变压器谐振转换器制造技术

一些实施例可包括纳秒脉冲器，该纳秒脉冲器包括：多个固态开关；变压器，具有杂散电感L

Transformer resonant converter

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】变压器谐振转换器
技术介绍
产生具有快速上升时间的高压脉冲具有挑战性。例如，为了实现高压脉冲(例如，大于约10kV)的快速上升时间(例如，小于约50ns)，脉冲上升的斜率必须非常陡峭。这种陡峭的上升时间很难产生。这对于以紧凑的方式使用标准电气元件来说尤其困难。另外难以产生具有可变脉冲宽度和/或可变高脉冲重复率且具有快速上升时间的这种高压脉冲。
技术实现思路
公开了一种用于使用开关电压源和变压器产生高压、高频脉冲的系统和方法，该变压器包括谐振转换器、例如串联谐振转换器。一些实施例可以包括谐振转换器，该谐振转换器包括DC输入；多个固态开关(其对于我们来说可以包括SPA、基于全桥拓扑的开关功率放大器)；变压器，具有杂散电感Ls、杂散电容Cs以及初级与次级匝数比n；总串联电阻R，由杂散串联电路电阻Rs和任意附加串联电阻Ra组成，该附加串联电阻Ra有意地加入以控制Q；二极管整流器，位于变压器的次级侧；以及输出波形滤波器。在一些实施例中，谐振电路具有Q因子，该Q因子根据获得；并且谐振转换器基于以下公式、根据输入电压Vin产生输出电压Vout：Vout＝QnVin.。在一些实施例中，从变压器的初级侧测量杂散电感，并且从次级侧测量杂散电容。在一些实施例中，可以包括额外的电容Ca和/或电感La，以产生期望的谐振频率和/或改变电路Q。一些实施例可以包括谐振转换器电路，该谐振转换器电路具有：变压器，该变压器具有杂散电感Ls以及杂散电容Cs；以及与变压器串联的杂散电阻，其具有电阻Rs。在一些实施例中，谐振电路根据以下公式产生Q因子，其中R是串联杂散电阻Rs和任何额外添加的电阻Ra以及等效串联负载电阻RL之和，C是杂散电容Cs和任何添加的电容Ca以及任何其他杂散电容Cso之和，L是杂散串联电感Ls和任何额外添加的电感La和任何其他杂散串联电感Lso之和。在一些实施例中，输出可具有大于5kV、15kV和/或50kV的电压。在一些实施例中，谐振转换器可以以大于约25kHz或100kHz的频率操作。在一些实施例中，峰值输出功率与平均输出功率之间的比率大于10倍。在一些实施例中，杂散电感Ls包括总电路电感的50％以上。在一些实施例中，输出脉冲具有上升时间，且电压转换速率大于109V/s。在一些实施例中，谐振转换器包括与其输入在电流方面隔离的输出(例如，浮动输出)。在一些实施例中，可以在脉冲持续期间以小于10μs的时间尺度调整脉冲输出电压，以使其调整到新的电压输出电平。在一些实施例中，杂散电容Cs包括总电路谐振电容的50％以上。在一些实施例中，峰值输出功率大于5kW或大于50kW。提及本文件中描述的实施例(无论是在此部分还是在其他地方)不意在限制或限定本公开，而是提供示例以帮助理解本公开。在具体实施方式部分讨论了另外的实施例，并且提供了进一步的描述。通过查看本说明书或通过实践所呈现的一个或多个实施例，可以进一步理解由各种实施例中的一个或多个提供的优点。附图说明图1是根据一些实施例的示例变压器谐振转换器。图2是根据一些实施例的与开关电路和负载耦接的示例变压器谐振转换器的电路图。图3是示例谐振转换器的照片。图4是从根据一些实施例的变压器谐振转换器创建的示例波形。图5是从根据一些实施例的变压器谐振转换器创建的示例波形。图6是根据一些实施例的串联谐振电路的理想示例。图7是根据一些实施例的示例变压器谐振转换器的电路图。具体实施方式公开了一种使用开关电压源和变压器来产生高压、高频脉冲的系统和方法，所述开关电压源和变压器与其他部件一起布置成串联谐振转换器或变压器谐振转换器。例如，开关电压源可以包括全桥或半桥拓扑。例如，开关电压源可以包括全桥或半桥开关拓扑。作为另一个例子，开关电压源可以具有附加的输出滤波器元件。例如，开关电压源可以包括全桥拓扑或半桥拓扑。在一些实施例中，开关电压源可以包括开关功率放大器。例如，变压器谐振转换器可以不包括任何物理电容器和/或电感器。相反，在一些实施例中，变压器谐振转换器可以包括与至少变压器的杂散电容和/或杂散电感串联的电阻器。其他电路元件的杂散电感Lso和/或杂散电容Cso也可以用作谐振转换器的一部分。在一些实施例中，总杂散电感和/或杂散电容可以是小的。例如，在变压器的初级侧测得的杂散电感可小于约3000nH、300nH、30nH、3nH等。作为另一个例子，在变压器的次级侧上测得的杂散电容可以小于约300pF或小于约30pF。可以结合杂散电容和杂散电感(例如与杂散电容和杂散电感并联和/或串联)添加附加电容Ca和电感La。当电路以谐振频率驱动时，谐振转换器通常利用电路的谐振(示例性串联谐振电路如图6所示)。谐振频率可以根据电路元件的总电感和电容确定，例如，根据以下公式确定：在该示例中，L和C分别表示总有效和/或等效串联电路电感和电容，并且如上所定义，L＝Ls+Lso+La，并且C＝Cs+Cso+Ca。图6示出了具有电感器620、电容器610和电源605而没有任何电阻的理想化串联谐振电路600。电阻可以在整个电路中以各种形式存在。当谐振电路以其谐振频率被驱动时，每个电路元件的有效电抗的幅值相等但符号相反。因此，它们相互抵消，剩下的就是电路的实际电阻，无论其是否由杂散电阻和/或电阻元件(包括负载)组成。在一些情况下，该实际电阻可以是铜迹线的电阻和/或与谐振LC部件串联的任何其他电路部件的电阻。无功分量与实际电阻的比率被定义为Q因子，Q因子是无量纲参数，其是对在L或C两端测量时驱动电压将达到的乘数的良好估计。谐振频率和Q因子可以根据以下公式计算：R是总等效串联/耗散电阻，并且可以包括任何串联杂散电阻Rs以及任何额外添加的电阻Ra以及额外的等效串联负载电阻RL，以及来自开关或其他部件的任何其他电介质或其他耗散损耗。通常的谐振转换器使用离散物理电路部件作为电感器、电容器和/或电阻器，以产生期望的Q因子和谐振频率f。在一些实施例中，可以省略额外的电阻以提高电路效率。在一些实施例中，可以使用某种形式的反馈和控制来将输出电压调节到比电路Q自然设置的值低的值。例如，一种这样的反馈和控制形式可以依赖于开关电压源的脉冲宽度调制。图1是根据一些实施例的示例变压器谐振转换器100的电路图。在变压器的初级侧160上，谐振转换器100可以包括例如与开关110耦接的DC输入105。在一些实施例中，开关可以包括续流二极管或体二极管。开关110可以以高频打开和关闭，例如以变压器谐振转换器100的谐振频率打开和关闭。例如，开关110可以是任何类型的固态开关。谐振转换器的初级侧160还可以包括谐振串联电感115和谐振串联电阻120。例如，开关110可以以例如大于50KHz，500kHz，5000KHz的频率产生高频脉冲。在一些实施例中，开关110可以以小于例如大约40ns、10ns或1ns的开关时间操作。在一些实施例中，开关110可以包括固态开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振转换器，包括：/n提供输入电压V

