CN101015107A - 带有高效开关保护的电功率切换 - Google Patents

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CN101015107A CNA2005800214207A CN200580021420A CN101015107A CN 101015107 A CN101015107 A CN 101015107A CN A2005800214207 A CNA2005800214207 A CN A2005800214207A CN 200580021420 A CN200580021420 A CN 200580021420A CN 101015107 A CN101015107 A CN 101015107A
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Abstract

本发明的基本思路是引入功率切换***的开关(20)和功率输出端之间的传输延迟线(25)，使得负载(40)的任何火花都由传输线(25)的时间延迟对开关(20)隐藏。这就使得有可能检测负载火花并在开关实际上知晓已经有了负载故障火花之前主动地保护开关，典型情况下是通过使开关断开。作为替代，传输线的延迟足够长，使得在正常脉冲操作中负载故障电流到达开关之前开关已经断开。无论哪种方式，开关都是在正常电流下断开，将不会遭受破坏性的过流或过压条件。

Description

带有高效开关保护的电功率切换
技术领域
一般来说，本发明涉及电功率***，比如功率发生器、功率调制器等，更确切地说，涉及这样的***中功率切换和开关保护的问题。
背景技术
在几乎所有的工业领域中都能够发现电功率***，正常情况下它们涉及某种形式的功率切换设备，向预期的负载可控地传递电功率即电能。电功率切换用于范围广泛的应用中，比如机车牵引、汽车、传送带***、自动扶梯、电梯、空调设备、电气设备、微波***、医疗设备、激光驱动器和雷达应用。
常用功率***的具体实例是功率调制器，它可以被视为控制电功率流动的设备。当功率调制器设计为产生电脉冲时，它也被称为脉冲调制器或脉冲发生器。功率调制器以其最常见的形式，向专门的负载传递大功率电脉冲串。举例来说，在比如医疗放射性应用和雷达应用等应用中，大功率电脉冲用于向驱动电子加速器***和/或微波发生***中的微波放大管提供功率。世界上大多数大功率雷达设施使用调制器向微波源传递功率脉冲，它又以微波周期脉冲串的形式向天线结构馈送功率。当然也存在着许多其他应用。对所产生脉冲的品质要求可能很高。脉冲能量、脉冲宽度、上升时间、下降时间和脉冲平坦度是通常考虑的某些品质参数。
在二次世界大战后的几十年中，功率调制器的基本结构没有显著变化。传统的功率调制器包括功率源，它从AC电源线路接收电源，逐步提高电压，对电源进行整流以产生直流(DC)电源，并用于传递能量到蓄能器，蓄能器通常由高能电容器组形成。有必要这样做，因为输入电源线路无法传递正常情况下需要的峰值功率，所以蓄能器用于多次以一点点的能量传递峰值功率，再以低得多的平均功率以合理的不变速率由DC电源补充即充满。这个蓄能器中能量的一部分再传递到第二个更小的蓄能器，通常是所谓的脉冲形成网络(PFN)，一般基于几个互连的电感器和电容器。
PFN快速充电至例如20kV，然后由高压开关瞬间连接到脉冲变压器，向脉冲变压器传递一半的充电电压。典型情况下，高压开关为等离子体或离子化气体开关，比如氢闸流管，它只能被闭合而不能被断开。然而PFN需要以矩形脉冲的形式产生脉冲并向负载传递功率，所述矩形脉冲的上升和下降时间与脉冲宽度相比相对较快。PFN以行波的方式放电，电脉冲波从切换端向“开路”端行进，从这个开路端反射并向切换端返回，在其传播时从能量存储电容器提取能量，并将能量馈送到脉冲变压器中。当行波在两个方向都穿越了PFN结构并且从网络中已经提取了存储的全部能量时，脉冲就终止了。切换前的PFN电压为V，施加在脉冲变压器初级端的电压为V/2或略低。
如果PFN中的组件出现故障，就需要在更换了组件后再次优化PFN以获得最优脉冲波形。这是费力且危险的工作，因为必须在PFN施加了高压时进行。另外，如果需要不同的脉冲宽度，也需要更换和/或再次优化整个PFN结构。
PFN已经传递了脉冲后，必须为下一个脉冲完全充电至电压V。为了使脉冲间的可重复性误差保持在零点几个百分点，充电电压的这种大“摆动”必须以高精度出现。同时，对于每个脉冲每秒钟几百至几千次地对全部PFN电容器完全充电并完全放电，会使这些电容器中的绝缘材料产生严重的应变，这迫使将电容器设计为具有非常低的应力，从而具有非常低的能量密度。这使得PFN的结构相当大。
如果在负载处发生短路(例如磁控管经常发生的短路)，基于高压PFN开关比如闸流管或可控硅整流器开关的全部常规功率调制器都有一个问题。这些调制器无法在脉冲期间断开，可能会产生非常大的故障电流，常常既损坏调制器(尤其是开关)又损坏负载。因为在电流下降至零之前高压PFN开关无法断开，所以无法中断电流的流动。
