CN102594195A

CN102594195A - 一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源

Info

Publication number: CN102594195A
Application number: CN2012100823531A
Authority: CN
Inventors: 初祥祥; 于歆杰
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: CN102594195B

Abstract

本发明涉及一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，属于电磁发射技术领域。包括初级电源、第一和第二回馈能量晶闸管、多个电源侧晶闸管、多个电感储能脉冲单元和一个负载晶闸管。本发明的脉冲电源，具有极强的电流放大能力；可以通过提高初级电源的电流水平和增加电感储能脉冲单元的级数来扩展系统；电源中采用晶闸管和低耦合电感，并用辅助电路换流，可以大幅度降低设备成本；采用的低耦合电感，可以降低对电感制作工艺的要求；引入了能量回馈机制，系统能量利用效率高达70％；可以达到任意想要的电流波形，更适合电磁发射。

Description

一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，属于电磁发射技术领域。

背景技术

电磁发射的研究也已经有了一百多年的历史，随着能源危机的加剧以及电力技术、控制技术的发展，电磁发射技术受到越来越多的关注，特别是计算机技术和电力电子技术的进一步发展，加速了电磁发射技术走向了实用化的进程。

脉冲电源系统一般可以分为初级电源、中间储能和脉冲形成系统、转换系统三部分。由于初级电源功率密度较低，满足不了电磁发射的要求，因此要引入中间储能部分。对于中间储能系统，常见的形式有电容储能、电感储能、机械储能等。

电容型储能系统起步较早，也是目前最常用的中间储能方式。其优点在于所需要的充电功率低，只要由直流初级电源充电，就可以保证电容电压的线性上升，。主要缺点是能量密度低，相同条件功率密度下，其储能比电感型储能方式低一个数量级，这也限制了其在实战系统中的应用。

对于机械式储能方式，由于其储能密度大，很早就引起了不少的关注，典型的代表是旋转动能储能方式，但是考虑到体积、重量、可靠性等因素的制约，这种方式的致命缺陷是难以移植到实战系统中。在理论上(有报道称)电容、电感、脉冲发电机组的能量密度比为1∶10∶1000。

与以上两种储能方式相比，电感储能更有点折衷的意味。对于储能密度，它虽然不及机械式储能方式，但是又比电容式储能方式优越；针对控制手段而言，它比机械式储能方式更加灵活，且由于其存储的是静态能量，冷却装置简单，更加容易配置应用到实战系统中去。另外，对它维护更方便，使用寿命更长。

随着超导技术的进一步发展，如果能够被应用到电感型储能脉冲电源中，那么电感型储能的储能密度和装置体积、重量等指标均会有极大程度的改善，必将引起电磁发射脉冲电源的一次革命，可见电感型储能脉冲电源有着良好的研究和应用前景。

目前用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的拓扑主要有两种：美国的先进技术联盟IAT(Institute for Advanced Technology)采用的电容辅助慢速能量转换绞肉机型电感储能脉冲电源(以下简称STRETCH meat grinder)和德法联合实验室ISL(German-French ResearchInstitute of Saint Louis)采用的串充并放型脉冲电源(以下简称XRAM)。

上述已有的STRETCH meat grinder的电路图如图1所示。其中u_S是初级充电电源，主开关S_op是全控开关，采用集成门极换流晶闸管(以下简称IGCT)或者门级可关断晶闸管(以下简称GTO)。T₁为晶闸管，D₁、D₂为二极管，L₁与L₂是存在高耦合互感的电感(即次级电源，一般要求二者之间的耦合系数k大于0.9)，C是电容，Load则为负载。

STRRTCH meat grinder实现负载电流倍增的手段是通过强耦合的电感L₁和L₂来实现的。在电感设计上通常保持L₁的电感值是L₂的十几倍。这样通过全控开关S_op主动切断充电电流时，L₁和L₂总磁链守恒，很大部分磁链转移到较小的电感L₂中，从而实现电流倍增。电容C可以限制因切断充电电流而在主管S_op上产生的电压。

上述已有的XRAM的电路图如图2所示。其中u_S是初级充电电源，二极管D_n、晶闸管Th_n、换流电容C_n、二极管D_n1、二极管D_n2、电感L_n为构成XRAM的一个基本单元(一级)，有多少个这样的基本单位，就是多少级的XRAM。晶闸管Th_n+1是负载侧主管。

