CN113406985A - 一种全固态功率源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全固态功率源系统，其包括射频激励、可选分配器、串联支路、可选合成器、控制单元、电源模块阵列、水冷系统以及功率传输系统；射频激励的输出端与可选分配器的输入端口连接，可选分配器的输出端口设置为多个，每个输出端口都经一串联支路与可选合成器的输入端连接，可选合成器的输出端与功率传输系统的输入端连接，由功率传输系统输出多种功率容量等级、多种功率模式；功率传输系统的输出端还与控制单元连接，各单插件阵列、以及电源模块阵列和水冷系统也分别与控制单元连接，控制单元根据接收到的信息控制射频激励工作；电源模块阵列和水冷系统都与各单插件阵列连接。本发明具有多种功率输出模式、多种功率容量等级可选等优点。

Description

一种全固态功率源系统

技术领域

本发明涉及一种加速器领域，特别是关于一种全固态功率源系统。

背景技术

全固态功率源系统具有工作电压低、性能稳定可靠、故障率低、易于维护且维护成本低等特点，近年来在加速器领域得到了越来越广泛的应用。在加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)中，对全固态功率源系统提出了具备安全、稳定、可靠、长寿命、便于维护、多种功率输出模式、多种功率容量等级可选的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种全固态功率源系统，其具有安全、稳定、可靠、长寿命、便于维护、多种功率输出模式，且具有多种功率容量等级可选等优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种全固态功率源系统，其包括：射频激励、可选分配器、串联支路、可选合成器、控制单元、电源模块阵列、水冷系统以及功率传输系统；所述射频激励的输出端与所述可选分配器的输入端口连接，所述可选分配器的输出端口设置为多个，每个输出端口都经一所述串联支路与所述可选合成器的输入端连接，所述可选合成器的输出端与所述功率传输系统的输入端连接，由所述功率传输系统输出多种功率容量等级、多种功率模式；所述功率传输系统的输出端还与所述控制单元连接，各所述单插件阵列、以及所述电源模块阵列和所述水冷系统也分别与所述控制单元连接，所述控制单元根据接收到的信息控制所述射频激励工作；所述电源模块阵列和所述水冷系统都与各所述单插件阵列连接。

进一步，每一所述串联支路都包括一个前级功放、一个可选功分器、一层单插件阵列和一个合成器；所述前级功放的输入端与所述可选分配器的一输出端口连接，所述前级功放的输出端经所述可选功分器与所述单插件阵列的输入端连接，所述单插件阵列的输出端与所述合成器的输入端连接，所述合成器的输出端与所述可选合成器的输入端连接。

进一步，所述串联支路设置为四路。

进一步，每层所述单插件阵列都包括功放管、环形器、定向耦合器、射频功率输出模块、温度监控模块、电流监控模块和通讯模块；由所述前级功放和所述可选功分器传输至的射频信息经所述功放管处理后，分别传输至所述温度监控模块、所述电流监控模块和所述环形器，所述温度监控模块和所述电流监控模块的监控结果经所述通讯模块传输至所述控制单元；射频信息经所述环形器后分别传输至所述定向耦合器和所述温度监控模块，由所述定向耦合器处理后传输至所述射频功率输出模块和所述功率监控模块；所述功率监控模块的监控结果经所述通讯模块传输至所述控制单元。

进一步，所述功率传输系统包括射频传输线、温度监控模块、打火监控模块和高精度功率监测装置；所述射频传输线分别与所述温度监控模块和打火监控模块连接，由所述温度监控和打火监控对所述射频传输线的故障进行即时检测。

进一步，所述水冷系统包括管道、水阀门、水压计、流量计、合水管和水冷板；外部冷却水通过所述管道进入，所述水压计和所述流量计设置在所述管道的进水处；所述管道上设置有多跟分水管，冷却水通过所述管道上的各所述分水管分别进入各层所述单插件阵列中各单插件的所述水冷板；各层所述单插件阵列中的冷却水吸收各个单插件的热量以后通过4根所述合水管，最终汇流至总输出水管。

进一步，所述单插件陈列与所述合成器、所述水冷管、所述可选功分器、所述电源以及所述控制单元之间都采用拔插结构。

进一步，所述全固态功率源系统还包括一机柜，所述机柜整体采用金属结构，所述机柜的缝隙间填充导电橡胶胶条。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用模块化结构，有利于产品产业化。

2、本发明的单插件与合成器、水冷管、可选功分器、电源以及通讯控制单元间采用拔插结构，便于单插件的更换和维护。

3、本发明能实现多种不同的功率容量等级可选，功率源单层、双层至整机分别可独立工作。可根据实际需求使用的功率对应的模块数量为：6、8、12、14、16、24、26、28、30、32；根据实际需求选择功率等级，降低整体成本，提高工程性价比。

