CN104218841A - 一种利用三绕组脉冲变压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三绕组脉冲变压器转换放电的脉冲功率电源，包括高压直流电源、储能电容器、可控开关、二极管、非线性电阻、三绕组脉冲变压器和负载。采用本发明结构可以使原边绕组电流的任意变化都会在负载上产生相同方向的电流，并且利用非线性电阻的稳压功能可以快速减少绕组中的剩余电流，从而可以大幅减少脉冲输出的时间，提高系统的能量转换效率。

Description

一种利用三绕组脉冲变压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技术领域，特别涉及一种利用三绕组脉冲变压器转换放电的大电流发生装置，以提高电容能量的转换效率并减少脉冲放电的时间。

背景技术

脉冲功率技术是近些年来发展迅速的一门新兴学科，它通过对储能器件缓慢充电，然后在很短的时间内对能量进行快速压缩、转换等功率调节处理，以得到各种理想的高峰值、陡前沿的电脉冲输出，为各种应用装置提供强电流脉冲电源。目前，脉冲功率技术的应用领域既包括国防科研研究领域中的粒子束武器、脉冲激光武器、电磁推进、强脉冲磁场等研究方面，还包括民用工业领域中的机械加工、环境治理、材料处理、生物医疗等应用方面。

目前，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方式。

电感储能是以磁场形式储存的，具有储能密度高、体积小等优点，但是至今还缺少类似电容器之类的电感器作为初级储能，并且能量释放过程中用到的断路开关的技术困难较大，能量转换的效率较低，制约着电感储能的应用范围。目前，大部分脉冲功率的应用场合都是采用电容储能。

电容储能是以电场形式储存的，具有充放电时间短、可长期储存的优点，因此，电容储能具有广阔的应用空间。当前，研究适合电容放电的脉冲成型装置是研究的热点。

目前，在需要脉冲大电流的场合中，常应用降压升流型脉冲变压器作为脉冲成型装置，起到了很好的升流效果。但是，传统的脉冲变压器为双绕组脉冲变压器，当脉冲变压器原边的电流达到最大时，负载上的电流脉冲达到最大。但是，为了防止副边产生反向电流，原边绕组电流下降过程中，其电流变化率很小，由于变压器的隔直通交特性，导致原边绕组中有很大的残余电流，这部分能量会在原边绕组中缓慢消耗掉，不会传递到负载侧。因此，由于变压器的插入使电容向负载传递的效率降低，脉冲放电的时间变长。另外，传统的降压升流型脉冲变压器常采用铜线绕制，但是随着绕组电流的增加，该模式还会存在以下问题。第一，脉冲输出时铜绕组上的电阻会产生一定的热损耗，降低系统的能量传递效率；第二，铜绕组的载流能力有限，为了提高系统的脉冲输出能力就必须增大铜绕组的体积，进而导致整个装置的体积和重量增加。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是，从脉冲变压器结构设计和外围电路方向予以改善来提高装置的能量转换效率并减少脉冲输出的时间，获得一种利用三绕组脉冲变压器转换放电的脉冲功率电源。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种利用三绕组脉冲变压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、非线性电阻、三绕组脉冲变压器和负载；其中，充电电源与由储能电容器、非线性电阻、三绕组脉冲变压器的原边分别构成的三个支路并联，储能电容器的充电回路和放电回路分别设置有控制开关；所述变压器为三绕组脉冲变压器，具有原边和采用自耦方式与负载连接的两副边，副边和原边绕组采用高温超导带材绕制；三绕组脉冲变压器置于可以使高温超导带材处于超导态的低温容器中；非线性电阻支路串联有续流二极管，脉冲变压器的两个副边支路分别串联有方向相反的整流二极管。

高温超导带材具有储能密度大、损耗低的优点，并且在ms时间内可以承受几倍甚至十几倍的脉冲电流冲击，但是高温超导带材不具备输出几十千安大电流的能力，因此两副边绕组采用铜带绕制，并且采用自耦方式连接，两副边绕组各串联一个二极管并且方向相反；所述三绕组脉冲变压器放置在低温容器中，利用液氮冷却，可以使高温超导带材处于超导态，并且可以使铜带的电阻率降低，减小整体装置的损耗和体积。

