涉及使用多个整流器电路的功率转换的装置和方法

摘要

一种装置，该装置包括直流(DC)‑交流(AC)逆变器电路、第一电路和第二电路、以及输出电路。该DC‑AC逆变器电路将对应于输入电压的DC输入信号反转为AC信号。该第一电路和该第二电路分别包括：响应于来自该至少一个AC信号的功率而被驱动的电感隔离电路；以及通过输出第一整流信号和第二整流信号来响应该电感隔离电路的整流器电路，其中该第一整流器电路和该第二整流器电路中的至少一个被表征为受额定击穿电压限制。该输出电路提供DC输出电压信号并级联包括该第一整流信号和该第二整流信号的多个信号，以提供取决于该第一整流信号和该第二整流信号且大于额定击穿电压的电压源。

说明书

概述

高压(例如，10-100千伏)低电流(1-100毫安)电源在许多应用中可以是有益的，其中包括医疗、环境、安全和航空航天领域等。此外，高压设备的增强的便携性可以导致该技术的新用途、更好的性能和/或新的应用。

上述问题以及其他问题对各种应用的功率转换提出了挑战。

发明内容

各种实施例的各方面针对涉及使用多个整流器电路的功率转换的装置和/或方法。在接下来的讨论中，公开了各种实施方式和应用以通过非限制性示例实施例提供对即时公开的理解。

各方面针对和/或涉及由多个堆叠整流器电路提供的功率转换，整流器电路中的至少一个在前端部分和后端部分之间具有电感隔离，以便能够使用后端部分来递送功率转换输出级信号，其稳态电压远大于与前端部分的一个或多个部件相关联的电压应力/额定击穿电压。

许多方面针对具有DE类谐振整流器的功率转换器，该DE类谐振整流器具有生成数百伏特的电容性直流(DC)隔离。由于整流器二极管和输出端子与输入是DC隔离的，因此可以堆叠数十个单元的整流器，使得这些单元输出的信号串联从而生成数千伏的输出电压。在这种构造中，输出电压可以达到DC隔离电容器额定电压的两倍，因为顶部和底部整流器电容器上的电压应力是总输出电压的一半，前提是隔离的总输出电压向正方向和负方向对称地发散。为了获得较高的输出电压，各种实施例包括空芯变压器，该空芯变压器用作附加DC隔离屏障。如上文所描述的，可以级联多级DE类整流器的多个单元。使用此类示例构造，可以生成高输出电压，因为可实现电压的限制现在是变压器的主级绕组和次级绕组之间的电感隔离屏障的击穿电压。

更具体的方面涉及一种装置，该装置包括DC-交流(AC)逆变器电路、第一电路和第二电路、以及输出电路。DC-AC逆变器电路将对应于输入电压的至少一个DC输入信号反转为至少一个AC信号。第一电路包括第一电感隔离电路和第一整流器电路，该第一电感隔离电路响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动。该第一整流器电路通过在第一对输出端子处输出第一整流信号来响应该第一电感隔离电路。第二电路包括响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动的第二电感隔离电路并且包括第二整流器电路。该第二整流器电路通过在第二对输出端子处输出第二整流信号来响应该第二电感隔离电路。该第一整流器电路和该第二整流器电路中的至少一个被表征为受额定击穿电压限制。该输出电路在电压源端子之间提供DC输出电压信号，并且通过诸对输出端子中的一对输出端子中的一个输出端子作为对该诸对输出端子中的另一对输出端子中的一个输出端子的供应源来级联包括该第一整流信号和该第二整流信号的多个信号。该电压源端子提供取决于该第一整流信号和该第二整流信号并且大于该第一整流器电路和第二整流器电路中的至少一个整流器电路的额定击穿电压的电压源。

在相关的和更具体的方面中，该第一整流器电路和该第二整流器电路中的每一个都包括或被配置为DE类整流器和/或整流器电路中的每一个都是并联连接的多个整流器级中的一个。额定击穿电压由DC阻断电容器来限定，该DC阻断电容器在该第一电路和该第二电路中的一个中的信号路径中、在该电感隔离电路的输出端子和整流器电路中的二极管之间使用。在具体实施例中，该第一整流器电路和该第二整流器电路中的该至少一个整流器电路在相关联的整流信号中递送大于该第一整流器电路和该第二整流器电路中的该至少一个整流器电路的该额定击穿电压两倍的DC输出电压信号。在更具体和相关的实施例中，DC输出电压信号大于额定击穿电压的三倍、四倍、五倍、六倍或更多倍。

该第一电感隔离电路和该第二电感隔离电路中的至少一个与另一个额定击穿电压相关联，该另一个额定击穿电压大于该第一整流器电路和该第二整流器电路中的该至少一个整流器电路的该额定击穿电压。例如，该第一电感隔离电路和该第二电感隔离电路中的每一个都包括具有相关联的额定击穿电压的空芯变压器，该相关联的额定击穿电压大于该第一整流器电路和该第二整流器电路中的至少一个流器电路的该额定击穿电压，并且限定了被包括在该电感隔离电路中的电路的最小总额定击穿电压。

在多个相关方面中，该装置进一步包括具有与第一整流器电路和第二整流器电路级联的输出的附加整流器电路。该整流器电路中的每一个都包括或被配置为DE类整流器，与输入电压DC隔离，和/或额定电压不低于300伏。例如，该装置进一步包括至少一个附加电路，该至少一个附加电路包括第三电路，该第三电路具有响应于来自该至少一个AC信号的功率而被驱动的第三电感隔离电路，并且包括通过在第三对输出端子处输出第三整流信号来响应该第三电感隔离电路的第三整流器电路。该输出电路在电压源端子之间提供DC输出电压信号，并且通过将第一、第二和第三对输出端子中的所选的输出端子耦合为级联供应源来将包括第一、第二和第三整流信号的多个信号级联，其中第一、第二和第三电压源端子共同布置以提供取决于该第一、第二和第三整流信号并且大于额定击穿电压的电压源。在此类构造中，该多个整流器电路的输入端子并联并且输出端子串联。

