或中止。端點144連接到與變壓器148的一次繞組串聯(lián)的三端口雙向可控硅開關(guān)146的門極上。當(dāng)三端口雙向可控硅開關(guān)146由施加于端點144的電壓而偏置為ON時，端點106和變壓器148之間的連接便完成了，使得時序發(fā)生器的方波電壓施加于晶體管157，158，159和160的門極上。但當(dāng)三端口雙向可控硅開關(guān)146為關(guān)斷OFF時，端點106和變壓器148之間的連接被切斷，晶體管157，158，159和160保持為關(guān)斷OFF。當(dāng)三端口雙向可控硅開關(guān)146為關(guān)斷OFF時，PWM逆變器不產(chǎn)生輸出電壓。在本發(fā)明的最佳實施例中，逆變器70j中的三端口雙向可控硅開關(guān)146保持偏置為ON，以保證組III高壓發(fā)生器總是啟動。
由電流互感器165，電阻166和三端口雙向可控硅開關(guān)147組成的電路作為PWM逆變器的過電流保護(hù)。電流互感器165的一次繞組與連接到端點168的輸出線以及高壓變壓器74j的一次繞組串聯(lián)。電阻166與電流互感器165的二次繞組并聯(lián)。二次繞組也連接在變壓器148的一次繞組和三端口雙向可控硅開關(guān)147的門極之間。三端口雙向可控硅開關(guān)147連接在端點105和106之間。由于電阻166跨接在電流互感器165的二次繞組上，在電阻166上產(chǎn)生正比例于逆變器輸出電流的電壓降。選擇電阻166的值，使得輸出電流的幅值達(dá)到預(yù)選的極限值時，電阻166上的電壓降足以將三端口雙向可控硅開關(guān)147偏置為ON位置。當(dāng)三端口雙向可控硅開關(guān)147偏置為ON時，端點106跨過電阻145對端點105短路，防止時序發(fā)生器所產(chǎn)生的方波電壓施加于變壓器148上。當(dāng)逆變器的電流超過過電流的極限時，由于三端口雙向可控硅開關(guān)使端點105和端點106短路，從而使逆變器中止。
對于組III高壓發(fā)生器，由電流互感器165，電阻166和三端口雙向可控硅167組成的電路也作為電流監(jiān)測器58去控制高壓發(fā)生器50j所產(chǎn)生的矩形電壓脈沖的寬度。選擇組III逆變器70j中的電阻166值，使它大于在PWM逆變器70a，70b，…70i所用的電阻166的值。選擇電阻166的值，使得逆變器輸出電流大于目標(biāo)電流時，在電阻166上產(chǎn)生足夠的電壓降，使三端口雙向可控硅開關(guān)147偏置為ON。目標(biāo)電流是流過逆變器、指示負(fù)荷中的電流等于或大于所希望的電流Id的一個電流。使三端口雙向可控硅開關(guān)147偏置為ON將會使逆變器70j為關(guān)斷OFF，從而關(guān)斷組III發(fā)生器的輸出電壓。因此，組III逆變器70j產(chǎn)生矩形電壓脈沖，而不是由逆變器70a，70b，…70i所產(chǎn)生的方波電壓。
參考圖2，由逆變器70j所產(chǎn)生的矩形電壓脈沖施加于高壓變壓器72j上。高壓變壓器使輸出電壓升壓到所希望的輸出值。在高壓電源的最佳實施例中，高壓變壓器具有鐵淦氧磁心，并帶有90匝的一次繞組74j和550匝的二次繞組76j。交變方波電壓驅(qū)動逆變器70j的頻率為10至20KHZ。由高壓變壓器升壓以后，組III高壓發(fā)生器因而產(chǎn)生具有相同頻率10至20KHZ，幅值為1000V左右的輸出電壓。
在逆變器輸出電壓被變壓器72j升壓以后，它施加于高壓整流器78j上。圖7為一個適合用于高壓發(fā)生器50j的示范性高壓整流器78j的電路圖。該高壓整流器由四個高壓二極管180，182，184和186組成，它們連接成全橋結(jié)構(gòu)。橋的輸入線188和190連接到高壓變壓器72j的二次繞組76j上。橋的輸出線跨連接在電容192和電阻194并聯(lián)組合之上。在運行中，由逆變器70j產(chǎn)生，并由變壓器72j升壓后的高壓方脈沖施加于二極管橋的輸入上。然后，橋的全波整流輸出由電容192和電阻194濾波并加負(fù)荷。組III高壓發(fā)生器的整流輸出對應(yīng)于圖4和圖5中所示的V3圖形。
