CN101895226B - 一种超导储能脉冲功率电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导储能脉冲功率电源，包括初始充电电源、电源开关、续流开关，超导储能电感的失超触发装置模块及负载；所述超导储能电感的失超触发装置模块由多个并联设置的电源电路模块组成。各电源电路模块模块内包含：一个充放电开关与一非线性放电电阻并联设置在一个超导脉冲功率变压器的原边绕组回路中，功率二极管连接在所述超导脉冲功率变压器的次边绕组回路中。采用本发明的结构可以实现多模块串联充电和并联放电，利用超导脉冲功率变压器对输出脉冲电流的放大和叠加后，有效地实现脉冲大电流。具有储能密度高，单位功率电源重量轻体积小的优点。

Description

一种超导储能脉冲功率电源
所属技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，它特别涉及基于超导脉冲功率变压器储能放电的脉冲功率电源。
背景技术
脉冲功率技术是近几十年内迅速发展起来的一门新兴学科，是指在相对较长的时间里把能量储存起来，经过快速压缩、转换，然后有效释放给负载的技术，也称为高功率脉冲技术。早期的核聚变研究给它创造了成长的环境，国防基础科研的需求为它提供了发展的动力。一般来说，脉冲功率装置包括初级能源、中间储能和脉冲成形系统、转换系统以及负载。中间储能元件是脉冲功率技术中的基础元件，是脉冲功率技术的关键部件。现代新概念武器的应用尤其空间应用的特点要求脉冲功率电源的体积尽可能的小，提供的电流尽可能的大。近年来，脉冲功率技术在新概念武器、化工、废水和烟雾处理、半导体、集成电路等方面的应用日益广泛。
现有的脉冲功率电源中的储能元件大多采用电容器。但是存在以下缺点：1.电容器的储能密度不高，很难降低脉冲功率电源的体积；2.并且电容器不能长时间储能，储能效果也不好。
超导储能电感的储能密度与电容储能相比要高的多，其零电阻特性很好的解决了普通电感由于受电阻的限制而不能够长期储能的问题，而且超导储能电感的低损耗对初始充电电源的功率要求大大降低。传统的基于超导储能的脉冲功率电源实施模式主要有两种：一种是超导储能电感串联充电并联放电模式；一种是基于超导脉冲功率变压器储能的感应放电模式。
超导储能电感串联充电并联放电模式，主要是以超导储能电感模块的叠加来实现输出脉冲电流的增大。它存在的问题是如果要得到幅值非常高的脉冲电流，则需要叠加的超导储能电感非常多，使系统的规模非常大。这不利于脉冲功率电源体积的减小和结构的简化。
传统的利用超导脉冲功率变压器储能的感应放电模式(如附图1所示)，主要是以超导脉冲功率变压器的原边绕组作为储能电感来储能。它通过触发超导储能电感(脉冲变压器的原边绕组)失超，使超导储能电感中电流快速衰减，从而在脉冲变压器次边绕组感应出脉冲电流。它存在的问题是：1.反复利用超导储能电感失超会使超导储能电感的使用寿命减小；2.若通过增加脉冲变压器的变比来输出大脉冲电流，则需要增大脉冲变压器的原边绕组，这不利于变压器耦合系数的提高，也会使电源的输出效率降低；3.若要在变比较大的情况下获得大脉冲电流输出，则需要非常大的失超电阻，这对超导的材料特性和失超触发技术提出了较高的要求；
当前的相关文献中，提出了以超导储能电感串联充电并联放电为主，再辅以脉冲变压器对超导储能电感输出的脉冲电流放大的模式。这种模式也存在一个突出的问题就是超导储能电感对脉冲变压器放电时，会产生很高的脉冲电压，对断路开关的要求非常高，而且该电路模式的输出效率较低。
发明内容
鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种新的超导储能脉冲功率电源电路模式，与同类电路模式相比具有结构简单、体积小、输出脉冲电流大、超导储能电感的放电端电压小、对断路开关要求低、模块化等特点。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
一种超导储能脉冲功率电源，包括初始充电电源、电源开关、续流开关，超导储能电感的失超触发装置模块及负载；所述超导储能电感的失超触发装置模块由多个并联设置的电源电路模块组成；各电源电路模块模块内包含：一个充放电开关与一非线性放电电阻并联设置在一个超导脉冲功率变压器的原边绕组回路中，功率二极管连接在所述超导脉冲功率变压器的次边绕组回路中。