其他方面针对用于响应于与输入电压信号相关联的至少一个AC信号来提供DC电压的DC功率源。该DC功率源包括第一电路、第二电路和输出电路。该第一电路包括响应于来自该至少一个AC信号的功率而被驱动的第一电感隔离电路，并且包括通过在第一对输出端子处输出第一整流信号来响应该第一电感隔离电路的第一整流器电路；该第二电路包括响应于来自该至少一个AC信号的功率而被驱动的第二电感隔离电路，并且包括通过在第二对输出端子处输出第二整流信号来响应该第二电感隔离电路的第二整流器电路，并且该第一整流器电路和该第二整流器电路中的至少一个整流器电路被表征为受额定击穿电压限制。该输出电路在电压源端子之间提供DC输出电压信号，并且通过诸对输出端子中的一对输出端子中的一个输出端子作为对该诸对输出端子中的另一对输出端子中的一个输出端子的供应源来级联多个信号，该多个信号包括该第一整流信号和该第二整流信号，其中该电压源端子提供取决于该第一整流信号和该第二整流信号并且大于该第一整流器电路和该第二整流器电路中的该至少一个整流器电路的额定击穿电压的电压源。

如上文所描述的，该第一电感隔离电路和该第二电感隔离电路中的每一个包括空芯变压器，该空芯变压器具有与空芯变压器绕组之间的材料相关联的另一个额定击穿电压，并且该另一个额定击穿电压大于该第一整流器电路和第二整流器电路中的该至少一个整流器电路的额定击穿电压。该第一整流器电路和该第二整流器电路中的该至少一个整流器电路包括DC阻断电容器，该DC阻断电容器在该第一电路和该第二电路中的一个中的信号路径中、在该电感隔离电路的输出端子和该整流器电路中的二极管之间使用。该DC阻断电容器被表征为受额定击穿电压限制。该装置可以进一步包括多个电路，该多个电路包括在电压轨之间呈级联布置的第一电路和第二电路，并且该第一整流器电路和第二整流器电路中的至少一个整流器电路分别位于最靠近电压轨中的一个。

在许多相关的和更具体的实施例中，该DC功率源和/或包括该DC功率源的装置进一步包括前端驱动器电路，该前端驱动器电路向该第一电感隔离电路和该第二电感隔离电路提供该至少一个AC信号。在更具体的方面中，该前端驱动器电路包括一个或多个DC-AC逆变器电路，该一个或多个DC-AC逆变器电路被配置和布置为将对应于该输入电压信号的至少一个DC输入信号反转为该至少一个AC信号，并经由该至少一个AC信号来驱动该第一电感隔离电路和该第二电感隔离电路。在其他方面中，该前端驱动器电路包括一个或多个AC-AC逆变器电路，该一个或多个AC-AC逆变器电路被配置和布置为将对应于该输入电压信号和第一频率的至少一个AC输入信号反转为对应于第二频率的该至少一个AC信号，并经由该第二频率处的该至少一个AC信号来驱动该第一电感隔离电路和该第二电感隔离电路。

多个方面针对使用上述装置中的一个或多个来转换功率的方法。该方法包括：从直流(DC)电压输入信号提供至少一个交流(AC)信号，以及并联使用第一电路和第二电路，每一个电路都提供电感隔离并且每一个电路响应于来自该至少一个AC信号的功率而被驱动，并且每一个电路都响应于该电感隔离通过在相关联的一对输出端子处输出整流信号而整流。与该第一电路和该第二电路中的至少一个相关联的该整流与被表征为受额定击穿电压限制的电路相关联。该方法进一步包括通过级联包括该整流信号的多个信号来在电压源端子之间提供DC输出电压信号，其中该DC输出电压信号取决于该整流信号并且大于该额定击穿电压。

因此，各种实施例旨在解决与上述方面和其他方面相关的挑战，这可能有益于各种功率转换器和/或多级整流器。上述讨论/总结不旨在描述本公开的每一个实施例或每一个实现方式。下面的附图和具体实施方式还例示了各种实施例。

附图说明

考虑到结合附图的以下详细描述，可以更全面地理解各种示例实施例，其中：

图1示出了根据本公开的各种实施例的涉及功率转换的装置的示例；

图2A-图2B示出了根据本公开的各种实施例的涉及功率转换的装置的另一个示例；

图3示出了根据本发明的各种实施例的装置的示例前端驱动器电路；

图4A-图4C示出了根据本发明的各种实施例的装置的电感隔离电路的实验示例；

图5A-图5B示出了根据本发明的各种实施例的装置的多级整流器的实验示例；

图6A-图6C示出了根据本公开的各种实施例的功率转换器的示例实验结果；

图7A-图7D示出了根据本公开的各种实施例的另一个功率转换器的示例实验结果；

图8A-图8B示出了根据本公开的各种实施例的另一个功率转换器的示例实验性能结果；

图9示出了根据各种实施例的具有装置的计算机断层扫描(CT)扫描仪机架的示例；以及

图10示出了根据各种实施例的示例行波管(TWT)雷达电源。

尽管本文所讨论的各种实施例适于修改和替代形式，但其方面已经在附图中以示例的方式示出并且将详细描述。然而，应当理解，不旨在将公开限制于所描述的特定实施例。相反，旨在涵盖本公开范围内的所有修改、等价物和替代，包括权利要求中定义的方面。另外，本申请中使用的术语“示例”仅作为说明，而不是限制。

具体实施方式

本公开的各方面被认为可用于涉及使用多个整流器电路的功率转换的各种不同类型的装置、系统和方法。在具体实施例中，功率转换装置输出的电压大于以堆叠方式级联的多个整流器电路的电容器的额定击穿电压的两倍。虽然本发明不必受限于此类应用，但可以通过使用此上下文对各种示例的讨论来领会本发明的各个方面。

因此，在下面的描述中，阐述各种具体细节以描述本文中呈现的具体示例。然而对于本领域技术人员显而易见的是，这些示例的一个或多个其他示例和/或变化可以在没有下文给出的所有具体细节的情况下进行实践。在其他实例中，尚未详细描述公知特征，以避免混淆本文示例的描述。为了便于说明，在不同的图中可以使用相同的附图标记来表示相同的元素或相同元素的附加实例。此外，尽管在一些情况下可以在单个附图中描述方面和特征，但是应当理解，即使组合没有明确地示出或明确地描述为组合，来自一个附图或实施例的特征也可以与来自另一个附图或实施例的特征进行组合。

