专利名称：负载的无阻抗匹配的高频供电的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于负载的能量供应装置，-其中，所述能量供应装置具有直流电压源、多个开关级、以及控制装置，-其中，所述开关级与直流电压源、负载以及控制装置相连接，从而基于通过控制装置对开关级的相应控制可以将负载接通到直流电压源，-其中，开关级分别具有场效应晶体管以及多个与各自的场效应晶体管反并联连接的续流二极管，
-其中，场效应晶体管具有临界频率，直至该临界频率场效应晶体管可以被最大运行，-其中，每个续流二极管具有恢复时间。
背景技术：
这样的能量供应装置是一般公知的。临界频率是刚好还可以接通场效应晶体管的频率。在确定临界频率的范围内不考虑续流二极管。临界频率是场效应晶体管的固有特性。续流二极管的恢复时间是其在对准导通方向的续流二极管上的电压关断之后消逝直到再次建立起二极管的阻塞效应的时间。恢复时间是续流二极管的固有特性。在现有技术的能量供应装置中，通常将MOSFET应用为场效应晶体管。在多个并联连接MOSFET的情况下还额外需要高频合成器。通常的MOSFET具有固有的体二极管作为续流二极管，也就是集成在各自的MOSFET中的二极管。该固有的体二极管通常具有相对长的恢复时间。通常，所述时间明显大于MOSFET的临界频率的倒数。由此，在现有技术中必须考虑场效应晶体管的运行频率保持为低，使得其倒数大于续流二极管的恢复时间。替换地或附加地，必须通过相应的匹配电路(例如所谓的环形器)来实现避免功率被反射到开关级。否则的话会损坏开关级。在多个开关级并联连接的情况下，对匹配电路设计的实施变得极其复杂。这特别适合于在脉冲地运行负载时，其中必须在宽的频谱中避免反射。在这种情况下能量供应装置整体上变得相应地复杂和昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，实现一种能量供应装置，其被简单地构造并且其却可以以高频(直到临界频率附近的区域)运行。上述技术问题通过具有权利要求I特征的能量供应装置来解决。根据本发明的能量供应装置的优选构造是从属权利要求2至11的内容。根据本发明，这样扩展开头所述类型的能量供应装置，-对于每个开关级，所有与各自的场效应晶体管反并联连接的续流二极管的恢复时间至少大约对应于各自的场效应晶体管的临界频率的倒数，
-控制装置至少有时这样控制开关级，使得由于失配将功率反射到开关级。可以(沿着朝向负载的方向)在开关级之后布置匹配电路。然而基于根据本发明的构造，用于避免失配的这种匹配电路不是强制需要的。也可以在开关级和负载之间不布置用于避免失配的匹配电路。场效应晶体管优选地被构造为结型场效应晶体管(JFET)。除了别的之外，结型场效应晶体管包含所谓的MesFET (Mes=metal-semiconductor,金属半导体)。碳化娃(SiC)和氮化镓(GaN)特别适合做半导体材料。开关级可以(至少部分地)并联连接。在这种情况下，在并联连接的开关级和负载之间通常布置功率合成器。同样地,开关级可以(至少部分地)以双组(Zweiergruppe)形式串联连接。在这种 情况下，双组经由在各个双组的两个开关级之间布置的输出点与负载相连。同样地，开关级可以成对地组合成圆管(Circlotixm)类型的推挽放大器。对于至少一个开关级，(至少一个)与各自的场效应晶体管反并联连接的续流二极管关于各自的场效应晶体管被构造为外部布置的续流二极管。如果各个场效应晶体管不具有集成的续流二极管，则这个措施是强制的。然而如果各个场效应晶体管具有集成的续流二极管，则这也可以实现为可选的。同样地，对于至少一个开关级，与各自的场效应晶体管反并联连接的续流二极管中的一个可以集成在各自的场效应晶体管中。在这种情况下，外部布置的续流二极管不是必须的。但是也可以存在所述外部布置的续流二极管。通常给每个场效应晶体管恰好反并联连接一个续流二极管。此外，通常相同地构造所有的开关级，也就是或者均具有外部的续流二极管或者均具有集成的续流二极管。然而原则上，任意的混合形式和组合是可能的。特别如果控制装置经由开关级将负载脉冲地接通到直流电压源，则能量供应装置的根据本发明的构造是有利的。直流电压源通常具有电网供电的整流器。在这种情况下优选在整流器和开关级之间布置多个缓冲电容。根据本发明的能量供应装置原则上可以被使用在任意负载的情况下。优选的应用情况是，负载被构造为粒子加速器(特别是线性加速器)的空腔谐振器。
