CN104079200B - 一种电感脉冲电源 - Google Patents

Abstract

一种电感脉冲电源，包含：初级电源(u_S)、主开关(S_op)、第一电感L₁)、第二电感(L₂)、第一晶闸管(T₁)、第一二极管(D₁)、第二二极管D₂)、第一电容(C₁)，其中，第一电感的第一端与主开关的一端、第一晶闸管的阳极和第二二极管的阴极相连；第二端与第二电感的第一端和第一二极管的阴极相连；第二电感的第二端与第一电容的负极相连；第一晶闸管的阴极与第二二极管的阳极和第一电容的正极相连；主开关的另一端与初级电源的正极相连，第一二极管的阳极和第一电容的负极通过负载(Ld)耦合，所述电感脉冲电源还包含：第一回馈能量晶闸管(T_f1)，其阳极与第一电容的负极相连，阴极通过限流电阻(R_f)与初级电源的正极耦合；第二回馈能量晶闸管(T_f2)，其阳极与初级电源u_S的负极相连，阴极与第一电感的第一端相连；辅助开关(S_fa)，其一端与第一电容的负极相连，另一端与初级电源的负极相连。

Description

一种电感脉冲电源

技术领域

本发明总体上涉及电源和电磁发射技术，特别地，涉及一种可用于电磁发射的电感脉冲电源。

背景技术

计算机和电力电子领域越来越多地应用电磁发射技术。电感脉冲电源是一种用于电磁发射的脉冲电源。例如，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”)，是美国的先进技术联盟IAT(Institute for Advanced Technology)采用的一种用于电磁发射的电感脉冲电源。

如图1所示，该STRETCH meat grinder包含初级充电电源u_S、主开关S_op、晶闸管T₁、二极管D₁和D₂、构成次级电源的电感L₁和L₂、电容C以及负载Ld。STRETCH meat grinder采用高耦合电感L₁和L₂，电感L₁和L₂二者之间的耦合系数大于0.9(例如0.94)，在电感设计上保持电感L₁的电感值是电感L₂的十几倍。当通过主开关S_op切断充电电流时，电感L₁和L₂总磁链守恒，很大部分磁链转移到较小的电感L₂中，从而可以实现负载Ld上电流的倍增。然而，上述电路不能有效地利用负载发射后残留在次级电源中的能量。

中国专利申请(公开号：CN102594195A)公开了一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其中引入了能量回归机制。但是，该能量回馈机制并不能使次级电源的残留能量回馈到初级电源。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种改进的用于电感脉冲电源，以便有效地将次级电源的残留能量回馈到初级电源。

按照本发明的实施例，提供一种电感脉冲电源，包含：初级电源u_S、主开关S_op、第一电感L₁、第二电感L₂、第一晶闸管T₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电容C₁，其中，第一电感L₁的第一端与主开关S_op的一端、第一晶闸管T₁的阳极和第二二极管D₂的阴极相连；第一电感L₁的第二端与第二电感L₂的第一端和第一二极管D₁的阴极相连；第二电感L₂的第二端与第一电容C₁的负相连；第一晶闸管T₁的阴极与第二二极管D₂的阳极和第一电容C₁的正极相连；主开关S_op的另一端与初级电源u_S的正极相连，第一二极管D₁的阳极和第一电容C₁的负极通过负载Ld耦合，

所述电感脉冲电源还包含：

第一回馈能量晶闸管T_f1，其阳极与第一电容C₁的负极相连，阴极通过限流电阻R_f与初级电源u_S的正极耦合；

第二回馈能量晶闸管T_f2，其阳极与初级电源u_S的负极相连，阴极与第一电感L₁的第一端相连；

辅助开关S_fa，辅助开关S_fa的一端与第一电容C₁的负极相连，另一端与初级电源u_S的负极相连。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是现有技术的STRETCH meat grinder的电路图；

图2是现有技术的带有能量回归机制的电感脉冲电源的示意电路图；

图3A是按照本发明一个实施例的电感脉冲电源的电路图；

图3B是图3A所示电路图的一种等价形式；

图3C表示按照本发明实施例的电感脉冲电源的能量回收的工作电路的示意图；

图4A是按照本发明另一个实施例的电感脉冲电源的电路图；

图4B-4D是表示图4A所示电路的工作过程的示意图；

图5A和5B分别表示按照本发明实施例的电感脉冲电源的电容C₁上的电压波形和第一回馈能量晶闸管T_f1上的电流波形；

图6A和6B分别表示图2所示的电感脉冲电源的电容C₁上的电压波形和第一回馈能量晶闸管T_f1上的电流波形。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的各种实施方式。附图中显示了本公开的一些实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

