CN104601034A - 一种基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源 - Google Patents

Abstract

一种基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，属于脉冲功率技术领域。包括由初级充电电源、放电开关、高温超导脉冲变压器、功率二极管以及脉冲电容器、负载组成的单模块脉冲电源，初级充电电源通过放电开关并联在高温超导脉冲变压器原边绕组两端，功率二极管以及负载与高温超导脉冲变压器副边绕组串联形成回路，其特征在于：所述的单模块脉冲电源设置有并联连接的两组或两组以上，每一组单模块脉冲电源分别通过一转换电路开关与所述的脉冲电容器连接，在每一组单模块脉冲电源中还并联接有单向导通单元。本脉冲电源具有传输效率高，输出电流脉冲幅值和脉宽可调，原边放电端电压小的优点。

Description

一种基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源

技术领域

一种基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，属于脉冲功率技术领域。

背景技术

脉冲功率技术是当代高新技术领域的重要组成部分，它的发展和应用与其他学科的发展有着密切的关系。脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量，并将大能量和大功率有效地传输到负载上，也称为高功率脉冲技术。由于军事、科学实验和工业上的需要，在能量存储、功率上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命等方面的要求，给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题，中间储能元件是脉冲功率技术中的基础元件，是脉冲功率技术的关键部件，在很多场合下，脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素。

在现有技术中，脉冲功率技术大多采用电容和高温超导储能电感作为储能元件进行储能，但是当采用电容作为储能元件时，存在如下缺点：（1）电容器的储能密度不高，很难降低大功率脉冲电源的体积；（2）电容器具有一定的漏电流而不能长时间储能。

高温超导储能电感的储能密度与电容储能相比要高的多，其零电阻特性很好的解决了普通电感由于受内阻的限制而不能够长期储能的问题，而且高温超导储能电感的运行成本与早期的低温超导相比大大降低。当前基于高温超导储能的脉冲功率技术实施模式主要有两种：一种是高温超导储能电感串联充电并联放电模式；另一种是基于高温超导脉冲变压器储能和放电模式。

高温超导储能电感串联充电并联放电模式，主要是以高温超导储能电感模块的叠加来实现输出电流脉冲的增大。它存在的问题是如果要得到幅值非常高的电流脉冲，则需要叠加的超导储能电感非常多，使系统的规模非常大，这不利于脉冲电源体积的减小和结构的简化；而且由于放电时会在电感两端产生高电压，断路开关技术也是限制其发展的主要因素之一。

基于高温超导脉冲变压器储能和放电模式，具有储能密度高，可长时间储能，易于集成化和模块化的优点。高温超导脉冲变压器的原边绕组为利用高温超导带材绕制的超导电感线圈，副边绕组为超导电感线圈或常导电感线圈。在储能期间，原边绕组的充电电流接近高温超导电感线圈的临界电流，副边绕组电感线圈中的电流为零。放电时，高温超导脉冲变压器的原边绕组切换到放电回路，使得原边电流迅速衰减，在原边与副边的互感作用下，从而使得副边绕组感应出高幅值电流脉冲。

在现有技术中，基于高温超导脉冲变压器储能和放电模式，主要又可分为两种放电模式：

一种是在放电时将原边电感中的电流切换到电阻性放电回路。该模式存在的问题是：（1）原边对电阻性放电回路放电，因此不可避免的会产生能量损耗；（2）增大放电回路电阻可以有效降低能量损耗，提高系统传输效率，但是增大放电回路电阻，在放电时会在超导脉冲变压器原边产生高电压，不利于系统安全。

另一种是利用电容器作为转换电路，利用电容的充电过程进行限压，而且还可将电容充电后存储的能量反馈给高温超导脉冲变压器，使系统的传输效率大幅提高。这种模式也存在一个突出的问题就是在多模块高温超导脉冲变压器并联产生更高电流脉冲时，转换电容的增加会使系统的体积优势大大降低。

