一種高壓大功率重複脈衝功率電源的製作方法
2023-04-26 22:08:56 3
專利名稱：一種高壓大功率重複脈衝功率電源的製作方法
技術領域：
本發明屬於脈衝功率技術，具體涉及脈衝功率技術中適用於感性負載的高壓大功率重複脈衝功率系統的電源，特別涉及重複脈衝功率系統的電源的拓撲結構。
背景技術：
重複脈衝功率技術在科學研究和國防軍工中都有著重要應用，是脈衝功率技術發展的重要方向。產生重複脈衝功率需要配套的高壓大功率重複脈衝功率電源，而且該電源的重複頻率、容量、脈寬和可靠性等方面都需要達到一定的要求。重複脈衝功率電源的負載主要分為阻性負載、容性負載和感性負載三類。其中感性負載型重複脈衝功率技術的負載電流大、時間常數大，可用於產生脈衝強磁場等領域。本發明主要針對感性負載型重複脈衝功率電源。目前用於感性負載的重複脈衝功率電源多數採用電容儲能。文獻「30TR印eating Pulsed Field System for Neutron Diffraction" (IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2000，10 (1) :534-537)中提出的電路拓撲方案為目前使用的主流方案。其實施方案大致為首先通過充電電源對電容充電到額定電壓，然後通過晶閘管使電容對感性負載(磁體)放電，為了實現和提高重複頻率，在續流迴路中串聯一個大續流電感， 磁體完成一個脈衝放電後其剩餘的磁場能量會轉移到大續流電感中，該大電感繼而又與儲能電容發生震蕩，從而最終使磁體中剩餘的磁場能量回饋到儲能電容中。此方法主要有以下兩個不足儲能電容要與大電感發生震蕩，使電容上的反向電壓接近正向電壓，而在高壓大功率脈衝功率電路中常用的單極性脈衝儲能電容不宜承受過高的反壓，過高的反壓對其壽命、能量密度和安全性等都提出了苛刻的要求，雙極性儲能電容的成本比一般的單極性脈衝儲能電容高許多，由於電源整體造價主要取決於電容，這樣就提高了整個電源系統的成本；並且，電容放電時高頻諧振充電電源必須斷開以避免其高頻整流橋流過大電流，限制了重複頻率的提高。
發明內容
為了克服現有電感負載型重複脈衝功率技術中單極性儲能電容反壓高、壽命低， 系統重複頻率受限的缺點，本發明提供了一種新型高壓大功率重複脈衝功率電源。本發明提供的一種高壓大功率重複脈衝功率電源，其特徵在於，該電源至少包括充電電源、儲能電容組、殘壓處理支路和能量回饋支路；其中，儲能電容組包括串聯連接的主電容Cl和副電容C2，兩者的電容值相同，極性方向相反；能量回饋支路與儲能電容組並聯連接，並且只允許流經該支路的電流流向副電容C2的負極；殘壓處理支路並聯在副電容C2的兩端，或以諧振的方式將副電容C2兩端的電壓反向，或通過電阻洩能完全消除副電容C2上的殘壓；充電電源並聯在主電容Cl兩端，充電電源只對主電容Cl正向充電。本技術方案主要有以下技術特點(1)採用雙電容串聯儲能放電的形式，可以使整個工作過程中主電容上無反壓，副電容上無反壓或只承受10%以下的反壓，從而提高了單極性電容的可靠性和工作壽命，降低整個電源系統的造價；( 通過採用能量回饋支路和殘壓處理支路，可以實現負載儲能的回收，回收率可達負載電流最大時負載儲能的90% 以上，減少了下一個工作周期所需要的充電能量；(3)由於採用雙電容串聯工作模式，可以採用高頻諧振充電電源，有利於提高系統的重複頻率。總之，本發明是一種新型的基於雙電容放電、諧振方式能量回饋、儲能電容殘壓處理的緊湊型重複脈衝功率電源。
圖1是本發明的技術原理框圖。圖2是基於晶閘管回饋能量和電阻處理殘壓的電路原理圖。圖3是基於二級管回饋能量和電感處理殘壓的電路原理圖。
