專利名稱：開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)裝置(switching arrangement),特別涉及用于將高電壓脈沖施加到負載兩端的開關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
參見圖1，其是一種已知的開關(guān)裝置的示意性電路圖，該開關(guān)裝置包括存儲電容器C和開關(guān)裝置S (美國專利N0.6396332)。開關(guān)S是由觸發(fā)器驅(qū)動系統(tǒng)I控制的，以將高電壓脈沖施加到負載R1(例如，磁控管(magnetixm))兩端，并且該存儲電容器可以由直流電源2重新充滿。開關(guān)裝置和直流電源的組合通常被稱為調(diào)制器。去往觸發(fā)器驅(qū)動系統(tǒng)的輸入脈沖(&至&)導(dǎo)致高電壓脈沖施加到負載電阻器上，所施加的電壓脈沖由波形Ed。示出。該存儲電容器可以由串聯(lián)連接的一堆電容性元件組成，并且每個電容性元件可以由并聯(lián)的多個電容器組成。這些電容性元件不但被串聯(lián)地充電而且被串聯(lián)地放電,與已知的Marx類型的發(fā)生器形成對比，在Marx類型的發(fā)生器中，一堆電容性元件被串聯(lián)地放電但是被并聯(lián)地充電(W02008/109830, US3, 496，378，JP2003059678 和 EP0590318)。開關(guān) S 可以由串聯(lián)連接的多個模塊組成， 以便使用分別具有更低額定電壓的模塊來切換高電壓脈沖。
該開關(guān)裝置的一個應(yīng)用是在直線加速器(Iinacs)中。圖2是直線加速器結(jié)構(gòu)的示意圖。由電子槍G所產(chǎn)生的電子束EB通過共振腔形成脈沖，并且在電子束EB撞擊目標T以生成X射線之前，通過由從射頻(r.f.)源(例如，磁控管M)所注入的射頻能量而得以加速。通過改變注入到直線加速器內(nèi)的射頻能量和/或改變電子束電流，可以容易地產(chǎn)生不同能級處的X射線。直線加速器可以被用于醫(yī)療和工業(yè)處理。
X射線掃描儀還被用于貨物檢查目的。為了獲得關(guān)于貨物的增強信息，以及特別是為了獲得針對高密度材料的獨特特征(unique signature),可以使用雙能掃描(美國專利N0.7257188)和多能隔行掃描(美國專利申請N0.20100038563)。
存在這樣的場合，在非?？斓禺a(chǎn)生X射線脈沖,例如一個脈沖接著一個脈沖地產(chǎn)生時，直線加速器也能夠改變所產(chǎn)生的X射線脈沖的能量。然而，通過上述的開關(guān)裝置，只能通過將存儲在電容器中的一部分能量耗散在電阻性負載中，才可能產(chǎn)生不同的能級，這將導(dǎo)致熱問題和效率損失。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于將電壓脈沖施加到負載兩端的開關(guān)裝置，包括:串聯(lián)連接的多個電容性元件；第一開關(guān)元件，所述第一開關(guān)元件用于將所述串聯(lián)連接的一端連接到所述負載的一端；以及第二開關(guān)元件，所述第二開關(guān)元件選擇性地用于將所述串聯(lián)連接的另一端或所述串聯(lián)連接的兩端之間的抽頭(tapping)連接到所述負載的另一端，以使得較高電壓脈沖電平或較低電壓脈沖電平施加到所述負載兩端。
借助于這樣的開關(guān)裝置，可以在沒有任何重大能量損耗的情況下產(chǎn)生不同的電壓電平。
所述第二開關(guān)元件可以包括一對開關(guān)，所述一對開關(guān)是能夠控制成與彼此相反被斷開和閉合的，所述一對開關(guān)分別串聯(lián)連接到從所述抽頭到所述串聯(lián)連接的所述另一端的路徑中和與所述該路徑并聯(lián)。二極管可以與所述開關(guān)反向并聯(lián)地連接。所述開關(guān)可以是固態(tài)管或真空管。


