CN103546057A - 一种高压大功率重复脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压大功率重复脉冲电源，它采用H桥结构，具体包括充电机、储能电容、上放电支路、下放电支路、上能量回馈支路、下能量回馈支路和强制关断回路；通过采用能量回馈支路的形式，可以调节感性负载上的电流脉宽，使得电流脉宽可控；通过开关强迫关断支路，可以实现负载储能的回收，回收率最大可达到负载电流时负载储能的90%以上，实现了节能环保，并且减少了下一个工作周期所需要的充电能量；根据不同的具体实施方式，本发明可以对负载上电流脉宽进行调节，同时对负载上能量进行回收，从而提高能量利用率，降低电容充电系统的要求，提高系统的工作频率。

Description

一种高压大功率重复脉冲电源

技术领域

本发明属于脉冲功率技术，具体涉及一种高压大功率重复脉冲系统的电源，尤其是其电路的拓扑结构和工作方式。

背景技术

重复脉冲功率技术在科学研究和国防军工中都有着重要应用，是脉冲功率技术发展的重要方向。产生重复脉冲功率需要配套的高压大功率重复脉冲电源，而且该电源的重复频率、容量、脉宽和可靠性等方面都需要达到一定的要求。

目前用于感性负载的重复脉冲电源大多数是采用电容器储能。文献“30T Repeating Pulsed Field System for Neutron Diffraction”(IEEETransactions on Applied Superconductivity，2000，10(1):534-537)中提出的电路拓扑方案为目前使用的主流方案。其实施方案大致为:首先通过充电机对电容器充电到额定电压，然后通过晶闸管使电容对负载电感即磁体放电。为了实现和提高重复频率，一般都在续流回路中串联一个大续流电感，磁体完成一个脉冲放电后其剩余的磁场能量会转移到大续流电感中，该大电感继而又与储能电容发生震荡，从而最终使磁体中剩余的磁场能量回馈到储能电容中。文献“Design of a Novel Pulsed Power System for RepetitivePulsed High Magnetic Fields”(IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity，vol.22，No.3，June2012)中提出的另外一种电路拓扑方案大致为:采用一个副电容与用以储能的主电容器串联，主电容器通过晶闸管对负载电感放电的同时，对副电容器充电，当主电容与副电容两端的电压差小于零时，续流支路的二极管导通，而放电晶闸管会在续流二极管关断之前而关断，这时电流仅通过续流电感向电容器组进行能量回馈。

目前方法一中有以下两点不足:1储能电容与电感谐振完成后，电容上的反向电压接近正向电压，使储能电容承受了过高的反压。在大功率脉冲功率电路通常使用的单极性自愈式脉冲储能电容在承受过高的反压时，寿命和安全性等都受到极大的局限。如果使用双极性储能电容器，其成本远高于单极性脉冲储能电容器，会让整个电源系统的成本大大增加;2电容器放电时高频谐振型充电机必须断开，避免其高频整流桥流过大电流，限制了高频充电机的使用，限制了重复频率的提高。方法二虽然成功解决了方法一中的储能电容反压问题和充电机断开问题，但由于使用了两组电容器，在高压大功率的情况下难以降低成本，而且该电路拓扑只能产生重复窄脉冲的脉冲磁场波形，应用范围受到限制。

发明内容

为了克服现有技术中储能电容反压高、平均充电功率低的缺点，本发明提供了一种新型的基于半控型器件强制关断、谐振方式能量回馈的紧凑型高压大功率重复脉冲电源。

本发明解决其技术问题采取的技术方案如下:

一种高压大功率重复脉冲电源，用于感性负载，其特征于，它采用H桥结构，具体包括充电机、储能电容、上放电支路、下放电支路、上能量回馈支路、下能量回馈支路和强制关断回路;

所述充电机并联在储能电容两端，H桥结构左半桥臂由所述上放电支路与下能量回馈支路串联构成，右半桥臂由所述上能量回馈支路与下放电支路串联构成，并且在下放电支路两端并联有用于对其进行关断的强制关断回路;所述左半桥臂和右半桥臂均与储能电容并联，上放电支路及上能量回馈支路与储能电容正极连接，下能量回馈支路及下放电支路与储能电容负极连接;

所述上、下放电支路均由半控型器件构成，所述上能量回馈支路由半控型器件构成，所述下能量回馈支路由半控型器件或者不可控器件构成。

本技术方案通过采用能量回馈支路的形式，可以调节感性负载上的电流脉宽，使得电流脉宽可控;通过开关强迫关断支路，可以实现负载储能的回收，回收率可达负载电流最大时负载储能的90%以上，甚至接近100%，这样实现了节能环保，并且减少了下一个工作周期所需要的充电能量;根据不同的具体实施方式，本发明可以调节负载上电流脉宽，同时对负载上能量进行回收，从而提高能量利用率，降低电容充电系统的要求，提高系统的工作频率。