在现有技术中，申请号为CN201210355467和CN201210228710的中国专利分别公开了一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源和一种基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源。其中申请号为CN201210355467的专利采用电容器作为储能元件，其缺点如上所述，且该专利的放电方式是电容器对变压器原边绕组放电，使副边绕组感应电流脉冲；而申请号为CN201210228710的专利采用自耦变压器原理的Meat-grinder储能放电模式，变压器的原边和副边串连，共同储能，其缺点是常导的副边参与储能时会增加损耗，不易实现多模块长时间储能，其放电模式为变压器原边和副边共同向电容器振荡放电，使副边回路感应出电流脉冲，是自耦变压器原理的模式，其宽脉冲是通过单模块内的开关控制实现，不易产生高电流脉冲。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，本脉冲电源具有传输效率高，输出电流脉冲幅值和脉宽可调，原边放电端电压小的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，包括由初级充电电源、放电开关、高温超导脉冲变压器、功率二极管以及脉冲电容器、负载组成的单模块脉冲电源，初级充电电源通过放电开关并联在高温超导脉冲变压器原边绕组两端，功率二极管以及负载与高温超导脉冲变压器副边绕组串联形成回路，其特征在于：所述的单模块脉冲电源设置有并联连接的两组或两组以上，每一组单模块脉冲电源分别通过一转换电路开关与所述的脉冲电容器连接，在每一组单模块脉冲电源中还并联接有单向导通单元。

优选的，在所述的每一组单模块脉冲电源中，初级充电电源的输出负极和串联了放电开关的输出正极以及所述的单向导通单元同时并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的两端；

所述的脉冲电容器同时并联多个转换电路开关后与相对应的单模块脉冲电源中的高温超导脉冲变压器的原边绕组相并联；所述负载同时并联每一组单模块脉冲电源中功率二极管与高温超导脉冲变压器副边绕组串联的支路。

优选的，所述的单向导通单元为晶闸管或由开关与二极管串联组成的回路。

优选的，所述的高温超导脉冲变压器原边绕组为B系或Y系的高温超导带材绕制，其副边绕组采用高温超导或常导绕制。

优选的，所述的脉冲电容器采用单个电容器或多个电容器通过串联或并联组成的电容器组。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源中，高温超导脉冲变压器集超导储能和脉冲成形于一体，在保持了高温超导储能优势的条件下，进一步降低了系统的体积和重量。

2、高温超导脉冲变压器原边电感释放给电容器的能量，在振荡过程中再反馈给高温超导脉冲变压器，增加了系统能量的传输效率。

3、多个高温超导脉冲变压器共用一个脉冲电容器，不仅原边放电电压得到有效限制，而且具有体积优势和成本优势。

4、控制各模块放电开关和转换电路开关实现输出的负载电流脉冲幅值和脉宽可调。

附图说明

图1为基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源单模块脉冲电源原理图。

图2为基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源电路原理图。

图3为图2简化电路原理图。

具体实施方式

图1~3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明做进一步说明。

如图1~3所示，本基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源由多个单模块脉冲电源并联组成。单模块脉冲电源包括初级充电电源、单向导通单元、高温超导脉冲变压器、功率二极管以及脉冲电容器、负载。脉冲电容器可采用单个电容器或多个电容器通过串联或并联组成的电容器组。

如图1所示，由电源E1和电阻R1并联组成的初级充电电源的输出正极串联放电开关S1之后与输出负极（即接地端）之间同时并联单向导通单元的两端以及高温超导脉冲变压器B1的原边绕组两端，单向导通单元由开关S2以及二极管D1串联组成，也可通过晶闸管实现。脉冲电容器同时并联在高温超导脉冲变压器B1的原边绕组两端。高温超导脉冲变压器B1的副边绕组与功率二极管D2以及负载R2串联组成回路。