3.組II高壓發(fā)生器參考圖2，在最佳實施例中，八個組II高壓發(fā)生器50b，50c，…50i采用幾乎完全相同于組III高壓發(fā)生器50j的設(shè)計來構(gòu)造。逆變器70b，70c，…70i的結(jié)構(gòu)基本上如圖6所示。微小的變化是選擇電阻166的值，使得組II逆變器在負(fù)荷中指示為所希望電流時不能中止。代之以選擇電阻166的值來提供每一臺高壓發(fā)生器的過電流保護(hù)。其結(jié)果是組II逆變器70b，70c，…70i在正常運行時產(chǎn)生的輸出電壓基本上與時序發(fā)生器所產(chǎn)生的方波電壓完全一樣。也就是說，以時序方波的10KHZ到20KHZ頻率驅(qū)動逆變器，并且產(chǎn)生此頻率下的方波輸出電壓。每一個高壓發(fā)生器50b，50c，…50i中的其余元件和高壓發(fā)生器50j中的元件完全一樣。高壓變壓器72b，72c，…72i和變壓器72j完全一樣，整流器78b，78c，…78i對應(yīng)于圖7所示整流器78j的結(jié)構(gòu)。逆變器所產(chǎn)生的方波通過變壓器升壓，通過整流器全波整流。因此，每一臺組II高壓發(fā)生器產(chǎn)生具有1000V幅值的近似DC輸出電壓。
控制電路56連接到每一臺組II高壓發(fā)生器50b，50c，…50i上。控制電路設(shè)計成負(fù)荷中電容元件上電壓Vc的監(jiān)測器，啟動或中止組II高壓發(fā)生器，使得組II發(fā)生器的輸出電壓V2小于或等于Vc。圖8為控制電路的方塊圖，適用于監(jiān)測負(fù)荷中電容元件上的電壓降，并且啟動或中止高壓電源中附加組II高壓發(fā)生器。
如圖8所示，高壓分壓器網(wǎng)絡(luò)82由電阻200a，200b，…200n組成，它們串聯(lián)在Vc和地之間。選擇電阻，使得電阻200b，200c，…200n上的電壓降將電阻200a的電壓降減低到所希望的值。依靠線路54將電阻200a上的電壓提供給控制電路56。
控制電路56包括多路調(diào)制器202，模擬量變數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器204，多路解調(diào)器206，微處理器205和有關(guān)的存儲器207，在本發(fā)明的最佳實施例中，還有八個光隔離器208a，208b，…208n。控制電路的元件通過地址/數(shù)據(jù)總線203相互連接。多路調(diào)制器202通過線路54連接到高壓分壓器網(wǎng)絡(luò)上，并通過線路101連接到AC電源84上。通過切換多路調(diào)制器202，微處理器可以有選擇地對負(fù)荷中電容元件上的電壓Vc，或者對AC電源的輸出電壓Vac進(jìn)行采樣。被選擇的電壓依靠線路201提供給模擬量變數(shù)字量轉(zhuǎn)換器204。最好是該模擬量變數(shù)字量轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生三位數(shù)字值來代表被選電壓(Vac或Vc)的幅值?？梢岳斫獾氖菓?yīng)當(dāng)選擇電阻200a，200b，…200n，使得電阻200a上所期望的電壓變化在模擬量變數(shù)字量轉(zhuǎn)換器204的輸入電壓范圍以內(nèi)。同樣必須對AC電源定標(biāo)，使標(biāo)量電源電壓落在模擬量變數(shù)字量轉(zhuǎn)換器的范圍以內(nèi)。
向微處理器205提供對應(yīng)于被選電壓的數(shù)字化值。在所選電壓值的基礎(chǔ)上，微處理器可以啟動或中止附加組II高壓發(fā)生器。為了啟動或中止高壓發(fā)生器，微處理器通過總線203向多路解調(diào)器發(fā)出適當(dāng)命令。在本發(fā)明的最佳實施例中，多路解調(diào)器206是一個3×8的解碼器，它啟動對應(yīng)于多路解調(diào)器的輸入線路接到的數(shù)字值的輸出線。從多路解調(diào)器來的每一條輸出線連接到光隔離器208a，208b，…208h上。光隔離器通過線路210a，210b，…210h連接到端點144及如圖6所示每個組II逆變器中所包括的三端口雙向可控開關(guān)146的門板上。在多路解調(diào)器206和高壓發(fā)生器50b，50c，…50i之間提供有光隔離器208a，208b，…208h，用以保證高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的高壓與控制電路56中的邏輯電路隔離。在多路解調(diào)器輸出線上的邏輯“1”接通相應(yīng)的高壓發(fā)生器，在多路解調(diào)器輸出線上的邏輯“0”切斷對應(yīng)的高壓發(fā)生器。