XRAM的基本原理是串充并放。具体而言，触发Th_1-n导通，由初级电源u_S给n个电感串联(次级电源)充电，通过换流回路辅助关断Th_1-n，最后通过n个电感的并联放电，从而实现负载电流倍增。

在电磁发射的电感储能型脉冲电源的评价体系指标中，负载电流倍增系数(负载电流峰值与初级充电电流峰值之比)，主管承受的电压都是很重要的指标。另外考虑到负载一般都要求在几个ms内发射出去，因此残留在电感(次级电源)中仍有相当可观的能量。就目前的技术而言，还都是设置一个大的电阻与负载并联，将这部分能量消耗掉，还没有任何一种拓扑将发射之后残留在电感中的能量进行回收。

主流的拓扑也存在一些不足。对于STRETCH meat grinder而言，主要的瓶颈集中在两点：

1、为了主动关断充电电流，主开关管S_op采用了全控器件IGCT。就目前的技术而言，IGCT能够可靠关断的最大电流约为4kA，以ABB的5SHY55L4500为例，大概在40000元，成本很高。另外，进一步扩展系统的能量规模，则需要关断十几甚至几十kA的电流，这不仅是IGCT的成本问题，而是IGCT根本就行不通。IAT最近在研究采用GTO来实现，但仍没有实际进展。

2、为了取得较大的负载电流倍增系数，STRETCH meat grinder采用了高耦合电感，要求耦合系数高达0.94(此时电流倍增系数可以接近10)，这带来了工艺的极大困难和极高的成本。

虽然XRAM采用了晶闸管作为主管，结合辅助换流，可以可靠关断达到十几kA的初级充电电流，且可通过增加级数的方式来实现电流倍增，但每一级的电流放大能力只有1。

上述两种主流拓扑都没有引入能量回馈机制，负载发射后电感中磁场能只能通过外接电阻释放掉，二者的能量利用效率均低于50％。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，从大的方面看，它是一个串充并放电感储能型脉冲电源；从小的方面看，它的每一级是一个弱耦合的STRETCHmeat grinder，这样的结过使得它有极强的电流放大能力。假设单级STRETCH meat grinder的电流放大系数为m，那么基于新电路的n级系统的电流倍增系数就为m*n。在设计的时候，可以采用较低耦合系数的STRETCH，例如可以选取m＝0.6，这样相较于XRAM，可以用更小的级数获得更大的电流倍增系数；相较于STRETCH meat grinder，制作工艺就会简化很多，且显著降低成本。

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，包括初级电源、第一回馈能量晶闸管、第二回馈能量晶闸管、多个电源侧晶闸管、多个电感储能脉冲单元和一个负载晶闸管；多个电感储能脉冲单元分别由第一晶闸管、第二晶闸管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容、第二电容、第一电感和第二电感组成；所述的第一晶闸管的阳极、第二晶闸管的阴极和第一电感的一端与所述的电源侧晶闸管的阴极相连；所述的第一电容的阳极、第一二极管的阳极和第一晶闸管的阴极相连；所述的第二电感的一端、第一电容的阴极和第三二极管的阳极相连，第二电感的另一端、第一电感的另一端和第二二极管的阴极相连；所述的电源侧晶闸管的阳极与初级电源的正极相连；所述的负载晶闸管的阴极与所述的电感储能脉冲单元中第二电容的阴极相连接，负载晶闸管的阳极与所述的负载的一端相连，负载的另一端与所述的电感储能脉冲单元中第三二极管的阴极相连；所述的一级电感储能脉冲单元中第三二极管的阳极通过电源侧晶闸管与相邻级电感储能脉冲单元中的第一晶闸管的阳极相连；所述的第一回馈能量晶闸管的阳极与最后一级电感储能脉冲单元中第一电容的阴极相连，第一回馈能量晶闸管的阴极与初级电源的正极相连；所述的第二回馈能量晶闸管的阳极与初级电源的负极相连，第二回馈能量晶闸管的阴极与所述的第一级电感储能脉冲单元中的第一晶闸管的阳极相连。

