电容器充电器系统和数字控制模块以及用于这种电容器充电器系统的隔离采集模块

摘要

本发明涉及一种电容器充电器系统(100)，包括电容器充电器模块(110)、隔离采集模块(120)和数字控制模块(130)。隔离采集模块(120)被设置为对所述电容器充电器模块(110)的输出电压水平进行采样。数字控制模块(130)经由双向链路连接至隔离采集模块(120)，并经由控制信号接口连接至电容器充电器模块(110)。数字控制模块(130)被设置为：基于表示经由双向链路从所述隔离采集模块接收的采样输出电压水平的数据，产生控制信号信息和同步信号信息。数字控制模块(130)还被设置为：经由控制信号接口向电容器充电器模块(110)发送控制信号信息，以及经由双向链路向隔离采集模块(110)发送同步信号信息。基于来自所述数字控制模块的所述控制信号信息来控制电容器充电器模块(110)，并且，隔离采集模块(120)被配置为基于所述同步信号信息来执行采样。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及电容器充电器系统，并且特别地，涉及一种具 有高稳定性和/或精确性的电容器充电器系统和一种用于这种电容器 充电器系统的数字控制模块和隔离采集模块。

背景技术

只要采用了高电流短脉冲，电容器充电器系统就会普遍使用。应 用实例包括功率调制器、加速器、闪光灯和Z射线系统等等。当电容 被部分或完全放电时，获得高电流。电流的稳定性直接取决于由电容 器充电器系统供给的电压。因此，稳定的电容器充电器电压将从脉冲 系统给出稳定电流。由于在相同系统中通常都会具有高电流尖峰和敏 感的电子设备，因此充电速度和端电压水平的调节很难达到精确。整 个调节系统的稳定性在很大程度上取决于电容器充电器系统的输出电 压测量的精确性。通常，经由电阻分压器测量输出电压，并且，失真 的起因通常是在电容器充电器模块中接通和断开的高电流。这些开关 事件导致电压失真，既与共地(common ground)相关，又与输出端 的基于充电电容器的电缆电感的实际电压变化相关。

发明内容

本发明克服现有技术设置的这些和其它缺陷。总体目的是提供一 种改进的电容器充电器系统。

具体目的是提供一种基于充电器电容器系统的功率调制器。

另一个目的是提供一种用于电容器充电器系统的数字控制模块。

另一个目的是提供一种用于电容器充电器系统的隔离采集模块。

如权利要求所定义的，这些和其它目的得到满足。

在第一方面，本发明涉及一种电容器充电器系统，包括电容器充 电器模块、隔离采集模块和数字控制模块。所述隔离采集模块被设置 为对所述电容器充电器模块的输出电压水平进行采样。所述数字控制 模块经由双向链路连接至所述隔离采集模块，并经由控制信号接口连 接至所述电容器充电器模块。所述数字控制模块被设置为：基于表示 经由所述双向链路从所述隔离采集模块接收的采样输出电压水平的数 据，产生控制信号信息和同步信号信息。所述数字控制模块还被设置 为：经由所述控制信号接口向所述电容器充电器模块发送所述控制信 号信息，以及经由所述双向链路向所述隔离采集模块发送所述同步信 号信息。基于来自所述数字控制模块的所述控制信号信息来控制所述 电容器充电器模块，并且，所述隔离采集模块被配置为基于所述同步 信号信息来执行采样。

优选地，所述隔离采集模块被设置为：基于同步信号信息，以与 电容器充电器模块的输出脉冲相关的控制时序来执行采样。

举例来说，可以想到的是将所述电容器充电器模块实现为脉冲宽 度调制的(PWM)电容器充电器模块，其中，所述数字控制模块被设 置为产生包括PWM控制脉冲的以PWM控制图样的形式的控制信号 信息。优选地，在这个实例中，所述隔离采集模块被设置为在下一 PWM控制脉冲之前以关闭关系(in close relation)执行电容器充电器 模块的输出电压水平的采样，这样，来自上一输出脉冲的电容器充电 器模块的输出电压的失真就衰减到可接受的水平。

举例来说，电容器充电器模块的输出脉冲频率高于10千赫，并 且优选地为25千赫量级，而且所述采样频率优选地至少和所述输出脉 冲频率一样高。

使用这种数量级的采样频率，在所述双向链路上传输的信息量可 能会相当可观，因此，将所述双向链路实现为数字光链路可能是有益 的。为了这个目的，所述隔离采集模块和所述数字控制模块可以各具 有光输入/输出接口。

第二方面是提供一种用于电容器充电器系统的数字控制模块。所 述电容器充电器系统具有电容器充电器模块和隔离采集模块，用于对 所述电容器充电器模块的输出电压水平进行采样。所述数字控制模块 经由双向链路连接至所述隔离采集模块，并经由控制信号接口连接至 所述电容器充电器模块。所述数字控制模块被设置为：基于表示经由 所述双向链路从所述隔离采集模块接收的电容器充电器模块的采样输 出电压水平的数据，产生控制信号信息和同步信号信息。所述数字控 制模块还被设置为经由所述控制信号接口向所述电容器充电器模块发 送所述控制信号信息，以控制所述电容器充电器模块的输出脉冲，并 被设置为经由所述双向链路向所述隔离采集模块发送同步信号信息， 以控制所述隔离采集模块的采样操作。