如图2~3所示，本基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源由图1所示的多个单模块脉冲电源并联组成，在本实施例中，单模块脉冲电源设置有三组。当多组单模块脉冲电源并联时，通用同一个脉冲电容器C1以及同一个负载R2。共用一个脉冲电容器，不仅具有体积优势和成本优势，而且原边放电电压得到有效限制。

由电源E2与电阻R3并联组成的初级充电电源、由开关S4与二极管D3串联组成的单向导通单元，高温超导脉冲变压器B2、功率二极管D4以及由电源E3与电阻R4并联组成的初级充电电源、由开关S5与二极管D5串联组成的单向导通单元，高温超导脉冲变压器B3、功率二极管D6以与图1相同的连接方式组成单模块脉冲电源。功率二极管D2、D4、D6分别与对应模块的高温超导脉冲变压器副边绕组串联后同时并联负载R2。转换电路开关S7~S9的一端分别联接在高温超导脉冲变压器B1~B3的一端，转换电路开关S7~S9的另一端同时联接脉冲电容器C1的一端，脉冲电容器C1的另一端与高温超导脉冲变压器B1~B3和负载R2共地。

本基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源的充电过程为：放电开关S1、S3、S5闭合，初级充电电源E1~E3分别对各自模块内高温超导脉冲变压器B1~B3的原边绕组（高温超导储能线圈）充电，使原边绕组存储能量且不失超；达到预充电流后，初级充电电源E1~E3停止输出功率（高温超导储能线圈端压为零），高温超导脉冲变压器的原边绕组通过初级充电电源闭环运行。

高温超导脉冲变压器B1~B3的原边绕组匝数较多，采用高温超导带材（B系或Y系）绕制，为本发明中的储能部件；副边绕组匝数较少且内阻小，采用高温超导或常导绕制，用于感应大电流脉冲。高温超导脉冲变压器采用制冷机直接冷却方式或低温液体冷却。在充电过程中，充电电流达到预充电流后，原边绕组为超导态而电阻为零，使初级充电电源的端电压也为零，在利用初级充电电源续流的过程中，初级充电电源对原边绕组不输出功率。

同时，在本基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源中，仅利用高温超导脉冲变压器B1~B3的原边超导绕组进行储能，副边绕组不用于储能，因此在储能时损耗小，且易于实现多模块化。高温超导脉冲变压器集超导储能和脉冲成形于一体，在保持了高温超导储能优势的条件下，进一步降低了系统的体积和重量。高温超导脉冲变压器原边电感释放给电容器的能量，在振荡过程中再反馈给高温超导脉冲变压器，增加了系统能量的传输效率。

当通过本基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源产生高幅值电流脉冲时，其放电操作步骤为：在放电时，同时闭合转换电路开关S7~S9，再同时断开所有单模块脉冲电源中的放电开关S1、S3、S5，使单模块脉冲电源中高温超导脉冲变压器B1~B3的原边绕组同时对脉冲电容器C1放电。当脉冲电容器C1中的电压达到最大值后，脉冲电容器C1再对高温超导脉冲变压器B1~B3的原边绕组反向充电。当高温超导脉冲变压器B1~B3的原边绕组的电流达到反向最大时，闭合各单模块脉冲电源中的单向导通单元，使高温超导脉冲变压器B1~B3的原边绕组中的反向电流经过各单模块脉冲电源中的单向导通单元续流。在高温超导脉冲变压器B1~B3的原边绕组电流的振荡过程中，在互感的作用下，各高温超导脉冲变压器B1~B3的副边绕组感应出电流脉冲，经过在负载R2并联叠加后，从而形成所需要的大电流脉冲。

