一種用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源的製作方法

2024-02-11 02:41:15 1

專利名稱：一種用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，屬於電磁發射技術領域。
背景技術：
電磁發射的研究也已經有了一百多年的歷史，隨著能源危機的加劇以及電力技術、控制技術的發展，電磁發射技術受到越來越多的關注，特別是計算機技術和電力電子技術的進一步發展，加速了電磁發射技術走向了實用化的進程。脈衝電源系統一般可以分為初級電源、中間儲能和脈衝形成系統、轉換系統三部分。由於初級電源功率密度較低，滿足不了電磁發射的要求，因此要引入中間儲能部分。對於中間儲能系統，常見的形式有電容儲能、電感儲能、機械儲能等。電容型儲能系統起步較早，也是目前最常用的中間儲能方式。其優點在於所需要的充電功率低，只要由直流初級電源充電，就可以保證電容電壓的線性上升，。主要缺點是能量密度低，相同條件功率密度下，其儲能比電感型儲能方式低一個數量級，這也限制了其在實戰系統中的應用。對於機械式儲能方式，由於其儲能密度大，很早就引起了不少的關注，典型的代表是旋轉動能儲能方式，但是考慮到體積、重量、可靠性等因素的制約，這種方式的致命缺陷是難以移植到實戰系統中。在理論上(有報導稱)電容、電感、脈衝發電機組的能量密度比為 I : 10 : 1000。與以上兩種儲能方式相比，電感儲能更有點折衷的意味。對於儲能密度，它雖然不及機械式儲能方式，但是又比電容式儲能方式優越；針對控制手段而言，它比機械式儲能方式更加靈活，且由於其存儲的是靜態能量，冷卻裝置簡單，更加容易配置應用到實戰系統中去。另外，對它維護更方便，使用壽命更長。隨著超導技術的進一步發展，如果能夠被應用到電感型儲能脈衝電源中，那麼電感型儲能的儲能密度和裝置體積、重量等指標均會有極大程度的改善，必將引起電磁發射脈衝電源的一次革命，可見電感型儲能脈衝電源有著良好的研究和應用前景。目前用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源的拓撲主要有兩種美國的先進技術聯盟IAT(Institute for Advanced Technology)採用的電容輔助慢速能量轉換絞肉機型電感儲能脈衝電源(以下簡稱STRETCH meat grinder)和德法聯合實驗室 ISL(German-French Research Institute of Saint Louis)米用的串充並放型脈衝電源 (以下簡稱XRAM)。上述已有的STRETCH meat grinder的電路圖如圖I所示。其中Us是初級充電電源，主開關Stjp是全控開關，採用集成門極換流晶閘管(以下簡稱IGCT)或者門級可關斷晶閘管(以下簡稱GT0)。T1為晶閘管，DpD2為二極體，L1與L2是存在高耦合互感的電感(即次級電源，一般要求二者之間的耦合係數k大於0. 9)，C是電容，Load則為負載。STRRTCH meat grinder實現負載電流倍增的手段是通過強耦合的電感L1和L2來實現的。在電感設計上通常保持L1的電感值是L2的十幾倍。這樣通過全控開關Stjp主動切斷充電電流時，L1和L2總磁鏈守恆，很大部分磁鏈轉移到較小的電感L2中，從而實現電流倍增。電容C可以限制因切斷充電電流而在主管StjpI產生的電壓。上述已有的XRAM的電路圖如圖2所示。其中Us是初級充電電源，二極體Dn、晶閘管Thn、換流電容Cn、二極體Dnl、二極體Df電感Ln為構成XRAM的一個基本單元(一級)， 有多少個這樣的基本單位，就是多少級的XRAM。晶閘管Thn+1是負載側主管。XRAM的基本原理是串充並放。具體而言，觸發Tlvn導通，由初級電源Us給η個電感串聯(次級電源)充電，通過換流迴路輔助關斷Ttvn，最後通過η個電感的並聯放電，從而實現負載電流倍增。在電磁發射的電感儲能型脈衝電源的評價體系指標中，負載電流倍增係數(負載電流峰值與初級充電電流峰值之比)，主管承受的電壓都是很重要的指標。另外考慮到負載一般都要求在幾個ms內發射出去，因此殘留在電感(次級電源)中仍有相當可觀的能量。 就目前的技術而言，還都是設置一個大的電阻與負載並聯，將這部分能量消耗掉，還沒有任何一種拓撲將發射之後殘留在電感中的能量進行回收。主流的拓撲也存在一些不足。對於STRETCH meat grinder而言,主要的瓶頸集中在兩點I、為了主動關斷充電電流，主開關管3。1)採用了全控器件IGCT。就目前的技術而言，IGCT能夠可靠關斷的最大電流約為4kA，以ABB的5SHY55L4500為例，大概在40000元， 成本很高。另外，進一步擴展系統的能量規模，則需要關斷十幾甚至幾十kA的電流，這不僅是IGCT的成本問題，而是IGCT根本就行不通。IAT最近在研究採用GTO來實現，但仍沒有