结合附图从下面对实施例的描述中给出其它优点和细节。附图中图I示出了能量供应装置以及负载，图2示出了具有缓冲器的开关级，图3至图5示出了具有缓冲器的开关级的组合，图6示出了单独的开关级。
具体实施例方式按照图1，用于负载I的能量供应装置具有直流电压源2、多个开关级3以及控制装置4。开关级3与直流电压源2、负载I以及控制装置4相连接。由此，基于通过控制装置4对开关级3的相应控制，负载I可以接通到直流电压源I。可以根据需要选择多个开关级3。在有些情况下，仅存在唯一一个开关级3就可以满足需求。在这种情况下优选按照图2连接所述(唯一的)开关级3。按照图2，开关级3具有场效应晶体管5。在场效应晶体管5之前(在直流电压源2的方向上)连接缓冲电容6。从直流电压源2到场效应晶体管5之间的导线7具有电感8。然而电感8不是预先安排的电感，而是基于导线7作为这种已经给出的并且不可避免的寄生电感。此外，场效应晶体管5被内部集成地(也就是在场效应晶体管5内)反并联连接了续流二极管9。替换地或附加地可以给场效应晶体管5在外部反并联连接续流二极管9'。在图2中用虚线示出了外部的续流二极管9。作为唯一的开关级3的替换，可以存在多个开关级3。例如可以按照图3所示并联连接多个开关级3。在这种情况下在并联连接的开关级3和负载I之间布置了功率合成器10 (也参见图I)。功率合成器10例如可以被构造为通常90°混合或者180°混合。
如果多个开关级3并联连接，则可以由控制装置4同时控制这些开关级3。替换地，可以时间上错开地(特别是排成梯队地)控制这些开关级3。作为并联连接的替换，按照图4在多个开关级3的情况下双组的开关级可以串联连接(所谓的图腾柱安排(tote pole Anordnung))o在这种情况下,双组经由输出点11与负载I相连接。输出点11布置在双组的两个开关级3之间。此外，按照图4，存在一对缓冲电容6，所述电容(和开关级3类似)串联连接。在这两个缓冲电容6之间布置了另一个输出点11'，缓冲电容6的串联电路也经由所述另一个输出点与负载I相连。在图4的构造中，开关级3也分别具有场效应晶体管5，其各自被反并联连接了续流二极管9。在图4中(与图2类似)示出了内部的续流二极管9。与图2类似，可以存在外部的续流二极管9'作为内部续流二极管9的替换或者补充。在图4中用虚线示出外部的
续流二极管9。与图3类似，可以存在多个双组，其中这些双组彼此并联连接。该构造在附图中没有示出。在这种情况下(与图3类似)存在功率合成器，其被布置在输出点11、11'以及负载I之间。可以与图3类似地构造功率合成器。此外，与图3类似可以在这种情况下由控制装置4同时或者时间上错开地(特别是排成梯队地)控制双组。再次，作为串联电路的替换，按照图5两个开关级3可以组合成圆管(Circlotixm)类型的推挽放大器。图5示出了这样的推挽放大器的优选构造，其中通过(与图2不同物理上存在的)电感12来连接推挽放大器的开关级3。在图5的构造中也存在缓冲电容6，其位于开关级3之前。此外，在图5的结构中开关级3也具有场效应晶体管5，其被反并联连接了续流二极管9。续流二极管9按照图5被构造为内部的续流二极管。替换地或附加地可以存在外部的续流二极管9'。在图5中用虚线示出该外部的续流二极管9'。与图3类似，多个圆管类型的推挽放大器也例如可以像图5中所示那样彼此并联连接。在这种情况下又存在功率合成器，其被布置在推挽放大器和负载I之间。与图3的实施相类似，在这种情况下可以同时地或者时间上错开地(特别是排成梯队地)运行推挽放大器。