現(xiàn)在將結(jié)合附圖，通過實例詳細地描述實現(xiàn)本發(fā)明的一種方法，其中:
圖1是一種已知的開關(guān)裝置的示意性電路圖2是由磁控管驅(qū)動的直線加速器的示意圖3是本發(fā)明的開關(guān)裝置的示意性電路圖4是圖3的開關(guān)裝置的第一實施例中的一部分的示意性電路圖5是示出了施加到圖4所示的實施例中的第二開關(guān)裝置上的驅(qū)動脈沖的時序圖、和負載電流；
圖6示出了響應(yīng)于兩個脈沖電壓水平而由形成圖4的實施例中負載的磁控管所產(chǎn)生的不同能級；以及
圖7是圖2的開關(guān)裝置的第二實施例中的一部分的示意性電路圖。
具體實施方式
在所有附圖中，相同的部分已經(jīng)由相同的附圖標記給出。
參見圖3，本發(fā)明的開關(guān)裝置包括高電壓開關(guān)棧S形式的第一開關(guān)裝置，高電壓開關(guān)棧S包括固態(tài)開關(guān)，固態(tài)開關(guān)串聯(lián)連接以用于在觸發(fā)器驅(qū)動系統(tǒng)(未示出)的控制下將存儲電容器C連接到負載Rl (磁控管)。存儲電容器C由一堆串聯(lián)設(shè)置的電容性元件C1-C9組成(圖4中所示)。存儲電容器由高壓電源2進行充電。
根據(jù)本發(fā)明，第二開關(guān)裝置S1、S2用于使得電容性元件Cl能夠切出和接入這一堆電容性元件Cl-C9(未示出)。開關(guān)裝置S1、S2將負載的低壓端連接到整個串聯(lián)連接C1-C9或串聯(lián)連接C2-C9。當(dāng)高電壓開關(guān)棧S閉合時，兩個HT電壓電平(C1-C9或C2-C9)中的任一者被切換成橫跨負載Rl，這取決于操作開關(guān)SI和S2中的哪一個被閉合。因此，兩個不同的電壓電平可以選擇性地被施加到負載上(負載電壓脈沖示意性地被示出)。
控制系統(tǒng)4控制隔離驅(qū)動電路3，以操作開關(guān)S1、S2將電容性元件Cl接入和切出該棧。SI和S2中的控制端與地隔離，因為通過SI和S2切換的整個周期，SI和S2將在Cl上的電壓之前加上+/_來使內(nèi)建電勢擺動。流過負載的電流由電流傳感器5進行監(jiān)控。
參見圖4和圖5，在本發(fā)明的第一實施例中，電容性元件Cl按照如下方式接入和切出串聯(lián)連接。在開關(guān)Si (與Cl串聯(lián))閉合時，負載的低壓(地線)端連接到整個串聯(lián)連接C1-C9的低壓端，而在SI斷開時，連接到電容性元件C1、C2的接合點處的抽頭6，因為開關(guān)S2 (與Cl并聯(lián))現(xiàn)在是閉合的。開關(guān)SI和S2的操作是相反的，即，當(dāng)開關(guān)SI斷開時，開關(guān)S2閉合，并且反之亦然。
圖5中的上波形示出了施加到晶體管SI上的柵極電壓，并且下波形示出了施加到晶體管S2上的柵極電壓。每個波形的頂部都表明了當(dāng)各自的晶體管導(dǎo)通并且開關(guān)因此閉合時的時間段，并且每個波形的頂部都表明了當(dāng)它們未導(dǎo)通并且開關(guān)因此斷開時的時間段。中央波形示出了負載電流，高電平脈沖是7和9，并且低電平脈沖是8和10。這些脈沖在開關(guān)S閉合時產(chǎn)生的。
從圖5將看到，開關(guān)SI在高電平脈沖7之后的時間Tl處就斷開，并且對于低電平脈沖8之前的絕大部分時間，開關(guān)SI保持斷開。在低電平脈沖8之后，在時間T2處，開關(guān)SI就閉合并且保持閉合直到下一個高電平脈沖9之后一點的時間T3處。對于下一個低電平脈沖10之前的絕大部分時間，開關(guān)SI保持斷開，并且在時間T4處不久之后閉合。該模式被重復(fù)。
當(dāng)電壓脈沖被傳遞時，大負載電流(對于磁控管，通常為100安培的量級)Im通過串聯(lián)連接C9-C2、并且通過可切換的電容性元件Cl或者從抽頭6通過并聯(lián)連接流到負載。在脈沖之間的時間段中，電容性元件的電荷由高壓電源2重新充滿，并且充電電流Ic經(jīng)由開關(guān)S2通過并聯(lián)連接流入電容性棧C2-C9，或者充電電流經(jīng)由開關(guān)SI通過串聯(lián)連接流經(jīng)整個棧C1-C9。