4、本发明射频传输线正向反向功率的高精度测量；传输线在高功率长时间工作下的状态监测，保障传输线的稳定工作和设备安全。

5、本发明射频链路和水路合理，保证功率源整机的高效率、高可靠性工作。

6、本发明电磁兼容设计，机柜整体采用金属结构；机柜缝隙间填充导电橡胶胶条，提高机柜电磁屏蔽性能，能有效保障操作人员人身安全。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中单插件阵列的结构示意图；

图3是本发明中的传输线系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种全固态功率源系统，其包括射频激励、可选分配器、串联支路、可选合成器、控制单元、电源模块阵列、水冷系统以及功率传输系统。

射频激励的输出端与可选分配器的输入端口连接，可选分配器的输出端口设置为多个，每个输出端口都经一串联支路与可选合成器的输入端连接，可选合成器的输出端与功率传输系统的输入端连接，由功率传输系统输出多种功率容量等级、多种功率模式。功率传输系统的输出端还与控制单元连接，各单插件阵列、以及电源模块阵列和水冷系统也分别与控制单元连接，控制单元根据接收到的信息控制射频激励工作。其中，电源模块阵列和水冷系统都与各单插件阵列连接，电源模块阵列用于为各单插件阵列供电，水冷系统用于为各单插件阵列提供冷却水。

上述实施例中，每一串联支路都包括一个前级功放、一个可选功分器、一层单插件阵列和一个合成器。前级功放的输入端与可选分配器的一输出端口连接，前级功放的输出端经可选功分器与单插件阵列的输入端连接，单插件阵列的输出端与合成器的输入端连接，合成器的输出端与可选合成器的输入端连接。

工作时，射频激励(单路、双路或四路均可，配合后面的可选分配器和合成器，可实现不同的工作模式)从低电平系统或者信号源处输出至可选分配器一分四(可实现功率分配，可选意味着可直通、一分二或者一分四)；四路射频信号再分至每层的前级功放，使得被降低的射频信号幅度满足推动级的要求；经过放大的射频信号再次通过可选功分器分至每个单独的单插件阵列，每层的分配数根据实际情况可调整，例如选择一分八；单插件阵列作为最基础的功率放大单元，是功率源系统的核心，它可以提供40dB左右的增益(超过40dB存在自激的风险，不建议采用)；功率放大之后进入作为首级合成的合成器，它将放大后的功率进行合成，以八个单插件阵列为例(单管功率考虑水冷能力、环形器插损和吸收负载负荷等综合考虑，1200W-1500W是一个合理的功率值)，合成器采用悬带合成方式，无电缆的直插结构，可以提供最大10kW的射频功率输出至可选合成器；最后是可选合成器(可实现功率合成，可选意味着可直通、一分二或者一分四)，对应输出即为10kW、20kW和40kW三种不同模式的灵活输出方式。

需要说明的是，单插件阵列采用通信模块可读取温度、电流、功率等多种状态，且可以切断射频信号实现连锁保护功能。

功率传输线在功率源输出端口之后，具备温度检测、打火监控等功能，传感器接入功率源控制系统可实现连锁保护和实时监控功能。

优选的，串联支路设置为四路。

在一个优选的实施例中，如图2所示，每层单插件阵列都包括功放管、环形器(包含负载)、定向耦合器、射频功率输出模块、温度监控模块、电流监控模块和通讯模块。由前级功放和可选功分器传输至的射频信息经功放管处理后，分别传输至温度监控模块、电流监控模块和环形器，温度监控模块和电流监控模块的监控结果经通讯模块传输至控制单元；射频信息经环形器后分别传输至定向耦合器和温度监控模块，由定向耦合器处理后传输至射频功率输出模块和功率监控模块。功率监控模块的监控结果经通讯模块传输至控制单元。

使用时，每层单插件阵列的额定功率为1.2kW，最大增益可达37dB。

在一个优选的实施例中，如图3所示，功率传输系统包括射频传输线、温度监控模块、打火监控模块和高精度功率监测装置。射频传输线分别与温度监控模块和打火监控模块连接，由温度监控和打火监控可对传输线的故障进行即时检测，充分保障射频传输线在高功率长时间下的安全工作。使用时，定向耦合器方向性可达40dB，在全反射下其射频功率测量精度可达2％以内。

在一个优选的实施例中，水冷系统包括管道、水阀门、水压计、流量计、合水管和水冷板。外部冷却水通过管道进入，水压计和流量计设置在管道的进水处；管道上设置有多跟分水管(优选的可以设置为四根分水管)，冷却水通过管道上的各分水管分别进入各层单插件阵列中各单插件的水冷板。各层单插件阵列中的冷却水吸收各个单插件的热量以后通过4根合水管，最终汇流至总输出水管。