附图说明

图1是本发明提供的重复脉冲电源的结构示意图。

图2是充电机的一种具体实施方式的电路原理图。

图3是本发明提供的重复脉冲电源的一种具体实施方式的结构原理图。

图4为本发明提供的重复脉冲电源的另一种具体实施方式的结构原理图。

具体实施方式

根据负载的不同，重复脉冲功率主要分为阻性负载、阻容性负载和感性负载这三种情况。其中感性负载的负载电流大、时间常数长，可用于产生脉冲强磁场等领域，本发明主要针对感性负载型重复脉冲电源。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各种实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的重复脉冲电源为H桥结构，包括充电机、储能电容、上放电支路、下放电支路、上能量回馈支路、下能量回馈支路和强制关断回路。

本系统的充电机并联在储能电容两端，在充电过程中对其充电。H桥结构左半桥臂由上放电支路与下能量回馈支路串联构成，右半桥臂由上能量回馈支路与下放电支路串联构成，并且在下放电支路两端并联强制关断回路。将此二桥臂与储能电容并联，上放电支路及上能量回馈支路与储能电容正极连接，下能量回馈支路及下放电支路与储能电容负极连接，便构成完整的电源系统。在H桥结构的中心，即在上放电支路与下能量回馈支路的串联接线处连接感性负载正极，并在下放电支路与上能量回馈支路的串联接线处连接感性负载负极(若负载无极性，可将负载反向相连)。

上、下放电支路均由半控型器件构成，上能量回馈支路由半控型器件构成，下能量回馈支路可由半控型器件或者二极管构成。强制关断回路由半控型器件、强制关断电容(包括与之并联的副充电机)、电感或/和电阻串联构成。由于强制关断回路工作时，强制关断电容上需有初始电压，所以电容两端并联一台副充电机为强制关断电容充电。

本发明提供的电源系统工作时分为三个过程，其中，在放电过程中，电流从储能电容正极流出，经过两个放电支路和感性负载流回储能电容负极;在续流过程中，感性负载电流流过下放电支路和下能量回馈支路进行续流;在能量回馈过程中，感性负载电流通过上下能量回馈支路流入储能电容正极，实现能量的回馈。下放电支路并联的强制关断回路，用于关断下放电支路，具体而言，以谐振的方式将开关流入的电流降低为零。储能电容两端并联有充电机，可以采用基于串并联谐振工作原理的充电机，以便快速充电，提高系统的工作频率。

本高压大功率重复脉冲电源中，续流过程与能量回馈过程共用的半导体器件(即构成下能量回馈支路的半导体器件)既可以是二极管等不可控器件，也可以使用半控器件等。

利用强制关断回路关断放电支路后，负载能量流回储能电容;强制关断回路中与强制关断电容串联的，可以只有电阻，或者只有电感，也可以同时有电感和电阻。

副充电机给强制关断电容充电。每次重复脉冲电源在向储能电容回馈能量的过程中，副充电机向强制关断电容充电，以保证实现重复关断。

其工作原理如下:在第一个阶段，储能电容通过放电开关向感性负载放电，选择的储能电容的电容值和初始放电时的储能电压可以保证负载的电流峰值达到所须要求;在第二个阶段，感性负载上的电流通过下放电支路和下能量回馈支路续流，在第三个阶段，感性负载上存储的能量通过能量回馈支路以谐振的方式回馈到储能电容器组中。

本发明的重复脉冲电源工作在大功率场合，因此选取了晶闸管作为放电支路的开关器件，该电路的关键在于能量回馈阶段需要关断下放电支路的晶闸管，所以采用强制关断回路用以关断下放电支路。若电源系统的放电支路采用IGBT等全控器件(适用于小功率，小电流的工作条件)，由于全控器件可以通过触发信号直接关断，因此在这类系统中可以省略强制关断回路。如图4所示。

在上述工作过程中，基于串并联谐振工作原理的充电机的电路原理图如图2所示，具体为一种高频串并联谐振电容器充电电源(CapacitorCharging Power Supply一CCPS)。

市网三相电经过三相不控整流向直流母线电容充电，直流母线电容再与IGBT等开关器件构成全桥逆变电路，逆变电路的出线端串联一个谐振电容、谐振电感后连接高频高压变压器，在变压器原边并联一个电容，构成LCC谐振电路，变压器副边通过不控整流向储能电容充电。

如图3所示，基于开关管为晶闸管的重复脉冲电源的结构为:

储能电容Cl与由3个晶闸管和一个二极管构成的H桥电路并联，上放电支路、下放电支路、上能量回馈支路分别为晶闸管Tl、T2和T3，下能量回馈支路为二极管D15。强制关断回路由晶闸管T4、电感L2，以及并联有副充电机的电容C2串联构成。

储能电容Cl正极与左上支路晶闸管Tl的阳极相连，Tl阴极接感性负载后与右下支路晶闸管T2的阳极连接，T2的阴极连接Cl负极;右上支路的晶闸管T3阴极与Cl正极相接，T3、T2共阳极连接，左下支路二极管Dl5阳极接Cl阴极，D15、Tl共阴极连接。T2两端并联强制关断回路，强制关断回路的晶闸管T4阳极与T2阳极连接，T4阴极串联电感L2和电容C2。

