基于多IGBT串并联结构的高压脉冲调制器及其控制方法与流程

本发明属于脉冲功率与高压电力电子，具体为一种多igbt串并联固态高压脉冲调制器及其控制方法，适用于粒子加速器、雷达发射系统、医疗放疗设备、工业等离子加热装置中大功率微波电子管驱动。

背景技术：

1、高压脉冲调制器是速调管、行波管、磁控管等大功率微波电子管的核心供电设备，广泛应用于高能粒子加速器、脉冲雷达、肿瘤放疗直线加速器、工业射频加热等重大装备领域。早期脉冲调制器多采用真空闸流管、氢闸流管作为主开关器件，存在寿命短、触发抖动大、脉冲幅值调节范围窄、维护成本高等缺陷；随着宽禁带、大功率半导体器件迭代，以igbt为核心的全固态高压脉冲调制器逐步替代真空管方案，成为行业主流发展方向。

2、受单只igbt芯片耐压、通流能力限制，单管或少量igbt串联拓扑仅能实现数十千伏脉冲输出，无法满足120kv及以上超高脉冲电压、80a以上脉冲大电流的大功率装备需求。为此现有技术提出多igbt串联、多支路并联的复合拓扑方案，以此提升整机耐压与峰值输出电流，但该类拓扑在工程落地层面仍存在多项难以兼顾的技术瓶颈，仍存在多项技术缺陷：

3、串联igbt动态均压性能差：仅依靠静态均压电阻分压，缺少动态缓冲网络；各支路驱动信号传输延时不一致，开关暂态分压失衡，器件易瞬时过压击穿。常规低压侧补偿均压方案隔离结构复杂，无法适配百千伏绝缘工况。

4、高压侧隔离驱动可靠性不足：光纤直驱输出驱动功率不足，多路隔离电源驱动易受高压脉冲电磁干扰，驱动波形畸变；单级脉冲变压器隔离架构无法同时满足毫秒级脉冲平顶与百千伏绝缘耐压要求。

5、散热系统换热能力不足：低压回路风冷散热功率上限低；高压器件仅依靠油浸自然冷却，发热器件集中布置形成局部热堆积，无独立油水循环换热结构与多点测温机制，无法支撑设备长期满负荷连续运行。

6、故障保护响应速度慢、抗干扰能力弱：负载打火短路时冲击电流幅值高，传统保护电路采用普通运放、有线采样传输，响应时间大于10μs，无法实现极速关断；采样回路与驱动回路无完整电气隔离，电磁干扰易造成保护误触发或拒触发，过流、过压、超温保护无统一光纤隔离联动架构。

7、高压绝缘与电磁兼容性能不足：高压电场未做均压处理，易产生电晕放电；高压器件分散布置，电磁辐射干扰采样与控制电路；监测元件缺少高压绝缘封装，难以直接采集高压侧多路电压、电流、温度参数，监测稳定性差。

8、综上，现有多igbt串并联高压脉冲调制器无法同时实现120kv及以上脉冲电压、80a及以上脉冲电流稳定输出，在动态均压、隔离驱动、高效散热、高速隔离保护、高压绝缘监测方面存在系统性技术缺陷，难以满足加速器、医疗、雷达等设备长期连续运行工况要求。

技术实现思路

1、针对现有多igbt串并联高压脉冲调制器存在串联开关动态均压失衡、高压隔离驱动稳定性差、散热换热效率低、故障保护响应迟缓、高压绝缘与电磁兼容性能不足的技术缺陷，本发明旨在提供一种基于多igbt串并联结构的高压脉冲调制器及其控制方法。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种基于多igbt串并联结构的高压脉冲调制器，用于驱动速调管、行波管、磁控管类高频大功率电子管，包括高压调制开关组件、控制组件、散热组件、保护组件以及监测组件；

3、所述高压调制开关组件采用多支路并联、每支路多只igbt串联的串并联复合拓扑，各igbt支路均配置动态均压缓冲网络，依靠多管串并联提升整机耐压与通流能力；

4、所述控制组件采用两级隔离脉冲变压器驱动架构，包含光电转换单元、时序触发单元、波形校正单元、推挽驱动单元；外部触发光信号经光电转换后与高频载波信号叠加生成驱动波形，经两级脉冲变压器隔离传输至高压侧igbt驱动电路，经整流后生成igbt开关驱动电平；

5、所述散热组件区分低压风冷散热单元与高压油浸式循环换热单元；低压风冷散热单元对控制回路低压功率器件强制风冷；高压油浸式循环换热单元设置密封绝缘油箱，高压功率器件浸没于绝缘导热油内，配套油循环机构与油水换热机构，通过油-水热交换持续带走高压器件热量，油箱内多点布设测温点位实现全域均温管控；

6、所述保护组件集成过流打火保护子模块、过压保护子模块、超温保护子模块，各保护子模块均设置高速信号放大单元、电气隔离单元、光纤信号传输链路；分别通过电流采样回路、高压分压采样回路、温度传感回路采集对应工况信号，故障信号以光信号隔离传输，故障响应速度控制在4μs以内，故障状态下同步切断全部igbt驱动信号；

7、所述监测组件配置高压脉冲电压采集单元、脉冲电流采集单元、多点温度采集单元，各采集单元均具备高压绝缘采样能力，实时采集并上传脉冲电压、脉冲电流、多点油温监测数据至控制组件形成闭环监测。

8、优选地，所述高压调制开关组件外部设置高压均压环用于均衡高压电场；每路串联igbt支路配置分压电阻、限流电感构成动态均压缓冲网络，消除串联igbt开关过程动态分压失衡；整机高压绝缘结构耐压满足120kv脉冲绝缘要求。

