一種電容混合式多級電感儲能型脈衝電源的製作方法

2023-07-04 13:06:36 1

本發明涉及一種電感儲能型脈衝電源，特別涉及一種電容混合式多級電感儲能型脈衝電源，屬於電磁發射技術領域。

背景技術：

電磁發射是以電磁力加速物體的新興技術。與傳統發射技術相比，電磁發射具有能量效率高、控制精度高和響應速度快等優勢。隨著科學技術(特別是計算機控制技術和電力電子技術)的不斷發展，電磁發射技術的實用化進程不斷加速。電磁發射系統一般由發射器、被發射組件和脈衝電源構成。脈衝電源的主要作用是為發射器提供短時間(毫秒量級)、高幅值(兆安量級)、高功率(吉瓦量級)的脈衝電流。根據儲能形式的不同，脈衝電源常分為機械儲能型、電容儲能型和電感儲能型。機械儲能的典型代表是以旋轉機械為核心部件的脈衝發電機組，主要優點是儲能密度高，主要缺點是結構複雜、冷卻困難和一次發射須存儲多次發射能量。電容儲能是目前應用最為廣泛的儲能形式，主要優點是原理簡單、技術成熟、控制容易和成本較低等，主要缺點是儲能密度低、系統體積大。電感儲能是近年來的研究熱點，主要優點是儲能密度較高、結構較簡單和冷卻容易，主要缺點是換流困難、線圈損耗較高。

中國專利申請(申請號：2016103879359)提出了「一種用於電磁發射的電容混合式電感儲能型脈衝電源」，其原理如圖1所示。該脈衝電源的組成部分包括初級電源us、儲能電感l1、l2、能量轉換電容c、脈衝調整電感lc、晶閘管t1、t2、t3和二極體d。該脈衝電源的工作過程為：觸發晶閘管t1導通，初級電源us為儲能電感l1、l2充電；當電感充電電流上升至指定值，觸發晶閘管t2導通，能量轉換電容c放電，強迫晶閘管t1電流迅速降低；在晶閘管t1因電流過零並承受反壓而關斷之後，能量轉換電容c繼續為儲能電感l1、l2充電；當能量轉換電容c預充能量即將耗盡，二極體d導通，儲能電感l1的電流迅速減小，儲能電感l2的電流迅速增大，負載電流也隨之迅速增大，同時儲能電感l1、l2之間的漏感能量被能量轉換電容c收集；在晶閘管t2因電流過零並承受反壓而關斷之後，儲能電感l2直接向負載放電；觸發晶閘管t3導通，能量轉換電容c所收集的漏感能量通過c→負載→d→lc→t3→c迴路向負載放電，產生負載電流的二次峰；在晶閘管t3因電流過零並承受反壓而關斷之後，儲能電感l2直接向負載放電，直至負載斷開或二極體d電流降至零。總體而言，該脈衝電源具有成本低廉、儲能能級高、體積精簡、充放電電流放大倍數高且可控、電感電流無二階過程、負載電流無二階負半波、能量轉換電容預充電壓自動恢復等優點。

但是，上述技術方案的缺點是儲能密度較低，只適合構建數十至數百千焦能量量級的脈衝電源基本模塊，而不適合直接構建數十至數百兆焦能量量級脈衝電源整體系統；就整體系統的構建而言，一種易於實現的解決方案是：先基於該脈衝電源構建數十至數百個基本模塊，再並聯連接所有基本模塊、搭建整體系統。但是，基於這種解決方案，整體系統的儲能密度較低、體積較大、能量轉換電容預充電壓恢復比例較低、綜合性能欠佳。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種電容混合式多級電感儲能型脈衝電源，使其不僅繼承已有的電容混合式電感儲能型脈衝電源的優點，而且具有更好的可擴展性和更高的儲能密度，以實現脈衝電源整體系統的構建和集成。

本發明的技術方案如下：

一種電容混合式多級電感儲能型脈衝電源，含有初級電源us、能量轉換電容c、脈衝調整電感lc、晶閘管t1、t2、t3和二極體d，其特徵在於：該脈衝電源還含有n級彼此並聯、且結構完全相同的電感單元，其中n為大於等於2的正整數；所述初級電源us的正極與晶閘管t1的陽極相連接；晶閘管t1的陰極分別與晶閘管t2的陰極和每個電感單元的輸入端相連接；每個電感單元的輸出端均分別與脈衝調整電感lc的一端和二極體d的陰極相連接；二極體d的陽極與負載的一端相連接，負載的另一端分別與每個電感單元的地端、能量轉換電容c的一端和初級電源的負極相連接；能量轉換電容c的另一端分別與晶閘管t2的陽極和晶閘管t3的陰極相連接；晶閘管t3的陽極與脈衝調整電感lc的另一端相連接。

