开关磁铁电源的电路拓扑结构的制作方法

1.本公开涉及碳离子治疗技术领域，尤其涉及一种开关磁铁电源的电路拓扑结构。


背景技术：

2.碳离子治疗系统中，开关磁铁电源为开关磁铁提供励磁电流，在需要切断束流时，要求开关磁铁电源在收到使能信号时电流值在极短的时间内由0a上升到300a以上。
3.目前，碳离子治疗系统电源装置中的开关磁铁电源电路拓扑结构复杂，导致碳离子治疗系统中开关磁铁电源的硬件成本高。并且，电路拓扑结构控制需要一定的响应时间，导致控制时间较长。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本公开提供一种开关磁铁电源的电路拓扑结构，用于至少部分解决现有技术问题。
5.基于此，本公开实施例一种开关磁铁电源的电路拓扑结构，用于为磁铁负载提供励磁电流，磁铁负载为感性负载，包括：第一电压源、第二电压源、电容、续流二极管、绝缘栅双极晶体管、电阻和二极管；第一电压源、第二电压源、电容和续流二极管并联，绝缘栅双极晶体管串联在电容与续流二极管之间，其中，第一电压源的电压高于第二电压源的电压，第一电压源用于提供励磁电压，第二电压源用作功率源，第一电压源与电阻串联，再与串联的第二电压源和阻断二极管并联，电容及续流二极管分别并联在串联的第二电压源和阻断二极管的两端。
6.根据本公开的实施例，在绝缘栅双极晶体管处于开通状态的情况下，第一电压源和电容同时给磁铁负载提供励磁电流。
7.根据本公开的实施例，在绝缘栅双极晶体管处于关断状态的情况下，磁铁负载与续流二极管构成回路，消耗磁铁负载储存的能量。
8.根据本公开的实施例，在电容的电压下降到第二电压源的电压时，第二电压源给磁铁负载提供励磁电流。
9.根据本公开的实施例，电容的容值为45uf～55uf，耐压值不小于2000v。
10.根据本公开的实施例，第一电压源和第二电压源为直流电压源。
11.根据本公开的实施例，第一电压源的电压值为1450v～1550v，第二电压源的电压值为11v～13v。
12.根据本公开的实施例，电阻的阻值为1450ω～1550ω。
13.根据本公开实施例提供的开关磁铁电源的电路拓扑结构，至少包括以下有益效果：
14.该电路拓扑结构采用降压式变换电路，电压源采用两个电压源并联，一个为高电压源，提供励磁电压，一个为低电压源，在直流300a运行时作为功率源，能够极大地减少硬件数量，进而有效地降低故障率，提高可靠性，并且能够降低硬件成本，压缩使用空间。
15.进一步地，该电路拓扑结构只需要给绝缘栅双极晶体管相应的电平信号，电压源就可以完成相应的输出，不需要自控调节，极大地缩短了控制时间和控制难度。
附图说明
16.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
17.图1示意性示出了传统碳离子治疗系统电源装置的电路拓扑结构的电路图。
18.图2示意性示出了根据本公开实施例的开关磁铁电源的电路拓扑结构的电路图
具体实施方式
19.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
20.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
21.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
22.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
23.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
24.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
25.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
26.在实现本公开构思的过程中，申请人发现传统的碳离子治疗系电源装置的电路拓扑结构电路复杂。
27.图1示意性示出了传统碳离子治疗系统电源装置的电路拓扑结构的电路图。
28.如图1所示，传统碳离子治疗系统电源装置的电路拓扑结构为4个h桥串联，每个h桥均需要一套直流电压源、若干绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)及若干二极管，整个控制电路复杂。电压源在收到电平信号后，根据预设的电流值，进行比例积分(proportional integral，pi)的自控调节，给各个igbt输出相对应的脉冲宽度调制(pulse wavelength modulation，pwm)波，最终完成电流的输出，而pi自控调节需要一定的响应时间，电路拓扑结构控制时间长。
29.有鉴于此，本公开实施例提供一种电路拓扑结构，采用数量极少的硬件，在更短的时间内实现开关磁铁励磁电流的控制。
30.图2示意性示出了根据本公开实施例的开关磁铁电源的电路拓扑结构的电路图。
31.如图2所示，该电路拓扑结构用于为磁性负载load提供励磁电流，磁性负载load为感性负载，电路拓扑结构例如可以包括第一电压源dc1、第二电压源dc2、电容c1、续流二极管d2、绝缘栅双极晶体管vt、电阻r1和阻断二极管d1。
32.第一电压源dc1、第二电压源dc2、电容c1、续流二极管d2并联，绝缘栅双极晶体管vt串联在电容c1与续流二极管d2之间。其中，第一电压源d1的电压高于第二电压源dc2的电压，换言之，第一电压源dc1采用高压电源，用于提供励磁电压，第二电压源dc2采用低压电源，用作功率源。
33.第一电压源dc1与电阻r1串联，再与串联的第二电压源dc2和阻断二极管d1并联，电容c1及续流二极管d2分别并联在串联的第二电压源dc2和阻断二极管d1的两端。
34.阻断二极管d1能够防止高电压的电压源击穿低压电压源。
35.电阻r1作为限流电阻，主要作用是在平台电流输出时，限制第一电压源dc1的输出电流，以便匹配合适功率的高压功率源。电阻r1的选型也受到电容容值的影响。