首先参看图1，该图1示出了现有技术的STRETCH meat grinder的电路图。

STRETCH meat grinder是一种电感脉冲电源100，包含：初级电源u_S、主开关S_op和电感储能脉冲单元，其中，电感储能脉冲单元包含：第一电感L₁、第二电感L₂、晶闸管T₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、电容C，其中，第一电感L₁的第一端与主开关S_op的一端、第一晶闸管T₁的阳极和第二二极管D₂的阴极相连；第一电感L₁的第二端与第二电感L₂的第一端和第一二极管D₁的阴极相连；第二电感L₂的第二端与电容C的负极相连；晶闸管T₁的阴极与第二二极管D₂的阳极和电容C的正极相连；主开关S_op的另一端与初级电源u_S的正极相连，第一二极管D₁的阳极和电容C的负极通过负载Ld耦合。

主开关S_op采用的是导通与关断均可控的全控器件IGCT。

STRETCH meat grinder利用互感实现电流倍增。为了得到较大的电流倍增系数，使L₁的电感值是L₂的电感值的十几倍或者几十倍。电感L₁与电感L₂具有高耦合性，耦合系数超过90％。按照时间的先后次序，STRETCH meat grinder的工作过程分为以下四个阶段。

第一阶段，主开关S_op开启，初级电源u_S给存在互感的电感L₁、L₂充电。电流线性增加至指定的电流值后，关断主开关S_op，进入第二阶段。

第二阶段，主开关S_op断开，实现负载电流倍增，过程如下。

由于负载Ld为小阻感负载，为了简化分析，以下近似地认为负载Ld短路。

主开关S_op断开前后，强耦合的电感L₁、L₂总磁链保持不变。将电感L₁的磁通分成两部分，一部分是主磁通，这部分磁通磁路同时穿过L₁和L₂；另一部分是L₁的漏磁通。

先分析电感L₁的主磁通。由于关断主开关S_op后经过电感L₁的电流i_L1会逐渐减少，L₁的磁链会减少，根据关断主开关S_op前后磁链守恒的原理，电感L₂的磁链会增加，经过电感L₂的电流i_L2上升，二极管D₁导通，给负载Ld供电。由于电感L₁的电感值大大高于电感L₂的电感值，电感L₂中的电流i_L2会快速上升。

接着分析电感L₁的漏磁通。由于电感L₁、L₂并不是理想耦合，所以电感L₁存在漏磁通，主开关电流在断开的过程中会产生过电压，击穿主管，电容C可以限制主开关S_op的电压。电感L₁通过D₁、Ld、C、D₂、L₁回路给电容C反向充电。电容C电压绝对值逐渐增大。电感L₁过零，D₂自然关断，电容C的电压u_C取得极小值(负值)，进入第三阶段。

第三阶段，晶闸管T₁承受正压，但因没有施加触发脉冲而不导通，电容电压u_C保持不变。仅由电感L₂给负载Ld供电，此时电流i_Ld＝i_L2。

第四阶段，触发晶闸管T₁，调整负载电流波形。

电流i_L1先后经历由零变负，然后由负增加到零，之后增加到正值，之后减少到零的过程。按照电流i_L1的正负，可以将第四阶段划分成两个子过程。

第一子过程

T₁被触发导通后，电容C通过T₁、L₁、D₁、Ld、C回路放电。电容C的电压u_C从负的极值逐渐增大到零，之后C正向充电，u_C从零开始逐渐增加，直到i_L1降低为零，u_C达到一个正的极大值。

在第一子过程中，i_L1从零开始变负，然后逐渐增大到零。根据图1中指定的参考方向可知，i_Ld＝i_L2-i_L1，i_L1为负值，是有利于i_Ld增加的，但由于L₂给负载供电，i_L2是减少的，因此i_Ld的极值取决于i_L1、i_L2的变化速率，并不是出现在i_L1为零的时刻。

第二子过程

一开始，u_C为极大值，D₂承受正压而导通。电容C通过D₂、L₁、D₁、Ld、C回路放电。i_L1从零开始上升，u_C从正的极大值开始减少；直至过零后，被反向充电，u_C从零逐渐减少直至负的极小值，i_L1逐渐减少至零，D₂关断。u_C保持负值不变。

