一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络

摘要

本发明提供一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络，包括：负载支路和线性调整管旁路；线性调整管旁路和负载支路并联；其中，线性调整管作为线性压控电流源，通过控制线性调整管压控端电压实现对线性调整管旁路电流的控制，以在负载电流调控阶段根据预设负载电流值对负载电流的大小进行调节，使负载电流稳定在预设负载电流值。在负载电流调控阶段，通过在线性调整管旁路串联RC网络，并通过开关管控制电容器充放电，调节电容器电压，从而降低线性调整管电压，减小线性调整管功耗。该方法不影响线性调整管的电流控制特性，在不影响原有功能的前提下，减少了线性调整管的使用数量。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络。

背景技术

在诸多科学装置及医疗设备中，要求电流的稳定度达到百万分之一（ppm，partpermillion）级别，例如，中科院物理研究院的稳态强磁场装置、核磁共振相关的科学研究和医疗设配、以及上海瑞金医院质子治疗示范装置都要求电流稳定度优于50 ppm，甚至达到1 ppm。通常无源滤波器无法达到如此高的稳定度，现有设备基本采用并联有源滤波器或同时使用无源滤波器和并联有源滤波器，通过额外添加电源设备根据电流检测值对电流进行主动补偿来滤除电源中的纹波。在直流稳态装置或可调压装置中，并联有源滤波器只需滤除纹波，所需输出电流很小，即使电压较高，设备功率也不大，因此可以接受。但是，纹波补偿要求补偿电源本身具有很高的精度，这是一个很大的挑战。另外，受电源功率限制，该方法难以实现大范围电流调控。假如可以在没有外加电源的情况下，实现电流的主动补偿对节约成本、降低技术难度大有裨益。专利CN201810411004.7公开一种基于半导体器件处于线性区放大时的流控特性，提出一种吸电流并联型线性电流调控网络，对电流进行高精度调控，以产生高稳定度平顶脉冲磁场。该方法即适用于电流纹波的滤除，也适用于电流的大范围调控。但是，并联旁路中半导体器件作为线性调整管使用，在工作中过程中承受的端电压较高，导致功耗很大，因此需要并联多个半导体器件，价格昂贵。为此，专利申请CN110581641A公布了一种减小线性调整管功耗的装置和方法，但是，通过额外添加电源设备对线性调整管的串联电阻进行电流注入，下文简称为电流注入法，抑制线性调整管的端电压，减小其功耗。该方法可以减少装置的半导体使用数量，大幅度的节约了成本。但是其存在以下不足：其一是，需要添加电流注入电源，成本高，开发周期长，使用较为复杂；其二是，该方法将线性调整管的能量损耗转移到了电阻上，装置总的能量损耗增加了。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络，旨在解决并联型线性电流调控网络中线性调整管功耗大、并联数量多的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络，包括：负载支路和线性调整管旁路；所述线性调整管旁路和负载支路并联；

所述线性调整管旁路包括：线性调整管、第一电阻、电容、第二电阻、开关管以及控制单元；

所述第一电阻和电容串联构成第一串联支路，所述第二电阻和开关管正向串联构成第二串联支路；所述第一串联支路和第二串联支路并联组成所述线性调整管的调压网络；所述线性调整管的第三端与所述调压网络的一端正向串联；线性调整管第二端连接所述控制单元，所述控制单元连接所述开关管的驱动端；线性调整管的第一端和调压网络的另一端构成所述线性调整管旁路的两端；控制单元用于调控线性调整管第二端的电压以及用于控制所述开关管的通断；所述线性调整管的正向电流大小受其第二端的电压控制，所述线性调整管第一端和第三端之间的电压作为线性调整管的端电压；

所述控制单元采集负载支路的电流值，当负载支路接通其供电电源后，负载电流从零开始增大，当负载电流未达到预设负载电流参考值之前，则控制单元控制所述线性调整管旁路关闭，该阶段为负载电流上升阶段；控制单元检测到负载电流值首次上升到预设负载电流值时，进入负载电流调控阶段，在该阶段内，控制单元根据负载电流值和预设负载电流值的差值控制线性调整管第二端的电压值，使得线性调整管旁路产生相应的旁路电流，从而使得负载支路的电流稳定在预设负载电流参考值；