当通过本基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源产生宽脉宽电流脉冲时，其放电步骤为：首先控制转换电路开关S7闭合，再使相应单模块脉冲电源中的放电开关S1断开，使高温超导脉冲变压器B1的原边绕组对脉冲电容器C1放电，脉冲电容器C1电压达到最大后对高温超导脉冲变压器原边绕组B1反向充电，当电流达到反向最大时，闭合由开关S2和二极管D1串联组成的单向导通单元，高温超导脉冲变压器B1原边绕组中的电流开始经过单向导通单元反向续流。经过一定的延时时间t之后，控制转换电路开关S8闭合，开始对相应的单模块脉冲电源进行相同的放电操作，经过相同的放电步骤后控制转换电路开关S9闭合，对相应的单模块脉冲电源进行相同的放电操作，以次类推。在此放电过程中，各模块输出的电流在负载R2处经过延时叠加后，从而形成有一定脉宽的大电流脉冲。如上所述，在本基于多模块高温超导脉冲变压器储能的脉冲电源中，通过控制部分模块同时放电，再控制部分模块延时放电，可以得到一定高幅值和脉宽的电流脉冲。

在本基于多模块高温超导脉冲变压器储能的脉冲电源中，利用高温超导脉冲变压器B1~B3的原边电感、转换电容支路和单向导通单元实现原边电流半周期LC二阶振荡过程，从而在高温超导脉冲变压器B1~B3的副边感应出较大电流脉冲，再通过并联实现多模块副边电流脉冲在负载电路叠加。在放电过程中，通过控制各模块放电开关和转换电路开关实现多个高温超导脉冲变压器共用一个脉冲电容器，与每个模块一个转换电容支路相比，不仅更具体积优势和成本优势，而且还可调节负载电流脉冲的幅值和脉宽；通过利用脉冲电容器电压不能突变而从零开始增加的特性，降低了断路开关的技术要求，同时电容器也起到了限制原边过电压的作用。且在本基于多模块高温超导脉冲变压器储能的脉冲电源中，仅利用高温超导脉冲变压器B1~B3的原边绕组对脉冲电容器C1振荡放电，使高温超导脉冲变压器B1~B3的副边感应出电流脉冲，原、副边是隔离的，其宽脉冲是通过多个模块之间配合放电实现。

再本基于多模块高温超导脉冲变压器储能的脉冲电源中，脉冲电容器可采用单个电容器或电容器组（多个电容器经过串联或并联连接）构成；所述转换电路开关、放电开关、单向导通开关、功率二极管可为单个半导体或其它某类型开关，也可为多个半导体或其它某类型开关串并联构成。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，包括由初级充电电源、放电开关、高温超导脉冲变压器、功率二极管以及脉冲电容器、负载组成的单模块脉冲电源，初级充电电源通过放电开关并联在高温超导脉冲变压器原边绕组两端，功率二极管以及负载与高温超导脉冲变压器副边绕组串联形成回路，其特征在于：所述的单模块脉冲电源设置有并联连接的两组或两组以上，每一组单模块脉冲电源分别通过一转换电路开关与所述的脉冲电容器连接，在每一组单模块脉冲电源中还并联接有单向导通单元。

2.根据权利要求1所述的基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，其特征在于：在所述的每一组单模块脉冲电源中，初级充电电源的输出负极和串联了放电开关的输出正极以及所述的单向导通单元同时并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的两端；

所述的脉冲电容器同时并联多个转换电路开关后与相对应的单模块脉冲电源中的高温超导脉冲变压器的原边绕组相并联；所述负载同时并联每一组单模块脉冲电源中功率二极管与高温超导脉冲变压器副边绕组串联的支路。

3. 根据权利要求1或2所述的基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，其特征在于：所述的单向导通单元为晶闸管或由开关与二极管串联组成的回路。

4. 根据权利要求1所述的基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，其特征在于：所述的高温超导脉冲变压器原边绕组为B系或Y系的高温超导带材绕制，其副边绕组采用高温超导或常导绕制。

5. 根据权利要求1或2所述的基于高温超导脉冲变压器储能的多模块脉冲电源，其特征在于：所述的脉冲电容器采用单个电容器或多个电容器通过串联或并联组成的电容器组。