具體實施例方式本發明解決其技術問題採取的方案如下如圖1所示，本發明提供的重複脈衝功率電源包括充電電源1、儲能電容組、殘壓處理支路2和能量回饋支路3，其中，儲能電容組包括主電容Cl和副電容C2，兩者的電容值相同，串聯連接，極性方向相反。能量回饋支路3與儲能電容組並聯連接，並且能量回饋支路3隻允許流經該支路的電流流向副電容C2的負極；殘壓處理支路2並聯在副電容C2的兩端，用於將放電結束後的殘壓進行處理，具體而言，或以諧振的方式將副電容C2兩端的電壓反向，或通過電阻洩能完全消除副電容C2上的殘壓，等等。充電電源1並聯在主電容Cl兩端，可採用高頻諧振充電電源。開關保護支路4和感性負載5串聯連接後與儲能電容組並聯。其工作原理如下在第一個階段，儲能電容組通過開關保護支路4向感性負載5放電，選擇的儲能電容的容值和初始放電時的儲能電壓可以保證負載電流的峰值和脈寬達到所需要求；在第二個階段，感性負載5上存儲的能量通過能量回饋支路3以諧振的方式回饋到儲能電容組中；在第三個階段，副電容C2上的殘壓通過殘壓處理支路2進行處理，處理完畢後斷開相應的開關。在上述工作過程中，充電電源1可以在整個工作過程中一直對主電容Cl進行充電，當副電容C2上的殘壓處理過程和主電容Cl上的充電過程全部完成後，前一個工作周期結束，進入下一個周期。在具體實施過程中，可以根據需要選擇系統各個主要構成部分的具體元件和參數，使系統有不同的工作過程，以更好地提高系統的工作頻率、穩定性、可靠性、經濟性等。下面給出兩種不同的具體實施例子。例1如圖2所示，基於晶閘管回饋能量和電阻處理殘壓。電路的具體構成如下主電容Cl和副電容C2電容值相等，串聯連接，主電容 Cl的正極接副電容C2的正極；為了安全，主電容Cl和副電容C2的兩端分別並聯有洩能支路，為了畫圖簡潔，圖中未標出。殘壓處理支路2由開關K3和電阻R2串聯連接組成，開關 K3的另一端接副電容C2的正極，R2的另一端接副電容C2的負極。能量回饋支路3由晶閘管Q2，電感Li，電阻Rl依次串聯而成，晶閘管Q2的陰極接副電容C2的負極，陽極接電感Ll，電阻Rl —端與Ll連接，另一端與主電容Cl的負極連接；開關保護支路4由晶閘管Ql串聯保護電感Lp構成，Ql的陽極接副電容C2的負極，陰極與保護電感Lp連接；感性負載5(由於實際的感性負載不可能沒有電阻，並且該電阻的大小對於系統的工作狀態有重要影響，故感性負載5在圖中用Lm串聯Rm表示。)一端接保護電感 Lp，另一端接主電容Cl的負極。充電電源1並聯在主電容Cl的兩端，充電電源1隻對主電容Cl正向充電。能量回饋支路3中的電阻Rl也可以去除，直接由晶閘管Q2和電感Ll串聯構成該支路，例1的工作過程包括以下3個過程(1)放電過程晶閘管Ql導通，Cl和C2通過保護電感Lp向負載Lm和Rm放電，負載電流Lii先上升到最大值，然後下降為零。(2)諧振回饋能量過程晶閘管Q2導通，Cl和C2經過Ll和Rl放電，將能量進行回饋，直至電流Il過零，Q2關斷。(3)殘壓處理過程開關K3閉合，C2上的電能通過電阻R2進行洩能，直到洩能完畢，C2電壓為零，再斷開開關K3。在以上三個過程中，充電電源1可以一直對Cl進行充電。若以上三個過程完成後儲能電容組的串聯電壓低於額定值，則充電電源1繼續對Cl進行充電。當以上三個過程完畢，電容器組的串聯電壓達到額定值，則可以繼續開始下一個工作過程。此方案的優點是工作原理簡單，易於控制，主電容Cl和副電容C2上都完全沒有反壓。例2如圖3所示，基於二級管回饋能量和電感處理殘壓。其電路結構與基於晶閘管回饋能量和電阻處理殘壓的電路相似，只有殘壓處理支路2和能量回饋支路3略有差別。 具體而言，將例1能量回饋支路3中的晶閘管Q2換成二極體D2，二極體D2的位置和方向與晶閘管Q2相同；另外，殘壓處理支路2換為由晶閘管Q3串聯電感L2構成，晶閘管Q3的陽極與副電容C2的正極連接，陰極與電感L2相連，L2的另外一端與副電容C2的負極相連。例2的工作過程包括以下4個過程(1)放電過程晶閘管Ql導通，Cl和C2通過保護電感Lp向負載Lm和Rm放電，負載電流Lii先上升到最大值，然後當能量回饋支路3兩端的電壓小於零的時候，二極體D2導通，第一個過程結束。