特定示例实施例针对具有电感隔离的多个堆叠整流器电路的功率转换器。例如，整流器电路中的至少一个在前端部分和后端部分之间具有电感隔离，以使得能够使用后端部分来递送功率转换的输出级信号，该输出级信号具有显著大于与该后端部分的一个或多个部件相关联的额定击穿电压的稳态电压。该一个或多个部件可以包括整流器电路的一个或多个DC阻断电容器，该一个或多个DC阻断电容器向整流器二极管提供DC隔离。在前端部分和后端部分之间的电感隔离电路(诸如空芯变压器)提供了进一步的电感隔离。前端部分在本文是指“前端驱动器电路”。后端部分包括多个整流器电路。和与后端部分的一个或多个部件相关联的额定击穿电压相比，电感隔离电路可以增大功率转换电路的最大输出电压。例如，实施例可以包括将前端驱动器电路与整流器电路电感隔离，同时使用整流器电路来递送功率转换的输出级信号，该输出级信号具有大于与每一个整流器电路的部件相关联的额定击穿电压两倍的稳态电压。此类实施例可以包括使用在电压轨之间呈级联布置的多个整流器电路，其中该两个整流器电路中的至少一个分别位于最靠近该电压轨。

某些实施例针对解决与高DC电压有关的挑战。各种系统、装置和/或方法可以受益于数十千伏(kV)或更高范围内的高DC电压。为了增强下文描述的以及更多的设备的便携性而不损害它们的性能，通常使用小型、轻量且高功率的电源。如本文进一步所描述的，各种实施例针对可以用于各种应用的具有快速瞬态响应的小型、轻量、高压功率(例如，DC-DC)转换器。一些示例系统、装置和/或方法包括静电除尘器(ESP)，用于机场安全、条例和爆炸物检测的X射线源和中子发生器、以及医疗设备(诸如牙科X射线或计算机断层扫描(CT)扫描仪)。

本公开的某些方面针对由多个堆叠整流器电路提供的功率转换，诸如具有电感隔离的多级DE类整流器，该电感隔离超过由DE类整流器的电容器额定电压设定的限制。空芯变压器的插入增强了对变压器绕组之间材料的击穿电压的DC电压阻断能力。此外，这些级的并联连接实现了快速上升时间，使电路特别适合于需要脉冲DC电压的系统。各种实施例包括多个堆叠整流器电路，诸如允许并联连接整流器的全部输入端子(或端口)和串联连接输出端子(或端口)从而将电流从输入同时地递送到每一个节点的多级DE类整流器。在此类配置中，可以级联的整流器级的最大数量受顶部和底部级处的DC阻断电容器的额定电压限制，因此，转换器的输出电压不得超过电容器的额定电压的两倍。根据本公开的更具体的实施例涉及具有电感隔离的多个堆叠整流器电路，该电感隔离打破了由电容器额定电压设定的限制。空芯变压器的插入增强了对变压器绕组之间材料的击穿电压的DC电压阻断能力。此外，这些级的并联连接实现了快速上升时间，使电路特别适合于需要脉冲DC电压的系统。

具体示例实施例针对包括有和/或涉及包括DC-AC逆变器电路、第一电路和第二电路、以及输出电路的装置的方法和/或装置。DC-AC逆变器电路将对应于输入电压的至少一个DC输入信号反转为至少一个AC信号。第一电路包括第一电感隔离电路和第一整流器电路，该第一电感隔离电路响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动。该第一整流电路通过在第一对输出端子处输出第一整流信号来响应该第一电感隔离电路。第二电路包括响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动的第二电感隔离电路并且包括第二整流器电路。该第二整流电路通过在第二对输出端子处输出第二整流信号来响应该第二电感隔离电路。该第一整流器电路和该第二整流器电路中的至少一个被表征为受额定击穿电压限制。该输出电路在电压源端子之间提供DC输出电压信号，并且通过诸对输出端子中的一对输出端子中的一个输出端子作为对该诸对输出端子中的另一对输出端子中的一个输出端子的供应源来级联包括第一整流信号和第二整流信号的多个信号。电压源端子提供取决于第一整流信号和第二整流信号并且大于第一整流器电路和第二整流器电路中的至少一个整流器电路的额定击穿电压的电压源。

在相关的和更具体的实施例中，整流器电路中的每一个都包括或被配置为DE类整流器和/或整流器电路中的每一个都是并联连接的多个整流器级中的一个。额定击穿电压由DC阻断电容器来限定，该DC阻断电容器在第一电路和第二电路中的一个中的信号路径中、在电感隔离电路的输出端子和整流器电路中的二极管之间使用。在具体实施例中，整流器电路中的至少一个整流器电路在相关联的整流信号中递送大于第一整流器电路和第二整流器电路中的该至少一个整流器电路的额定击穿电压两倍的DC输出电压信号。

电感隔离电路中的至少一个可以与另一个额定击穿电压相关联，该另一个额定击穿电压大于第一整流器电路和第二整流器电路中的至少一个整流器电路的额定击穿电压。例如，第一电感隔离电路和第二电感隔离电路中的每一个都包括具有相关联的额定击穿电压的空芯变压器，该相关联的额定击穿电压大于该第一整流器电路和该第二整流器电路中的至少一个整流器电路的额定击穿电压，并且限定了被包括在电感隔离电路中的电路的最小总额定击穿电压。

上文所描述的装置可以进一步包括具有与第一整流器电路和第二整流器电路级联的输出的附加整流器电路。整流器电路中的每一个都包括或被配置为DE类整流器，与输入电压DC隔离，和/或额定电压不低于300伏。例如，该装置进一步包括至少一个附加电路，该至少一个附加电路包括第三电路，该第三电路具有响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动的第三电感隔离电路，并且包括通过在第三对输出端子处输出第三整流信号来响应该第三电感隔离电路的第三整流器电路。输出电路在电压源端子之间提供DC输出电压信号，并且通过将第一、第二和第三对输出端子中的所选的输出端子耦合为级联供应源来将包括第一、第二和第三整流信号的多个信号级联，其中该第一、第二和第三电压源端子共同布置以提供取决于该第一、第二和第三整流信号并且大于额定击穿电压的电压源。