實際進展。2、為了取得較大的負載電流倍增係數，STRETCH meat grinder採用了高耦合電感，要求耦合係數高達O. 94 (此時電流倍增係數可以接近10)，這帶來了工藝的極大困難和極高的成本。雖然XRAM採用了晶閘管作為主管，結合輔助換流，可以可靠關斷達到十幾kA的初級充電電流，且可通過增加級數的方式來實現電流倍增,但每一級的電流放大能力只有I。上述兩種主流拓撲都沒有引入能量回饋機制，負載發射後電感中磁場能只能通過外接電阻釋放掉，二者的能量利用效率均低於50%。

發明內容
本發明的目的是提出一種用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，從大的方面看，它是一個串充並放電感儲能型脈衝電源；從小的方面看，它的每一級是一個弱耦合的 STRETCH meat grinder,這樣的結過使得它有極強的電流放大能力。假設單級STRETCH meat grinder的電流放大係數為m,那麼基於新電路的η級系統的電流倍增係數就為m*n。在設計的時候，可以採用較低耦合係數的STRETCH，例如可以選取m = O. 6，這樣相較於XRAM，可以用更小的級數獲得更大的電流倍增係數；相較於STRETCH meat grinder,製作工藝就會簡化很多，且顯著降低成本。本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，包括初級電源、第一回饋能量晶閘管、第二回饋能量晶閘管、多個電源側晶閘管、多個電感儲能脈衝單元和一個負載晶閘管；多個電感儲能脈衝單元分別由第一晶閘管、第二晶閘管、第一二極體、第二二極體、第三二極體、第一電容、第二電容、第一電感和第二電感組成；所述的第一晶閘管的陽極、第二晶閘管的陰極和第一電感的一端與所述的電源側晶閘管的陰極相連；所述的第一電容的陽極、第一二極體的陽極和第一晶閘管的陰極相連；所述的第二電感的一端、第一電容的陰極和第三二極體的陽極相連，第二電感的另一端、第一電感的另一端和第二二極體的陰極相連；所述的電源側晶閘管的陽極與初級電源的正極相連；所述的負載晶閘管的陰極與所述的電感儲能脈衝單元中第二電容的陰極相連接，負載晶閘管的陽極與所述的負載的一端相連，負載的另一端與所述的電感儲能脈衝單元中第三二極體的陰極相連；所述的一級電感儲能脈衝單元中第三二極體的陽極通過電源側晶閘管與相鄰級電感儲能脈衝單元中的第一晶閘管的陽極相連；所述的第一回饋能量晶閘管的陽極與最後一級電感儲能脈衝單元中第一電容的陰極相連，第一回饋能量晶閘管的陰極與初級電源的正極相連；所述的第二回饋能量晶閘管的陽極與初級電源的負極相連，第二回饋能量晶閘管的陰極與所述的第一級電感儲能脈衝單元中的第一晶閘管的陽極相連。本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，其優點是I、本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，具有極強的電流放大能力，實現了 STRETCH meat grinder與XRAM電流放大倍數乘的運算，即假設單級STRETCH meat grinder的電流放大係數為m,那麼本發明的基於新電路的η級系統的電流倍增係數就為m*n。2、本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，如果要擴展系統，以得到更大的負載電流，一方面可以提高初級電源的電流水平(可以上十kA甚至幾十kA)，另一方面可以很方便的通過增加級數η來實現。3、本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，全部採用了半控和不控器件，相較於已有的STRETCH meat grinder使用全控開關,有著明顯的成本上的優勢。