(2)三階諧振回饋能量過程當第一個階段結束時，D2導通，但Ql並未關斷，此時電路的工作狀態是一個三階諧振過程。當電路的參數選擇合適時，Ql將在一段時間後關斷。(3) 二階諧振回饋能量過程二極體D2仍然導通，Cl和C2經過Ll和Rl放電，將能量進行回饋，直至電流Il過零，D2關斷。(4)殘壓處理過程晶閘管Q3導通，C2上的電能通過電感L2進行轉移，當電流過零時，Q3關斷，該過程結束，C2的電壓為負。在以上四個過程中，充電電源1可以一直對Cl進行充電。若以上四個過程完成後儲能電容組的串聯電壓低於額定值，則充電電源1繼續對Cl進行充電。當以上四個過程完畢，電容器組的串聯電壓達到額定值，則可以繼續開始下一個工作過程。此方案中，主電容Cl上完全沒有反壓，副電容C2將承受不足10%的反壓，但相比例1中的方案，每個工作周期所需的充電能量更小，對充電電源1的要求也相對更低。
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以上兩例並非本重複脈衝功率電源唯一的實現途徑，只是兩種有代表性的具體實施方法。還可以能量回饋支路3的開關器件採用晶閘管，殘壓處理支路2採用晶閘管串聯電感和電阻；能量回饋支路3的開關器件採用二極體，殘壓處理支路2採用高頻非半導體開關器件串聯電阻；等等。通過優化系統各個主要構成部分的具體元件形式和參數大小，可以更好地提高儲能電容組的壽命和可靠性，提高系統的工作頻率。
權利要求
1.一種高壓大功率重複脈衝功率電源，其特徵在於，該電源至少包括充電電源、儲能電容組、殘壓處理支路和能量回饋支路；其中，儲能電容組包括串聯連接的主電容Cl和副電容C2，兩者的電容值相同，極性方向相反；能量回饋支路與儲能電容組並聯連接，並且只允許流經該支路的電流流向副電容 C2的負極；殘壓處理支路並聯在副電容C2的兩端，或以諧振的方式將副電容C2兩端的電壓反向，或通過電阻洩能完全消除副電容C2上的殘壓；充電電源並聯在主電容Cl兩端，充電電源只對主電容Cl正向充電。
2.根據權利要求1所述的高壓大功率重複脈衝功率電源，其特徵在於，殘壓處理支路包括串聯連接的晶閘管Q3與串聯電感L2，晶閘管Q3的陽極與副電容C2的正極連接，陰極與電感L2的一端相連，電感L2的另外一端與副電容C2的負極相連。
3.根據權利要求1所述的高壓大功率重複脈衝功率電源，其特徵在於，殘壓處理支路包括串聯連接的機械開關與電阻，機械開關的一端與副電容C2的正極連接，機械開關的另一端與電阻的一端相連，電阻的另外一端與副電容C2的負極相連。
4.根據權利要求1所述的高壓大功率重複脈衝功率電源，其特徵在於，能量回饋支路包括依次串聯連接的晶閘管Q2和電感Li，晶閘管Q2的陰極接副電容C2的負極，晶閘管Q2 正極接電感Ll的一端，電感Ll另一端與主電容Cl的負極連接。
5.根據權利要求1所述的高壓大功率重複脈衝功率電源，其特徵在於，能量回饋支路包括依次串聯連接的二極體和電感Li，二極體的陰極接副電容C2的負極，二極體正極接電感Ll的一端，電感Ll另一端與主電容Cl的負極連接。
全文摘要
本發明公開了一種高壓大功率重複脈衝功率電源，包括充電電源、儲能電容組、殘壓處理支路和能量回饋支路，儲能電容組包括串聯連接的主電容C1和副電容C2，兩者的電容值相同，極性方向相反；能量回饋支路與儲能電容組並聯連接，殘壓處理支路並聯在副電容C2的兩端，充電電源並聯在主電容C1兩端。本發明採用雙電容儲能放電的形式，可以使主電容上無反壓，副電容上無反壓或只承受10％以下的反壓，從而提高了單極性電容的可靠性和工作壽命以及系統的工作頻率，是一種新型的基於雙電容放電、諧振方式能量回饋、儲能電容殘壓處理的緊湊型重複脈衝功率電源。
文檔編號H02M9/00GK102412753SQ201110376569
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者丁同海, 丁洪發, 向穎萌, 李亮, 楊瑞, 許贇 申請人:華中科技大學