其他实施例针对用于响应于与输入电压信号相关联的至少一个AC信号来提供DC电压的DC功率源。该DC功率源包括上文所描述的第一电路、第二电路和输出电路。如上文所描述的，第一电感隔离电路和第二电感隔离电路可以各自包括空芯变压器，该空芯变压器具有与空芯变压器绕组之间的材料相关联的另一个额定击穿电压，并且该另一个额定击穿电压大于该第一整流器电路和该第二整流器电路中的该至少一个整流器电路的额定击穿电压。该第一整流器电路和该第二整流器电路中的至少一个包括在该第一电路和该第二电路中的一个中的信号路径中使用的DC阻断电容器，该DC阻断电容器被表征为受额定击穿电压限制。该装置可以进一步包括多个电路，该多个电路包括在电压轨之间呈级联布置的第一电路和第二电路，并且该第一整流器电路和该第二整流器电路中的至少一个分别位于最靠近电压轨中的一个。

在许多相关的和更具体的实施例中，该装置进一步包括前端驱动器电路，该前端驱动器电路向第一电感隔离电路和第二电感隔离电路提供至少一个AC信号。该前端驱动器电路可以包括一个或多个DC-AC逆变器电路，该一个或多个DC-AC逆变器电路将对应于输入电压的至少一个DC输入信号反转为至少一个AC信号，并经由该至少一个AC信号来驱动该第一电感隔离电路和该第二电感隔离电路。在其他实施例中，前端驱动器电路包括一个或多个AC-AC逆变器电路，该一个或多个AC-AC逆变器电路将对应于第一频率(和输入电压)的至少一个AC输入信号反转为对应于第二频率的至少一个AC信号，并经由该第二频率处的该至少一个AC信号来驱动该第一电感隔离电路和该第二电感隔离电路。

一个或多个实施例针对涉及计算机断层扫描(CT)扫描仪机架和具有诸如旋转机架构件的高速旋转构件(例如，离心式设备)的其他设备的系统和/或方法。该CT扫描仪涉及上文所描述的功率转换器。该CT扫描仪基于功率转换电路及其重量来设计和/或配置，这允许更快的旋转速度，其上限速度至少部分地受到用于向其提供功率的功率转换电路的限制。例如，该CT扫描仪的总体规格及其重量与机架旋转的特定旋转速度相关联。更快的旋转速度与更短的输出电压上升和下降相结合可以导致减少对患者的辐射暴露，因为更快的旋转速度使患者以较短的时间段暴露于辐射(例如，局部辐射)。

一个或多个其他实施例针对一种机器，该机器涉及具有上文所描述的功率转换电路的行波管(TWT)雷达电源。功率转换电路可以减小整个系统的尺寸，从而允许在移动应用中使用更强大的雷达系统，或者将此类雷达放置在较小的车辆(例如，无人机，汽车等)上，此类的车辆曾经由于系统尺寸和重量而过大。例如，机器的重量取决于与用于向用于提供静电粘附的电路供电的功率转换电路相关联的重量。

如本领域普通技术人员可以理解的，实施例不限于以上列出的系统和/或方法。涉及上述功率转换的其他示例系统和/或方法可以包括静电喷雾器、电动流体动力推进系统、高功率激光电源、泰瑟枪(taser)、粒子加速器、等离子体发生器、电容器充电和臭氧生成等其他类型的系统和/或方法。一些实施例包括或涉及一种医疗系统(例如，X射线发射机)，该医疗系统包括能够向患者递送基于电压的辐射剂量的机架，该医疗系统被设计/配置为被配置为高速旋转的机架，至少部分由于功率转换电路而限制其上限速度，其中该辐射剂量至少部分地由机架的上限速度指定。其他实施例包括或涉及离子源机器(例如，X射线发射机、直线加速器、用于炸弹检测的中子发生器、被配置为用于石油测井和地质勘探的钻孔/成像的钻头/系统)包括基于电压的构件或基于电压的机架，该离子源机器被配置和布置为便携式机器的移动性，并且其中该便携式机器的重量取决于与用于实现基于电压的构件或基于电压的机架的旋转的功率转换电路相关联的重量。附加实施例包括或涉及被配置为提供静电附着力的机器，其中，该机器的重量取决于与用于向用于提供静电粘附的电路供电的功率转换电路相关联的重量。

如本文进一步描述的，上述装置可以用于实现用于转换功率的多种方法。

现在转到附图，图1示出了根据本公开的各种实施例的涉及功率转换的装置的示例。如图所示，该装置包括前端驱动器电路102、第一电路和第二电路(如下文进一步描述的)和输出电路112。在各种实施例中，该装置包括功率转换器，该功率转换器包括呈级联布置的逆变器电路、电感隔离电路和整流器电路。如本文进一步所描述的，该第一电路和该第二电路分别包括电感隔离电路104、108和整流器电路106、110。

前端驱动器电路102将振荡信号(诸如一个或多个AC信号)呈现给电感隔离电路104、108。在具体实施例中，前端驱动器电路102包括将对应于输入电压的至少一个DC输入信号(例如，V

第一电路和第二电路中的每一个包括各自的电感隔离电路104、108和整流器电路106、110。例如，第一电路包括第一电感隔离电路104和第一整流器电路106，第一电感隔离电路104响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动。第一整流器电路106通过在第一对输出端子处输出第一整流信号来响应该第一电感隔离电路104。第二电路包括第二电感隔离电路108和第二整流器电路110，第二电感隔离电路108响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动，第二整流器电路110通过在第二对输出端子处输出第二整流信号来响应第二电感隔离电路108。如本文进一步示出的，第一整流器电路和/或第二整流器电路106、110包括一个或多个DC阻断电容器，该一个或多个DC阻断电容器在第一电路和第二电路中的一个中的信号路径中、在电感隔离电路104和/或108的输出端子与整流器电路106和/或110中的二极管之间使用。例如，第一和/或第二整流器电路106、110被配置为DE类整流器。在此类实施例中，第一电路和/或第二电路被表征为受额定击穿电压限制，该额定击穿电压可以与DC阻断电容器相关联。如可以理解和本文进一步描述的，电容器可以具有定义电容器的击穿的额定击穿电压。

第一和第二电感隔离电路104、108包括变压器，诸如空芯变压器。第一和第二电感隔离电路104、108中的一个或多个与另一个击穿电压相关联，该另一个击穿电压大于第一和第二整流器电路106、110的至少一个整流器电路的额定击穿电压和/或限定了被包括在第一和第二电感隔离电路104、108中的电路的最小总击穿电压。