对于感兴趣的读者，在从1940年代后期开始的M.I.T.RadiationlaboratorySeries on Radar：“Pulse Generators”，edited by Glasoe andLeBacqz，Wiley，N.Y.的第5卷中，可以找到常规脉冲发生器的一般信息。
美国专利5,905,646号涉及一种新颖的功率调制器概念，使用一个或多个在闭合与断开时都是电子可控的开关20，将功率源10与脉冲变压器30和/或负载40差不多直接连接，如图1中的示意展示。功率源10一般是基于一个或多个由DC电源充电的能量存储电容器。脉冲宽度由控制电路22电子控制，所述控制电路22触发开关闭合以开始脉冲，断开以终止脉冲。为了确保足够的脉冲平坦度，可以采用专用电路补偿电容器放电期间的电压下降。这种在发明者Lindholm、Crewson和Woodburn之后通常被称为LCW调制器的新颖的调制器类型提供了优于传统的基于PFN调制器的几个优点：
■不再需要PFN网络；
■可以获得更紧凑的结构；
■更小的杂散损耗；
■更长的预期寿命；
■脉冲宽度可以电子方式调整。不需要电路改变或重新调整。在极限状态下，在需要时脉冲宽度甚至可以逐个脉冲改变。
■传递到负载的电压与电容器电压相同，而不是基于PFN调制器电压的一半。这意味着可以使用开关的全部额定功率而不是半功率(全部电压和电流)。
图2是根据现有技术的示范LCW类型调制器的示意电路图。电源10基本上是对能量存储电容器充电的DC电源。电子通断可控开关20比如IGBT(绝缘栅双极晶体管)开关通过无源脉冲整平网络连接着电容器和升压脉冲变压器30的初级端。
虽然LCW调制器为调制器技术带来了显著进步，但是以上优点要付出代价。充电后电容器与负载之间简单且差不多的直接连接在发生负载故障比如短路时使开关遭受可能是破坏性的电流和电压。
某些现代的固态开关比如IGBT(绝缘栅双极晶体管)开关有内置的防短路保护。不过，中断大电流通常以不可预测的方式缩短了IGBT的寿命。虽然某些额定DC电流为1600安培的IGBT具有“10X”的短路电流，意味着它们应当能够在大约10毫秒内中断高达10倍的额定DC电流即16000安培，但是对开关而言这实际上是“寿命中仅仅一次”的事件，通常并不意味着可以重复发生。
因此，一般需要针对负载故障比如短路故障保护开关，以防止开关被毁坏和/或保持其寿命。
发明内容
本发明克服了现有技术方案的这些和其他缺点。
本发明的一般目的是能够针对负载故障等情况保护电源***的功率切换***中的开关。
具体地说，需要针对负载短路保护开关。
本发明的目的还有能够针对开路负载故障保护开关。
特定目的是保留基于电子通断可控开关的现代功率调制器电路的优点，同时消除破坏性负载故障电流和/或电压尖峰的问题。
具体目的是提供改进的电功率切换***。
另一个具体目的是提供改进的电源***。
由附带的专利权利要求书定义的本发明来实现这些和其他目的。
本发明的基本思路是在功率切换***的开关和功率输出端之间引入传输延迟线，使得负载的任何火花都对开关隐藏传输线的时间延迟。这就使得有可能检测负载火花并在开关实际上知道已经有了负载故障火花之前主动地保护开关，典型情况下是通过使开关断开。作为替代，传输线的延迟足够长，使得在正常脉冲操作中负载故障电流到达开关之前开关已经断开。无论哪种方式，开关都是在正常电流下断开，将不会遭受破坏性的过流或过压条件。
优选情况下，根据本发明的电功率切换***基本上包括功率输入端和功率输出端、将能量脉冲从功率输入端切换到功率输出端的开关以及连接在开关和功率输出端之间用于以某个延迟传送能量脉冲以能够保护开关免受负载故障电流的传输线。
为了能够减少延迟并因此减小传输线的物理尺寸，通过检测负载故障电流，并且在优选情况下，在过流到达开关之前立即使开关断开而主动地保护开关是非常有利的。
优选情况下，由开关的电子控制的闭合和断开实现切换，以便在开关闭合时开始脉冲，断开时终止脉冲。大多数电子通断可控开关，比如现代的固态开关都具有所谓的存储时间，所述存储时间对应于施加断开信号和开关响应以开始断开电流之间的时延。这种时延往往被称为开关的断开延迟。因此，除非产生了非常短的脉冲，优选情况下，传输线配置的延迟要大于开关的断开延迟，以便将有足够的时间将开关真正断开。
作为可选的安全措施，仅仅为了安全可靠，传输线的延迟典型情况下要大于开关断开延迟和电流下降时间之和，以便在故障消息到达开关之前能够彻底地“切断”电流。
为了避免干扰脉冲波形，优选情况下传输线的延迟要大于半个脉宽。这样由传输线引起的反射将永远不会出现在脉冲期间。
优选情况下，传输线是基于电感器电容器(LC)的传输线，它看起来很像传统的PFN网络，但是却具有完全不同的功能。传输线不像PFN那样用于存储脉冲能量，而仅仅是传输脉冲能量的延迟线，输出端的电压与输入端的电压差不多相同。PFN的输出电压仅仅是输入电压的一半，并且需要行波来提取电容器的能量。
作为附加的可选安全措施，可以在传输线的输入端上连接削峰二极管，与基于电感器电容器的传输线的电容器并联连接。
传输延迟线可以以其他方式实施，例如基于许多饱和铁心。
