一种三态离子门驱动电路及驱动方法与流程

本发明属于离子迁移谱与质谱等分析仪器的进样与离子门控，具体为一种用于三态离子门的驱动电路及其驱动方法。

背景技术：

1、离子迁移谱（ims）等仪器普遍采用离子门对连续离子流进行时间选通和截断控制。为了获得更窄的离子片断、更高的分辨率并抑制传统的离子门控制产生的残留与拖尾，提高离子迁移谱的识别效果，除了传统的b-n型离子门、t-p型离子门之外，三栅网三态离子门是一种有效的手段。三态离子门由三个平行设置的栅网组成，为使离子通过和关闭，需要工作于三种状态：正向偏转关断、导通放行，以及反向偏转加速，即控制中间栅网于三种不同的电压状态。为在导通态之外分别施加正、负两种偏转电压，现有技术通常采用两路相互独立的隔离高压脉冲源，如图1所示：第一隔离高压脉冲源（110）产生正向脉冲、第二隔离高压脉冲源（120）产生反向脉冲，二者共同作用于离子门（130）以形成三种状态。

2、上述现有技术存在下列不足。其一，需要两路独立的隔离高压电源、两个功率半桥以及两套隔离，电路复杂、体积与成本高，不利于便携化与手持化。其二，两路脉冲源必须精确同步，任何时序偏差都会在切换瞬间引入不希望的中间电位或直通。其三，每一路脉冲源的开关器件通常需要承受接近全摆幅（即约两倍偏转电压）的电压，对器件耐压提出更高要求。其四，上述方案难于适应正负离子工作模式，只能在单一模式下工作，若需要迁移谱快速切换极性模式，则需要增加两路隔离高压脉冲电路，体积更大，控制更复杂。

3、离子门驱动的工况具有两个显著特点：其一，各状态的驻留时间极不对称——关断态往往长达数十毫秒，而导通态仅数百微秒；其二，离子门在电学上近似为一容性负载，栅电容充满后几乎不再流过持续电流，其电容值在数pf至数十pf之间。因此，需要一种既能以单一电路替代双路隔离高压源、又能在离子门特有工况下稳定维持电压的可靠、简单、低功耗，且能快还在正极性和负极性两种状态快速切换的三态离子门驱动方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是，针对上述问题，提供一种基于悬浮电容三电平拓扑的三态离子门驱动电路及驱动方法，以解决三以简化三态离子门的驱动、降低耐压要求，并在不对称驻留时间与近容性负载的工况下稳定地维持悬浮电容电压，同时还能兼容正、负离子两种工作模式并实现快速极性切换功能。

2、为解决上述发明目的，本发明的技术方案是，一种三态离子门驱动电路，其特征在于：该驱动电路包括有直流隔离高压电源（20）、悬浮电容三电平桥臂（30）、电压平衡电路（40）、离子门控制器（60）及隔离栅驱动电路（61），所述直流隔离高压电源（20）的正极连接正母线（21），直流隔离高压电源（20）的负极连接负母线（22），上母线电容（24）和下母线电容（25）串接后，两端并接于正母线（21）和负母线（22）之间，上母线电容（24）与下母线电容（25）连接处为硬中点m（23），该硬中点（23）连接至离子迁移谱仪漂移管的参考电位抽头，所述悬浮电容三电平桥臂（30）由四个串接开关和一个悬浮电容构成，四个串接开关的两端并接于正母线（21）和负母线（22）之间，开关一（31）与开关二（32）连接点为第一内节点a（36)，开关三（33）与开关四（34）之间的连接点为第二内节点b（37)，悬浮电容（35）跨接于第一内节点a（36）和第二内节点b（37）之间，开关二（32）与开关三（33）之间的连接点为所述悬浮电容三电平桥臂（30）的输出节点（38），该输出节点与离子门（50）电连接，所述电压平衡电路由两个泄放电阻构成，第一泄放电阻（41）设置在所述第一内节点a（36）与所述硬中点（23）之间，第二泄放电阻（42）设置在所述第二内节点b（37）与所述硬中点（23）之间，所述离子门控制器（60）经隔离栅驱动电路（61）分别与开关一（31）、开关二（32）、开关三（33）、开关四（34）电连接，离子门控制器（60）分别与第一内节点a（36）和第二内节点b(37)电连接。

3、在上述技术方案中，所述直流隔离高压电源（20），用于相对于所述离子门所在栅平面的参考电位建立正母线（21）与负母线（22），所述正母线（21）的电位相对所述参考电位为正，所述负母线（22）的电位相对所述参考电位为负；所述硬中点m（23），其电位等于所述参考电位，且位于所述正母线（21）的电位与所述负母线（22）的电位之间；所述悬浮电容三电平桥臂（30），包括在所述正母线（21）与所述负母线（22）之间依次串联的第一开关（31）、第二开关（32）、第三开关（33）和第四开关（34），连接在所述第一开关（31）与第二开关（32）之间的第一内节点a（36）和所述第三开关（33）与第四开关（34）之间的第二内节点b（37）之间的悬浮电容（35），以及引出自所述第二开关（32）与第三开关（33）之间的输出节点（38），所述输出节点（38）与所述离子门（50）电连接；其中，所述悬浮电容（35）两端的电压被维持为所述正母线（21）与所述负母线（22）之间电压的一半；所述离子门控制器（60）经隔离栅驱动电路（61）控制所述第一开关（31）至第四开关（34）的通断，使所述输出节点（38）在等于所述正母线电位的第一电平、等于所述硬中点电位的第二电平和等于所述负母线电位的第三电平之间切换，所述第一电平、第二电平和第三电平分别对应所述离子门（50）的所述第一关断态、导通态和第二关断态。

