电容器充电器系统、功率调制器及谐振功率变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]所提出的技术涉及电容器充电器系统、包含这样的电容器充电器系统的功率调制器以及谐振功率变换器。
【背景技术】
[0002]电容器充电器系统通常用于使用大电流短脉冲的任何地方。应用的实例包括功率调制器、加速器、灯闪烁、X射线系统等。
[0003]电容器充电器系统通常包含电源，例如，用于经由输出整流器与负载电容器间的连接的功率变换器，其中电容器将被循环地充放电以帮助产生最终的输出脉冲。
[0004]功率变换器一般地用于将电功率从一种形式变换为另一种形式，或者从一个电平变换为另一个电平，并且通常构成任意电源的组成部分。特别地，所谓的谐振功率变换器通常由于它们的包括低开关损耗和高操作开关频率在内的优点而被使用。
[0005]但是，谐振功率变换器具有稳定性问题，并且在某些情况下，在功率变换器的谐振电路内流过的电流看起来会没有限制地增大。这会损坏功率变换器内的关键构件并且影响整个电容器充电器系统。
[0006]相关文献
[0007]美国专利8，023, 290涉及用于输送并回收来自与在次级绕组电路内的可控整流关联的电容器的能量的功率变换器，每个可控整流器都具有并联的不可控整流器。与第一及第二初级绕组串联的第一及第二初级开关分别在固定的工作周期内被接通，各占开关周期的一半。
[0008]US 2011/0080757涉及功率变换器以及操作功率变换器的方法，该方法使变换器的工作频率能够由控制电路控制于谐振频率的预定范围内，以允许减少噪声产生并促进将会进而减少谱峰的频率抹平。
[0009]US 2006/0164776涉及包含开关、二极管、电感、具有第一连接和第二连接的输入以及具有第一连接和第二连接的输出的限流电路。输入的第一连接经由开关连接至电感以及二极管的阴极，并且经由电感连接至输出的第一连接。二极管的阳极连接至输入的第二连接以及输出的第二连接。
【发明内容】
[0010]本发明克服了现有技术的布局的这些及其他缺点。
[0011]本发明的一个目的是提供基于谐振功率变换器的改进的电容器充电器系统。
[0012]本发明的另一个目的是提供改进的功率调制器。
[0013]本发明的又一个目的是提供改进的谐振功率变换器。
[0014]这些及其他目的如同所附专利权利要求书所定义的那样来实现。
[0015]本发明的发明人已经意识到，如果负载出现短路或开路，则常规的谐振功率变换器存在失控(run-away)故障模式的可能性。在失控模式中，电压能够无限制地逐周期增加，并且当然，这会无限制地增加在谐振分支电路内流过的电流。该故障模式最终将会导致在变换器内的例如谐振电容器、开关、在开关两端的开关保护二极管等一个或多个构件发生故障。
[0016]在第一方面中，本发明提供了电容器被循环充电和放电的电容器充电器系统。电容器充电器系统包含用于经由输出整流器连接至电容器的谐振功率变换器。谐振功率变换器包含基于开关的桥接网络、内部变压器、谐振电路和稳幅电路。基于开关的桥接网络包含至少一对受控开关。谐振电路包括含有至少一个电容构件和至少一个电感构件的串联谐振支路，并且谐振电路在电路通路中连接于基于开关的桥接网络的一对受控开关之间的中点。谐振电路的(一个或多个)电容构件以串联通路与内部变压器的初级绕组连接。而且，稳幅电路被配置为提供谐振电路的谐振振幅的稳定化，并且稳幅电路包括连接于i)由在电路通路中从串联谐振支路的电容构件到电感构件的任意位置处的结所限定的无约束节点与ii)在工作时具有预定的电压电平的谐振功率变换器的至少一个连接点之间的单向(one way)导电电路，使得谐振电路的谐振振幅变稳定以在预定的限度内变动。谐振功率变换器被配置为经由内部变压器的次级绕组连接至输出整流器。