確定是否要啟動或中止組II高壓發(fā)生器是基于供電電壓Vac或負(fù)荷上的電壓Vc的測得的變化?？刂齐娐繁仨殕踊蛑兄菇MII高壓發(fā)生器中的逆變器，以保證由組II發(fā)生器所產(chǎn)生的總電壓等于或小于電壓Vc。如果Vc增大，Vac減小，或者(Vc-Vac)增大，控制電路將通過在線路210a，210b，…210h上產(chǎn)生附加信號，使三端口雙向可控硅開關(guān)146和有關(guān)的逆變器70b，70c，…，70i偏置為ON，使附加組II高壓發(fā)生器啟動。如果Vc減小，Vac增大，或者(Vc-Vac)減小，控制電路將通過關(guān)斷OFF高壓發(fā)生器逆變器中的一個或多個三端口雙向可控硅開關(guān)，使附加組II高壓發(fā)生器中止。在理想條件下，由組II發(fā)生器所產(chǎn)生的總電壓不應(yīng)當(dāng)降到比電壓Vc低大于一個組I發(fā)生器可以產(chǎn)生的最大電壓值(即Vc-C2＝V1)。這樣保證了組I和組II發(fā)生器的總和將允許高壓供電的輸出電壓Vgen精確地跟蹤Vc。組II高壓發(fā)生器的輸出電壓之和對應(yīng)于圖4和圖5中所示的V2圖形。
熟悉本領(lǐng)域的人們將認(rèn)識到，在控制電路中包括微處理器極大地改進(jìn)了電源的靈活性。例如，微處理器用適當(dāng)?shù)木幊炭梢赃^濾或反過來操縱所選擇電壓的測量值。如上面所討論的，當(dāng)組II高壓發(fā)生器有故障的時候，微處理器205也可以連到傳感器上去檢測。當(dāng)故障被檢測到時，微處理器可以動態(tài)地啟動一個附加高壓發(fā)生器，去替換故障發(fā)生。
4.組I高壓發(fā)生器參考圖2，在最佳實施例中，組I高壓發(fā)生器50a采用幾乎完全相同于組III高壓發(fā)生器50j的設(shè)計來構(gòu)造。逆變器70a的結(jié)構(gòu)如圖6所示。逆變器結(jié)構(gòu)的僅有變化是選擇電阻166的值，以提供過電流保護(hù)，而不是整定負(fù)荷中所希望的電流。在磁化的鐵淦氧磁芯周圍有90匝的一次繞組和640匝的二次繞組組成了高壓變壓器70a。高壓變壓器70a的二次繞組上的附加匝使得組I高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓到1200V。整流器78a相對應(yīng)于圖7所示的整流器78j的結(jié)構(gòu)。
設(shè)計組I高壓發(fā)生器，以產(chǎn)生輸出電壓在從零到最大值的范圍內(nèi)，以便跟蹤由組II高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的電壓與負(fù)荷中電容元件上的電壓Vc之差值。在驅(qū)動模式期間，組I高壓發(fā)生器產(chǎn)生一個動態(tài)變化的高壓。在跟蹤模式期間，組I高壓發(fā)生器產(chǎn)生一個使V1+V2＝Vc的電壓。
為了保證高壓發(fā)生器50a產(chǎn)生一個所希望的輸出電壓，提供電流控制電路64，以監(jiān)視并且保持通過高壓發(fā)生器的所希望電流。在圖9中提供了適用于監(jiān)視并且保持通過組I高壓發(fā)生器的所希望電流的電流控制電路的原理圖。電流控制電路的中心是PWM控制器220，在本發(fā)明的最佳實施例中是一塊Signetics NE5561。PWM控制器220產(chǎn)生內(nèi)部鋸齒波電壓，它對于從20kHZ時序信號運行的逆變器實施例具有最佳為40kHZ頻率。由連接到控制器上的電阻248和電容250來確定PWM控制器的頻率。