上述技術方案中，每個電感單元由強耦合儲能電感l1和儲能電感l2構成；儲能電感l1的一端為電感單元的輸入端；儲能電感l1的另一端與儲能電感l2的一端相連接，為電感單元的輸出端；儲能電感l2的另一端為電感單元的地端；特別的，儲能電感l1和儲能電感l2的連接關係為同名端順串連接。

本發明提出的電容混合式多級電感儲能型脈衝電源，不僅繼承了已有的電容混合式電感儲能型脈衝電源的優勢，即具有成本低廉、儲能能級高、體積精簡、充放電電流放大倍數高且可控、電感電流無二階過程、負載電流無二階負半波和能量轉換電容預充電壓自動恢復等優點外，還具有以下突出性技術效果。①由於採用了多級電感單元彼此並聯、相對獨立的拓撲結構，因此具有良好的可擴展性，電感單元的級數n可以根據實際的發射需求和工藝水平靈活設定。②相比於已有的電容混合式電感儲能型脈衝電源，具有更高的能量轉換電容電壓預充電壓恢復比例。在已有的電容混合式電感儲能型脈衝電源中，能量轉換電容c僅能收集1級電感單元的漏感能量；而在本脈衝電源中，能量轉換電容c能夠收集n級電感單元的漏感能量；因此本脈衝電源的能量轉換電容電壓預充電壓恢復比例更高。③本脈衝電源，相比於已有的電容混合式電感儲能型脈衝電源，具有更高的儲能密度。相比於由n個已有的電容混合式電感儲能型脈衝電源基本模塊並聯而成的整體系統，本脈衝電源由於n級電感單元共用同一組能量轉換電容c、脈衝調整電感lc、晶閘管t1、t2、t3和二極體d，因此總體積更小，總儲能密度更高。

附圖說明

圖1為已有技術提出的用於電磁發射的電容混合式電感儲能型脈衝電源實施例的電路原理圖。

圖2為本發明提供的一種電容混合式多級電感儲能型脈衝電源實施例的電路原理圖。

圖3為本發明中電感單元的原理圖。

圖4為本發明中初級電源us輸出電流、脈衝調整電感lc電流和負載電流的波形示意圖。

圖5為本發明的#1電感單元儲能電感l1電流和儲能電感l2電流的波形示意圖。

圖6為本發明中能量轉換電容c電壓和晶閘管t1電壓的波形示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。

圖2為本發明提出的一種電容混合式多級電感儲能型脈衝電源實施例的電路原理圖，該電容混合式多級電感儲能型脈衝電源包括初級電源us、n級電感單元、能量轉換電容c、脈衝調整電感lc、晶閘管t1、t2、t3和二極體d，所述的n級電感單元彼此並聯連接、結構和參數完全相同(其中n為大於等於2的正整數，本實施例採用4級)。在本脈衝電源中，初級電源us的正極與晶閘管t1的陽極相連接；晶閘管t1的陰極與晶閘管t2的陰極、所有電感單元的輸入端(in端)相連接；所有電感單元的輸出端(out端)與脈衝調整電感lc的一端、二極體d的陰極相連接；二極體d的陽極與負載的一端相連接；負載的另一端與所有電感單元的地端(gnd端)、能量轉換電容c的一端、初級電源的負極相連接；能量轉換電容c的另一端與晶閘管t2的陽極和晶閘管t3的陰極相連接；晶閘管t3的陽極與脈衝調整電感lc的另一端相連接。在本脈衝電源中，每個電感單元由強耦合儲能電感l1和儲能電感l2構成；儲能電感l1的一端為電感單元的輸入端(in端)；儲能電感l1的另一端與儲能電感l2的一端相連接，為電感單元的輸出端(out端)；儲能電感l2的另一端為電感單元的地端(gnd端)；特別的，儲能電感l1和l2的連接關係為同名端順串連接。