根据本发明的示范实施例，传输线事实上可以被设计为非均匀的传输线，以定制脉冲波形。例如，传输延迟线输出端上的阻抗可以不同于传输延迟线输入端上的阻抗，从而在延迟线之上实现阻抗渐变。如果传输延迟线输出端上的阻抗低于传输延迟线输入端上的阻抗，就有可能例如在基于电容器的功率源放电期间补偿电压下降，并且使脉冲平坦度维持在优于平均脉冲幅度的1％。举例来说，可以通过将具有渐变横截面的导电棒***延迟线的线圈内来实现阻抗的渐变。
典型情况下，传输线的阻抗要与功率切换***意图使用的负载匹配，以便脉冲能量能够进入负载，而不会反射回到脉冲发生模块。
在负载端不仅存在短路的问题，而且还可能存在开路负载故障的问题。为此，优选情况下，本发明的功率切换***包括电压箝位电路，比如金属氧化物压敏电阻，配备在传输线的输出端上以实现针对开路负载故障的保护。
本发明可应用于必须对开关进行抗负载故障电流保护的所有切换功率***。整体功率***，比如产生脉冲输出功率的功率调制器包括升压变压器，配备在传输线和功率输出端之间。变压器可以是例如美国专利5,905,646或者美国专利6,741,484对应的电路配置中的分离铁心变压器。
本发明提供以下优点：
■基于传输延迟的高效开关保护；
■大功率输出。与对应的没有基于延迟的开关保护的常规功率***相比，本发明的功率***能够传递的功率竟高达其四(4)倍！
■针对短路负载故障的保护；
■检测负载故障电流并主动断开开关，以减少延迟并因此减小传输线的物理尺寸；
■具有集成的电压下降补偿的传输延迟线；
■抗开路负载故障的保护。
当阅读下面本发明实施例的说明时将会理解本发明提供的其他优点。
附图说明
连同附图参考以下说明将最好地理解本发明与其进一步的目的和优点，其中：
图1是根据现有技术具有功率开关电子通断控制的电功率***的示意框图；
图2是根据现有技术的示范LCW类型调制器的示意电路图；
图3是示意框图，展示了根据本发明的基本示范实施例的功率***；
图4是示意信号图，展示了脉冲上相对长的时延；
图5是示意框图，展示了根据本发明的示范优选实施例的具有主动电流检测和通断的功率***；
图6是示意信号图，展示了相对短于图4延迟的时延；
图7是示意电路图，展示了根据本发明第一个优选实施例的基于LC传输线的示范功率切换***；
图8是示意信号图，展示了根据本发明具有电压下降补偿的延迟脉冲；
图9是示意电路图，展示了根据本发明第二个优选实施例的基于LC传输线的示范功率切换***；
图10是示意电路图，展示了根据本发明第三个优选实施例的基于LC传输线的示范功率切换***；
图11是示意电路图，展示了根据本发明示范实施例的功率调制器；
图12是示意电路图，展示了根据本发明另一个示范实施例的功率调制器；
图13是示意电路图，展示了根据本发明示范优选实施例的功率调制器；
图14是示意电路图，展示了根据本发明另一个示范优选实施例的功率调制器；
图15是示意图，展示了根据本发明的延迟线装配的示范实施。
具体实施方式
在全部附图中，对应或类似的元件将使用同样的附图标记。
从对基本的潜在问题进行简要分析开始也许是最有利的。如在背景技术部分中所提及的，与基于PFN的功率调制器***相比，LCW类型的功率调制器提供了许多优点。不过，这些优点要付出代价。充电后电容器与负载之间进行简单而直接的连接在负载变为短路的情况下使LCW类型调制器的开关遭受可能是破坏性的电流和电压。这种情况的确会出现，比如在许多微波调制器***中，因为负载(如速调管或磁控真空管)在脉冲期间不可预见时间可能打火并的确产生火花。本发明人已经认识到如果负载短路，唯一的求助就是尽可能快速地断开开关。但是固态开关具有非零断开延迟时间。例如对于IGBT开关，降低IGBT门电压和IGBT开始断开电流的响应之间的时间典型情况下是在0.1和2毫秒之间的范围，如果调制器必须产生亚微秒的脉冲上升时间，其内部电感将非常低，足以使负载(和开关)电流可能在这种延时期间上升至正常脉冲电流的许多倍。
当开关最后中断这种大电流时，电路的内部电感阻止这种改变，导致电压尖峰出现在开关两侧。这是一种双重的威胁，如果大电流没有损坏开关，电压尖峰也可能损坏它。
本发明的基本思想是在功率切换***的开关和功率输出端之间引入传输延迟线，以便为开关屏蔽负载故障的过流传输线的时间延迟，如图3所示。除在开关20和(可选的)变压器30或者实际负载40之间适当地配置的延迟线25之外，图3的功率***类似于图1的功率***。图3的功率切换***基本上包括连接到电功率源10的功率输入端和连接到变压器30(如果使用了变压器)或负载40的功率输出端。从功率切换方面来看，变压器(可选的)可以视为负载的一部分；这仅仅是逻辑定义的问题。功率切换***进一步具有将能量脉冲从功率输入端切换到功率输出端的开关20，以及连接在开关和功率输出端之间的传输线25，以便传输能量脉冲时带有延迟，使开关能够防护可能的负载故障电流。这种开关防护原理通常可应用于所有的功率切换***，但是对通断可控开关尤其有用，比如IGBT、MCT、GTO、ICT、MosFet以及其他现代固态开关，它们与适当的触发器或控制电路22一起使用。