整流器电路可以呈级联布置，并且输出电路112实现或提供整流器电路106、110之间的级联连接。如本文所使用的，输出电路112包括或是指用于实现整流器电路的级联连接的至少导线。例如，输出电路112在电压源端子之间提供DC输出电压信号，并且通过该诸对输出端子中的一对输出端子中的一个输出端子作为对该诸对输出端子中的另一对输出端子中的一个输出端子的供应源来级联包括第一整流信号和第二整流信号的多个信号。电压源端子提供取决于第一整流信号和第二整流信号并且大于第一整流器电路和第二整流器电路中的至少一个整流器电路的额定击穿电压的电压源。如本文进一步描述的，整流器电路106、110中的至少一个可在相关联的整流信号中递送大于第一整流器电路和第二整流器电路中的至少一个整流器电路的额定击穿电压两倍的DC输出电压信号。

在具体实施例中，整流器电路106、110中的每一个是经由输出电路112连接的多个整流器级中的一个。例如，输入端子是并联的，而输出端子是串联的。尽管图1的实施例示出了两个级(例如，两个整流器)，但是实施例并不限于此。例如，装置可以进一步包括具有与第一和第二整流器电路106、110级联的输出的附加整流器电路。整流器电路中的每一个都包括或被配置为DE类整流器，与输入电压DC隔离，和/或额定电压不低于300伏。作为更具体的示例，该装置可以包括至少一个附加电路，该至少一个附加电路包括第三电路，该第三电路具有响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动的第三电感隔离电路并且包括通过在第三对输出端子处输出第三整流信号来响应该第三电感隔离电路的第三整流器电路。输出电路112在电压源端子之间提供DC输出电压信号，并且通过将第一、第二和第三对输出端子中的所选的输出端子耦合为级联供应源来将包括第一、第二和第三整流信号的多个信号级联，其中该第一、第二和第三电压源端子共同布置以提供取决于该第一、第二和第三整流信号并且大于额定击穿电压的电压源。

尽管图1的实施例示出了包括前端驱动器电路102的装置，但是实施例不限于此。例如，装置可以包括用于响应于与输入电压信号相关联的至少一个AC信号来提供DC电压的DC功率源。DC功率源包括上述第一电路(例如，第一电感隔离电路104和第一整流器电路106)、第二电路(例如，第二电感隔离电路108和第二整流器电路)以及输出电路112，如先前通过图1所描述和示出的。

上述装置可以包括功率转换器，该功率转换器包括具有电感隔离的一个或多个整流器电路，该电感隔离打破了由电容器额定电压设定的限制。空芯变压器的使用增强了对变压器绕组之间材料的击穿电压的DC电压阻断能力。此外，这些整流器级的并联连接实现了充足的上升时间，使电路适合于需要脉冲DC电压的系统。

图2A-图2B示出了根据本公开的各种实施例的涉及功率转换的装置的另一个示例。与图1所示的类似，图2A所示的装置包括逆变器电路220、电感隔离电路222和多个整流器电路224-1、224-2...224-N(为了易于参考，在本文中称为“整流器电路224”)。

整流器电路224可以被布置为多级DE类整流器。各个整流器电路224经由输出电路连接，该输出电路并联连接整流器的输入端子(或端口)并且串联连接输出端子(或端口)，从而将电流从输入同时地递送到整流器电路224中的每一个。因此，整流器电路呈级联布置。该装置可以包括多个电路，包括图1所示的在电压轨之间呈级联布置的第一电路和第二电路。至少所述电路分别位于最靠近电压轨，并且在一些实施例中，所有电路可以包括具有至少一个DC阻断电容器的DE类整流器，该DE类整流器被耦合到用于提供进一步隔离的空芯变压器。在具体实施例中，堆叠中的整流器电路可以具有并联连接的输入端口/端子和串联连接的输出端子(例如，经由输出电路)。

图2B示出了具有输出电路的DE类整流器224-2的示例。如图所示，DE类整流器包括一个或多个DC阻断电容器，当整流器电路224输出DC输出电压信号时，该一个或多个DC阻断电容器隔离整流器二极管。更具体地，(多个)DC阻断电容器在第一电路和第二电路中的一个或多个中的信号路径中、在电感隔离电路的输出端子和整流器电路中的二极管之间使用。由于整流器二极管和输出端子与输入DC隔离，因此整流器的多个单元被堆叠，使得整流器输出端子串联并用于提供特定的电压输出。在一些实施例中，二十个300V整流器被堆叠并用于提供6kV的电压输出，但实施例不限于此。如前文所描述的，DC阻断电容器由额定击穿电压表征。

根据各种实施例，级联的整流器级的数量不受在级中的一个或多个级处(诸如在顶部和底部级处)的DC阻断电容器的额定击穿电压的限制，因此功率转换器的输出电压可以超过一个或多个整流器电路224的相应的电容器的额定击穿电压的两倍。在具体实施例中，包括上述的那些实施例，由于电感隔离电路222提供了附加DC隔离，所以输出电压V

电压应力

电压应力

作为具体示例，假设图2B中的DC阻断电容器分别额定承受+5kV和-5kV。在不使用由图2A的电感隔离电路222提供的进一步的DC隔离的情况下，无论连接了多少个整流器级，在5kV或更大的电压应力下不操作顶部和底部整流器的电容器时，该多级整流器的总输出电压不可能超过10kV。由电感隔离电路222提供的附加DC隔离通过将多级DE类整流器的多个单元级联而允许该多级整流器超过10kV。使用该配置，提供了高输出电压(例如，大于电容器额定击穿电压的两倍)。现在，可实现电压的限制是变压器的主级绕组和次级绕组之间的电感隔离屏障的击穿电压。在具体实施例中，可实现电压(例如，DC输出电压信号)大于额定击穿电压的两倍、三倍、四倍、五倍、六倍或更多倍。

根据上述各种实施例，该装置可以用于实现各种方法。一种示例方法包括：从DC电压输入信号提供至少一个AC信号，以及并联使用第一电路和第二电路，每一个电路都提供电感隔离并且每一个电路响应于来自至少一个AC信号的功率而被驱动，并且每一个电路响应于该电感隔离通过在相关联的一对输出端子处输出整流信号而整流。如前文所描述的，各个整流器电路经由输出电路连接，该输出电路并联连接整流器的输入端子并且串联连接输出端子。与第一电路和第二电路中的至少一个相关联的整流与被表征为受额定击穿电压限制的电路相关联。该方法进一步包括通过级联包括(例如，第一和第二)整流信号的多个信号来在电压源端子之间提供DC输出电压信号，其中该DC输出电压信号取决于该整流信号并且大于该额定击穿电压。