為了將電容性元件重新充滿到所期望的量，控制系統(tǒng)4的算法負責(zé)在每個磁控管脈沖之后對各棧C1-C9、C2-C9兩端的電壓進行測量，以查明它們已經(jīng)被消耗多少，對由磁控管在該脈沖期間所汲取的電流進行測量，并且考慮針對指定量的電流或射頻能量或者脈沖之間的指定能量差的任何輸入指令。后者可以取決于被掃描的貨物的需求。可能需要某些具體值的射頻能量，這將暗示了某些指定的磁控管峰值電流，并且繼而某些負的陰極電壓電平。通過適量的再充電使高電壓電平和低電壓電平對應(yīng)于這些電平。
對脈沖已經(jīng)被傳遞之后棧上剩余的電壓進行測量如下。在高電平脈沖之后，控制系統(tǒng)4就對整個棧Cl至C9兩端剩余的電壓(在時間段11期間)進行測量，并且在SI斷開(周期12)之后，立即對棧C2至C9兩端剩余的電壓進行測量，Cl兩端剩余的電壓可以從棧C2至C9兩端剩余的電壓推測出。
這使再充電電流(通常為數(shù)百毫安)的幅值和持續(xù)時間能夠得以測量，因此可以適當(dāng)?shù)貙l至C9和C2至C9進行再充電。在周期13內(nèi)對棧Cl至C9進行再充電，并且在周期14內(nèi)對棧C2至C9進行再充電。
這種簡單的充電模式的缺點是:高電平脈沖和低電平脈沖之間的比值可能是固定的，例如在比值8至9內(nèi)。為了避免這個缺點，在低電平脈沖(開關(guān)SI是斷開的)之后的短時間段15內(nèi)，可以在SI已經(jīng)閉合之后整個棧的主再充電之前，對棧C2至C9進行充電。同樣地，在低電平脈沖之前棧C2至C9的再充電之前，開關(guān)SI在時間段16處短暫地閉合，以使短暫的充電能夠施加到整個棧Cl至C9。在前一種情況下，Cl將接收到比固定比值少的電荷，并且在后一種情況下，Cl將接收到比固定比值多的電荷。因此，獨立地控制電容器CI上的電壓和電容器棧C2至C9上的電壓在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
雖然圖5示出了與產(chǎn)生交替的低電平脈沖和高電平脈沖的開關(guān)裝置，但是本發(fā)明還適用于其他模式的脈沖，例如，在成對的高電平脈沖中出現(xiàn)一個低電平脈沖或者其他脈沖模式。
開關(guān)S1、S2是由絕緣柵雙極型晶體管(IGBTs)來實現(xiàn)，二極管Dl、D2與各自的開關(guān)S1、S2并聯(lián)。操作如下。
為了允許對電容性元件C2-C9單獨地進行再充電，SI斷開，并且S2閉合。再充電電流Ic將在S2中沿常規(guī)的方向流動，同時D2將是反向偏置的。盡管二極管Dl可以允許再充電電流流入Cl中，但是抽頭6通過S2有效地接地，這因此排除了 Cl的再充電過程。在任何情況下，導(dǎo)致對Cl進行充電的任何歷史，將會導(dǎo)致其SI端比其S2端電壓高。這將導(dǎo)致Dl反向偏置，再一次有效地阻塞Cl再充電電流。
為了允許對整個串聯(lián)連接C1-C9進行再充電，SI是閉合的，并且S2斷開。再充電電流將流入Dl。Dl將箝位Cl的該端到接地，并且因為再充電電流將導(dǎo)致抽頭6處的電壓逆向地增大，D2將保持反向偏置，使該過程能夠繼續(xù)。注意的是，SI不需要為了再充電的目的而接通(僅為了負載脈沖目的)，因為Dl正在提供導(dǎo)通路徑，正如所描述的。
修正的切換模式是可能的，由此在傳遞高電平脈沖(開關(guān)S因此是閉合的)的時間段期間，SI斷開。負載電流流入D2中以完成該路徑，因此剩余的負載脈沖是低電平，從而允許脈沖的幅值在該脈沖期間變化。
對于較短的再充電時間段15、16，電源2能夠被設(shè)置成顯著地超過所需電壓。對于較長的再充電時間段13、14，電源2被控制為在棧將要被重設(shè)到的所需電壓處結(jié)束充電時間段，盡管如果需要，它可以在一個更高的電壓處開始補充(replenishment)。