PWM控制器220連接到一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)222上，該網(wǎng)絡(luò)用于接通和開關(guān)在線路100上通過電感224向逆變器70a提供的DC電壓。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)222包括MOSFET晶體管226，它具有漏極與線路100相連，基極和源極與電感224相連。晶體管226的門極通過電阻230與變壓器232的二次繞組的一個引出線相連接。二次繞組的另一引出線連接到晶體管的基極和源極，還通過電阻228連接到門板。電阻230限制了加于晶體管226門極上的電流，電阻228為電流從晶體管的門極到源極電容流過建立了一條通道，使晶體管更快地切換到OFF位置。變壓器232的一次繞組的一個引出線跨電阻240和電容238接地，并通過電阻236連接到線路100上。電阻234與一次繞組并聯(lián)。一次繞組的另一引出線連接到PWM控制器220上。
在運行中，晶體管226由PWM控制器220投切，使不連續(xù)的電流流過電感224和逆變器70a。當(dāng)PWM控制投入時，允許電流從線路100通過電阻236和變壓器232的一次繞組，經(jīng)過PWM控制器由線路102接入地。這樣便在晶體管226的門極上產(chǎn)生正電壓，使晶體管偏置為ON，允許電流經(jīng)過電感224，由線路103流入逆變器70a。在流過逆變器70a以后，電流經(jīng)過線路104，并聯(lián)電阻242，由線路102接入地。隨著通過并聯(lián)電阻的電流幅值增大，電阻上的電壓降也增大。電流達(dá)到所希望的值時，電壓降便足以關(guān)斷PWM控制器。在PWM控制器關(guān)斷狀態(tài)下，晶體管226切換為OFF，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)222不再允許電流流入逆變器。并聯(lián)電阻從而作為電流監(jiān)測器60運行，以控制組I高壓發(fā)生器的輸出電壓。
開關(guān)網(wǎng)絡(luò)停止了線路100的電流時，高壓變壓器72a二次繞組中的電流和貯存在電感224中的能量感應(yīng)了電流流過并聯(lián)電阻242和二極管244。如果流經(jīng)并聯(lián)電阻的電流指示出負(fù)荷中電流值超出所希望的電流值，則，并聯(lián)電阻上的電壓降便足以保持PWM控制器220為OFF狀態(tài)。如果流經(jīng)并聯(lián)電阻的電流指示出負(fù)荷中電流值低于所希望的電流值，則，并聯(lián)電阻上的電壓下降到低于足以保持PWM控制器為OFF狀態(tài)的電壓。適當(dāng)?shù)剡x擇并聯(lián)電阻，因而就選擇了負(fù)荷中要保持的所希望的電流Id。可以理解，PWM控制器調(diào)節(jié)由高壓發(fā)生器50a產(chǎn)生的輸出電壓，以便保持通過高壓電源和負(fù)荷中的所希望的電流。由Vc和V2之差來確定逆變器的輸出電壓。
在電流控制電路中也提供有二極管246，以保護(hù)電路的過電壓。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，也可以采用其它電路或技術(shù)，使高壓發(fā)生器50a的輸出電流保持在一個希望的值不變。組I高壓發(fā)生器的輸出對應(yīng)于圖4和圖5中所示V1的圖形。
熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員也將會理解，可以采用電流控制電路，以保證組III高壓發(fā)生器產(chǎn)生所希望的輸出電壓。組III高壓發(fā)生器可以采用類似于組I高壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)的電流供給逆變器，而不是如上討論的最佳結(jié)構(gòu)。電流控制電路可以控制組III高壓發(fā)生器，以保持所希望的電流通過發(fā)生器。在運行的驅(qū)動模式期間，電流控制電路使組III高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的電壓增大，從而使電流值上升到所希望的電流Id。在跟蹤模式期間，組III發(fā)生器的輸出被切斷。