电感脉冲电源100的工作原理是所属技术领域的技术人员应当了解的内容。以上对电感脉冲电源100的工作原理的简描，旨在更好地理解下面将要说明的本发明的电感脉冲电源的各种实施方式。

参看图3A，该图是按照本发明一个实施例的电感脉冲电源300的电路图。如图所示，该电感脉冲电源300包含：初级电源u_S、主开关S_op、第一电感L₁、第二电感L₂、第一晶闸管T₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电容C₁，其中，第一电感L₁的第一端与主开关S_op的一端和第一晶闸管T₁的阳极相连；第一电感L₁的第二端与第二电感L₂的第一端和第一二极管D₁的阴极相连；第二电感L₂的第二端与第一电容C₁的负极相连；第一晶闸管T₁的阴极与第二二极管D₂的阳极和第一电容C₁的正极相连；主开关S_op的另一端与初级电源u_S的正极相连，第一二极管D₁的阳极和第一电容C₁的负极可以通过负载Ld耦合。

此外，电感脉冲电源300还包含一个能量回收电路，包含：

第一回馈能量晶闸管T_f1，其阳极与第一电容C₁的负极相连，阴极通过限流电阻R_f与初级电源u_S的正极耦合；

第二回馈能量晶闸管T_f2，其阳极与初级电源u_S的负极相连，阴极与第一电感L₁的第一端相连；

辅助开关S_fa，辅助开关S_fa的一端与第一电容C₁的负极相连，另一端与初级电源u_S的负极相连。例如，辅助开关S_fa的正极和负极分别与第一电容C₁的负极和初级电源u_S的负极相连。

电感脉冲电源300与图1所示的电感脉冲电源100的差别，在于增加了上述的能量回收电路。

如图3A中的箭头301所示，按照本发明一个实施例，电感脉冲电源300的辅助开关S_fa可以采用晶闸管SCR，在这种情况下，辅助开关晶闸管SCR的阳极与第一电容C₁的负极相连，阴极与初级电源u_S的负极相连。

晶闸管SCR的成本比全控器件IGCT低。采用晶闸管SCR的可以降低电感脉冲电源的成本。

参看图3B，该图表示的电感脉冲电源310的电路图，是图3A所示电路图的一种等价形式。如图所示，电感脉冲电源310的辅助开关S_fa采用晶闸管T_fa(称为“辅助开关晶闸管T_fa”)，辅助开关晶闸管T_fa的阳极与第一电容C₁的负极相连，阴极与初级电源u_S的负极相连。

电感脉冲电源310的工作过程，也分为其与上文参照图1描述的电感脉冲电源100的四个阶段相同的四个阶段，在此不再赘述。以下说明电感脉冲电源310的能量回收电路在这四个阶段期间以及结束时的工作。

在第一阶段，主开关S_op处于开启状态。在此阶段，第一回馈能量晶闸管T_f1和第二回馈能量晶闸管T_f2处于关断状态，辅助开关晶闸管T_fa处于开通状态，与主开关S_op形成串联。

在第二阶段，主开关S_op处于关断状态，由于T_fa与S_op串联，辅助开关能量晶闸管T_fa处于关断状态。此后，在第三阶段和第四阶段，辅助开关晶闸管T_fa保持在关断状态。

在第四阶段结束后，同时触发T_f1、T_f2和T₁，C₁中的能量将被回馈给初级电源u_S。

参看图3C，该图是表示图3B、3A所示的电感脉冲电源310、300的能量回收的工作电路的示意图。

在第四阶段结束后，电容C₁上的电压极性如图3C中所示。此时，同时触发T_f1、T_f2和T₁，C₁中的能量通过回路C₁-T_f1-u_S-T_f2-T₁，回馈给初级电源u_S。

电容C₁上的电压u_c的波形，如图5A所示。在图5A中，横坐标表示时间，纵坐标表示电压，虚线501表示电感脉冲电源300的第四阶段的结束。

第一回馈能量晶闸管T_f1上的电流i_Tf1的波形，如图5B所示。在图5B中，横坐标表示时间，纵坐标表示电流。

需要指出的是，图3C所示的能量回收的实际工作电路的产生，是辅助开关(例如晶闸管T_fa)作用的结果。辅助开关断开时，能避免初级电源u_S给T_f1造成反压而使T_f1无法开通。换言之，辅助开关断开时，当电容C₁的电压高于u_S时，T_f1可以导通。