在本發明中，電感單元參數(包括級數n、儲能電感l1感值、儲能電感l2感值和儲能電感l1、l2之間的耦合係數等)應由實際的發射需求和工藝水平確定。在體積允許的情況下，儲能電感l1、l2阻值應當儘可能小，以減小能量損耗、提高系統效率、增大電流放大倍數。如果希望電流放大倍數較大，則儲能電感l1、l2感值比值應當較大。如果希望晶閘管t1尖峰電壓較小，則儲能電感l1、l2之間的耦合係數應當較大(高於0.95％)，同時能量轉換電容c容值應當較大。如果希望能量轉換電容預充電壓恢復比例較高，則儲能電感l1、l2之間的耦合係數應當較小(介於0.85和0.9之間)，同時能量轉換電容c容值應當較小。能量轉換電容c預充電壓由能量轉換電容c容值、所有電感單元充電電流之和、初級電源us電壓、晶閘管t1反向恢復時間共同決定。脈衝調整電感lc感值應根據實際發射需求、能量轉換電容c容值和儲能電感l1、l2之間的漏感能量確定，可以參考電容儲能型脈衝電源脈衝形成單元中的脈衝調整電感的取值。晶閘管t1應當採用快速恢復型晶閘管，以降低能量轉換電容c預充電壓。晶閘管t1、t2、t3和二極體d的通流能力和耐壓能力應當高於系統額定能級下各器件的最大電流和最高電壓，建議通過電路仿真進行預分析。

本發明提出的一種電容混合式多級電感儲能型脈衝電源的工作過程，可以分為以下六個工作階段。

(假設能量轉換電容c已完成預充工作)

1)第一階段，充電過程：

觸發晶閘管t1導通，初級電源us為所有電感單元並聯充電；當所有電感單元充電電流上升至指定值之後，觸發晶閘管t2導通，第一階段結束。

2)第二階段，逆流及繼續充電過程：

觸發閘管t2導通，能量轉換電容c放電，強迫晶閘管t1電流迅速降低；在晶閘管t1因電流過零並承受反壓而關斷之後，能量轉換電容c繼續為所有電感單元繼續充電，直至其預充能量完全耗盡，二極體d導通，第二階段結束。

3)第三階段，電流倍增及漏感能量收集過程：

二極體d導通，所有電感單元中儲能電感l1的電流迅速減小、儲能電感l2的電流迅速增大，負載電流也隨之迅速增大，所有電感單元中儲能電感l1、l2之間的漏感能量被能量轉換電容c收集，直至晶閘管t2電流過零並承受反壓而關斷，第三階段結束。

電流倍增過程遵循磁鏈守恆原理，電流放大倍數主要由儲能電感l1、l2感值比值和儲能電感l1、l2之間的耦合係數共同決定。儲能電感l2電流和負載電流的上升率主要由能量轉換電容c容值、電感單元數n、儲能電感l1感值和儲能電感l1、l2之間的耦合係數決定。能量轉換電容c收集的漏感能量，主要由電感單元數n、每個電感單元充電電流、儲能電感l1感值和儲能電感l1、l2之間的耦合係數決定。

4)第四階段，一階放電過程：

晶閘管t2關斷，所有電感單元的儲能電感l2並聯向負載放電；在合適的時刻，觸發晶閘管t3導通，第四階段結束。

由於負載通常是小阻感負載，這一階段遵循rl一階電路放電規律。

5)第五階段，二階放電過程：

觸發晶閘管t3導通，能量轉換電容c所收集的漏感能量通過c→負載→d→lc→t3→c迴路向負載放電，產生負載電流的二次峰，直到晶閘管t3電流過零並承受反壓而關斷，第五階段結束。

需要注意的是，在這一過程中，所有電感單元的儲能電感l2仍然並聯向負載放電。換言之，負載電流是脈衝調整電感電流與所有電感單元的輸出電流之和。

6)第六階段，一階放電：

晶閘管t3關斷，所有電感單元的儲能電感l2並聯向負載放電，直至負載斷開或二極體d電流降至零。

此外，如果晶閘管t3的觸發導通時刻恰好是第三階段結束時刻(或者稍提前)，則第四階段將被跳過，直接進入第五階段。

設置如表1所示的參數，進行電路仿真，對應的初級電源us輸出電流波形、脈衝調整電感lc電流、負載電流波形、#1電感單元中儲能電感l1電流波形、#1電感單元中儲能電感l2的電流波形、能量轉換電容c電壓波形和晶閘管t1電壓波形分別如圖3、圖4、圖5所示。

表1電容混合式多級電感儲能型脈衝電源參數