已經(jīng)敘述了高壓供電的結(jié)構(gòu)，以下給出電源的最佳實施例性能的簡要例子。作為例子，選擇了代表性的負(fù)荷，它有20千歐姆電阻元件，10uF電容元件，6×10-3H電感元件。每一臺高壓發(fā)生器50a，50b，…50j產(chǎn)生近似為1,000V電壓，從而，高壓電源產(chǎn)生最大輸出電壓為10kV。時序發(fā)生器產(chǎn)生方波時序信號，近似為15kHZ，具有周期為6×10-6秒。
在高壓電源的驅(qū)動模式期間，組I，II和III發(fā)生器之和產(chǎn)生的電壓比負(fù)荷中電容元件上的電壓高出1000V左右。根據(jù)式(1)，負(fù)荷中電流的變化率為didt=10006×10-3]]>對于負(fù)荷中的電流來說，在驅(qū)動模式期間一開始下降，然后達(dá)到所希望的0.5安培值需要6×10-6秒左右。一旦電流達(dá)到了所希望的值，高壓電源便進(jìn)入跟蹤模式。組II高壓發(fā)生器繼續(xù)地輸出電壓，其值小于或等于負(fù)荷中電容元件上的電壓。組I高壓發(fā)生器產(chǎn)生組II輸出電壓與負(fù)荷中電容元件上電壓之差值。在跟蹤模式期間，由于負(fù)荷中電感元件上沒有壓降，負(fù)荷中的電流保持不變。
可以理解，根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)成的高壓電源與現(xiàn)有技術(shù)相比較提供了許多優(yōu)點。因為只使用了極少量的貯能元件來保持輸出電壓為所希望的值不變，本發(fā)明的高壓電源能快速地投入或切斷。不用貯能元件也提供了對于負(fù)荷電壓變化的快速響應(yīng)。因此，本發(fā)明的高壓電源適合于用在動態(tài)應(yīng)用場合，其中的負(fù)荷具有快速變化的電容，電阻和電感元件。
另一個優(yōu)點是使用多個高壓發(fā)生器來產(chǎn)生所希望的輸出電壓，使得高壓電源可以適合于每一種特殊應(yīng)用的要求?？梢栽黾痈邏喊l(fā)生器，使組II發(fā)生器增加最大輸出電壓，電源的動態(tài)范圍更大?？刂齐娐?6同樣地可以擴(kuò)展或縮小，以便控制更多的或較少量的高壓發(fā)生器。
動態(tài)啟動或中止高壓發(fā)生器的能力也產(chǎn)生了若干運行的優(yōu)點。啟動或中止高壓發(fā)生器允許控制輸出電壓，以便產(chǎn)生所希望的波形，電源就能適用于現(xiàn)代雷達(dá)和其它類似的應(yīng)用。高壓發(fā)生器也可以動態(tài)地增加或移去，以便平滑在低頻輸入AC電壓中的紋波的影響。利用高壓發(fā)生器來平滑輸入電壓紋波的影響，不需要大而昂貴的電容濾波器來調(diào)節(jié)輸入電壓。此外，當(dāng)供電中的其它高壓發(fā)生器發(fā)生故障時，也可以替換高壓發(fā)生器。代用發(fā)生器的動態(tài)替換改進(jìn)了電源的總可靠性。
在描繪和敘述了本發(fā)明的最佳實施例后，還可以理解，對其中還可以作出各種變化，均不偏離本發(fā)明的精神和范圍。例如，供電的最佳實施例中只在組I和組III包括各一臺高壓發(fā)生器，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將認(rèn)識到，在每一組中，多臺高壓發(fā)生器可以串級聯(lián)接，以建立所希望的電壓。可以用一控制電路來動態(tài)地啟動或中止附加組I和組III高壓發(fā)生器，以產(chǎn)生上述對應(yīng)于組II發(fā)生器的伴隨優(yōu)點。類似地，雖然高壓電源的最佳實施例的組II中有八臺高壓發(fā)生器，發(fā)生器的臺數(shù)也可以隨著期望的負(fù)荷以及負(fù)荷的波動而變化。
也還將理解，在每臺高壓發(fā)生器內(nèi)包括的高壓變壓器的結(jié)構(gòu)也可以改變。在每臺高壓變壓器中只有一個二次繞組，也可以用多個二次繞組構(gòu)成代替。多個二次繞組中的每一個都可以連接到高壓整流器上，每一臺高壓整流器的輸出電壓相加，產(chǎn)生高壓發(fā)生器的輸出電壓。每臺變壓器的一次繞組也可以用多個抽頭構(gòu)成。每一個抽頭通過開關(guān)可以連接到高壓發(fā)生器逆變器的輸出上。通過投切一次繞組連接到逆變器的所希望的抽頭，可以有選擇地改變每一臺高壓發(fā)生器的輸出電壓。
熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，雖然電流控制器64用來保證組I的輸出電壓跟蹤負(fù)荷中電容元件上的電壓，也可以用其它控制方法來控制組I輸出電壓。例如，可以用一個專用電路來監(jiān)測電壓Vc并改變組I的輸出電壓V1，以便保證V1和V2之和跟蹤Vc。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，其實現(xiàn)需要附加的電路，精確地監(jiān)測負(fù)荷中電容元件上的電壓，迅速地修正V1，以響應(yīng)Vc的變化。
也將更進(jìn)一步認(rèn)識到，雖然在高壓電源最佳實施例中用負(fù)荷中電容元件上的電壓Vc’作為反饋，負(fù)荷中其它電壓或電流措施也可以用作反饋，控制啟動或中止的組II發(fā)電機(jī)數(shù)量。例如，在負(fù)荷中電容的充放電率的方法可以用來指示負(fù)荷中流過的電流。另外，可以直接測量負(fù)荷中電流的幅值和方向。用以監(jiān)視負(fù)荷中電流的精確參數(shù)可以取決于負(fù)荷參數(shù)的可用性和可獲得性。
也還將認(rèn)識到，雖然在最佳實施例中，組II發(fā)生器的每一臺產(chǎn)生同樣電壓，組II發(fā)生器也可以構(gòu)連成產(chǎn)生不同的輸出電壓。例如，在一臺30,000V電源的結(jié)構(gòu)中，三臺組II發(fā)生器中每一臺可以設(shè)計為產(chǎn)生10,000V。因此，組I發(fā)生器也必須設(shè)計為最大產(chǎn)生10,000V。由于供電源的最佳實施例中的組I發(fā)生器包括了體積很大的貯能電感，使電源的尺寸和重量增加了。在一臺30,000V電源的第二結(jié)構(gòu)中，三臺組II發(fā)生器也可以設(shè)計為產(chǎn)生17,100V，8600V和4,300V。第二結(jié)構(gòu)允許組I發(fā)生器只產(chǎn)生最大4300V。較小的輸出電壓降低了大小，重量和組I發(fā)生器的貯能。因此，所公布的電源為使電源適合于特殊應(yīng)用提供了特別的靈活性。
雖然以上討論了高壓電源的最佳實施例，其它眾所周知的零件，元件以及它們的組合也可以用在這一電路中，產(chǎn)生PWM方波電壓，以便保持所希望的輸出電流不變。相同功能和性能的幾種不同的設(shè)計可以用來代替圖2中高壓電源的元件塊。其結(jié)果是，在附加的專利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以不用其中所特別敘述的方法來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種高壓電源，用于在具有分量部件的負(fù)荷中產(chǎn)生可控電流，它包括(a)一個產(chǎn)生重復(fù)性時序信號的時序發(fā)生器，其中，在時序信號的每一次重復(fù)期間，電源循環(huán)地經(jīng)過驅(qū)動模式和跟蹤模式；(b)連接到時序發(fā)生器上的第一電壓發(fā)生器，在跟蹤模式期間產(chǎn)生跟蹤電壓；(c)連接到時序發(fā)生器上，并與第一電壓發(fā)生器串聯(lián)的第二電壓發(fā)生器，該第二電壓發(fā)生器在驅(qū)動模式和跟蹤模式期間產(chǎn)生基本電壓；和(d)連接到時序發(fā)生器上，并與第一和第二電壓發(fā)生器串聯(lián)的第三電壓發(fā)生器，該第三電壓發(fā)生器在驅(qū)動模式期間產(chǎn)生加速電壓，其中，電源所產(chǎn)生的輸出電壓等于由第一電壓發(fā)生器，第二電壓發(fā)生器和第三電壓發(fā)生器所產(chǎn)生的跟蹤電壓、基本電壓和加速電壓之和，所以，在驅(qū)動模式期間，電源的輸出電壓使負(fù)荷中的電壓增大，將負(fù)荷中電流提高到所希望的值，而在跟蹤模式期間，電源的輸出電壓將負(fù)荷中的電流基本上保持為所希望的值。