以这种方式，功率开关20将不必中断高于其额定值的电流，并且断开时的“返回尖峰”电压也被大为降低。这将赋予我们能够承受反复性负载火花的能力，例如在磁控调制器中。
传输线例如可以被配置为具有的延迟长到足以使在负载故障电流到达开关之前，在正常脉冲操作中已经断开了开关，如图4所示。由虚线标明的脉冲是开关看到的脉冲，而实线标明的脉冲是在功率输出端负载看到的延迟脉冲。
因此，本发明提供了时间延迟，为开关屏蔽了负载短路导致的过流。利用根据本发明的电路，开关能够工作达到其电压和电流满额定值，因此它被最高效地使用。对于基于PFN的电路，开关仅仅向负载传递运行(充电)电压的一半，并且因为它会遭受负载短路的后果，由于负载短路时开关电流将加倍，因此开关必须在额定电流的仅仅一半工作。总之，与对应的没有基于延迟的开关保护的常规功率***相比，使用本发明保护原理的功率***能够传递的功率竟高达其四(4)倍！。在这方面，优选情况下，根据本发明的传输线实质上是电压透明的，尽管某些电压调制可以集成到传输线内，以补偿基于电容器的功率源的电压下降，正如后面的解释。
在图5中示意性展示的本发明优选实施例中，功率切换***还配备了电流检测器27，它检测故障电流并在检测到过流时向开关触发断开信号。以这种方式，也有可能主动地检测负载故障电流并在实际知道已经存在着负载故障之前，主动地将开关断开。因此该开关将在正常的电流流动下断开(开路)，将不承受破坏性的过流或过压的条件。也可以有其他响应检测到的故障电流保护开关的方式，包括使正常运行期间正常情况下总是闭合着的附加开关断开(开路)。
优选情况下，电流检测器27安装在延迟线的输出端。可以使用现有技术已知的任何适当的电流检测器。如基于简单线圈和分流电阻器的电流检测器。优选情况下，电流检测器与简单比较器电路(未显示)相关联，它对检测器的输出信号操作。比较器可以被配置为当输出信号超过高于正常电流的某个值，比如说正常电流的1.5倍时它便跳起。那么如果负载发生故障，电流加倍，这就会使比较器跳起。举例来说，如果使用IGBT开关，那么来自比较器的输出电压则可以用于闭合位于IGBT栅极处的金属氧化物半导体场效应晶体管(Mosfet)，从IGBT去除栅极电压。本操作可以被锁定，所以它需要复位信号重新启动脉冲，或者至少展宽断开信号，使之激活状态长于故障瞬态在延迟线中存在的旅程，并且对于这个间隔使IGBT保持断开状态，然后才允许另一个栅极脉冲出现。整个***可以浮动，但是如果***接地，优选情况下电流检测器应当在热线上布置。
使用电流检测器和主动地断开开关也意味着与图3的基本实施例相比，能够使所需要的延迟最小化。这就意味着能够实现更紧凑的结构，因为传输线的物理尺寸也能够最小化，这自然是一种巨大优势。在这方面，重要的是考虑需要多少延迟。通常情况下，延迟必须大于开关的断开延迟，除非要产生非常短的脉冲(如果断开延迟是几微秒，却要产生亚微秒的脉冲，则延迟足够大于亚微秒的脉冲宽度)。作为可选的安全措施，仅仅为了安全可靠，传输线的延迟典型情况下大于开关断开延迟和电流下降时间之和，以便在故障消息到达开关之前能够彻底“切断”电流。为了避免干扰脉冲波形，优选情况下传输线具有的延迟大于脉冲宽度的一半。这样由传输线引起的反射将不会出现在脉冲期间。
举例来说，考虑具有比如说2微秒断开延时(降低IGBT栅极电压与IGBT开始断开电流的响应之间的时间)的IGBT开关，延迟后电流的下降时间是比如说0.5微秒，则可能希望提供至少2微秒的延迟时间，或者优选情况下提供至少2.5微秒的延迟时间，以便在故障消息到达IGBT之前能够彻底“切断”电流。如果做到了这一点，电压“返回尖峰”应当如同IGBT正在遇到常规的电阻性负载一样。被切断的电流不大于正常情况，断开的电压也是正常的。
在每个脉冲模块与其脉冲变压器初级连接之间***2.5μs的延迟线实际上将脉冲模块与负载“分离”了5μs。换句话说，先要经过5μs或在延迟线中的完整来回旅程，该模块才能“见到”负载。这能够简化调制器的调谐，并使之对负载阻抗较不敏感，尤其是延迟线长度至少是我们需要的调制器最大脉宽的一半时。如果我们需要10μs的最大脉冲，延迟线的“长度”应当至少是5μs，以得到这种“分离”效果。如果做到了这一点，则能够在工作平台上以应用于延迟线的假负载“调谐”调制器脉冲顶部的平坦度和过冲，该假负载表示脉冲变压器的杂散电感和电容以及反射的负载电阻，然后在满功率测试和/或运转之前我们能够确信，负载上将产生正确的脉冲波形。
图7是示意电路图，展示了根据本发明第一个优选实施例的基于LC传输线的示范功率切换***。优选情况下，延迟线是无源传输延迟线，比如基于电感器电容器(LC)的传输线。基于LC的传输延迟线看起来很像传统的PFN网络，但是却具有完全不同的功能。该传输线不像PFN那样用于存储脉冲能量，而仅仅是传输脉冲的延迟线，该延迟线输出端的电压与输入端的电压大约相同。PFN输出电压仅仅是输入电压的一半，并且需要行波来提取电容器能量。在这方面，本发明的传输延迟线是非PFN电路。