第三方面提供一种用于电容器充电器系统的隔离采集模块。所述 所述电容器充电器系统具有电容器充电器模块和数字控制模块。所述 隔离采集模块经由双向链路连接至所述数字控制模块，而所述隔离采 集模块被设置为：基于来自数字控制模块的同步信号信息，以与电容 器充电器模块的输出脉冲相关的控制时序来对电容器充电器模块的输 出电压水平进行采样。

本发明的不同方面包括电容器充电器系统、包含电容器充电器系 统的功率调制器以及用于电容器充电器系统的数字控制模块和隔离采 集模块。

阅读下面对本发明实施例的描述，本发明提供的其它优点将是显 而易见的。

附图说明

参考下列描述并结合附图，将对本发明连同其更多的目的和优点 作出最好的理解，附图中：

图1是说明包括电容器充电器系统的说明性应用的示意图。

图2说明随时间变化的电容器电压的实例。

图3是说明根据示例性实施例的电容器充电器系统的示意图。

图4A-D是根据特定实例的示意性信号图表。

图5是说明根据示例性实施例的电容器充电器系统的特定实例的 示意图。

图6是说明用于电容器充电器系统的数字控制模块的特定实例的 示意图。

图7是说明用于电容器充电器系统的隔离采集模块或基板的特定 实例的示意图。

具体实施方式

所有附图中，相同的附图标记用于对应或类似的元件。

图1是说明包括电容器充电器系统的说明性应用的示意图。图1 中所述的整个应用基本上对应于功率调制器，并且示出完全的电容器 充电器系统100，以及它是如何连接至电容器200和进一步连接至可 选择的升压脉冲变压器300的。电容器200的输出经过升压变压器300 的初级绕组。对电容器200放电的开关400基本上是将电容器充电器 系统的输出短路。

图2说明随时间变化的电容器电压的实例。所述电容器以类似脉 冲的方式放电，然后被再次充电，起初很快之后通常较慢，直到所述 电容器被充满电并准备再次放电。

举例来说，所述电容器充电器模块的输出脉冲具有高于500V但 低于2500V的电压，优选地在900和1500V之间。

如图1所示的用于功率调制器的适当的开关实例包括IGBT(绝 缘栅双极晶体管)开关和电子可控打开-关闭的类似开关。

当然，在背景部分中已经提及也存在其它应用。

图3是说明根据典型实施例的电容器充电器系统的示意图。电容 器充电器系统100基本上包括电容器充电器模块110、隔离采集模块 120和数字控制模块130。隔离采集模块120被设置为对电容器充电器 模块110的输出电压水平进行采样。数字控制模块130经由双向链路 连接至隔离采集模块120，并经由控制信号接口连接至电容器充电器 模块110。数字控制模块130被设置为：基于表示经由所述双向链路 从隔离模块120接收的采样输出电压水平的数据，产生控制信号信息 和同步信号信息。数字控制模块130还被设置为：经由控制信号接口 向电容器充电器模块110发送控制信号信息，以及经由双向链路向隔 离采集模块120发送同步信号信息。基于来自所述数字控制模块的所 述控制信号信息来控制电容器充电器模块110，并且，隔离采集模块 120被配置为基于所述同步信号信息来执行采样。

特别地，可以想到的是将测量与共地隔离，并可以在开关失真为 低或零的时候对输出电压进行测量或采样。

优选地，隔离采集模块120被设置为基于所述同步信号信息以电 容器充电器模块110的输出脉冲相关的控制时序来执行采样，以确保 在输出电压失真相当低的时候进行采样。

举例来说，可以想到的是将所述电容器充电器模块实现为脉冲宽 度调制的(PWM)电容器充电器模块，其中，所述数字控制模块被设 置为产生包括PWM控制脉冲的以PWM控制图样的形式的控制信号 信息。优选地，在这个实例中，所述隔离采集模块被设置为在下一 PWM控制脉冲之前以关闭关系执行电容器充电器模块的输出电压水 平的采样，这样，来自上一输出脉冲的电容器充电器模块的输出电压 的失真就衰减到可接受的水平。因此，可以想到的是，当PWM脉冲 图样为″寂静(silent)″而开关失真及其他失真通常已经降至给定阈值 之下时，对所述输出电压进行采样。