在负载电流调控阶段，所述控制单元采集线性调整管的端电压值，若所述端电压值大于预设端电压参考值，则控制开关管关断，旁路电流经第一电阻流入电容，电容电压升高，从而使得线性调整管端电压下降；若所述端电压值小于预设端电压参考值，则控制开关管导通，旁路电流经过第二电阻和开关管流出，同时电容经第一电阻和第二电阻放电，电容电压降低，从而使得线性调整管端电压上升，以控制线性调整管的端电压稳定在预设端电压参考值，所述预设端电压参考值是线性调整管线性放大区的电压最低值。

在一个可能的实施例中，调控网络还包括：主回路阻抗；

所述线性调整管旁路和负载支路并联后与所述主回路阻抗串联；

在负载电流调控阶段，控制单元根据负载电流值和预设负载电流值的差值控制线性调整管第二端的电压值，具体为：若负载电流值小于预设负载电流参考值，则控制单元控制所述线性调整管第二端的电压值，使得旁路电流减小，从而使得所述阻抗两端的电压减小，负载电压升高，继而使得负载电流升高；若负载电流值大于预设负载电流参考值，则控制单元控制所述线性调整管第二端的电压值，使得旁路电流增大，从而使得负载串联阻抗电压增大，负载电压减小，继而使得负载电流减小；通过上述过程，可以根据预设负载电流值对负载电流的大小进行调节，使负载电流稳定在预设负载电流值。

在一个可能的实施例中，所述控制单元包括：PWM隔离驱动模块；所述PWM隔离驱动模块连接所述开关管的驱动端；

所述控制单元采集线性调整管的端电压值，若所述端电压值大于预设端电压参考值，则指示PWM隔离驱动模块产生低电平脉宽信号，以控制开关管关断；若所述端电压值小于预设端电压参考值，则指示PWM隔离驱动模块产生高电平脉宽信号，以控制开关管导通。

在一个可能的实施例中，所述控制单元包括：线性隔离驱动模块；所述线性隔离驱动模块连接所述线性调整管的第二端，为线性调整管第二端提供电压；

所述控制单元控制所述线性调整管第二端的电压值，具体为：所述控制单元根据所述电流值和预设负载电流值的差值产生相应的模拟电压信号；所述模拟电压信号控制所述线性隔离驱动模块为线性调整管第二端提供对应的电压。

在一个可能的实施例中，所述第一电阻和第二电阻为无感电阻。

在一个可能的实施例中，所述线性调整管和开关管均可由多个相同的器件并联，根据负载支路和线性调整管旁路的供电电源、主回路阻抗以及负载支路参数选择并联个数。

第二方面，本发明提供一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控方法，包括如下步骤：

在负载支路旁边并联线性调整管旁路；所述线性调整管旁路包括：串联的线性调整管和调压网络；所述调压网络包括两个并联的支路，第一条支路包括电容，第二条支路包括开关管，两个并联支路均串联有电阻；所述线性调整管包括第一端、第二端以及第三端，其第三端连接调压网络的一端，第一端和调压网络的另一端构成线性调整管旁路的两端，所述线性调整管的正向电流大小受其第二端的电压控制，所述线性调整管第一端和第三端之间的电压作为线性调整管的端电压；

当负载支路接通其供电电源后，负载电流从零开始增大，当负载电流未达到预设负载电流参考值之前，则控制所述线性调整管旁路关闭，该阶段为负载电流上升阶段；

当检测到负载电流值首次上升到预设负载电流值时，进入负载电流调控阶段，在该阶段内，根据负载电流值和预设负载电流值的差值控制线性调整管第二端的电压值，使得线性调整管旁路产生相应的旁路电流，从而使得负载支路的电流稳定在预设负载电流参考值；

在负载电流调控阶段，若线性调整管的端电压值大于预设端电压参考值，则控制开关管关断，旁路电流经第一条支路流入电容，电容电压升高，从而使得线性调整管端电压下降；若线性调整管的端电压值小于预设端电压参考值，则控制开关管导通，旁路电流经过第二条支路流出，同时电容经两条并联支路的电阻放电，电容电压降低，从而使得线性调整管端电压上升，以控制线性调整管的端电压稳定在预设端电压参考值，所述预设端电压参考值是线性调整管线性放大区的电压最低值。