36.根据本公开的实施例，在绝缘栅双极晶体管vt处于开通状态的情况下，第一电压源dc1和电容c1同时给磁铁负载load提供励磁电流，在电容c1的电压下降到第二电压源dc2的电压值时，第二电压源开始dc2给磁铁负载提供励磁电流。在绝缘栅双极晶体管vt处于关断状态的情况下，磁铁负载load与续流二极管d2构成回路，消耗磁铁负载load储存的能量。
37.作为一个可选的实施方式，第一电压源dc1和第二电压源dc2为直流电压源，第一电压源dc1的电压值可以为1450v～1550v，优选为1500v。第一电压源dc1为电容c1储能，使电容c1有一个高压储能，保证在短时间内(例如5ms内)电流上升到300a以上。第二电压源的电压值为11v～13v，优选为12v，在直流运行时作为主要功率源。
38.作为一个可选的实施方式，由于容值过大会导致充电时间过长，过冲电流持续时间长，电容的容值可以为45uf～55uf，耐压值不小于2000v。
39.作为一个可选的实施方式，电阻r1的阻值为1450ω～1550ω，优选为1500ω。
40.上述电路拓扑结构的工作原理为：
41.在收到电源启动信号后，给绝缘栅双极晶体管vt一个电压驱动信号，使绝缘栅双
极晶体管vt处于开通状态。开始阶段，由于第一电压源dc1已经将电容c1充电到一个高电压，由第一电压源dc1和电容c1同时给负载磁铁load提供励磁电流，此时电流会有一个极大的上升斜率。由于电阻r1的作用，负载磁铁load消耗的能量大于第一电压源dc1提供的能量，会造成在电流持续上升的同时电容c1的电压持续降低，但电流值上升到300a后，电容c1上的电压持续降低直到等于第二电压源dc2的电压值，负载磁铁load的励磁电流主要由第二电压源dc2来提供，电流值维持到300a左右，电容c1上的电压保持不变。电源在收到停电流信号时，将绝缘栅双极晶体管vt的驱动电压直接变为0v，关断绝缘栅双极晶体管vt，由第二电压源d2和负载磁铁load组成的回路消耗磁铁储能，之后第一电压源dc1开始给电容c1充电。
42.本公开实施例提供的电路拓扑结构与传统的电路拓扑结构，功率源部分可以减少2个，电容组件容量不到原来的千分之一，绝缘栅双极晶体管vt数量变为原来的八分之一。
43.综上所述，该电路拓扑结构采用降压式变换电路，电压源仅采用两个电压源并联，一个为高电压源，提供励磁电压，一个为低电压源，在直流300a运行时作为功率源，能够极大地减少硬件数量，进而有效地降低故障率，提高可靠性，并且能够降低硬件成本，压缩使用空间。此外，该电路拓扑结构只需要给绝缘栅双极晶体管相应的电平信号，电压源就可以完成相应的输出，不需要自控调节，极大地缩短控制时间。
44.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种开关磁铁电源的电路拓扑结构，用于为磁性负载提供励磁电流，所述磁性负载为感性负载，其特征在于，包括：第一电压源、第二电压源、电容、续流二极管、绝缘栅双极晶体管、电阻和阻断二极管；其中，所述第一电压源、所述第二电压源、所述电容和所述续流二极管并联，所述绝缘栅双极晶体管串联在所述电容与所述续流二极管之间，其中，所述第一电压源的电压高于所述第二电压源的电压，所述第一电压源用于提供励磁电压，所述第二电压源用作功率源；所述第一电压源与所述电阻串联，再与串联的所述第二电压源和所述阻断二极管并联，所述电容及所述续流二极管分别并联在串联的所述第二电压源和所述阻断二极管的两端。2.根据权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，在所述绝缘栅双极晶体管处于开通状态的情况下，所述第一电压源和所述电容同时给所述磁铁负载提供励磁电流。3.根据权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，在所述电容的电压下降到所述第二电压源的电压时，所述第二电压源给所述磁铁负载提供励磁电流。4.根据权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，在所述绝缘栅双极晶体管处于关断状态的情况下，所述磁铁负载与所述续流二极管构成回路，消耗所述磁铁负载储存的能量。5.根据权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述电容的容值为45uf～55uf，耐压值不小于2000v。6.根据权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述第一电压源和所述第二电压源为直流电压源。7.根据权利要求6所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述第一电压源的电压值为1450v～1550v，所述第二电压源的电压值为11v～13v。8.根据权利要求1所述的电路拓扑结构，其特征在于，所述电阻的阻值为1450ω～1550ω。

技术总结
本公开提供一种开关磁铁电源的电路拓扑结构，用于为磁铁负载提供励磁电流，磁铁负载为感性负载，电路拓扑结构包括：第一电压源、第二电压源、电容、续流二极管、绝缘栅双极晶体管、电阻和阻断二极管；第一电压源、第二电压源、电容、续流二极管并联，绝缘栅双极晶体管串联在电容与续流二极管之间，其中，第一电压源的电压高于第二电压源的电压，第一电压源用于提供励磁电压，第二电压源用作功率源，第一电压源与电阻串联，再与串联的第二电压源和阻断二极管并联，电容及续流二极管分别并联在串联的第二电压源和阻断二极管的两端。该电路拓扑结构简单，可靠性高，控制时间短。控制时间短。控制时间短。


技术研发人员：康主会 陈成 李芳
受保护的技术使用者：武汉经济技术开发区（汉南区）人民医院
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/13