附加地，上文所描述的装置可以用于各种应用中，诸如各种系统、装置和/或方法。一些示例系统、装置和/或方法包括静电除尘器(ESP)，用于机场安全、条例和爆炸物检测的X射线源和中子发生器、以及医疗设备(诸如牙科X射线或计算机断层扫描(CT)扫描仪)。

作为具体示例，ESP是一种空气过滤设备，它使用高压对灰尘粒子进行静电充电以随后将灰尘粒子清除。ESP表示了室内空气污染问题的可行解决方案，室内空气污染问题每年造成430万人死亡。使用根据各种实施例的功率转换器的ESP设计可以占用更小的空间和/或需要更低的高功率电力供应，允许ESP在发展中国家的农村地区的小型化和利用。

CT扫描仪包括另一个具体示例。为了获取人体的图像，CT扫描仪使用从高电场产生的X射线。CT扫描会给患者带来潜在的有害的辐射暴露。尽管可以通过快速脉冲X射线源来降低辐射水平，但是使用根据各种实施例的功率转换器的CT扫描仪可以提供足够快的上升和下降时间(例如，10到100us)。此类示例CT扫描仪可以随着扫描仪旋转得更快而减少每个患者在临床设置中所需的CT扫描时间，并且还减少了旋转部件上的机械应力。在此类实施例中，减小了安装在其上的电子设备的重量和尺寸，这允许系统更快地旋转并减少了扫描时间。

另一个具体示例包括电流体动力学(EHD)离子推进飞机。EHD离子推进飞机是一种新兴的航空航天应用，其推力通过多个电极对将空气分子电离来产生。EHD可以潜在地导致静音无人驾驶飞行器，这在军事环境中可以被证明是有用的。为了实现这一点，使用的电源足够轻到可以飞行，但同时可以为飞机提供数百瓦的功率和接近100kV的电压。

其他系统、装置和/或方法可以包括在使用X射线、离子和中子源的安全扫描仪中使用的高功率电子设备。此类扫描仪可以用于机场、边境、检查站等的货运检查。如果被制成手持式设备，则此类扫描仪对于炸弹处理技术人员或执法人员(诸如边境安全员)可以很有用。高性能中子发生器也可以使石油行业受益，因为它们广泛用于石油测井操作中。

实施例不限于此，并且可以包括与小型、轻量和快速瞬态响应高压功率(例如，DC-DC)转换器和/或其方法有关的各种应用。

如上文所描述的，各种实施例针对涉及功率转换的装置。在具体实施例中，该装置具有多个堆叠整流器电路(例如，串联的多级DE整流器，诸如图2B所示的300V DE类谐振整流器)。该装置可以包括空芯变压器，该空芯变压器用作附加DC隔离屏障。如上文所描述的，并且如下面的临时附录的附录A进一步所示，图2B示出了具有电容性DC隔离的示例300V DE类谐振整流器，该DE类谐振整流器可以在高压发电机中使用。由于整流器二极管和输出端子与输入是DC隔离的，因此可以堆叠300V整流器的多个单元(例如，20个单元)，如附录A的图2B和图1b所示，以产生6kV的电压输出。使用如图2A所示的示例装置，可以生成高输出电压，因为可实现电压的限制现在是变压器的主级绕组和次级绕组之间的电感隔离屏障的击穿电压。

在各种具体实施例中，如本文所描述的，该装置可以包括逆变器电路，将DC输入转换为高频AC电压。该装置可以包括为DC-AC级实现的全桥谐振逆变器。各种实施例针对具有逆变器电路、多个堆叠整流器电路和变压器电路的装置。图4A以及附录A的图3a-图3d进一步示出了PCB变压器设计的示例。

各种实验实施例针对具有电感隔离的多级DE类整流器结构。高频操作允许输出电压的快速瞬态响应。使用具有高DC电压阻断能力的空芯PCB变压器的输入并联输出串联结构，导致高的DC-DC转换器的可实现输出电压。在1.25MHz开关频率下，60V-6kV DC-DC转换器被证明能够向负载递送36W的功率，并且多级配置中的高增益DC-DC转换器向负载递送35kV的电压和203瓦特(W)的功率，同时保持73％的效率，并且可以以296微秒(μs)上升时间来脉冲输出。

图3示出了根据本发明的各种实施例的装置的示例前端驱动器电路。如先前所描述的，前端驱动器电路330向第一电感隔离电路和第二电感隔离电路提供至少一个AC信号，从而驱动相应的第一电感隔离电路和第二电感隔离电路。如先前所描述的，前端驱动器电路330可以包括一个或多个DC-AC逆变器电路或一个或多个AC-AC逆变器电路。

如图3的具体示例所示，前端驱动器电路330包括DC-AC逆变器，该DC-AC逆变器使用栅极驱动器(例如，栅极信号发生器)331和功率级333将DC输入转换为高频AC电压。DC-AC逆变器耦合到电感隔离电路335的至少一部分，本文称该部分为“主级侧”。

如图3所示，DC-AC逆变器是用于DC-AC级的全桥谐振逆变器。由于DC输入V

图4A-图4C示出了根据本发明的各种实施例的装置的示例电感隔离电路。更具体地，图4A示出了用于主级侧绕组(例如，前端驱动器侧)和次级侧绕组(例如，整流器侧)两者的变压器的示例PCB布局450。如可以理解的，变压器可以是耦合线圈模型。该变压器包括提供电感隔离的空芯平面PCB变压器。逆变器侧上的主级绕组和整流器侧上的次级绕组二者的PCB布局都包括顶部铜、底部铜和过孔。基本暂定的附录A的表II列出了变压器布局的几何参数。