在一个可能的实施例中，该调控方法还包括如下步骤：

将线性调整管旁路和负载支路并联后与阻抗串联；

在负载电流调控阶段，根据负载电流值和预设负载电流值的差值控制线性调整管第二端的电压值，具体为：若负载电流值小于预设负载电流参考值，则控制所述线性调整管第二端的电压值，使得旁路电流减小，从而使得所述阻抗两端的电压减小，负载电压升高，继而使得负载电流升高；若负载电流值大于预设负载电流参考值，则控制所述线性调整管第二端的电压值，使得旁路电流增大，从而使得负载串联阻抗电压增大，负载电压减小，继而使得负载电流减小；通过上述过程，可以根据预设负载电流值对负载电流的大小进行调节，使负载电流稳定在预设负载电流。

在一个可能的实施例中，所述第一电阻和第二电阻为无感电阻。

在一个可能的实施例中，所述线性调整管和开关管均可由多个并联，根据负载支路和线性调整管旁路的供电电源、主回路阻抗以及负载支路参数选择并联个数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络，与现有技术相比，解决了现有并联型线性电流调控网络中线性调整管无调压网络时，其端电压在其线性放大区变化范围大，端电压较高，导致线性调整管功耗大、并联数量多，本发明通过线性调整管的调压网络控制线性调整管的端电压保持在其线性放大区的最小值，使得线性调整管的功耗降低，减少了线性调整管的并联数量；进一步地，相比现有电流注入法控制线性调整管的端电压的方案，本发明所提方法不需要额外添加电源设备对线性调整管的串联电阻进行电流注入，将线性调整管调压网络的整体功耗减小了3倍以上，而且，由于取消了电流注入电源，调控网络系统的成本、体积和技术难度大幅度降低，系统的功率等级越大本发明方法的优势就越明显，详见实施例。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络结构图；

图2为本发明实施例提供的线性调整管旁路的结构图；

图3为本发明实施例提供的一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络电路图；

图4为本发明实施例提供的不同情况下负载电流I

图5为本发明实施例提供的不同情况下线性调整管总功耗对比图；

图6为本发明实施例提供的与电流注入法对比的调控期间大功率可控电源输出的电流电压波形图；

在所有附图中，U

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络，旨在解决并联型线性电流调控网络中线性调整管功耗大、并联数量多的问题。其中，线性调整管的作用与专利CN201810411004.7和CN110581641A类似，用于对负载电流进行滤波或调控。本发明减小线性调整管功耗的方法为：在线性调整管支路串联RC网络，并通过开关管控制电容器充放电，调节电容器电压，从而降低线性调整管电压，减小调整管功耗。该方法不影响线性调整管的电流控制特性，在不影响原有功能的前提下，减少了线性调整管的使用数量。与现有技术相比，本发明所提方法不需要额外添加电源设备进行电流注入，将线性调整管调压网络的功耗减小了3倍以上，而且，由于取消了电流注入电源，系统的成本、体积和技术难度大幅度降低，

图1为本发明实施例提供的用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络结构图；如图1所示，包括：负载支路、线性调整管旁路以及主回路阻抗；所述线性调整管旁路和负载支路并联；线性调整管旁路和负载支路并联后与所述主回路阻抗串联。

图2为本发明实施例提供的线性调整管旁路的结构图；如图2所示，线性调整管旁路包括：线性调整管、第一电阻、电容、第二电阻、开关管以及控制单元；

所述第一电阻和电容串联构成第一串联支路，所述第二电阻和开关管正向串联构成第二串联支路；所述第一串联支路和第二串联支路并联组成所述线性调整管的调压网络；所述线性调整管的第三端与所述调压网络的一端正向串联；线性调整管第二端连接所述控制单元，所述控制单元连接所述开关管的驱动端；线性调整管的第一端和调压网络的另一端构成所述线性调整管旁路的两端；控制单元用于调控线性调整管第二端的电压以及用于控制所述开关管的通断；所述线性调整管的正向电流大小受其第二端的电压控制，所述线性调整管第一端和第三端之间的电压作为线性调整管的端电压；

所述控制单元采集负载支路的电流值，当负载支路接通其供电电源后，负载电流从零开始增大，当负载电流未达到预设负载电流参考值之前，则控制单元控制所述线性调整管旁路关闭，该阶段为负载电流上升阶段；控制单元检测到负载电流值首次上升到预设负载电流值时，进入负载电流调控阶段，在该阶段内，控制单元根据负载电流值和预设负载电流值的差值控制线性调整管第二端的电压值，使得线性调整管旁路产生相应的旁路电流，从而使得负载支路的电流稳定在预设负载电流参考值；

