CN102832844A - 一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源，包括初始充电电源、储能电容器、转换电容器、可控开关、脉冲变压器、二极管和负载；所述储能电容器和转换电容器均为102μF的自愈式高电压脉冲电容器；所述脉冲变压器的原边绕组采用高温超导带材Bi-2223/Ag绕制，副边绕组采用铜带绕制。采用本发明的结构可以使能量在双电容器和电感之间交替传递，能量传递过程中通过LC振荡方式增大电流变化率，从而消除电路中的残余电流，实现脉冲大电流输出，具有体积小、损耗低、能量转换效率高、控制系统简单等优点，有广泛的应用前景和巨大的经济效益。

Description

一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源

技术领域

本发明属于脉冲功率科学技术领域中的脉冲电流发生装置，特别涉及一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源。

背景技术

脉冲功率技术是当前国际上很活跃的前沿高科技技术之一，它通过对储能器件缓慢充电，然后在短时间内对能量完成压缩、整形和传输，从而得到高幅值、大功率、陡前沿的脉冲。脉冲功率技术作为一门新兴学科，在国防科研和民用工业等领域中有着广泛的应用潜力。在国防科研领域，它可以为核聚变、强流粒子束加速器、电磁推进以及微波武器等装置提供大功率脉冲电源；在民用工业领域，既可以运用微波功率雷达高速脉冲技术对地下资源的性质和分布状况进行勘查，又可以应用脉冲电场产生的静电场除尘和分解有毒化合物，还可以采用体外冲击波技术治疗尿路结石和胆结石，应用十分广泛。早期的核聚变研究给脉冲功率技术创造了良好的成长环境，国防基础科研的需求为它提供了充足的发展动力，同时随着其在民用领域的发展，人们对脉冲功率技术提出了许多新的挑战，也促进了它向更广、更深的层次发展。

现有脉冲功率装置中的储能方式主要有电感储能和电容储能两种，根据不同的特点应用在不同场合。

电感储能是以磁场方式进行储能，具有储能密度高和传输功率大的特点，有利于缩小储能装置的体积。但其最大的缺点在于充放电速度受电感值制约，能量释放环节采用的断路开关不仅会在切断大电流瞬间发生电弧现象，还会在储能电感上产生高峰值的过电压脉冲，影响储能电感的正常工作，因此，目前大功率装置中，多采用电容储能方式。

电容储能是以电场方式在两极板上积蓄异种电荷的结果，具有充放电时间短、重复频率高、使用寿命长的特点。与电感储能脉冲发生器使用的断路开关相比，稳定而可重复的快速闭合开关应用更加成熟，既能避免电弧现象，又可实现大电流、高功率的脉冲输出。

传统的电容器放电模式，主要是以一个电容器作为初始储能元件，通过控制开关，将电容器中的能量转移至升流降压式脉冲变压器的原边绕组，随着原边绕组中的电流快速增加，副边绕组向负载感应输出脉冲电流。它存在的问题是：1、由于电感电流不能突变，该放电模式下的原边绕组电流变化率小，导致输出脉冲电流的幅值小；2、电容器向脉冲变压器原边绕组放电后会产生残余电流，这部分电流会停滞在电感中，因此能量有效利用率低；3、脉冲变压器的原副边绕组均由铜线绕制，电阻不可忽略，伴随的焦耳热损耗大；4、该模式只能输出单次脉冲电流，不具备连续输出多脉冲的应用潜力。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源电路模式，与同类电路模式相比既能提高脉冲电流幅值，又能消除电路中的残余电流，具有体积小、损耗低、能量转换效率高、控制系统简单等特点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源，其特征在于，包括初始充电电源、储能电容器、转换电容器、脉冲变压器、可控开关、二极管和负载；所述可控开关包括一个电源开关和两个放电开关，两个放电开关分别串联在储能电容器和转换电容器回路中，所述二极管串联在脉冲变压器的原副边回路中。

所述脉冲变压器的原边绕组采用高温超导带材Bi-2223/Ag绕制，具有储能密度大、损耗低、储存能量时间长的优点；但由于高温超导带材的临界电流只有几百安，不具备输出脉冲大电流的能力，因此副边绕组采用导电好、载流能力强的铜带作为材料；整个脉冲变压器放置在低温容器中，利用液氮冷却，既能保证高温超导带材处于超导态，又能降低铜带的电阻率，从而减小焦耳热损耗，提高整个系统的能量转换效率。

采用本发明的实质是：储能电容器在能量存储完毕后，通过放电开关将能量以LC二阶振荡方式传输至脉冲变压器的原边超导绕组，原边超导绕组中的电流快速增加；原边超导绕组中的电流达到最大值后，通过二极管和放电开关，与转换电容器交替传递能量，直至能量耗尽，能量传递过程中副边常导绕组在二极管的单向导通作用下感应输出脉冲电流。