在图6中再次分离地(也就是没有相关缓冲器地)示出了单独的开关级3。下面图6的实施也适合于图I至图5中的每个开关级3。按照图6，每个场效应晶体管5具有临界频率fG。场效应晶体管5的临界频率fG是直至该频率场效应晶体管可以最大运行的频率。各个场效应晶体管5不能接通更高的频率。这样定义临界频率fG，即，在由控制装置4传输给场效应晶体管5的控制信号S是正弦形状的并且具有临界频率fG的情况下，与控制信号S的电平变化相对应的场效应晶体管5的输出信号的电平变化仅仅进行至63% (=l-l/e;e=欧拉数=2.718吣)。在这种情况下用100%表示在控制信号S发生低频但同样类型的改变的情况下所产生的相应的输出信号的变化。此外，每个二极管(这也适用于开关级3的续流二极管9、9')具有恢复时间T。所述恢复时间T是其(以二极管的导通状态为出发点)从对准导通方向的电压关断开始直到二极管9的PN结再次耗尽电荷，也就是说PN结被再次建立的时间。在现有技术中通常也将恢复时间T称作开关时间、截止延迟时间或者阻塞恢复时间。在英语中通常使用“reverserecovery time”的概念并且缩写为t 。 根据本发明，对于每个开关级3，这样互相调谐场效应晶体管5和续流二极管9(或9')，使得续流二极管9、9'的恢复时间T至少大约等于场效应晶体管5的临界频率fG的倒数。其(至少大约)成立关系式T = 1/fG 或者 fG T = I上述关系式对于所有与各自的场效应晶体管5反并联连接的续流二极管9、9'成立。少许偏离上述关系式是允许的。应当至少不向上(也就是在到达更大的恢复时间T的方向上)超过因子3，优选因子2。可以根据需要来选择实现上述关系式的方式。例如可以将场效应晶体管5按照图6构造为结型场效应晶体管(JFET)。除了别的之外，结型场效应晶体管包含所谓的MeSFET。结型场效应晶体管或者具有带有极短的恢复时间T的内部续流二极管9或者甚至不具有内部续流二极管。在第一种情况下可以根据本发明使用内部的续流二极管9。在第二种情况下必须使用足够快的外部续流二极管9'。优选使用碳化硅(SiC)或者氮化镓(GaN)作为场效应晶体管5和/或续流二极管9、9'的半导体材料。基于开关级3的上述结合图6所述的构造，控制装置4可以至少有时这样控制开关级3，使得功率由于失配被反射回至开关级3中。因为存在续流二极管9、9'，反射的功率被反馈到直流电压源侧(也就是朝着直流电压源2)。但是由于续流二极管9、9'的极短的恢复时间T，不存在续流二极管9、9'短路运行的危险，所述短路运行会带来能量供应装置的损坏。功率例如可以从负载I被反射回来。这样的功率反射的可能原因在于，在开关级3和负载I之间没有布置可以用于避免这样的功率反射的匹配电路。然而替换地可以存在这样的匹配电路。在这种情况下，特别在负载I的某些运行状态下仍然可以发生功率反射。替换地或附加地，可以在存在功率合成器的情况下(例如图3的功率合成器10)在那里反射功率。在此功率反射也可以具有相同的原因，也就是在某些运行状态下匹配电路的失效或者不完全作用。
特别是如果控制装置4经由开关级3将负载I脉冲地接通到直流电压源2上会发生这样的情况尽管存在匹配电路，功率被反射回至开关级3中。在图2中示意性地示出了脉冲的接通。然而明显地，脉冲的接通在图3、图4和图5的构造中、以及在多个双组的并联电路中和在多个圆管类型的推挽放大器的并联电路中也是可能的。可以根据需求构造直流电压源2。通常直流电压源2按照图I具有电网供电的整流器13。在整流器13和开关级3之间通常还布置多个缓冲电容14。在电网供电的整流器13之后连接的缓冲电容14可以与图2至图5的缓冲电容6是相同的。替换地也可以是附加的电容。同样可以根据需要来构造负载I。按照图1，负载I被构造为粒子加速器(特别是线性加速器)的空腔谐振器。本发明具有很多优点。特别地，可以以高的功率密度和高的总功率来生产能量供
应装置。
上述描述仅仅是本发明的阐述。应当仅通过所附的权利要求来确定本发明的保护范围。附图标记列表I负载2直流电压源3开关级4控制装置 5场效应晶体管6，14 缓冲电容7导线8，12 电感9，9' 续流二极管10功率合成器11，11'输出点13整流器fG临界频率S控制信号T恢复时间
权利要求