例如，可参考图4A-D的示例性的信号图表。图4A说明PWM 控制脉冲图样的实例。图4B说明在所述电容器充电器模块的输出线 路之间的输出电压脉冲。图4C说明隔离采集模块的ADC采样控制脉 冲的实例。可见，采样控制脉冲处于与电容器充电器模块的输出电压 脉冲相关的控制时序中，并且因此与PWM脉冲也有类似的关系，以 确保在输出电压失真相当低或为零的时候进行采样。这确保PWM调 节的高精确度和/或稳定性，因为用作所述调节的基础的所述测量更加 准确地表示所述电容器充电器模块的输出电压。图4D说明在零伏线 路与地之间的电压的表示。比例是说明性。

图5是说明根据典型实施例的电容器充电器系统的特定实例的示 意图。在这个特定的实例中，电容器充电器模块110被实现为PWM 电容器充电器器。例如，输出电压的采集是经由电阻分压器完成的。 来自所述分压器的电压由采集模块120感测或获取。这里的采集模块 120包括(差分)放大器122、模拟-数字转换器(ADC)124、数字信 号处理模块126和光输入/输出接口128。来自分压器的被感测的电压 经过(差分)放大器122，然后去往ADC 124。ADC124的输出连接 到数字信号处理模块126，其中经采样的测量数据适用光链路中所用 的串联协议。所述双向的光链路将数据传递至数字控制模块130。数 字控制模块130包括光输入/输出接口132、数字信号处理模块134和 驱动器136。来自采集模块120的数据由光输入/输出接口132接收， 然后被传送至数字信号处理模块134。在这个实例中，模块134产生 的是PWM图样的PWM控制脉冲。优选地，所述PWM图样在被发 送至PWM电容器充电器模块110之前，在驱动级136中被放大。

举例来说，电容器充电器模块的输出脉冲频率高于10千赫，并 且优选地为25千赫量级，而且所述采样频率优选地至少和所述输出脉 冲频率一样高。

使用这种数量级的采样频率，在所述双向链路上传输的信息量可 能会相当可观，因此，将所述双向链路实现为数字光链路可能是有益 的。为了这个目的，隔离采集模块120和数字控制模块130可以各具 有光输入/输出接口，如图5的实例中所示。

举例来说，为了实现在数字控制模块130的数字信号处理中使用 平均技术的可能性，隔离采集模块120的ADC 124的采样频率优选地 高于输出脉冲频率。举例来说，采样频度可高于50千赫，并且优选地 为1兆赫量级或更高。这意味着数据速率可能相当高，例如，在10 和500兆位/秒的量级。举例来说，如果使用16位来表示每个样品或 测量的输出电压水平，并且所述采样频率是1兆赫(即，1兆样品/秒)， 则这对应于16兆位/秒的数据速率。

在特定的实例中，所述PWM图样产生于数字控制模块130，并 且与此同步，脉冲经由光链路被发送至采集模块120的模拟-数字转换 器(ADC)124。这给出了以与所述PWM图样的控制的″延迟″关系 对输出电压进行采样的可能性。由于输出电压的失真通常势必逐渐消 失或随时间变弱，因此，用于采样的适当的时间周期可在下一PWM 脉冲之前为关闭关系。在隔离采集基板上的数字信号处理单元126中， 所述采样结果被转换为串联协议，然后经由光链路被发送回数字控制 模块130。优选地，这个模块比较所述测量值和参考值，并针对这个 比较的结果改变PWM图样，如图6的实例中更详细说明的。

图6是说明用于电容器充电器系统的数字控制模块的特定实例的 示意图。在这个实例中，所述测量/采样数据经由光电子收发器132(即 光输入/输出接口)接收，然后被传送至数字信号处理模块134。举例 来说，数字信号处理模块134可实现为现场可编程门阵列(FPGA)， 或专用集成电路(ASIC)或数字信号处理器(DSP)。数字信号处理 模块134包括调节器，其被设置为将测量/采样数据与预定的参考进行 比较，并针对这个比较的结果改变所述PWM图样。为了改进所述 PWM调节，所述调节器还可使用可选择的输入，例如在矫正之后至 电容器充电器模块的供电电压的输入和/或电容器充电器模块的输出 电流。所述调节器还产生同步信号，其经由光电子收发器132发送至 隔离采集模块120。

图7是说明用于电容器充电器系统的隔离采集模块或基板的特定 实例的示意图。如前所述，隔离采集模块120可包括差分放大器122。 优选地，来自放大器122的所述输出由ADC 124采样，并且所述数字 值去往数字信号处理模块126。这个模块126基本上将采样数据转换 成串联协议，其由光电子收发器128(即光输入/输出接口)发出。光 电子收发器128还接收来自数字控制模块130的同步信号。这个信号 典型地由数字信号处理模块126处理，从而为ADC124产生采样控制 脉冲。举例来说，数字信号处理模块126可实现为现场可编程门阵列 (FPGA)，或专用集成电路(ASIC)或数字信号处理器(DSP)。

上述实施例仅仅作为实例给出，很显然，本发明不限于此。保持 这里所公开和要求的基本原则而进行的进一步的修改、改变和改进仍 在本发明的范围之内。