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其优点是：

1、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，具有极强的电流放大能力，实现了STRETCH meat grinder与XRAM电流放大倍数乘的运算，即假设单级STRETCH meatgrinder的电流放大系数为m，那么本发明的基于新电路的n级系统的电流倍增系数就为m*n。

2、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，如果要扩展系统，以得到更大的负载电流，一方面可以提高初级电源的电流水平(可以上十kA甚至几十kA)，另一方面可以很方便的通过增加级数n来实现。

3、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，全部采用了半控和不控器件，相较于已有的STRETCH meat grinder使用全控开关，有着明显的成本上的优势。已有的STRETCH meat grinder用ABB的5SHY55L4500在40000元，本发明的脉冲电源中采用晶闸管，并用辅助电路换流，相同情况下成本低于4000元。此外，其中采用低耦合电感成本也有大幅度的降低。

4、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，采用了低耦合电感，降低了对电感制作工艺的要求。

5、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，引入了能量回馈机制，将电感中的能量自动回馈，系统能量利用效率高达70％。

6、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，具有双重电流波形调节体制。一方面可以要控制T_i1触发脉冲调节各个级内部的电流波形；另一方面可以控制T_i2触发脉冲调节各个级合成的电流波形，几乎可以达到任意想要的电流波形，因此本发明的脉冲电源与已有电源相比，更适合电磁发射。

附图说明

图1是已有的电容辅助慢速能量转换绞肉机型电感储能脉冲电源STRETCH meatgrinder的电路图。

图2是串充并放电感储能电源XRAM的电路图。

图3是本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的电路图。

具体实施方式

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其电路图如图3所示，包括初级电源u_S、第一回馈能量晶闸管T_f1、第二回馈能量晶闸管T_f2、多个电源侧晶闸管T_i、多个电感储能脉冲单元和一个负载晶闸管T_n+1；多个电感储能脉冲单元分别由第一晶闸管T_i1、第二晶闸管T_i2、第一二极管D_i1、第二二极管D_i2、第三二极管D_i3、第一电容C_i1、第二电容C_i2、第一电感L_i1和第二电感L_i2组成；所述的第一晶闸管T_i1的阳极、第二晶闸管T_i2的阴极和第一电感L_i1的一端与所述的电源侧晶闸管T_i的阴极相连；所述的第一电容C_i1的阳极、第一二极管D_i1的阳极和第一晶闸管T_i1的阴极相连；所述的第二电感L_i2的一端、第一电容C_i1的阴极和第三二极管D_i3的阳极相连，第二电感L_i2的另一端、第一电感L_i1的另一端和第二二极管D_i2的阴极相连；所述的电源侧晶闸管T_i的阳极与初级电源u_S的正极相连；所述的负载晶闸管T_n+1的阴极与所述的电感储能脉冲单元中第二电容Ci₂的阴极相连接，负载晶闸管T_n+1的阳极与所述的负载的一端相连，负载的另一端与所述的电感储能脉冲单元中第三二极管D_i3的阴极相连；所述的一级电感储能脉冲单元中第三二极管D_i3的阳极通过电源侧晶闸管与相邻级电感储能脉冲单元中的第一晶闸管T_i1的阳极相连；所述的第一回馈能量晶闸管T_f1的阳极与最后一级电感储能脉冲单元中第一电容C_i1的阴极相连，第一回馈能量晶闸管T_f1的阴极与初级电源u_S的正极相连；所述的第二回馈能量晶闸管T_f2的阳极与初级电源u_S的负极相连，第二回馈能量晶闸管T_f2的阴极与所述的第一级电感储能脉冲单元中的第一晶闸管T_i1的阳极相连。

本发明的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源中，第一、二晶闸管T_i1、T_i2，第一、二电容C_i1、Ci₂，第一、二、三二极管D_i1、D_i2、D_i3，电第一、二感L_i1、L_i2(i＝1～n)构成新拓扑的一级。晶闸管T_n+1是负载侧主管，晶闸管T_f1与T_f2是电感残余能量回馈控制管。各个单元内部两个电感存在互感，各个单元之间并不存在耦合作用。二极管D_i3(i＝1～n)的引入是为了防止并联对第2～n级形成短路。电容C_i2(i＝1～n)是换流电容，在电路工作前有一定的预充电电压，电容C_i1(i＝1～n)是用来调节负载电流波形的。