高壓電源的典型值為_60kV。這能夠在九個電容性元件之間進行分割，每個電容性元件額定為約7kV。這將使得能夠使用_60kV和-53kV的電壓脈沖來驅(qū)動磁控管。每個脈沖可以具有約4微秒的持續(xù)時間。棧的總電容值可以在0.5微法的范圍內(nèi)。隨后，可切換的電容性元件可以具有約0.5微法的值。參見圖6，-60kV和-53kV的陰極上的不同電壓水平(A低、A高)將對應(yīng)于陰極電流水平中更大的差值，并且同樣地對應(yīng)于射頻功率水平(Cff1、Cs)中更大的差值。
當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進行改變。因此，可以使用兩個分立的電容器，一個作為Cl，另一個代替C2至C9。代替將單個電容性元件接入或切出開關(guān)棧，兩個或更多個電容性元件可以被接入或切出。代替固定的抽頭，抽頭在串聯(lián)連接中的不同電容性元件之間是可選的。進一步，開關(guān)裝置S可以連接到多個抽頭而不是單個抽頭上。每個電容性元件可以是單個電容器，或者可以由許多(例如，四個)電容器并行地組成。代替監(jiān)視與磁控管相關(guān)聯(lián)的電流傳感器中的陰極電流，電流傳感器可以被設(shè)置為感應(yīng)通過電容性元件的電流?；蛘?，控制環(huán)可以監(jiān)視射頻脈沖功率或X射線能量。開關(guān)棧S、或開關(guān)SI或S2可以由場效應(yīng)晶體管(FETs)或IGBTs實現(xiàn)，但是本發(fā)明還適用于開關(guān)S、S1或S2是一個閥(例如，四極管或三極管)。為了減小開關(guān)S1、S2的組件上的額定電壓，一對相同的IGBT晶體管和二極管可以串聯(lián)地被提供，與所示出的一樣。這將這些組件上的額定電壓減小了 一半。在其他的應(yīng)用中，更多的設(shè)備可以被串聯(lián)地連接以提供額定電壓或被并聯(lián)地連接以提供額定電流，或者可以使用設(shè)備的串并聯(lián)組合。當(dāng)磁控管被描述成是用于貨物篩檢(screening)的直線加速器的一部分時，本發(fā)明可以被用在非破壞性試驗、放射療法、醫(yī)學(xué)成像中，或者磁控管可以被用于驅(qū)動粒子加速器。此外，除了磁控管，可以使用電子管(例如，調(diào)速管)，并且本發(fā)明還適用于不是真空管的負荷中。
電容器的物理布置可以是串并聯(lián)組合。例如，Cl至C9可以由144個電容器組成。連接成一鏈的九個電容性元件中的每個電容性元件可以由并聯(lián)的兩個電容器組成。八個這樣的串聯(lián)鏈可以并行輸入到最后裝配(final assembly)中，以針對串聯(lián)連接Cl至C9所要求的，實現(xiàn)所需要的電容值、額定電壓、ESR和物理尺寸。
在所描述的實施例中，相同的電源被用于對完整的棧和沒有電容性元件Cl的棧進行充電。如果需要，可以提供一個輔助電源僅對電容性元件Cl進行充電。參見圖7，在第二實施例中，單獨的電源2a用于在高脈沖和低脈沖之間給Cl進行再充電。在該方法中，C2-C9和C1-C9之間的差別可以通過在相互脈沖周期(inter pulse period)中加上和減去來自Cl的電荷進行改變。電源2a因此被要求是雙向傳遞和接收來自Cl的電流。
本發(fā)明允許產(chǎn)生不同的電壓電平，而沒有任何顯著的能量損失，并且允許使用專有控制系統(tǒng)(適當(dāng)?shù)乇痪幊?。
權(quán)利要求
1.一種用于將電壓脈沖施加到負載兩端的開關(guān)裝置，包括: 串聯(lián)連接的多個電容性元件； 第一開關(guān)元件，其用于將所述串聯(lián)連接的一端連接到所述負載的一端；以及 第二開關(guān)元件，其選擇性地用于將所述串聯(lián)連接的另一端或所述串聯(lián)連接的兩端之間的抽頭連接到所述負載的另一端，以使得較高電壓脈沖電平或較低電壓脈沖電平施加到所述負載的兩端； 