初级电源u_S可以采取电池组的形式，其本身也可以被充电。本发明的实施例，将传统方案中电容消耗在电阻上的能量回馈给初级电源，能有效地提高能量利用率。

以上说明了本发明的电感脉冲电源的辅助开关S_fa采用晶闸管的实施例。

返回图3A，如箭头301所示，按照本发明一个实施例，电感脉冲电源的辅助开关S_fa也可以采用全控器件IGCT，在这种情况下，辅助开关全控器件IGCT的阳极与第一电容C₁的负极相连，阴极与初级电源u_S的负极相连。在电感脉冲电源的整个工作周期，辅助开关全控器件IGCT在第一阶段处于导通，在第一阶段末尾关断，在其他阶段均不导通。

如箭头302所示，按照本发明一个实施例，主开关S_op可以采用全控器件IGCT，在这种情况下，主开关全控器件IGCT的阳极与初级电源u_S的正极相连，阴极与第一晶闸管T₁的阳极相连。

如箭头302所示，按照本发明一个实施例，主开关S_op也可以采用晶闸管SCR，在这种情况下，主开关晶闸管SCR的阳极与初级电源u_S的正极相连，阴极与第一晶闸管T₁的阳极相连。

参看图4A，该图是按照本发明另一个实施例的电感脉冲电源400的电路图。如图4A所示的电路与图3B所示的电感脉冲电源300的电路大部分相同，差别仅仅在于，电感脉冲电源400的主开关S_op采用晶闸管(称作“主开关晶闸管”)，主开关晶闸管S_op的阳极与初级电源u_S的正极相连，阴级与第一电感L₁的第一端相连；此外，电感脉冲电源400还包含：第二晶闸管T₂和第二电容C₂，其中，第一电感L₁的第一端与主开关晶闸管S_op的阴极、第一晶闸管T₁的阳极和第二晶闸管T₂的阴极相连；第二晶闸管T₂阳极与第二电容C₂的正极相连；第一二极管的阳极与第二电容C₂的负极相连；主开关晶闸管S_op的阳极与初级电源u_S的正极相连。

与图3B所示的电路相比，图4A中的主开关晶闸管S_op、第二晶闸管T₂和第二电容C₂，作用于电感脉冲电源400工作的第一阶段。分析如下。

在第一阶段中，触发主开关S_op，直流电压源u_S给电感L₁、L₂充电，电感电流线性上升至给定的电流值后，触发T₂以辅助关断主开关晶闸管S_op。此过程按照时间次序分成三个子过程。

第一子过程从触发T₂开始，到主开关S_op电流过零结束。

如图4B所示，在第一子过程中，电路中有两个回路在工作，一个是直流恒压的初级电源u_S给串联的电感L₁、L₂充电的回路，另一个是由u_S、S_op、T₂、C₂，Ld构成的回路。考虑到负载Ld本身属于阻感负载，根据电路的相关参数的设计，此时是一个二阶欠阻尼系统，由于电感值很小，所以几乎可以用一阶RC电路进行分析。由于第一子过程的持续时间很短，因此电感中的电流几乎没有什么变化。负载电阻很小，电流快速上升，导致主开关S_op电流快速下降至零，进入第二子过程。

第二子过程中工作部分的电路拓扑如图4C所示，这是一个二阶欠阻尼系统，当二极管D₁、D₂开通，第二个子过程结束。

第三子过程中工作部分的电路拓扑如图4D所示。

初始电压为零的C₁开始工作，二极管D₁中电流从零开始增加，同时T₂中的电流逐渐减少。当负载支路的电流完全流经D₁时，晶闸管T₂电流过零，自然关断。在这个阶段中，电容C₂的电压从零逐渐变负(忽略回路电阻，上一阶段末尾，电容C₂电压为零)，电容C₁上的电压u_C1也是从零逐渐变成负值。忽略负载电压，晶闸管T₂的电压u_T2＝u_C2-u_C1。u_C2、u_C1同时从零开始变化，由于u_C2变化更快，因此晶闸管T₂承受反压。该反压的时间比较长，典型数值是零点几毫秒(ms)，从而保证其可靠关断。