在一个优选的实施例中，可选分配器可以采用以下3种形式：一路1:4分配，2路1:2分配以及4路1:1射频传输。

在一个优选的实施例中，可选功分器可以采用以下两种选择：1种是1:6分配，另一种是1:8分配。

在一个优选的实施例中，每层单插件阵列有两种选择：6模块阵列和8模块阵列。当功分器为1:6分配时，单模块阵列为6模块阵列；当功分器为1:8分配时，单模块阵列为8模块阵列。

在一个优选的实施例中，合成器有两种选择：1种是6:1合成，另一种是1种是8:1合成。当功分器为1:6分配时，合成器为6:1合成；当功分器为1:8分配时，合成器为8:1合成。

在一个优选的实施例中，可选合成器有三种选择：一路4:1合成，2路2:1合成以及4路1:1射频传输。当可选分配器为一路1:4分配时，可选合成器为一路4:1合成；当可选分配器为2路1:2分配时，可选合成器为2路2:1合成；当可选分配器为4路1:1射频传输时，可选合成器为4路1:1射频传输。

上述各实施例中，单插件陈列与合成器、水冷管、可选功分器、电源以及控制单元之间都采用拔插结构，便于单插件阵列的更换和维护。

上述各实施例中，本发明还包括一机柜，上述各部件均设置在机柜内。机柜整体采用金属结构，机柜的缝隙间填充导电橡胶胶条，以提高机柜电磁屏蔽性能。

综上，本发明使用时，整个系统输出可根据实际需求使用的功率对应的模块数量为：6、8、12、14、16、24、26、28、30、32；充分满足加速器不同腔体的不同功率需求，降低加速器系统中的功率源系统制造及采购成本，提高性价比。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种全固态功率源系统，其特征在于，包括：射频激励、可选分配器、串联支路、可选合成器、控制单元、电源模块阵列、水冷系统以及功率传输系统；

所述射频激励的输出端与所述可选分配器的输入端口连接，所述可选分配器的输出端口设置为多个，每个输出端口都经一所述串联支路与所述可选合成器的输入端连接，所述可选合成器的输出端与所述功率传输系统的输入端连接，由所述功率传输系统输出多种功率容量等级、多种功率模式；所述功率传输系统的输出端还与所述控制单元连接，各所述单插件阵列、以及所述电源模块阵列和所述水冷系统也分别与所述控制单元连接，所述控制单元根据接收到的信息控制所述射频激励工作；所述电源模块阵列和所述水冷系统都与各所述单插件阵列连接。

2.如权利要求1所述全固态功率源系统，其特征在于，每一所述串联支路都包括一个前级功放、一个可选功分器、一层单插件阵列和一个合成器；所述前级功放的输入端与所述可选分配器的一输出端口连接，所述前级功放的输出端经所述可选功分器与所述单插件阵列的输入端连接，所述单插件阵列的输出端与所述合成器的输入端连接，所述合成器的输出端与所述可选合成器的输入端连接。

3.如权利要求1或2所述全固态功率源系统，其特征在于，所述串联支路设置为四路。

4.如权利要求1所述全固态功率源系统，其特征在于，每层所述单插件阵列都包括功放管、环形器、定向耦合器、射频功率输出模块、温度监控模块、电流监控模块和通讯模块；由所述前级功放和所述可选功分器传输至的射频信息经所述功放管处理后，分别传输至所述温度监控模块、所述电流监控模块和所述环形器，所述温度监控模块和所述电流监控模块的监控结果经所述通讯模块传输至所述控制单元；射频信息经所述环形器后分别传输至所述定向耦合器和所述温度监控模块，由所述定向耦合器处理后传输至所述射频功率输出模块和所述功率监控模块；所述功率监控模块的监控结果经所述通讯模块传输至所述控制单元。

5.如权利要求1所述全固态功率源系统，其特征在于，所述功率传输系统包括射频传输线、温度监控模块、打火监控模块和高精度功率监测装置；所述射频传输线分别与所述温度监控模块和打火监控模块连接，由所述温度监控和打火监控对所述射频传输线的故障进行即时检测。

6.如权利要求1所述全固态功率源系统，其特征在于，所述水冷系统包括管道、水阀门、水压计、流量计、合水管和水冷板；外部冷却水通过所述管道进入，所述水压计和所述流量计设置在所述管道的进水处；所述管道上设置有多跟分水管，冷却水通过所述管道上的各所述分水管分别进入各层所述单插件阵列中各单插件的所述水冷板；各层所述单插件阵列中的冷却水吸收各个单插件的热量以后通过4根所述合水管，最终汇流至总输出水管。

7.如权利要求1所述全固态功率源系统，其特征在于，所述单插件陈列与所述合成器、所述水冷管、所述可选功分器、所述电源以及所述控制单元之间都采用拔插结构。

8.如权利要求1所述全固态功率源系统，其特征在于，所述全固态功率源系统还包括一机柜，所述机柜整体采用金属结构，所述机柜的缝隙间填充导电橡胶胶条。

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