9、优选地，所述控制组件内设逻辑叠加单元，将外部触发脉冲与高频载波方波时序叠加，经波形校正单元统一校正驱动波形后输出推挽驱动信号；两级脉冲变压器消除高低压电位耦合，保证所有igbt支路驱动信号传输延迟一致，适配毫秒级脉冲平顶输出工况。

10、优选地，所述高压油浸式循环换热单元采用绝缘耐压管路连通油循环机构与油水换热机构，换热管路具备整机额定脉冲高压隔离能力；igbt模组采用模块化均匀排布结构布置于油箱内部，增大器件散热接触面积，抑制局部热堆积。

11、优选地，各保护子模块统一采用“采样放大-电气隔离-光纤传输”信号通路架构；故障关断信号、系统复位信号均通过光纤收发链路以光信号传输，强弱电完全隔离，规避高压脉冲电磁干扰引发保护误触发。

12、优选地，所述监测组件内电流采样元件、高压分压采样元件、温度传感元件均做高压绝缘封装；电压采集单元带宽覆盖直流至射频频段，同时采集主回路脉冲大电流与电子管灯丝工频电流，多路温度传感元件分散布置于油箱不同区域实现全域温度采集。

13、优选地，整机高压功率回路全部封闭油浸布置，配合均压环、缓冲吸收网络抑制脉冲放电电磁辐射；高压开关、限流电感、分压电阻、灯丝变压器集成于密封油箱内部，降低整机对外电磁干扰，适配粒子加速器、雷达、医疗大功率高压设备电磁环境。

14、本发明还提供应用于上述高压脉冲调制器的控制方法，包括如下步骤：

15、s1、同步隔离驱动控制步骤：外部触发光信号经光电转换后与高频载波信号叠加、波形校正，生成对称驱动脉冲；通过两级隔离脉冲变压器将驱动信号隔离传输至高压侧，整流后输出同步驱动电平，同步控制多支路串并联igbt统一导通关断；

16、s2、高低压协同散热控制步骤：低压控制回路采用持续强制风冷散热；高压侧通过油循环机构抽取油箱导热油送入油水换热机构换热降温后回流油箱；多点温度传感元件实时采集油箱全域温度，温度数据上传至控制组件，超温时联动触发保护逻辑；

17、s3、多通道高速光纤故障保护步骤：分别实时采集主回路电流、直流高压、油箱温度三类工况信号，经高速放大、电气隔离后转换为光故障信号；一旦检测到过流打火、过压、超温任意故障，光纤链路快速输出关断信号切断全部igbt驱动；故障消除后接收光纤复位信号恢复调制器正常工作；

18、s4、全域参数闭环监测步骤：高压采集单元、脉冲电流采集单元、多点温度采集单元持续采集脉冲电压、脉冲电流、油箱多点温度数据，全部监测数据实时回传控制组件实现整机工况闭环监控。

19、优选地，步骤s1中各串联igbt支路依靠分压缓冲网络实现静态、动态均压；控制组件输出时序无偏差的同步驱动波形，消除不同igbt支路开关时序差，抑制串联管动态分压不均，稳定输出高压大电流脉冲。

20、优选地，步骤s3配置分级故障保护逻辑：将打火过流故障设为最高优先级快速响应；过压故障与打火故障同步联动关断；超温故障先执行功率降载预警，持续超温再执行整机开关全关断；全部故障信号采用光隔离传输，隔绝高压脉冲对保护回路的电磁干扰。

21、本发明相比现有技术具有下述有益效果：

22、本发明采用多igbt串并联复合拓扑，依靠多管串联提升耐压、多支路并联提升通流，配合动态均压缓冲网络抑制暂态过电压，稳定输出120kv及以上脉冲电压、80a及以上脉冲电流，满足速调管、行波管、磁控管等大功率微波电子管供电需求。

23、本发明两级脉冲变压器隔离驱动架构实现高低压完全电气隔离，外系统触发信号与高频载波叠加校正后同步输出至所有igbt支路，各路驱动信号传输延时一致，无开关时序偏差；无需高压侧多路隔离供电，大幅降低高压脉冲电磁干扰对驱动波形的畸变影响。

24、本发明低压功率器件采用强制风冷散热，高压功率器件浸没于绝缘导热油并配置独立油水循环换热回路，持续带走高压回路集中热量；油箱多点布设温度传感元件，全域监测油温，避免局部热堆积，可支撑设备长时间连续满负荷工作。

25、本发明过流/打火、过压、超温保护通道统一采用高速放大+光耦隔离+光纤光信号传输架构，打火故障保护响应时间≤4μs，可在负载打火短路瞬间快速闭锁全部igbt；强弱电完全隔离，杜绝高压脉冲干扰造成保护误触发、拒触发，多类故障统一联动关断，有效保护开关器件与后端微波电子管负载。

26、本发明整机高压回路全封闭油浸布置，搭配高压均压环均衡高压电场，消除电晕放电隐患；电压、电流、温度采样元件均采用高压绝缘封装，可直接采集高压侧多路运行参数；高压功率器件集中集成于密封油箱，大幅降低对外电磁辐射，适配粒子加速器、雷达、医疗高能设备严苛电磁环境。

27、本发明igbt模组模块化均匀排布，装配、检修便捷；本发明核心拓扑与控制架构可兼容sicmosfet等同类功率开关器件替换，驱动、散热、保护架构无需大幅改动，方案拓展性强。