[0017]以此方式，失控故障模式能够得到有效控制，由此提供对功率变换器的构件(例如，(一个或多个)开关、(一个或多个)谐振电容器等)的有效保护。因此，所提出的技术确保了整个电容器充电器系统的安全可靠的操作。
[0018]在第二方面中，本发明提供了包含这样的电容器充电器系统的功率调制器。
[0019]在第三方面中，本发明提供了谐振功率变换器。谐振功率变换器包含基于开关的桥接网络，其中基于开关的桥接网络包含至少一对受控开关。谐振功率变换器还包含内部变压器和谐振电路。谐振电路包括含有至少一个电容构件和至少一个电感构件的串联谐振支路，并且谐振电路在电路通路中连接于基于开关的桥接网络的一对受控开关之间的中点。谐振电路的电容部分以串联通路与内部变压器的初级绕组连接。谐振功率变换器还包含稳幅电路。稳幅电路被配置为提供谐振电路的谐振振幅的稳定化，并且稳幅电路包括连接于i)由电路通路中在从串联谐振支路的电容构件到电感构件的任意位置处的结所限定的无约束节点与ii)在工作时具有预定的电压电平的谐振功率变换器的至少一个连接点之间的单向导电电路，以由此使谐振振幅稳定化为在预定的限度内变化。
[0020]所提出的技术可应用于全桥和半桥两种设计，以及不同调制类型的功率变换器。
[0021]阅读下面关于本发明的实施例的描述时将会意识到本发明所提供的其他优点。
【附图说明】
[0022]本发明及其更多的目的和优点可通过参考下面参照附图进行的描述而得到最佳的理解，在附图中:
[0023]图1是示出涉及电容器充电器系统的应用的示例的示意图。
[0024]图2是示出根据第一实施例的电容器充电器系统的示例的电路原理图。
[0025]图3是示出根据第二实施例的电容器充电器系统的示例的电路原理图。
[0026]图4是示出根据第三实施例的电容器充电器系统的示例的电路原理图。
[0027]图5是示出根据第四实施例的电容器充电器系统的示例的电路原理图。
[0028]图6是示出根据第五实施例的电容器充电器系统的示例的电路原理图。
[0029]图7是示出根据第六实施例的电容器充电器系统的示例的电路原理图。
[0030]图8是示出根据第七实施例的电容器充电器系统的示例的电路原理图。
[0031]图9是示出根据第八实施例的电容器充电器系统的示例的电路原理图。
【具体实施方式】
[0032]在所有附图中，相同的附图标记将用于相应的或类似的元件。
[0033]图1是示出涉及电容器充电器系统的应用的示例的示意图。图1所示的整体应用基本上对应于功率调制器，并且示出了电容器充电器系统100以及它如何连接至电容器200，以及如何进一步连接至可选的升压(st印-up)脉冲变压器300。电容器200的输出通过升压变压器300的初级绕组。使电容器200放电的开关400使得电容器充电系统的输出基本上为短路。电容器200典型地被循环地充电和放电，并且开关400在接通和断开两方面都可进行电子控制，以控制输出脉冲的持续时间。电容器200通常被部分放电，并且在下次循环开始之前，电容器充电器系统然后被要求对电容器再充电至其初始电压。
[0034]当然，也存在其他应用，如同在【背景技术】部分已经提到的。如【背景技术】部分所提及，电容器充电器系统通常包含诸如功率变换器之类的电源。特别地，所谓的谐振功率变换器通常由于它们的包括低开关损耗和高操作开关频率在内的优点而被使用。
[0035]但是，本发明的发明人已经意识到，如果负载出现短路或开路，则所有谐振模式的功率变换器都存在着失控故障模式的可能。在失控模式中，电压能够无限制地逐周期增大，并且当然，这会无限制地增加在谐振分支电路内流过的电流。该故障模式最终将会导致在变换器内的例如谐振电容器、开关、在开关两端的开关保护二极管等一个或多个构件发生故障。
[0036]根据所提出的技术发明，这种失控模式能够通过基于对谐振模式的功率变换器的谐振振幅适当配置的稳幅来提供平衡和稳定的电路设计进行有效控制。
[0037]一般