在示范实施例中，RIFA 0.68μF 1600伏的电容器在1000安培、1000伏特，振荡频率为400kHz情况下进行了测试，并且确定这些器件的确坚固，足以充当延迟线电容器。这些电容器的巨大优点在于它们都是质量非常高的器件，并且也相当便宜。在脉冲变压器的油箱中可能有延迟线装配所需要的空间，在该空间中适合的冷却液比如油剂能够相当高效地冷却这些组件。只要整个功率调制器被“调谐”并在运行，通常没有必要调整延迟线。
正常情况下，传输延迟线具有两个输出端子连接负载端，用于防护来自负载短路的过流。后面将讨论其他的等效配置。
典型情况下，传输线的阻抗要与功率切换***意图使用的负载匹配，以便脉冲能量能够进入负载，而不会反射回到脉冲发生模块。
虽然正常情况下延迟线传输脉冲时传输线输出端上的电压与输入端上的电压大约相同，但是事实上传输线可以设计为某种非均匀的传输线，以定制脉冲波形。例如，传输延迟线输出端上的阻抗可以不同于传输延迟线输入端上的阻抗，从而在延迟线之上实现阻抗渐变。如果传输延迟线输出端上的阻抗低于传输延迟线输入端上的阻抗，就有可能例如在基于电容器的功率源放电期间补偿电压下降，并且使脉冲平坦度维持在优于平均脉冲幅度的1％，如图8中的示意展示。举例来说，实现阻抗的渐变可以通过将具有渐变横截面的导电棒***延迟线的线圈内。
图9是示意电路图，展示了根据本发明第二个优选实施例的基于LC传输线的示范功率切换***。在图9的功率切换***中，配备了削峰二极管，连接在传输线的输入端上，与基于电感器电容器的传输线的电容器并联，作为可选的安全措施。因此削峰二极管布置在延迟线的起点处。这种二极管能够给出某些优点。由于该二极管与是延迟线一部分的电容器并联，所以反向电压和电流不能立即施加在这个二极管上，能够允许它的闭合(和断开)慢于IGBT开关处使用的快速二极管，以限制集电极上的断开电压尖峰。这种削峰二极管能够与小电阻(未显示)串联地放置，以衰减脉冲之后在延迟线中出现的任何振荡，作为线端的限幅器。
图10是示意电路图，展示了根据本发明第三个优选实施例的基于LC传输线的示范功率切换***。在负载端不仅存在短路的问题，也可能存在开路负载故障的问题。为此，优选情况下，图10所示的功率切换***包括可选的电压箝位电路，比如金属氧化物压敏电阻器，与延迟线并联地配备在传输线的输出端上，以实现防护开路负载故障。以这种方式，如果未给出负载，电压箝位限制电压的上升，从而防止了延迟线输出(和输入)处电压的加倍。某些技术一流的开关具有为此目的而内置的二极管保护，因此不需要电压箝位。在图10中也显示了组合的电流检测器和比较器，如果检测出负载故障电流，便向开关触发OFF命令信号。如果***接地，电流检测器必须布置在整个电路的热线端。
如上所述，根据本发明的功率切换***具有看起来很像传统PFN网络的传输线，但是实际上在整个电路中的功能和连接却完全不同。
在下面将与许多现有技术文档对比而介绍本发明：
美国专利3,273,075号涉及常规的PFN类型调制器，由与饱和电抗器串联的大型晶体管进行切换。该晶体管被触发时，RC网络放电到脉冲变压器的初级，向磁控管负载给出预热脉冲，使之准备接受来自PFN的大功率脉冲。在本文档中有权利要求说明这是防止磁控管以错误震荡模式启动的一种好方法。根据本文档，当饱和电抗器开关闭合时，晶体管直接连接到PFN的热端，而PFN的接地端连接到脉冲变压器的初级。因此，在晶体管和脉冲变压器负载之间将没有时间延迟。来自磁控管的负载火花将可能立即传送至晶体管，导致晶体管电流瞬间加倍。
根据我们发明的电路，延迟线***在开关和脉冲变压器初级之间，所以负载的任何火花都对开关隐藏延迟线的时间延迟。例如这样给出的时间足以检测负载火花，并且在开关实际知道存在火花之前断开它。
在美国专利3,273,075号中，先使第一RC网络已经有时间使磁控管准备好，再闭合饱和电抗器的开关，但是只要这个电抗器开关闭合并对磁控管施加PFN脉冲，在负载(磁控管)和晶体管开关之间就没有时间延迟。与根据本发明的电路不同，任何负载短路都将导致晶体管开关电流立即上升。
在美国专利3,737,679号介绍的方法中，使用SCR(晶闸管)开关使PFN向脉冲变压器初级放电。在SCR开关中，大问题在于它们对dI/dt的高值处理得不很好，并且在闭合dI/dt大于每毫秒几百安培时可能被损坏。所以增加了额外的小型PFN，向SCR传送预脉冲电流，并且在SCR和主PFN之间也增加了饱和心电抗器开关，使主PFN放电的开始延迟到SCR被电流预热并准备好PFN的大脉冲为止。一旦主PFN脉冲开始，在负载与SCR之间就没有时间延迟，所以任何负载故障(短路)都会导致SCR电流的立刻上升。无论如何，SCR类型的开关无法以电子方式断开。
相反，根据我们发明的电路提供了开关和负载之间的时间延迟，使之有可能检测故障并在开关感觉到负载故障出现之前安全地断开开关。
美国专利4,160,214号介绍了常规的PFN类型调制器，其中PFN被划分为许多并联的模块，每个模块都由SCR开关切换。脉冲变压器由并联到初级端的全部PFN模块驱动。因而触发这些开关通过基本PFN单元的放电而提供了由预定长度基本脉冲组成的最终信号。PFN单元的延迟简单定义了从PFN提取能量的时间周期，从而确定了各个基本脉冲的脉冲长度。因此PFN延迟仅仅是规定脉冲的部分，根本不涉及所产生脉冲自身的任何延迟。充电***是具有串联SCR开关的常规谐振充电器。