已有的STRETCH meat grinder用ABB的5SHY55L4500在40000元，本發明的脈衝電源中採用晶閘管，並用輔助電路換流，相同情況下成本低於4000元。此外，其中採用低耦合電感成本也有大幅度的降低。4、本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，採用了低耦合電感，降低了對電感製作工藝的要求。5、本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，引入了能量回饋機制，將電感中的能量自動回饋，系統能量利用效率高達70%。6、本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，具有雙重電流波形調節體制。一方面可以要控制Til觸發脈衝調節各個級內部的電流波形；另一方面可以控制Ti2觸發脈衝調節各個級合成的電流波形，幾乎可以達到任意想要的電流波形，因此本發明的脈衝電源與已有電源相比，更適合電磁發射。


圖I是已有的電容輔助慢速能量轉換絞肉機型電感儲能脈衝電源STRETCH meat grinder的電路圖。圖2是串充並放電感儲能電源XRAM的電路圖。圖3是本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源的電路圖。
具體實施例方式本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，其電路圖如圖3所示，包括初級電源us、第一回饋能量晶閘管Tfl、第二回饋能量晶閘管Tf2、多個電源側晶閘管Ti、多個電感儲能脈衝單元和一個負載晶閘管Tn+1 ;多個電感儲能脈衝單元分別由第一晶閘管Τη、 第二晶閘管Ti2、第一二極體Dil、第二二極體Di2、第三二極體Di3、第一電容Cil、第二電容Ci2、 第一電感Lil和第二電感Li2組成；所述的第一晶閘管Til的陽極、第二晶閘管Ti2的陰極和第一電感Lil的一端與所述的電源側晶閘管Ti的陰極相連；所述的第一電容Cil的陽極、第一二極體Dil的陽極和第一晶閘管Til的陰極相連；所述的第二電感Li2的一端、第一電容 Cil的陰極和第三二極體Di3的陽極相連，第二電感Li2的另一端、第一電感Lil的另一端和第二二極體Di2的陰極相連；所述的電源側晶閘管Ti的陽極與初級電源us的正極相連；所述的負載晶閘管Tn+1的陰極與所述的電感儲能脈衝單元中第二電容Ci2的陰極相連接，負載晶閘管Τη+1的陽極與所述的負載的一端相連，負載的另一端與所述的電感儲能脈衝單元中第三二極體Di3的陰極相連；所述的一級電感儲能脈衝單元中第三二極體Di3的陽極通過電源側晶閘管與相鄰級電感儲能脈衝單元中的第一晶閘管Til的陽極相連；所述的第一回饋能量晶閘管Tfl的陽極與最後一級電感儲能脈衝單元中第一電容Cil的陰極相連，第一回饋能量晶閘管Tfl的陰極與初級電源us的正極相連；所述的第二回饋能量晶閘管Tf2的陽極與初級電源us的負極相連，第二回饋能量晶閘管Tf2的陰極與所述的第一級電感儲能脈衝單元中的第一晶閘管Til的陽極相連。本發明的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源中，第一、二晶閘管Tn、Ti2，第一、 二電容Cn、Ci2，第一、二、三二極體Dn、Di2、Di3，電第一、二感Ln、Li2(i = I η)構成新拓撲的一級。晶閘管Τη+1是負載側主管，晶閘管Tfl與Tf2是電感殘餘能量回饋控制管。各個單元內部兩個電感存在互感，各個單元之間並不存在耦合作用。二極體Di3(i = I η)的引入是為了防止並聯對第2 η級形成短路。電容Ci2(i = I η)是換流電容，在電路工作前有一定的預充電電壓，電容Cil (i = I η)是用來調節負載電流波形的。本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源中的每個單元是一個STRETCH meat grinder電路,與原有單級STRETCH meat grinder電路不同的是,該單元的電感不要求有很強的耦合作用。