上述基于晶闸管的回馈能量支路的工作过程包括以下3个过程:

(1)放电过程:晶闸管Tl、T2导通，Cl通过向负载Lm放电，负载电流Im先上升到最大值。

(2)续流过程:晶闸管Tl自然关断，T2继续导通二极管DI5导通，负载Lm经过T2、D15续流，由于回路电阻很小，电流下降缓慢。同时副充电机向强制关断电容充电，使其达到可关断电压。

(3)能量回馈过程:晶闸管T3导通后，使晶闸管T4导通，由C2、L2、T4组成强迫关断支路，T2关断，负载Lm上能量经过D15、T3流入到主电容Cl上，完成能量回馈过程。

如图4所示，基于开关管为IGBT的重复脉冲电源的结构为:

储能电容Cl与由3个IGBT和一个二极管构成的H桥电路并联，上放电支路、下放电支路、上能量回馈支路分别为IGBT:Sl、S3和S2，下能量回馈支路为二极管D15。

储能电容Cl正极与左上支路IGBTSl的集电极相连，S1发射极接感性负载后与右下支路IGBTS3的集电极连接，S3的发射极连接Cl负极;右上支路的IGBTS2的集电极与Cl正极相接，S2发射极与S3集电极连接，左下支路二极管D15阳极接Cl阴极，D15阴极与S1发射极连接。

上述基于晶闸管的回馈能量支路的工作过程包括以下3个过程:

(1)放电过程:IGBT管Sl、S3导通，Cl通过向负载Lm放电，负载电流Im先上升到最大值。

(2)续流过程:关断SI，S3继续导通且二极管D15导通，负载Lm经过S3、D15续流。

(3)能量回馈过程:给IGBT管S2触发信号使其开通，并将S3关断，负载Lm上能量经过D15、S2流入到主电容Cl上，完成能量回馈过程。

本发明采用开关管强迫关断进行工作，基于谐振进行能量回馈，使用两台基于串并联谐振原理的充电机分别对储能电容和强制关断电容进行充电。

在具体实施过程中，可以根据需要选择系统各个主要构成部分的系统具体元件和参数，使系统有不同的工作过程，以更好地提高系统的工作频率、稳定性、可靠性、经济性等。本发明工作原理简单，负载上电流脉宽易于控制。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种高压大功率重复脉冲电源，用于感性负载，其特征于，它采用H桥结构，具体包括充电机、储能电容、上放电支路、下放电支路、上能量回馈支路、下能量回馈支路和强制关断回路;

所述充电机并联在储能电容两端，H桥结构左半桥臂由所述上放电支路与下能量回馈支路串联构成，右半桥臂由所述上能量回馈支路与下放电支路串联构成，并且在下放电支路两端并联有用于对其进行关断的强制关断回路;所述左半桥臂和右半桥臂均与储能电容并联，上放电支路及上能量回馈支路与储能电容正极连接，下能量回馈支路及下放电支路与储能电容负极连接;

所述上、下放电支路以及上能量回馈支路均由半控型器件构成，所述下能量回馈支路由半控型器件或者不可控器件构成。

2.根据权利要求1所述的高压大功率重复脉冲电源，其特征于，该电源包括放电、续流和能量回馈过程，其中，在放电过程中，电流从储能电容正极流出，经过上放电支路、下放电支路和感性负载流回储能电容负极;在续流过程中，感性负载电流流过下放电支路和下能量回馈支路进行续流;在能量回馈过程中，感性负载电流通过上、下能量回馈支路流入储能电容正极，实现能量的回馈。

3.根据权利要求1所述的高压大功率重复脉冲电源，其特征于，所述强制关断回路由半控型器件、强制关断电容和电感串联构成，所述强制关断电容并联有副充电机。

4.根据权利要求1所述的高压大功率重复脉冲电源，其特征于，所述强制关断回路由半控型器件、强制关断电容和电阻串联构成，所述强制关断电容并联有副充电机。

5.根据权利要求1所述的高压大功率重复脉冲电源，其特征于，所述强制关断回路由半控型器件、强制关断电容、电感和电阻串联构成，所述强制关断电容并联有副充电机。

6.根据权利要求1至5中任一所述的高压大功率重复脉冲电源，其特征于，所述充电机为串并联谐振电容器充电电源。

7.根据权利要求3、4或5所述的高压大功率重复脉冲电源，其特征于，所述副充电机为串并联谐振电容器充电电源。

8.根据权利要求1至5中任一所述的高压大功率重复脉冲电源，其特征于，所述上放电支路、下放电支路和上能量回馈支路均为晶闸管，所述下能量回馈支路为二极管。

9.根据权利要求1至5中任一所述的高压大功率重复脉冲电源，其特征于，所述上放电支路、下放电支路和上能量回馈支路均为IGBT，所述下能量回馈支路为二极管。

Images