开关和负载之间再一次不存在保护时间延迟，负载故障可立即被开关看到。同样，美国专利4,160,214号中的开关属于SCR类型，无法以电子方式断开，所以脉冲宽度被调制器PFN单元的延迟固定而不能改变。还能够注意到美国专利4,160,214号中的电路不在电容器中存储脉冲能量，而是在PFN***中存储脉冲能量。因此它们将没有能力通过断开开关而以电子方式控制脉冲宽度。
美国专利4,614,878号公开了基于不是在电容器中而是在PFN结构中存储脉冲能量的脉冲发生器，由并联的若干MosFet切换它。该脉冲发生器通常适宜于亚微秒的脉冲，如果人们试图用它产生5μs或10μs的脉冲，它可能会大得不切实际，因为它使用传输线类型的脉冲倒相器和脉冲变压器结构，而不是集总元件类型的脉冲变压器。PFN脉冲被馈送给倒相变压器，从而将其从负向脉冲变成正向脉冲，并且在这之后由同轴线类型的变压器变换，为负载产生更高的电压。没有提及开关保护的问题。
下面将在功率调制器的具体环境中介绍基于延迟线的功率切换子***的许多示范实施例。
图11是示意电路图，展示了根据本发明示范实施例的功率调制器。电功率源10基于常规的DC电源，它为能量存储电容器充电。该功率调制器配备了功率开关20，比如IGBT开关，用于经过脉冲整平电路比如无源LR网络切换电容器能量，以及连接到升压脉冲变压器30的传输延迟线25。除了主IGBT的削峰二极管外，优选情况下在传输线的输入端上连接着削峰二极管，与基于电感器电容器的传输线的电容器并联连接。这将为主IGBT的削峰二极管串去除某些应力，因为该串将不必应付来自变压器电感的全部剩余电流。这种二极管可以例如是相对“慢”的二极管，如HF160(1600伏，75安培)螺栓式贴装类型的二极管。优选情况下，延迟线25被配置为其延迟大于功率开关20的断开延迟，以能够检测来自负载短路的故障电流，使开关在过流到达之前能够断开。为了避免脉冲期间的反射，典型情况下该延迟大于脉冲宽度的一半。
在这个具体实例中，使用了附加的整平电路。不过，这种功能可以内置在延迟线中，那么它将有双重功能：i)为保护开关目的而延迟能量脉冲，ii)利用由到功率开关的通断触发器信号给出的预定脉冲长度定制脉冲的脉冲波形。因此由延迟线定制的脉冲波形通常确实不影响脉冲长度，但是可以用于例如补偿电容器放电期间的电压下降。
转向具体实例，假设(对7.5μs宽的脉冲)建立了具有4μs延迟时间的延迟线，用于12模块的调制器。如果期望的调制器负载是170kV，120安培，则负载阻抗是1417欧姆。如果脉冲变压器具有170kV/1200V＝142的线匝比(例如，分离铁心、半线匝初级，71线匝次级)，则反射到初级的负载将好象是1417/142^2＝0.07欧姆。12个“独立”模块中的每一个都必须驱动0.07×12＝0.84欧姆的负载。最大脉冲宽度(FWHM)是7.5μs，所以8μs的延迟线往返旅程时间将充分地使模块与负载隔离，使模块的调谐不依赖运行点。重要的是注意到无论负载阻抗如何，都将不必改变脉冲整平或“调谐”元件。
为了对本发明有更亲身的感觉，将概述具有0.84欧姆阻抗和4μs长度(单程时间)的示范延迟线的某些基本设计计算。
针对基于LC传输线的某些基本公式：
Z = L C
T = N LC - - - ( 1 )
式中L是每个线路段的电感，C是每个线路段的电容，T是该传输线端到端的单程延迟时间(N是该传输线中LC线路段的数目)。除了这些熟知的公式外，关于延迟线的上升时间如何与延迟时间相关，还有另一个非常有用的公式：
t r = T d N 0.735 ; N = [ T d t r ] 1.36 - - - ( 2 )
这里，tr是通常的百分之10到90的上升时间，Td是延迟时间，N是延迟线中线路段的数目。这是重要的公式(从许多实际延迟线的测量中导出)，并且应当是设计延迟线时首先使用的公式。我们希望延迟线的表现像同轴电缆，正常情况下不改变脉冲波形，或者至少不改变脉冲长度，为了使这种情况发生，延迟线的上升时间必须快于整个调制器的上升时间，所以延迟线对脉冲长度的影响非常小。选择延迟线的上升时间为调制器上升时间的1/2在这个方向上是个好的开端。显然，我们无法制造具有零上升时间的延迟线(像同轴电缆)，因为这需要数目无限多的线路段(同样，像非常长的电缆)。但是如果延迟线具有1/2的***上升时间，它将仅仅在百分之十的水平影响***上升时间，因为众所周知，如果具有给定上升时间(t)的脉冲通过具有上升时间为tr的传输***(放大器、变压器或延迟线)发送，输出脉冲具有的上升时间由下式给出：
t out = t 2 + t r 2 - - - ( 3 )
所以如果延迟线具有脉冲上升时间的一半，输出脉冲具有的上升时间是输入脉冲上升时间的1.11倍。如果我们希望得到0.75μs的输出上升时间，则输入(模块)上升时间必须为0.68μs(或更短)。根据实际调制器的性能测量结果，这是合理的。所以我们要求延迟线的上升时间为这个值的一半，即0.34μs。我们希望得到4μs的延迟，从公式(2)得出结论：在这条延迟线中需要29个线路段。