本发明的有益结果在于：1、双电容器和电感之间的能量转换都是基于LC二阶振荡方式，转换时间均为四分之一振荡周期，该方式通过增大电路中的电流变化率，不仅能够提高能量传输速度，还能实现高幅值的脉冲电流输出；2、在电容储能技术的基础上插入超导电感储能，既能发扬各自优点，又能克服各自缺点；3、整个脉冲变压器放置在低温容器中，利用液氮冷却，既能保证高温超导带材处于超导态，又能降低铜带的电阻率，从而减小焦耳热损耗，提高系统的能量转换效率；4、每个能量传输环节均采用IGBT可控开关，其既能在开关导通瞬间避免电弧现象，又能在关断瞬间防止高幅值的电压脉冲，具有动作速度快、热稳定性好、di/dt小、能量损耗低和驱动电路简单等优点；5、通过对电源开关的时序控制信号做适当调整，储能电容器可以在放电完毕后立即进行储能，接着再次放电，这种循环应用方式能够替代多模块电容器组，从而达到缩小装置体积、降低成本、实现多脉冲连续输出的目的，用以满足负载的特别需要。由于上述优点，本发明可以应用于轨道炮能源补给或强电流脉冲电源的技术领域。

附图说明

图1为本发明实施例应用于脉冲电流发生装置的电路原理图

图中：(1)为初始充电电源，(2)为电源开关S₁，(3)为储能电容器C₁，(4)为放电开关S₂，(5)为放电开关S₃，(6)为转换电容器C₂，(7)为续流二极管D₁，(8)为脉冲变压器TX，(9)为单向导通二极管D₂，(10)为负载Load。

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1所示，双电容器转换放电的脉冲功率电源包括初始充电电源(1)，电源开关S₁(2)，储能电容器C₁(3)，放电开关S₂(4)，放电开关S₃(5)，转换电容器C₂(6)，续流二极管D₁(7)，脉冲变压器TX(8)，单向导通二极管D₂(9)，负载Load(10)。工作过程为：①放电开关S₂、S₃初始处于关断状态，首先导通电源开关S₁，初始充电电源开始对储能电容器C₁充电；②充电电压达到预定值后保持恒定，储能电容器C₁中的能量以电场形式储存，当负载需要脉冲电流时，关断电源开关S₁，导通放电开关S₂，储能电容器C₁对脉冲变压器的原边超导绕组放电，储能电容器C₁中的能量释放完毕后，立即关断放电开关S₂；③脉冲变压器原边超导绕组中的电流达到正向最大值后，经续流二极管D₁对转换电容器C₂正向充电，由于原副边绕组之间的互感作用，副边常导绕组经过二极管D₂向负载感应输出脉冲电流；④转换电容器C₂正向电压达到最大值后，瞬时导通放电开关S₃，转换电容器C₂对脉冲变压器的原边超导绕组反向放电，负载电流在原有脉冲基础上进行叠加；⑤原边超导绕组中的电流达到反向最大值后，立即对转换电容器C₂反向充电；⑥转换电容器C₂中的电压达到反向最大值后，又对原边超导绕组正向放电；接着，重复③、④、⑤、⑥的步骤用于消除电路中的残余电流，促使剩余能量在脉冲变压器原边超导电感绕组和转换电容器C₂之间交替传递、衰减，从而完成高幅值的脉冲电流输出。

如果需要多脉冲电流连续输出，可以在步骤②结束后，通过控制电源开关再次对储能电容器C₁充电；接着，储能电容器C₁在上一个阶段能量释放完毕后再次放电，新阶段能量在脉冲变压器原边超导电感绕组和转换电容器C₂之间交替传递、衰减，负载再次实现脉冲电流输出。循环采用此方式，就可以实现多脉冲连续输出，用以满足负载的特别需要。

在本实施例中，储能电容器和转换电容器均为102μF的自愈式高电压脉冲电容器。所述脉冲变压器的原边绕组采用高温超导带材Bi-2223/Ag绕制，副边绕组采用铜带绕制。所述脉冲变压器整体放置在低温容器内，利用液氮冷却。所述可控开关均为大功率IGBT开关。

本发明所述的一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源，上述针对较佳实施例的描述过于具体，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源，其特征在于，包括初始充电电源、储能电容器、转换电容器、可控开关、脉冲变压器、二极管和负载；所述可控开关包括一个电源开关和两个放电开关，两个放电开关分别串联在储能电容器和转换电容器回路中，所述二极管串联在脉冲变压器的原副边回路中。

2.根据权利要求1所述之脉冲功率电源，其特征在于，所述储能电容器和转换电容器均为102μF的自愈式高电压脉冲电容器。

3.根据权利要求1所述之脉冲功率电源，其特征在于，所述脉冲变压器的原边绕组采用高温超导带材Bi-2223/Ag绕制，副边绕组采用铜带绕制；所述脉冲变压器整体放置在低温容器内，利用液氮冷却。

4.根据权利要求1所述之脉冲功率电源，其特征在于，所述可控开关均为大功率IGBT开关。

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