第三子过程结束后，第一阶段结束，此时晶闸管T₂关断。

T₂关断后，电感脉冲电源400的第二阶段、第三阶段和第四阶段的工作状态与图3B所示的电感脉冲电源310的完全相同，此处不再赘述。

同样，在第四阶段结束后，同时触发T_f1、T_f2和T₁，C₁中的能量通过回路C₁-T_f1-u_S-T_f2-T₁，回馈给初级电源u_S。

在本发明实施例中，用晶闸管取代全控器件作为主开关，可以显著降低成本。

按照本发明一个实施例，第一电感L₁与第二电感L₂之间的耦合系数大于0.9。

转看图2。如背景技术部分所述，专利申请(公开号CN102594195A)公开了一种用于电磁发射的电感脉冲电源，包括一个第一回馈能量晶闸管、第二回馈能量晶闸管和n个电源侧晶闸管和n个电感储能脉冲单元。该电感脉冲电源综合了XRAM和STRETCHmeat grinder特点，并且在STRETCH meat grinder内部采用了较弱耦合(耦合系数0.7以下)的电感。

图2示意性表示n＝1时的电感脉冲电源200的电路图。

上述该申请中提出了一种能量回馈机制，以回收电容C_i1(i＝1…n)的残余能量，但是，按照图2所示的电感脉冲电源200的电路结构，第一回馈能量晶闸管T_f1是无法触发的。这是因为，在第四阶段结束后，在T_f1未导通前，T_f1、R_f中的电流为零，因此，电阻R_f上的电压为零，T_f1上承受的电压为负压。由于晶闸管导通必须同时具备承受正电压和施加触发脉冲这两个条件，此时，即使此时触发T_f1，也不能够将T_f1导通。因此，电感脉冲电源200中的残余能量，实际上消耗在第二回馈能量晶闸管T_f2、T₁、C₁构成的回路中，而不是回馈到初级电源。

电感脉冲电源200的电容C₁上的电压u_c的波形，如图6A所示。在图6A中，横坐标表示时间，纵坐标表示电压，虚线601表示电感脉冲电源200的第四阶段的结束。

电感脉冲电源200的第一回馈能量晶闸管T_f1上的电流i_Tf1的波形，如图6B所示。在图6B中，横坐标表示时间，纵坐标表示电流。

比较图5B和图6B，显然，按照本发明各种实施例的电路，可以将电容消耗在电阻上的能量有效地回馈给初级电源，从而提高能量利用率。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (6)

1.一种电感脉冲电源，包含：初级电源(u_S)、主开关(S_op)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第一晶闸管(T₁)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电容(C₁)，其中，第一电感的第一端与主开关的一端、第一晶闸管的阳极和第二二极管的阴极相连；第一电感的第二端与第二电感的第一端和第一二极管的阴极相连；第二电感的第二端与第一电容的负极相连；第一晶闸管的阴极与第二二极管的阳极和第一电容的正极相连；主开关的另一端与初级电源的正极相连，第一二极管的阳极和第一电容的负极通过负载(Ld)耦合，

所述电感脉冲电源还包含：

第一回馈能量晶闸管(T_f1)，第一回馈能量晶闸管的阳极与第一电容的负极相连，第一回馈能量晶闸管的阴极通过限流电阻(R_f)与初级电源的正极耦合；

第二回馈能量晶闸管(T_f2)，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第一电感的第一端相连；

辅助开关(S_fa)，辅助开关的一端与第一电容的负极相连，另一端与初级电源的负极相连。

2.根据权利要求1的电感脉冲电源，其中，主开关采用晶闸管，主开关晶闸管(S_op)的阳极与初级电源的正极相连，阴级与第一电感的第一端相连；

所述电感脉冲电源还包含：第二晶闸管(T₂)和第二电容(C₂)，其中，第一电感的第一端与主开关晶闸管的阴极、第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阴极相连；第二晶闸管阳极与第二电容的正极相连；第一二极管的阳极与第二电容的负极相连；主开关晶闸管的阳极与初级电源的正极相连；

所述电感脉冲电源的辅助开关采用晶闸管(T_fa)，辅助开关晶闸管(T_fa)的阳极与第一电容的负极相连，阴极与初级电源的负极相连。

3.根据权利要求1的电感脉冲电源，其中，主开关采用全控器件IGCT，主开关全控器件IGCT(S_op)的阳极与初级电源的正极相连，阴极与第一晶闸管的阳极相连。

4.根据权利要求1或3的电感脉冲电源，其中，辅助开关采用全控器件IGCT，辅助开关全控器件IGCT(S_fa)的阳极与第一电容的负极相连，阴极与初级电源的负极相连。

5.根据权利要求1或3的电感脉冲电源，其中，辅助开关采用晶闸管(T_fa)，辅助开关晶闸管(T_fa)的阳极与第一电容的负极相连，阴极与初级电源的负极相连。

6.根据权利要求1或3的电感脉冲电源，其中，第一电感与第二电感之间的耦合系数大于0.9。