在负载电流调控阶段，所述控制单元采集线性调整管的端电压值，若所述端电压值大于预设端电压参考值，则控制开关管关断，旁路电流经第一电阻流入电容，电容电压升高，从而使得线性调整管端电压下降；若所述端电压值小于预设端电压参考值，则控制开关管导通，旁路电流经过第二电阻和开关管流出，同时电容经第一电阻和第二电阻放电，电容电压降低，从而使得线性调整管端电压上升，以控制线性调整管的端电压稳定在预设端电压参考值，所述预设端电压参考值是线性调整管线性放大区的电压最低值。

在负载电流调控阶段，控制单元根据负载电流值和预设负载电流值的差值控制线性调整管第二端的电压值，具体为：若负载电流值小于预设负载电流参考值，则控制单元控制所述线性调整管第二端的电压值，使得旁路电流减小，从而使得所述阻抗两端的电压减小，负载电压升高，继而使得负载电流升高；若负载电流值大于预设负载电流参考值，则控制单元控制所述线性调整管第二端的电压值，使得旁路电流增大，从而使得负载串联阻抗电压增大，负载电压减小，继而使得负载电流减小；通过上述过程，可以根据预设负载电流值对负载电流的大小进行调节，使负载电流稳定在预设负载电流值。

线性调整管可以是IGBT或MOSFET，当是IGBT时，第一端、第二端和第三端分别为集电极、门级和发射极；当是MOSFET时，第一端、第二端和第三端分别为源极、栅极和漏极。线性调整管存在线性放大区，以IGBT为例：在线性放大区内，IGBT集电极发射极电流与门极电压存在确定的关系，且受集电极发射极电压的影响很小，可以看作线性压控电流源，其对负载电流进行主动调控，使得负载电流保持稳定。PWM隔离驱动模块驱动开关管Q

图3为本发明实施例提供的一种用于回旋管太赫兹源的无源主动线性电流调控网络电路图；如图3所示，调控网络由主回路和电流调控旁路构成。主回路包括主电源U

进一步地，线性调整管Q

进一步地，该装置还包括负载电流传感器1、旁路电流传感器2、电压传感器3、控制器、线性隔离驱动，PWM隔离驱动。负载电流传感器1、旁路电流传感器2、电压传感器3与控制器4的输入端相连，控制器4的模拟输出端连接线性隔离驱动5的控制端，控制器4的I/O输出端连接PWM隔离驱动6的控制端。线性隔离驱动为线性调整管Q

具体工作原理叙述如下。首先，设定负载电流参考值I

在本发明在实现过程中，不需要额外添加电源设备，可以大大减小线性电流调控旁路中线性调整管的功耗，缩减系统成本，降低实现难度，同时不会对其滤波效果带来负面影响。

通过对负载电流进行高精度调控，可以产生高稳定度平顶脉冲磁场，下以实现40T平脉冲磁场为例，具体说明本发明的目的、技术方案及优点。

负载Z

主电源由6GFM-200型铅酸蓄电池串并联连接而成，电源电压为1200V，内阻为12 mΩ。

负载分压阻抗Z

线性调整管Q

开关管Q

第一电阻R

控制器采用搭载FPGA模块的Compact RIO9030，其配置模拟输出模块、I/O输出模块和AD采集模块。电流传感器采用高精度霍尔电流传感器，电压传感器采用高压隔离差分探头。

设定负载电流参考值为29 kA，线性调整管参考电压为10 V，负载电流调控和线性调整管端电压调控都采用了PID控制算法，算法再控制器中采用数字编程的方式实现。

图4展示了负载电流I

为了说明本发面的显著效果，下面和电流注入法进行对比分析，对比分析时线性调整管总功耗抑制效果保持一致，达到上述实施例相同的效果，采用电流注入法需要的大功率可控电源参数如表1所示，调控期间大功率可控电源输出的电流I

表1电流注入法需要的大功率可控电源参数表

在成本和装置体积方面，本实施例中，电流注入法采用的注入电源平均功率2MW，峰值功率3.5MW，制作成本25万元~30万元，体积至少1.5m*1m*1m。本方案所需器件包括无感电阻、电容以及开关管，其成本不会超过2万元，相比于兆瓦级注入电源体积基本可以不用考虑。

另外，本方案在开发周期、技术实现难度、后期使用与维护具有压倒性优势。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。