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源中的每个单元是一个STRETCHmeat grinder电路，与原有单级STRETCH meat grinder电路不同的是，该单元的电感不要求有很强的耦合作用。本发明脉冲电源的基本原理是先利用STRETCH meat grinder的较大电流放大倍数(假设这个倍数为m)，在电感L_i2(i＝1～n)的电流已经有了m倍数放大，之后这n个电感进行并联放电，得到总的电流放大倍数就是m*n。负载发射后，电感L_i1、L_i2中残留的磁场能通过谐振完全转化到电容C_i1，然后触发T_2-n、T_f1、T_f2将电容C_i1的能量回馈到初级电源u_S中，从而实现了能量回馈，提高了系统效率。

以下结合附图，详细介绍本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源该电路的工作过程，可以分成四个工作阶段。

第一阶段，初级电源充电。

触发晶闸管T_1-n导通，初级电源u_s给n个单元充电。每个单元包含两个有耦合作用的电感，由于隔离二极管D_i3(i＝1～n)和负载侧晶闸管T_n+1的隔离作用，充电电路路与右侧电路完全隔离

由于采用了直流恒压源，忽略回路电阻，充电过程实际上是一个回路电流线性上升的过程。当电流上升到指定值后，同时触发T_i2(i＝1～n)和T_n+1，进入第二阶段。

第二阶段，利用T_i2，C_i2构成的换流回路，辅助关断晶闸管T_i(i＝1～n)。

第三阶段，各个单元并联放电。

这个阶段本质上是n个STRETCH meat grinder并联放电。

第四阶段，残余能量回馈。

这个阶段的能量回馈是经过两个过程完成的，第一个子过程是电感中的能量通过谐振方式全部回馈到电容C_i1中；第二个子过程，通过控制回馈电路，将C_i1的能量回馈到电源中。

第四阶段中，不考虑回路阻抗，各个单元都是一个二阶谐振电路。在第三阶段结束时，由于单元内部的电感耦合并不高，所以电感中L_i1和L_i2还存储了可观的能量，电流逐渐到零后，电感中的磁场能全部转移到电容C_i1中以电场能的形式存储。

通过控制同时触发T_2～n、T_i1(i＝1～n)、第一回馈能量晶闸管T_f1、第二回馈能量晶闸管T_f2，将电容C_i1中的能量回馈给初级电源。为了限制充电电流，可以在T_f1处接入一个限流电阻。

Claims

1.一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其特征在于该脉冲电源包括初级电源、第一回馈能量晶闸管、第二回馈能量晶闸管、多个电源侧晶闸管、多个电感储能脉冲单元和一个负载晶闸管；多个电感储能脉冲单元分别由第一晶闸管、第二晶闸管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容、第二电容、第一电感和第二电感组成；所述的第一晶闸管的阳极、第二晶闸管的阴极和第一电感的一端与所述的电源侧晶闸管的阴极相连；所述的第一电容的阳极、第一二极管的阳极和第一晶闸管的阴极相连；所述的第二电感的一端、第一电容的阴极和第三二极管的阳极相连，第二电感的另一端、第一电感的另一端和第二二极管的阴极相连；所述的电源侧晶闸管的阳极与初级电源的正极相连；所述的负载晶闸管的阴极与所述的电感储能脉冲单元中第二电容的阴极相连接，负载晶闸管的阳极与所述的负载的一端相连，负载的另一端与所述的电感储能脉冲单元中第三二极管的阴极相连；所述的一级电感储能脉冲单元中第三二极管的阳极通过电源侧晶闸管与相邻级电感储能脉冲单元中的第一晶闸管的阳极相连；所述的第一回馈能量晶闸管的阳极与最后一级电感储能脉冲单元中第一电容的阴极相连，第一回馈能量晶闸管的阴极与初级电源的正极相连；所述的第二回馈能量晶闸管的阳极与初级电源的负极相连，第二回馈能量晶闸管的阴极与所述的第一级电感储能脉冲单元中的第一晶闸管的阳极相连。