采用本发明的手段，基于超导脉冲功率变压器储能的感应放电原理，利用非线性电阻的稳压特性，使超导储能电感在近似恒压的条件下放电，从而实现较大脉冲电流的输出；再结合超导电感串联充电并联放电模式，使超导储能电感串联充电，使超导脉冲功率变压器次边绕组并联放电，从而在简化电路结构的同时，使输出的较大脉冲电流进一步叠加成更大的脉冲电流。
本发明的有益效果体现在以下方面：1.由于超导储能电感的储能密度高，所以可以有效的降低脉冲功率电源的体积和重量。2.超导储能电感可以接近实现能量无损储存，可以长期储存能量，储能效果好。3.由于超导储能脉冲功率电源可由多个超导脉冲功率变压器充放电模块组成，可以实现多模块串联充电和并联放电，利用超导脉冲功率变压器对输出脉冲电流的放大和叠加后，可以有效的实现脉冲大电流。4.通过对多模块超导储能电感进行协调放电控制，可以实现不同宽度的脉冲电流，以满足不同负载的需要。5.使用较少的模块即可实现较大的脉冲电流输出，而且具有较高的输出效率。由于上述优点，本发明可以用于电磁推进的能源供给、作为空间脉冲功率系统或其它需要一定电压下强电流的技术领域。
附图说明
图1为传统的利用超导脉冲功率变压器储能的感应放电模式原理图
图中：(1)为初始充电电源，(2)为电源开关，(3)为负载阻抗，(4)为续流作用的开关，(5)为超导储能电感的失超触发装置，(6)为超导脉冲功率变压器(原边绕组为超导储能电感)。
图2为本发明的电路原理图
图中：(1)为初始充电电源，(2)为电源开关，Ⅰ为脉冲电源的单模块，Ⅱ为脉冲电源的单模块，(3)为负载。K11、K12分别为模块Ⅰ和模块Ⅱ的充放电开关；r1、r2分别为模块Ⅰ和模块Ⅱ的非线性放电电阻；Ls1、Ls2分别为模块Ⅰ和模块Ⅱ的超导脉冲功率变压器的原边绕组(超导储能电感)；Lc1、Lc2分别为模块Ⅰ和模块Ⅱ的超导脉冲功率变压器的次边绕组；D1、D2分别为模块Ⅰ和模块Ⅱ的功率二极管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如附图2所示，一种超导储能脉冲功率电源电路包括初始充电电源(1)、电源开关(2)、模块Ⅰ、模块Ⅱ、负载(3)。所述模块化电源电路可以由多个模块组成，为简述方便只介绍两个模块(模块Ⅰ和模块Ⅱ)组成的电路。模块Ⅰ和模块Ⅱ由一个初始充电电源(1)串联充电，再并联对负载(3)放电，充放电过程由模块Ⅰ和模块Ⅱ内部的开关装置的不同组合状态实现。
所述一种超导储能脉冲功率电源的模块Ⅰ电路(如附图3所示)，包括充放电开关K11、非线性放电电阻r1、脉冲功率变压器原边绕组Ls1、脉冲功率变压器次边绕组Lc1、功率二极管D1。其中：所述超导脉冲功率变压器原边绕组Ls1为超导储能电感，用于脉冲功率电源的中间储能；所述超导脉冲功率变压器次边绕组Lc1可以为超导电感也可以为常导电感；所述非线性放电电阻r1为碳化硅或氧化锌等具有限压和稳压特性的压敏电阻，可使超导脉冲功率变压器原边绕组(超导储能电感)在相对稳定的端电压下放电；所述充放电开关K11为可提供续流作用和快速关断的开关，闭合时用于超导储能电感的续流储能，关断时用于快速关断超导储能电感的续流储能回路，使超导储能电感对非线性放电电阻r1放电。
所述一种超导储能脉冲功率电源的模块Ⅱ电路与模块Ⅰ电路相同，包括充放电开关K12、非线性放电电阻r2、脉冲功率变压器原边绕组Ls2、脉冲功率变压器次边绕组Lc2、功率二极管D2。
所述一种超导储能脉冲功率电源可由更多的模块组成的，每个模块电路结构都与模块Ⅰ相同。

Claims (2)

1.一种超导储能脉冲功率电源，包括初始充电电源、电源开关、超导储能电感的失超触发装置模块及负载，所述超导储能电感的失超触发装置模块由多个并联设置的电源电路模块组成；各电源电路模块内包含：一个可供续流作用和快速关断的充放电开关与一非线性放电电阻并联并与一个超导脉冲功率变压器的原边绕组并联，功率二极管阴极连接在所述超导脉冲功率变压器的次边绕组正端，所述超导脉冲功率变压器原边绕组即为所述超导储能电感；各电源电路模块的充放电开关依次串联，第一个电源电路模块与最后一个电源电路模块的充放电开关的非串联端分别构成了所述失超触发装置模块的两个输入端，所述初始充电电源正端连接到电源开关一端，电源开关另一端和初始充电电源负端分别连接到失超触发装置模块的两个输入端，各功率二极管阳极与各超导脉冲功率变压器的次边绕组负端分别并联后形成的两个输出端连接到负载两端。
2.根据权利要求1所述之超导储能脉冲功率电源，其特征在于，所述超导脉冲功率变压器原边绕组为超导储能电感，其次边绕组为超导电感或普通常导电感。
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