2.權(quán)利要求1的電源，其中，第二電壓發(fā)生器由多臺高壓發(fā)生器相互串聯(lián)組成。
3.如權(quán)利要求2的電源，其中，多臺高壓發(fā)生器中每一臺產(chǎn)生具有相同幅值的輸出電壓。
4.權(quán)利要求3的電源，其中，多臺高壓發(fā)生器中的一部分產(chǎn)生具有不同幅值的輸出電壓。
5.權(quán)利要求2的電源，還包括連接到多臺高壓發(fā)生器和負(fù)荷上的控制電路，所述控制電路監(jiān)測負(fù)荷中分量部件上的電壓，啟動或中止多臺高壓發(fā)生器中所希望的若干臺，以響應(yīng)負(fù)荷中分量部件上電壓的變化。
6.權(quán)利要求5的電源，其中，該控制電路進(jìn)而監(jiān)測每一臺高壓發(fā)生器的運行狀態(tài)，如果運行狀態(tài)指示有一臺高壓發(fā)生器故障，便啟動附加高壓發(fā)生器。
7.權(quán)利要求5的電源，其中，該控制電路進(jìn)而監(jiān)測電源的輸入電壓，起動或中止多臺高壓發(fā)生器中所希望的若干臺，以響應(yīng)輸入電壓的變化。
8.權(quán)利要求5的電源，其中，控制電路將多臺高壓發(fā)生器所產(chǎn)生的基本電壓保持在小于或等于由控制電路所監(jiān)測的負(fù)荷中分量部件上的電壓值。
9.權(quán)利要求1的電源，還包括DC電源，向所述電源提供運行功率。
10.權(quán)利要求9的電源，其中，多臺高壓發(fā)生器中的每一臺包括(a)逆變器，具有第一輸入端，連接到DC電源，第二輸入端，連接到時序發(fā)生器；(b)變壓器，具有一次繞組，連接到逆變器的輸出；(c)整流器，連接到變壓器的第二繞組。
11.權(quán)利要求10的電源，其中，多臺高壓發(fā)生器中的每一臺產(chǎn)生整流的方波輸出電壓，與時序發(fā)生器產(chǎn)生的時序信號同步。
12.權(quán)利要求10的電源，其中，變壓器的一次繞組包括多個抽頭，通過多個開關(guān)連接到逆變器的輸出。
13.權(quán)利要求9的電源，進(jìn)一步包括一個電流控制電路，連接在DC電源和第三電壓發(fā)生器之間。
14.權(quán)利要求9的電源，進(jìn)一步包括一個電流控制電路，連接在DC電源和第一電壓發(fā)生器之間。
15.權(quán)利要求14的電源，其中，第一電壓發(fā)生器包括(a)一臺逆變器，具有連接到固定電流調(diào)節(jié)器的第一輸入端和連接到時序發(fā)生器的第二輸入端，該固定電流調(diào)節(jié)器將逆變器中的電流保持在所希望的值；(b)一臺變壓器，具有一次繞組，連接到逆變器的輸出；和(c)一臺整流器，連接到變壓器的二次繞組。
16.權(quán)利要求15的電源，其中，第一電壓發(fā)生器產(chǎn)生一個等于負(fù)荷的元件上的電壓減去第二電壓發(fā)生器產(chǎn)生的基本電壓之差的跟蹤電壓。
17.權(quán)利要求9的電源，其中，第三電壓發(fā)生器包括(a)一臺逆變器，具有連接到DC電源的第一輸入和連接到時序發(fā)生器的第二輸入；(b)一臺變壓器，具有一次繞組，連接到逆變器的輸出；(c)一臺整流器，連接到變壓器的第二繞組；(d)連接到逆變器的反饋電路，反饋電路監(jiān)測電源中的電流，如果已經(jīng)達(dá)到所希望的值，便中止第三電壓發(fā)生器。
18.權(quán)利要求17的電源，其中，第三電壓發(fā)生器產(chǎn)生周期性的方波脈沖。
19.權(quán)利要求1的電源，其中，重復(fù)性的時序信號是周期性的雙極性信號。
20.權(quán)利要求1的電源，其中，重復(fù)性的時序信號是非周期性的。
21.權(quán)利要求1的電源，其中，第一電壓發(fā)生器包括多臺串聯(lián)的高壓發(fā)生器，以產(chǎn)生跟蹤電壓。
22.權(quán)利要求1的電源，其中，第三電壓發(fā)生器包括多臺串聯(lián)的高壓發(fā)生器，以產(chǎn)生加速電壓。