如图4A所示，变压器的具体横截面视图示出了3mil(密耳)-(76.2μm-)厚的卡普顿(Kapton)片材的放置，卡普顿片材中的每一个的额定介电强度为4.5kV/mil。在具体的实验实施例中，如本文进一步描述的，在两个变压器绕组之间使用四片3mil(76.2μm)卡普顿片材，以提供54kV的DC阻断能力。顶部的前两个卡普顿片材覆盖整流器的底部侧，以防止或减轻DC-DC转换器堆叠时整流器之间的电弧。类似地，底部的两个卡普顿片材被弯折以覆盖逆变器的底侧，以在多级配置下在逆变器和DC-DC转换器的主级绕组之间提供DC阻断。两盎司的铜(71微米)可以用于迹线实现。一般地，使用较厚的铜，因为变压器绕组在兆赫频率下的AC电阻与铜厚度成反比。这是因为电流在高频下聚集朝向铜迹线的内侧。

在具体的实验实施例中，电路板和卡普顿片材通过尼龙螺钉和螺母固定在一起。为防止或减轻电弧通过螺孔，该螺孔填充有高压绝缘涂层。通过遵循这种设计，可以获得Lp＝7:1μH、Ls＝99:7μH以及k＝0:87的变压器。图4B示出了该耦合电感器模型，并且图4C示出了变压器的等效漏感和磁化电感模型。

图5A-图5B示出了根据本发明的各种实施例的装置的多级整流器的实验示例。更具体地，图5A-5B示出了用于6kV DC输出的20级级联DE类整流器的示例。图5A是PCB布局，并且图5B是来自实验实施例的图片。图5A-图5B所示的20级级联DE类整流器包括DC阻断电容器，诸如先前由图2B所示的C

各种实验实施例针对60V-6kV功率转换器、60V-24kV功率转换器、60V-30kV功率转换器和60V-35kV功率转换器。整流器可以是单级或多级级联的。在具体实验实施例中，60V-6kV功率转换器可以是6英寸×2英寸(例如，15cm×5cm)的。60V-35kV DC-DC转换器是通过堆叠六个60V-6kV DC-DC转换器来实现的，并且有多级级联的转换器。

在各种实施例中，60V-射频(RF)逆变器、变压器和先前所描述的用于制造60V-6kV的DC-DC转换器的RF-6kV整流器被组合。螺孔可以施加绝缘漆。

附加地，多个60V-6kV DC-DC转换器可以堆叠在多级配置中。可以堆叠四级至六级的DC-DC转换器。多个单元的6kV整流器串联连接，并且60V逆变器并联连接。六级转换器的示例实验尺寸在宽度、长度和高度上分别为8英寸×2.5英寸×2英寸(20cm×6cm×5cm)。转换器的重量是188g，但实施例不受限于此。

各种实验实施例涉及连接到被测试的DC-DC功率转换器的电源、探针和示波器。由于实验涉及数十kV范围中的高压，因此要特别注意确保实验人员不暴露于任何电气或物理危害。高压DC-DC转换器和负载通过接地法拉第笼与附近水管短路。此外，在实验人员和高压转换器之间设置了亚克力片材，以防止发生灾难性故障(未必发生)时飞溅的火花或碎片可能造成的伤害。使用可以测量高达±15kV的电压的差分探针(型号CT4079；由Elditest制造)。由于探针的额定电压的限制，使用电阻链的一个或两个电阻单元的电压测量(每一个电阻单元为1M)。所测量的电压按分压比成比例放大，以估计施加到电阻链上的端到端电压。

图6A-图6C示出了根据本公开的各种实施例的功率转换器的示例实验结果。更具体地，图6A-图6C示出了60V-6kV的DC-DC功率转换器的实验结果。尽管转换器的输出电压在0.9MHz-1MHz的开关频率范围内达到峰值，但仍使用1.25MHz的开关频率，以便同时获得相当高的输出电压和快速的上升时间。使用6.1kV输出电压，37W的功率被递送给用于负载的1M电阻。

图6A示出了在6kV和36W输出下DC-DC功率转换器连续操作三分钟之后的变压器的热图像。更具体地，所示图像是60V-6kV的DC-DC功率转换器的图像。平面PCB变压器的温度在整个操作过程中缓慢但稳定地升高，并且在连续操作三分钟后达到155摄氏度(C)，此时关闭转换器以免损坏变压器。在具体实验实施例中，使用具有额定130摄氏度的Tg的FR4板。

图6B示出了在转换器接通时刻的输出电压和逆变器半桥输出的波形，从该波形中测量到10％到90％的上升时间为135μs。所示出的波形包括转换器接通时的输出电压660(蓝色)和逆变器半桥输出661(黄色)，其中水平刻度为50μs/div并且垂直刻度为1kV/div。图6C示出了转换器的0-6kV脉冲操作，例如，示出了转换器的脉冲操作。稳态输出电压为6.08kv，并且DC-DC效率为81％。

各种实施例针对多级配置中的60V-24kV、60V-20kV和60V-35kV的DC-DC转换器。在此类实验实施例中，堆叠的DC-DC转换器单元的数量从4个到6个不等，并且测量每一个配置的性能。

图7A-图7D示出了根据本公开的各种实施例的另一个功率转换器的示例实验结果。更具体地，图7A-图7D示出了四级、五级和六级级联转换器的输出电压波形，从中测量稳态时的输出电压分别为23.9kV、30.4kV和35.0kV。图7A示出了四级60V-24kV的DC-DC转换器的脉冲操作。水平刻度为500μs/div，并且垂直刻度为4kV/div(屏幕上电压按2:1比例缩小)。图7B示出了五级60V-30kV的DC-DC转换器的脉冲操作。水平刻度为500μs/div，并且垂直刻度为5kV/div(屏幕上电压按5:1比例缩小)。图7C示出了六级60V-35kV的DC-DC转换器的接通时刻。水平刻度为100μs/div，并且垂直刻度为6kV/div(屏幕上电压按3:1比例缩小)。图7B示出了六级60V-35kV的DC-DC转换器的脉冲操作。水平和垂直刻度与图7C中的相同。

图8A-图8B示出了根据本公开的各种实施例的另一个功率转换器的示例实验性能结果。更具体地，图8A-图8B示出了在不同数量的6kV单元堆叠时DC-DC转换器的性能变化，其中图8A示出了效率变化，并且图8B示出了10％到90％的上升时间变化。效率趋于随着堆叠单元的数量而降低，从单个6kV单元中的82％下降到六级配置中的73％。这种效率下降的可能原因中的一个可能是这些多个变压器的紧密堆叠导致变压器绕组中的高频电流分布与单级情况不同，并且这增加了规划者PCB变压器的传导损耗。转换器的上升时间趋于随堆叠单元的数量而增加，从单个单元中的135μs增加到级联的6个单元中的296μs。这种增加主要归因于变压器主级绕组和次级绕组之间的杂散电容，在接通时该杂散电容充电到DC-DC转换器输出的电压的一半。