控制系統(tǒng)，其用于將充電電流通過所述串聯(lián)連接從一端選擇性地施加至另一端或所述抽頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置，其中，所述第二開關(guān)元件包括一對開關(guān)，所述一對開關(guān)是可控制成與彼此相反地被斷開和閉合的，所述一對開關(guān)分別串聯(lián)連接到從所述抽頭到所述串聯(lián)連接的所述另一端的路徑中和與所述路徑并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)裝置，其中，所述第二開關(guān)元件包括與所述開關(guān)反向并聯(lián)連接的各自的二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)是固態(tài)開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)是場效應(yīng)晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)裝置，其中，所述開關(guān)是絕緣柵雙極型晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的開關(guān)裝置，包括控制系統(tǒng)，以將充電電流在較高電平脈沖之前施加到所述串聯(lián)連接的一端或者在低電平脈沖之前施加到所述抽頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制系統(tǒng)被設(shè)置成將使用電源向所述抽頭供電的充電電流在低電平脈沖之前補充到所述串聯(lián)連接的一端。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的開關(guān)裝置，其中，所述控制系統(tǒng)被設(shè)置成將使用電源向所述串聯(lián)連接的一端供電的充電電流在高電平脈沖之前補充到所述抽頭。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述第二開關(guān)裝置被設(shè)置成在高電壓脈沖的傳遞期間工作，以便在低電平處完成所述脈沖。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的開關(guān)裝置，其中，所述電壓脈沖在幅值上至少是 IOkVo
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)裝置，其中，所述電壓脈沖在幅值上至少是40kV。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的開關(guān)裝置，其中，電壓脈沖的兩個電平之間的幅值差至少是lkV。
14.一種調(diào)制器，包括與根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的開關(guān)裝置相結(jié)合的電源。
15.一種直線加速器，包括由在權(quán)利要求14中所述的調(diào)制器所驅(qū)動的磁控管。
全文摘要
一種用于將電壓脈沖施加到負載兩端的開關(guān)裝置包括串聯(lián)連接的多個電容性元件(C1-C9)；第一開關(guān)裝置(S)，第一開關(guān)裝置(S)連接到該串聯(lián)連接以將電壓脈沖施加到負載上；以及第二開關(guān)裝置(S1、S2)，第二開關(guān)裝置(S1、S2)連接到該串聯(lián)連接中的電容性元件上，使得這些電容性元件中的一個電容性元件(C1)可以被切出或接入該串聯(lián)連接，以便產(chǎn)生各自的較低電平的電壓脈沖或較高電平的電壓脈沖，不需要消耗能量到電阻性負載中。
文檔編號H03K3/53GK103210587SQ201180040411
公開日2013年7月17日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者斯蒂芬·馬克·伊斯坎達爾, 邁克爾·約翰·布蘭德, 保羅·里奇韋爾 申請人:E2V技術(shù)(英國)有限公司