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170207 US 62/456,0601.一种谐振转换器，包括：
提供输入电压Vin的DC输入；
多个固态开关，与所述DC输入电耦接；
变压器，具有杂散电感Ls、杂散电容Cs和匝数比n，所述变压器与多个固态开关电耦接；
具有电阻R的电阻器，所述电阻器串联设置在所述变压器和所述开关之间；以及
多个整流二极管；
其中，所述谐振电路根据以下公式产生Q因子：

以及
其中，所述谐振转换器基于以下公式、根据输入电压Vin产生具有输出电压Vout的输出脉冲：
Vout＝QnVin。


2.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述输出脉冲具有大于约10kV的电压。


3.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述输出脉冲具有大于25kHz的频率。


4.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述谐振频率大于100kHz。


5.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述输出脉冲具有大于5kW的输出功率。


6.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述输出脉冲具有大于50kW的输出功率。


7.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述谐振转换器具有小于40ns的开关转换时间。


8.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述谐振转换器电路在所述变压器的初级上测得的总电路电感小于约300nH。


9.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述谐振转换器电路以小于约100pF的总电路电容工作，所述总电路电容是在所述变压器的次级侧上测量得到的。


10.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述输出脉冲具有上升时间、且电压转换速率大于109V/s。


11.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述谐振转换器具有大于1W/cm3的功率密度。


12.根据权利要求1所述的谐振转换器电路，其中所述杂散电容Cs包括总电路谐振电容C的50％以上。


13.一种谐振转换器电路，包括：
具有杂散电感Ls...

【专利技术属性】
技术研发人员：肯尼斯·E·米勒，詹姆斯·R·普拉格，迪麦西·M·津巴，约翰·G·卡斯凯德，艾丽亚·斯劳伯道夫，亚历克斯·帕特里克·亨森，
申请(专利权)人：鹰港科技有限公司，肯尼斯·E·米勒，詹姆斯·R·普拉格，迪麦西·M·津巴，约翰·G·卡斯凯德，
类型：发明
国别省市：美国;US