如先前所描述的，上述装置可以在各种系统或者其他设备中实现。示例系统包括CT扫描仪机架、离子源(例如，用于医疗成像的X射线源、直线加速器、用于炸弹检测的中子发生器、用于石油测井和地质勘探的钻头成像)、静电粘附(例如，能够实现静电粘附应用(诸如材料处理、机器人夹持器和无人机停留)的便携式高压电源)、TWT电源、静电过滤器、静电喷雾器(例如，在涂层应用中使用大电场电离粒子以获得粘附)、电流体动力推进(例如，利用大电场使空气电离并加速以产生航空推进力)、高功率激光电源、泰瑟枪、粒子加速度计、等离子体发生器(例如，用于在空气动力学应用中控制表面、修改气流)、电容器充电和臭氧生成。

图9示出了根据各种实施例的具有装置的CT扫描仪机架的示例。CT扫描仪机架970包括构成高压发电机972的一部分的上述装置中的一个或多个。使用上述功率转换装置的CT扫描仪机架的尺寸和重量小于其他解决方案的尺寸和重量，并且允许机架的更快旋转971。更快旋转导致对患者的辐射剂量减小。根据各种实施例，使用CT扫描仪机架970可以导致对患者的较低辐射剂量。

图10示出了根据各种实施例的示例行波管(TWT)雷达电源。使用上述装置1080的TWT雷达电源可以具有减小的尺寸，这使得更强大的雷达系统可以用于移动应用中，或者将此类雷达安装在较小的车辆(例如，无人机、汽车等)上，这些车辆曾经由于系统的尺寸和重量而过大。装置1080包括TWT 1081和HV电源1082，该HV电源1082包括上文所描述的功率转换器。

本文的实施例不限于如图9-图10所示的具体示例系统和/或方法以及附录B和附录C示出了根据各种具体实施例的涉及功率转换并且可以在其中使用的示例系统和/或方法。

如本文所描述的，各种实验实施例针对具有电感隔离的多级DE类整流器电路。高频操作可以允许输出电压的快速瞬态响应。使用具有高DC电压阻断能力的空芯PCB变压器的输入并联输出串联结构，导致高的DC-DC转换器的输出电压。具体实验实施例说明了在1.25MHz开关频率下，60V到6kV的DC-DC转换器可以向负载递送36W的功率，并且多级配置中的高增益DC-DC转换器可以向负载递送35kV的电压和203W的功率，同时保持73％的效率，并且可以以296μs的上升时间来脉冲输出。

根据2018年3月7日提交的题为“涉及包括多级整流器的功率转换器的装置和方法的基础临时申请(Apparatuses and Methods Involving a Power Converter thatincludes a Multi-stage Rectifier)”(序列号No.62/639,865)以及三个附录来实现各种实施例，本申请要求该临时申请的权益，并且该临时申请通过引用整体并入本文。例如，本文和/或临时申请中的实施例(包括其中的附录)可以不同程度(包括全部地)进行组合。也可以参考基础临时申请中提供的实验教导和基础参考，包括构成临时申请的一部分的附录。除非特别说明，否则附录中所讨论的实施例不旨在以任何方式限制于总体技术公开，或限制于所要求保护的发明的任何部分。

基本临时申请的附录因其一般和具体教导通过引用整体并入本文。题为“使用多级DE类整流器的60V-35kV并联输入串联输出DC-DC转换器(60V-to-35kV Input-ParallelOutput-Series DC-DC Converter Using Multi-Level Class-DE Rectifiers)”的附录A大致且具体描述了本文所示出的各种功率转换器、整流器、多级整流器堆叠、逆变器和使用方法。题为“用于DE类整流器的多级级联的具有电感隔离的高压高增益DC-DC转换器(High-Voltage High-Gain DC-DC Converter with Inductive Isolation for Multi-LevelCascade of Class-DE Rectifiers)”的附录B大致和具体地描述了本文所示出的功率转换器的应用。题为“高压发电机(High Voltage Generator)”的附录C大致且具体地描述了功率转换器的用途和应用，该功率转换器包括本文所示出的高压发电机。这些文档通过引用它们的教导(包括其中引用的背景参考文献，并且公开了有益于本公开的方面的应用)整体并入本文，从而大致且具体地针对本文中所描述和所示出的结构、过程、方法和用途。

可以实现各种框、模块或其他电路以执行本文所描述和/或附图中所示出的一个或多个操作和活动。在这些上下文中，“框”(有时也称为“逻辑电路”或“模块”)是执行这些或相关操作/活动中的一个或多个(例如，如图1所示的一个或多个框或电路部件所描绘的)。例如，在上文讨论的某些实施例中，一个或多个模块是离散逻辑电路或可编程逻辑电路，其被配置和布置为实现这些操作/活动，如图1所示的电路模块所示。在某些实施例中，此类可编程电路是被编程以执行一组(或多组)指令(和/或配置数据)的一个或多个计算机电路。指令(和/或配置数据)可以是存储在存储器(电路)中并可从存储器(电路)访问的固件或软件的形式。例如，第一模块和第二模块包括基于CPU硬件的电路和固件形式的指令组的组合，其中第一模块包括具有一组指令的第一CPU硬件电路，并且第二模块包括具有另一组指令的第二CPU硬件电路。

某些实施例针对计算机程序产品(例如，非易失性存储设备)，其包括存储在其上的指令的机器或计算机可读介质，其上存储有可由计算机(或其他电子设备)执行以执行这些操作/活动的指令。

基于上述讨论和图示，本领域技术人员将容易地认识到，可以对各种实施例进行各种修改和改变，而不严格遵循本文所示和描述的示例性实施例和应用。例如，可以如本文所讨论地实现各种成像处理电路。另外，本文所描述的各种实施例可以在某些实施例中组合，并且各个实施例的各个方面可以被实现为单独的实施例。这种修改并不背离本公开的各个方面的真实精神和范围，包括权利要求中所述的方面。