本發明脈衝電源的基本原理是先利用STRETCH meat grinder的較大電流放大倍數(假設這個倍數為m)，在電感Li2 (i = I η)的電流已經有了 m倍數放大， 之後這η個電感進行並聯放電，得到總的電流放大倍數就是m*n。負載發射後，電感Ln、Li2 中殘留的磁場能通過諧振完全轉化到電容Cil，然後觸發T2_n、Tfl、Tf2將電容Cil的能量回饋到初級電源us中，從而實現了能量回饋，提高了系統效率。以下結合附圖，詳細介紹本發明提出的用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源該電路的工作過程，可以分成四個工作階段。第一階段，初級電源充電。觸發晶閘管 \_η導通，初級電源Us給η個單元充電。每個單元包含兩個有耦合作用的電感，由於隔離二極體Di3(i = I η)和負載側晶閘管Τη+1的隔離作用，充電電路路與右側電路完全隔離由於採用了直流恆壓源，忽略迴路電阻，充電過程實際上是一個迴路電流線性上升的過程。當電流上升到指定值後，同時觸發Ti2 (i = I η)和Τη+1，進入第二階段。第二階段，利用Ti2，Ci2構成的換流迴路，輔助關斷晶閘管Ti (i = I η)。第三階段，各個單元並聯放電。這個階段本質上是η個STRETCH meat grinder並聯放電。第四階段，殘餘能量回饋。這個階段的能量回饋是經過兩個過程完成的，第一個子過程是電感中的能量通過諧振方式全部回饋到電容Cil中；第二個子過程，通過控制回饋電路，將Cil的能量回饋到電源中。第四階段中，不考慮迴路阻抗，各個單元都是一個二階諧振電路。在第三階段結束時，由於單元內部的電感耦合併不高，所以電感中Lil和Li2還存儲了可觀的能量，電流逐漸到零後，電感中的磁場能全部轉移到電容Cil中以電場能的形式存儲。通過控制同時觸發T2 n、Tn(i = I η)、第一回饋能量晶閘管Tfl、第二回饋能量晶閘管Tf2，將電容Cil中的能量回饋給初級電源。為了限制充電電流，可以在Tfl處接入一個限流電阻。
權利要求
1.一種用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，其特徵在於該脈衝電源包括初級電源、 第一回饋能量晶閘管、第二回饋能量晶閘管、多個電源側晶閘管、多個電感儲能脈衝單元和一個負載晶閘管；多個電感儲能脈衝單元分別由第一晶閘管、第二晶閘管、第一二極體、第二二極體、第三二極體、第一電容、第二電容、第一電感和第二電感組成；所述的第一晶閘管的陽極、第二晶閘管的陰極和第一電感的一端與所述的電源側晶閘管的陰極相連；所述的第一電容的陽極、第一二極體的陽極和第一晶閘管的陰極相連；所述的第二電感的一端、第一電容的陰極和第三二極體的陽極相連，第二電感的另一端、第一電感的另一端和第二二極體的陰極相連；所述的電源側晶閘管的陽極與初級電源的正極相連；所述的負載晶閘管的陰極與所述的電感儲能脈衝單元中第二電容的陰極相連接，負載晶閘管的陽極與所述的負載的一端相連，負載的另一端與所述的電感儲能脈衝單元中第三二極體的陰極相連；所述的一級電感儲能脈衝單元中第三二極體的陽極通過電源側晶閘管與相鄰級電感儲能脈衝單元中的第一晶閘管的陽極相連；所述的第一回饋能量晶閘管的陽極與最後一級電感儲能脈衝單元中第一電容的陰極相連，第一回饋能量晶閘管的陰極與初級電源的正極相連; 所述的第二回饋能量晶閘管的陽極與初級電源的負極相連，第二回饋能量晶閘管的陰極與所述的第一級電感儲能脈衝單元中的第一晶閘管的陽極相連。
全文摘要
本發明涉及一種用於電磁發射的電感儲能型脈衝電源，屬於電磁發射技術領域。包括初級電源、第一和第二回饋能量晶閘管、多個電源側晶閘管、多個電感儲能脈衝單元和一個負載晶閘管。本發明的脈衝電源，具有極強的電流放大能力；可以通過提高初級電源的電流水平和增加電感儲能脈衝單元的級數來擴展系統；電源中採用晶閘管和低耦合電感，並用輔助電路換流，可以大幅度降低設備成本；採用的低耦合電感，可以降低對電感製作工藝的要求；引入了能量回饋機制，系統能量利用效率高達70％；可以達到任意想要的電流波形，更適合電磁發射。
文檔編號H02M9/02GK102594195SQ20121008235
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月26日 優先權日2012年3月26日
發明者於歆傑, 初祥祥 申請人:清華大學