组合(1)中的两个等式给出：
ZT＝NL    (4)
假设Z(0.84欧姆)，T(4μs)和N(29)，则给出每个线路段的电感为L＝0.116μH，导致C＝0.164μF。
我们能够得到的最接近的标准RIFA电容器值是0.15F(1600V)，所以我们使用这个值。每个线路段的电感变为0.138μH。对于29个线路段的延迟线，总的电感是29×0.116＝3.36μH。
作为实例，我们能够使延迟线为Guillemin E类型，这是第二次世界大战以来几乎所有雷达PFN的“标准”配置。这是具有分接头的直线单线圈(螺旋线)，电容器也以直线布置。以微亨为单位长直螺旋线的电感由下式近似给出：
L = n 2 r 2 9 r + 10 l - - - ( 5 )
这里，n是螺旋线中的圈数，r是以英寸为单位螺旋线的平均半径，l是以英寸为单位螺旋线的总长度。电容器将以双线形式排列，一条线含有14个电容器，另一条有15个电容器，缩短模块的长度而扩大宽度以优化其体积。这些电容器(如RIFA 150nF@1600V，类型PHE 450)中的每个都将装配在0.5英寸厚，1.25英寸宽以及7/8英寸高的盒子内。所以两条电容器线中较长的将为0.5×15＝7.5英寸长。由于两条电容器线彼此之间将按1/4英寸交错排列，所以线圈“分接头”将相隔1/4英寸放置。图15是示范装配的示意图。允许螺旋线的端部线路段为1/4英寸长，螺旋线圈的总长度将为8英寸。
通过对等式(5)进行某些数字的尝试，0.275英寸的平均螺旋线半径给出60.5圈，为易于计算认为它是60圈。这是以0.5英寸直径圆棒为心轴缠绕0.050英寸直径金属丝的线圈。对于N个电容器，这个线圈有N-1个中间线路段(两个电容器之间的线路段)，加上两个端部线路段，因此将线圈分为N+1个相等的部分。所以如果N＝29，线圈分为30个部分，每个部分大约2圈。
图12是示意电路图，展示了根据本发明另一个示范实施例的功率调制器。在这个实例中，除去了图11所示的分开的脉冲整平电路，而将整平功能集成到延迟线25内。为此目的，延迟线可以被配置为传输延迟线输出端的阻抗低于传输延迟线输入端的阻抗，以便在能量存储电容器放电期间补偿电压下降。通过将具有渐变横截面的导电棒***延迟线的线圈内可以实现这种阻抗的渐变。在这个实例中，调制器只有单一的削峰二极管。
图13是示意电路图，展示了根据本发明示范优选实施例的功率调制器。与图12的功率调制器相比，开关和电容器在电路布局中已经交换了位置。这是本发明当前最优选的实施例。
图14是示意电路图，展示了根据本发明另一个示范优选实施例的功率调制器。与图13的电路相比，这是等效的电路，不是像图13中那样使延迟线的两个输出端子连接到脉冲变压器，而是使变压器直接接地，并使延迟线的热端子连接到脉冲变压器的热端子。延迟线也接地。
本发明也可应用于具有与脉冲变压器相连并基于多个开关的脉冲发生模块的功率调制器和功率***，使用一条或多条传输延迟线保护开关。例如，变压器可以是例如对应于美国专利5,905,646号(也以国际公开号WO98/28845A1公开的国际PCT申请PCT/SE97/02139)的电路配置中的分离铁心变压器，该变压器例如使用几个独立的脉冲发生模块，其能量存储电容器电气分离，以确保在初级线圈和脉冲开关中流动相等的电流，也可以是根据美国专利6,741,484号(也以国际公开号WO03/061125A1公开的国际PCT申请PCT/SE02/02398)的电路配置中的分离铁心变压器，该变压器使用几个脉冲发生模块，其中每个都驱动所有的磁性铁心。例如有可能在每个脉冲开关和初级连接点之间提供延迟电路，以便能够检测负载短路并在过流毁坏对应的开关之前将其断开。
事实上，本发明的故障保护思想可应用于所有具有非零断开延迟时间的开关，不仅仅是诸如IGBT之类的固态开关。它也可应用于任何功率切换用途中固态开关的所有应用，包括机车牵引、汽车、传送带***、自动扶梯、电梯、空调设备、电气设备，而不仅仅是功率调制器。因而，它是一种深远的和用途非常广泛的概念。
以上介绍的实施例仅仅是作为实例给出，应当理解，本发明不限于它们。保持本文所公开和本文权利要求的基本原理的进一步修改、变化和改进在本发明的范围之内。

Claims (41)

1.一种电功率切换***，包括：
功率输入端和功率输出端；
将能量脉冲从所述功率输入端切换到所述功率输出端的开关；以及
连接在所述开关和所述功率输出端之间的传输线，用于以某个延迟传送所述能量脉冲以能够保护所述开关免受负载故障电流。
2.根据权利要求1的功率切换***，进一步包括：
检测所述负载故障电流的检测器；以及
响应检测出的负载故障电流而主动保护所述开关的装置。
3.根据权利要求1的功率切换***，其中，主动保护所述开关的所述装置可操作用于响应检测出的负载故障电流而主动断开所述开关。
4.根据权利要求1至3中任何一条的功率切换***，其中，所述开关电子可控地闭合与断开以切换所述能量脉冲，而且所述传输线被配置为其延迟大于所述开关的断开延迟。