23.一種高壓電源，用于在具有電容元件的負(fù)荷中產(chǎn)生可控電流，它包括(a)一個時序電路，產(chǎn)生重復(fù)性時序信號；和(b)一個電壓發(fā)生器，在每一次時序信號重復(fù)期間產(chǎn)生電壓，該電壓發(fā)生器包括(i)連接到負(fù)荷和時序電路的第一發(fā)生器；該第一發(fā)生器與時序信號每一次重復(fù)同步，產(chǎn)生并施加于負(fù)荷上一個驅(qū)動電壓，其中，驅(qū)動電壓使負(fù)荷中電流增大，驅(qū)動電壓加至負(fù)荷中電流達(dá)到所希望的幅值為止；和(ii)連接到負(fù)荷和時序電路的第二發(fā)生器，該第二發(fā)生器在第一發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動電壓以后，產(chǎn)生并施加于負(fù)荷上一個跟蹤電壓，其中，跟蹤電壓等于負(fù)荷中電容元件上所測得的電壓，使得負(fù)荷中的電流保持為近似于恒定的值。
24.權(quán)利要求23的高壓電源，其中，第一發(fā)生器包括(a)一臺加速發(fā)生器，產(chǎn)生整流的矩形波脈沖作為輸出電壓；和(b)一臺與加速發(fā)生器串聯(lián)的基本發(fā)生器，產(chǎn)生整流的方波作為輸出電壓，其中，加速發(fā)生器的輸出電壓和基本發(fā)生器的輸出電壓之和超過負(fù)荷電壓，因而，負(fù)荷中的電流增加。
25.權(quán)利要求23的電源，其中，第二發(fā)生器包括(a)一臺基本發(fā)生器，產(chǎn)生整流的方波作為輸出電壓，該整流方波的幅值小于或等于測得的負(fù)荷電壓；和(b)一臺與基本發(fā)生器串聯(lián)的跟蹤發(fā)生器，產(chǎn)生的電壓等于基本發(fā)生器產(chǎn)生的電壓與測得的負(fù)荷電壓之差值，其中，基本發(fā)生器產(chǎn)生的輸出電壓和跟蹤發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出電壓之和等于負(fù)荷上的電壓。
26.權(quán)利要求23的高壓電源，其中，重復(fù)性時序信號是周期性雙極性信號。
27.一種高壓電源，用于在具有可變的電感、電容和電阻元件的負(fù)荷中產(chǎn)生可控電流，它包括(a)一個DC電源；(b)一個產(chǎn)生重復(fù)性時序信號的時序發(fā)生器，其中，在時序信號的每一次重復(fù)期間，該高壓電源循環(huán)地經(jīng)過驅(qū)動模式和跟蹤模式；和(c)多臺高壓發(fā)生器與負(fù)荷串聯(lián)，使多臺高壓發(fā)生器產(chǎn)生的輸出電壓相互疊加，其中，在運行的驅(qū)動模式期間，高壓發(fā)生器產(chǎn)生的輸出電壓超過負(fù)荷中電容元件上的電壓，因而造成負(fù)荷中電流增大，直到電流達(dá)到所希望的值為止，在此后，高壓發(fā)生器進(jìn)入運行的跟蹤模式，其中，高壓發(fā)生器產(chǎn)生的輸出電壓基本上等于負(fù)荷中電容元件上的電壓，從而使負(fù)荷中的電流保持所希望的值，多臺高壓發(fā)生器中每一臺包括(i)一個輸入端連到所述DC電源，另一個輸入端連到所述時序發(fā)生器的一臺逆變器，產(chǎn)生與時序信號同步的AC電壓；(ii)連接到逆變器的一臺變壓器，使逆變器所產(chǎn)生的AC電壓升壓；和(iii)連接到逆變器的一臺整流器，對逆變器產(chǎn)生的AC電壓進(jìn)行整流。
全文摘要
一臺高壓電源(40)具有多臺高壓發(fā)生器(50a,50b,…50j),在具有電容元件的負(fù)荷(24)中產(chǎn)生可控電流。每一臺高壓發(fā)生器包括一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)逆變器,一個高壓變壓器,和一個高壓全橋整流器。該高壓發(fā)生器分為三組:組Ⅰ,組Ⅱ和組Ⅲ。在電源運行的驅(qū)動模式期間,組Ⅰ,組Ⅱ和組Ⅲ高壓發(fā)生器產(chǎn)生電源的輸出電壓(V
文檔編號H02M3/24GK1183862SQ96193066
公開日1998年6月3日 申請日期1996年4月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月5日
發(fā)明者艾戈·A·克里切塔福維赤, 艾里那·Z·辛尼那 申請人:國際動力集團(tuán)公司