4、在上述技术方案中，所述第一泄放电阻（41）与所述第二泄放电阻（42）的阻值相等并相互匹配；当所述正母线（21）与所述负母线（22）中的一者经导通的开关被持续钳位、且所述第一内节点a（36）与第二内节点b（37）中相应的一者处于悬空时，连接于该悬空内节点的泄放电阻将该悬空内节点拉向所述硬中点m（23）的电位，从而将所述悬浮电容（35）两端的电压维持为所述正母线（21）与所述负母线（22）之间电压的一半。

5、在上述技术方案中，所述悬浮电容三电平桥臂（30）包括第一关断电平、第二导通电平、第二关断电平，所述第二电平由两个冗余的开关组合实现：在第一开关组合中，所述第一开关（31）与所述第三开关（33）导通、所述第二开关（32）与所述第四开关（34）关断；在第二开关组合中，所述第二开关（32）与所述第四开关（34）导通、所述第一开关（31）与所述第三开关（33）关断。

6、在上述技术方案中，所述硬中点m（23）同时作为所述离子门（50）的所述参考电位以及所述第二电平所对应的电位；在所述输出节点（38）处于所述第二电平时，所述第一泄放电阻（41）与第二泄放电阻（42）中连接于输出节点侧内节点的一者两端的电位相等，从而不流过电流、不向所述离子门（50）馈入电流。

7、在上述技术方案中，所述悬浮电容（35）两端跨接有过压保护器件（43），所述过压保护器件（43）的钳位阈值高于所述正母线（21）与所述负母线（22）之间电压一半所对应的正常工作电压范围。

8、在上述技术方案中，所述离子门控制器（60）经隔离栅驱动电路（61）驱动所述第一开关（31）至第四开关（34），且所述隔离栅驱动电路（61）与所述直流隔离高压电源（20）相对于所述参考电位的隔离耐压不低于所述参考电位的绝对值。

9、在上述技术方案，所述离子门控制器（60）根据所述悬浮电容（35）这两端电压相对所述一半电压的偏差，在所述第一开关组合与第二开关组合之间进行选择。

10、为实现本发明目的，本发明还提供了一种三态离子门的电路驱动方法，该驱动方法基于本发明所提供的三态离子门驱动电路技术方案，该驱动方法是在控制驱动离子门（50）的一个工作周期内，使所述输出节点（38）依次驻留于第一关断电平、导通电平和第二关断电平，在所述第一关断电平驻留第一时长以关断所述离子门（50）；在所述导通电平驻留第二时长以放行离子包；在所述第二关断电平驻留第三时长；其中所述第一时长为数十毫秒量级，所述第二时长与第三时长均为数百微秒量级；其中，所述导通电平等于所述硬中点m（23）的电位；在所述离子门（50）工作于正离子模式时，所述第一关断电平为所述负母线（22）的电位、所述第二关断电平为所述正母线（21）的电位；在所述离子门（50）工作于负离子模式时，所述第一关断电平为所述正母线（21）的电位、所述第二关断电平为所述负母线（22）的电位；并且，承担所述悬浮电容（35）电压维持的泄放电阻随所述正离子模式与负离子模式的切换而在所述第一泄放电阻（41）与第二泄放电阻（42）之间互换。

11、在上述驱动方法中，所述导通电平第二时长内，所述输出节点（38）的电平上升沿时间与下降沿时间均不大于所述第二时长的十分之一，以限定所放行离子包的时间宽度。

12、本发明的优点及有益效果包括：

13、（1）以单一悬浮电容三电平桥臂（30）替代两路相互独立的隔离高压脉冲源，隔离电源由两路减为一路、功率级由两个减为一个、隔离由两套减为一套，显著简化电路、缩小体积、降低成本，有利于便携与手持仪器。

14、（2）在悬浮电容电压被维持为二分之一母线电压的条件下，各开关器件仅承受约二分之一的母线电压应力（相对于双电平半桥方案的近两倍偏转电压而言，应力减半），降低器件耐压要求。

15、（3）导通态所对应的“零电平”是本拓扑的原生输出电平，无需依赖两路脉冲源的精确同步即可获得，消除了因两源时序偏差导致的中间电位与直通风险。

16、（4）借助硬中点“三位一体”的设置，泄放电阻在关断态精确钳定悬浮电容电压，而在导通态两端电位相等、零电流、不加载离子门，实现了电压平衡与进样互不干扰。

17、（5）平衡方式为无源方式，不需要为悬浮电容另设浮置辅助电源或复杂的有源均压电路；在典型参数下平衡支路的功耗很低，悬浮电容电压可稳定维持在二分之一母线电压附近很小的误差带内。

18、（6）通过一对相互匹配的对称泄放电阻，电路可对称地兼容正离子模式与负离子模式，两种模式下平衡性能一致。

19、（7）在关断态长时间悬空、导通态时间短、负载近似容性的工况下，稳定维持悬浮电容电压为二分之一母线电压。

20、（8）本发明三态离子门驱动电路不限于控制离子迁移谱仪三栅网门的离子门，也可用于对其它需要三种状态（如，正偏转、导通、加速或者反偏转）高压门的驱动控制。