5.根据权利要求4的功率切换***，其中，所述延迟大于所述开关断开延迟与所述电流下降时间之和。
6.根据权利要求4的功率切换***，其中，所述延迟大于所述脉冲宽度的一半。
7.根据权利要求4的功率切换***，进一步包括以电子方式控制所述开关闭合以开始所述能量脉冲和断开以终止所述能量脉冲的装置。
8.根据权利要求4的功率切换***，其中，所述开关是固态开关。
9.根据权利要求1的功率切换***，其中，所述传输线是基于电感器电容器(LC)的传输线。
10.根据权利要求9的功率切换***，其中，所述传输线是Guillemin E型LC网络。
11.根据权利要求9的功率切换***，进一步包括削峰二极管，在所述传输线的输入端上与所述基于电感器电容器的传输线的电容器并联连接。
12.根据权利要求1的功率切换***，其中，所述传输线是定制所述脉冲波形的非均匀的传输线。
13.根据权利要求12的功率切换***，其中，所述传输延迟线输出端的阻抗不同于所述传输延迟线输入端的阻抗，从而在延迟线之上实现阻抗渐变。
14.根据权利要求13的功率切换***，其中，所述传输延迟线输出端的阻抗低于所述传输延迟线输入端的阻抗，在基于电容器的功率源放电期间补偿电压下降。
15.根据权利要求13或14的功率切换***，其中，实现所述渐变是通过将导电棒***所述延迟线的线圈内，所述导电棒具有渐变的横截面。
16.根据权利要求1的功率切换***，其中，所述传输线的阻抗与所述功率切换***意图使用的负载匹配。
17.根据权利要求1的功率切换***，进一步包括电压箝位电路，配备在所述传输线的输出端上，以实现对开路负载故障的保护。
18.根据权利要求1的功率切换***，其中，所述传输线具有两个输出端子，以在所述负载端上连接。
19.根据权利要求18的功率切换***，其中，所述输出端子之一接地，而另一个热输出端子用于连接到所述负载端上的热端子。
20.一种电功率***，包括：
功率源；
将能量脉冲从所述功率源切换到功率输出端的开关；以及
连接在所述开关和所述功率输出端之间的传输线，用于以某个延迟传送所述能量脉冲以能够保护所述开关免受负载故障电流。
21.根据权利要求20的电功率***，进一步包括：
检测所述负载故障电流的检测器；以及
响应检测出的负载故障电流而主动保护所述开关的装置。
22.根据权利要求21的电功率***，其中，主动保护所述开关的所述装置可操作用于响应检测出的负载故障电流而主动断开所述开关。
23.根据权利要求20至22中任何一条的电功率***，其中，所述开关电子可控地闭合与断开以切换所述能量脉冲，而且所述传输线被配置为其延迟大于所述开关的断开延迟。
24.根据权利要求23的电功率***，其中，所述延迟大于所述开关断开延迟与所述电流下降时间之和。
25.根据权利要求23的电功率***，其中，所述延迟大于所述脉冲宽度的一半。
26.根据权利要求23的电功率***，进一步包括以电子方式控制所述开关闭合以开始所述能量脉冲和断开以终止所述能量脉冲的装置。
27.根据权利要求23的电功率***，其中，所述开关是固态开关。
28.根据权利要求20的电功率***，其中，所述传输线是基于电感器电容器(LC)的传输线。
29.根据权利要求28的电功率***，其中，所述传输线是Guillemin E型LC网络。
30.根据权利要求28的电功率***，进一步包括削峰二极管，在所述传输线的输入端上与所述基于电感器电容器的传输线的电容器并联连接。
31.根据权利要求20的电功率***，其中，所述传输线是定制所述脉冲波形的非均匀的传输线。
32.根据权利要求31的电功率***，其中，所述传输延迟线输出端的阻抗不同于所述传输延迟线输入端的阻抗，从而在延迟线之上实现阻抗渐变。
33.根据权利要求32的电功率***，其中，所述功率源是基于电容器的功率源，而且所述传输延迟线输出端的阻抗低于所述传输延迟线输入端的阻抗，以在所述基于电容器的功率源放电期间补偿电压下降。
34.根据权利要求32或33的电功率***，其中，实现所述渐变是通过将导电棒***所述延迟线线圈内，所述导电棒具有渐变的横截面。
35.根据权利要求20的电功率***，其中，所述传输线的阻抗与所述负载匹配。
36.根据权利要求20的电功率***，进一步包括电压箝位电路，配备在所述传输线的输出端上，以实现对开路负载故障的保护。
37.根据权利要求20的电功率***，其中，所述传输线具有两个输出端子，以在所述负载端上连接。
38.根据权利要求37的电功率***，其中，所述输出端子之一接地，而另一个热输出端子用于连接脉冲变压器的热端子。
39.根据权利要求20的电功率***，进一步包括配备在所述传输线和所述负载端之间的升压变压器。
40.根据权利要求39的电功率***，其中，所述变压器是分离铁心变压器。
41.根据权利要求20的电功率***，其中，所述功率***是产生脉冲输出功率的功率调制器。
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