所述非线性电阻采用ZnO或SiC压敏电阻，转变电压的选择依据需要输出的电流波形，但是其最大电压小于原边超导绕组和放电开关可以承受的最大电压。

本发明的有益结果在于：1.脉冲电源的放电过程包含LC振荡过程和非线性电阻恒压放电过程，转换时间非常短，原边绕组电流的上升速率和下降速率都很大，并且由于采用双次绕组结构的脉冲变压器，使原边绕组电流的任意变化都能在负载中产生相同方向的电流，显著减少了脉冲输出的时间，提升了装置的能量转换效率；2.超导脉冲变压器的加入可以减少装置的体积和重量，并进一步降低装置的损耗；3.可以采用不同转变电压的ZnO或SiC压敏电阻来一定程度上改变输出电流波形，克服了传统放电模式下波形不易改变的弊端，以满足负载的不同需要；4.由于非线性电阻的加入使每次放电的时间减少，同时可以通过合理控制充放电开关达到快速输出多次脉冲的能力，提升了装置的放电频率。

附图说明：

图1是本发明提出的脉冲功率电源的电路原理图。

图中1.高压直流电源DC，2.充电侧开关S1，3.储能电容器C，4.放电侧开关S2，5.非线性电阻R，6.续流二极管D1，7.三绕组脉冲变压器TX，8.原边绕组Lp，9.副边绕组Ls1，10.副边绕组Ls2，11.整流二极管D2，12.整流二极管D3，13.负载Load。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步描述。

图1是三绕组转换放电的脉冲功率电源，包括1.高压直流电源DC，2.充电侧开关S1，3.储能电容器C，4.放电侧开关S2，5.非线性电阻R，6.续流二极管D1，7.三绕组脉冲变压器TX，8.原边绕组Lp，9.副边绕组Ls1，10.副边绕组Ls2，11.整流二极管D2，12.整流二极管D3，13.负载Load。

图1中开关S1、S2为可控开关，可以采用IGBT、IGCT、MOSFET、IECT、GTO等全控半导体开关，也可采用具有辅助关断功能的SCR等半控开关；非线性电阻R可以选择ZnO或SiC压敏电阻，应当选择非线性系数大、通流能力大、残压低的产品。

以下结合附图，详细介绍本发明提出的三绕组脉冲变压器转换放电的脉冲功率电源的工作过程，可以分为以下四个阶段。

第一阶段，充电开关S1导通，放电开关S2关闭，高压直流电源对电容器充电，当电容上的电压达到最大电压时，关断充电开关S1。当负载需要电流脉冲时，进入第二阶段。

第二阶段，导通放电开关S2，储能电容器C对三绕组脉冲变压器TX的原边超导绕组Lp进行放电，原边绕组电压突变会在副边绕组上产生感应电压，副边绕组Ls1中产生的感应电流通过整流二极管D2向负载供电，由于整流二极管D3的存在，使副边绕组Ls2没有感应电流存在。当储能但容器C上的电压下降到零时，进入第三阶段。

第三阶段，放电开关S2的触发关断信号是通过检测储能电容器C上的电压获得的，当储能电容器C上的电压下降到零时，触发放电开关S2关断。原边超导绕组Lp中的剩余电流全部通过非线性电阻R，由于R的稳压特性使超导绕组在接近恒压下放电，副边绕组Ls2产生感应电流向负载输出，由于整流二极管D2的存在，副边绕组Ls1没有感应电流存在。最后，原边绕组中的电流在非线性电阻的作用下迅速衰减到零。

第四阶段，本装置的放电时间很短，可以在第二阶段后同时导通充电开关S1，高压直流电源DC向储能电容器C充电，重复二三四阶段，达到多脉冲输出的效果。

采用本发明的基本结构，在实际实施中可有多种等同的变化，但凡是根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用三绕组脉冲变压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、非线性电阻、三绕组脉冲变压器和负载；其中，充电电源与由储能电容器、非线性电阻、三绕组脉冲变压器的原边分别构成的三个支路并联，储能电容器的充电回路和放电回路分别设置有控制开关；所述变压器为三绕组脉冲变压器，具有原边和采用自耦方式与负载连接的两副边；三绕组脉冲变压器置于可以使高温超导带材处于超导态的低温容器中；非线性电阻支路串联有续流二极管，脉冲变压器的两个副边支路分别串联有方向相反的整流二极管。

2.根据权利要求1所述的脉冲功率电源，其特征在于，三绕组脉冲变压器的原副边绕组紧密耦合，原边绕组采用高温超导带材绕制，两副边绕组采用铜带绕制。

3.根据权利要求1所述的脉冲的脉冲功率电源，其特征在于，所述非线性电阻采用ZnO或SiC压敏电阻。