1.一种用于负载(I)的能量供应装置， -其中，所述能量供应装置具有直流电压源(2)、多个开关级(3)和控制装置(4)，-其中，所述开关级(3 )与所述直流电压源(2 )、所述负载(I)以及所述控制装置(4)相连接，从而基于通过该控制装置(4 )对所述开关级(3 )的相应控制可以将所述负载(I)接通到所述直流电压源(2)， -其中，所述开关级(3)分别具有场效应晶体管(5)以及多个与各自的场效应晶体管(5)反并联连接的续流二极管(9，9')， -其中，所述场效应晶体管(5)具有临界频率(fG)，直至该临界频率所述场效应晶体管可以被最大运行， -其中，每个续流二极管(9，9')具有恢复时间(T)， 其特征在于， -对于每个开关级(3)，所有与各自的场效应晶体管(5)反并联连接的续流二极管(9，9/ )的所述恢复时间(T)至少大约对应于各自的场效应晶体管(5)的临界频率(fG)的倒数，并且 -所述控制装置(4 )至少有时这样控制所述开关级(3 )，使得由于失配将功率反射到所述开关级(3)中。
2.根据权利要求I所述的能量供应装置，其特征在于，在所述开关级(3)和所述负载(1)之间没有布置用于避免失配的匹配电路。
3.根据权利要求I或2所述的能量供应装置，其特征在于，所述场效应晶体管(5)被构造为结型场效应晶体管。
4.根据权利要求I、2或3所述的能量供应装置，其特征在于，碳化硅或者氮化镓被用作所述场效应晶体管(5)和/或所述续流二极管(9，9')的半导体材料。
5.根据上述权利要求中任一项所述的能量供应装置，其特征在于，对于至少一个所述开关级(3)，关于各自的场效应晶体管(5)，与所述各自的场效应晶体管(5)反并联连接的续流二极管(9，9')中的一个被构造为布置在外部的续流二极管(9')。
6.根据上述权利要求中任一项所述的能量供应装置，其特征在于，对于至少一个所述开关级(3)，与各自的场效应晶体管(5)反并联连接的续流二极管(9，9')中的一个被集成在各自的场效应晶体管(5)中。
7.根据上述权利要求中任一项所述的能量供应装置，其特征在于，所述开关级(3)至少部分地并联连接并且在并联连接的开关级(3)和负载(I)之间布置了功率合成器(10)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的能量供应装置，其特征在于，所述开关级(3)至少部分地双组地被串联连接，并且所述双组经由布置在各个双组的两个开关级(3)之间的输出点(11)与负载(I)相连接。
9.根据上述权利要求中任一项所述的能量供应装置，其特征在于，所述开关级(3)至少部分地成对地被组合成圆管类型的推挽放大器。
10.根据上述权利要求中任一项所述的能量供应装置，其特征在于，所述控制装置(4)将所述负载(I)经由所述开关级(3)脉冲地接通到所述直流电压源(2)上。
11.根据上述权利要求中任一项所述的能量供应装置，其特征在于，所述直流电压源(2)具有电网供电的整流器(13)，并且在所述整流器(13)和所述开关级(3)之间布置了多个缓冲电容(14)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的能量供应装置，其特征在于，所述负载(I)被构造为粒子加速器的空腔谐振器。
全文摘要
本发明涉及一种用于负载(1)的能量供应装置，其具有直流电压源(2)、多个开关级(3)和控制装置(4)。开关级(3)与直流电压源(2)、负载(1)以及控制装置(4)相连接，从而基于通过控制装置(4)对开关级(3)的相应控制可以将负载(1)接通到直流电压源(2)上。所述开关级(3)分别具有场效应晶体管(5)以及多个与各自的场效应晶体管(5)反并联连接的续流二极管(9，9′)。所述场效应晶体管(5)具有临界频率(fG)，直至该临界频率该场效应晶体管最大可以被最大运行。对于每个开关级(3)，所有与各自的场效应晶体管(5)反并联连接的续流二极管(9，9′)的恢复时间(T)至少大约对应于各自的场效应晶体管(5)的临界频率(fG)的倒数。控制装置(4)至少有时这样控制开关级(3)，使得由于失配将功率反射到所述开关级(3)。
文档编号H03F3/217GK102763189SQ201180010453
公开日2012年10月31日 申请日期2011年1月31日 优先权日2010年2月22日
发明者O.希德 申请人:西门子公司