CN104617807B - 一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，属于电磁发射技术领域。本脉冲电源，包括初级电源Us、第一电感L₁、第二电感L₂、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电容C₁、第二电容C₂和n个电感模块；所述的每个电感模块，包括一个电感、一个晶闸管、多个二极管和一个电容。本发明中各电感相互间具有很强的耦合作用，电感电流既有因磁通量守恒原理而倍增，也有因各电感的串充并放而放大，故具有高电流倍增；因减缓电流的变化率可降低主管耐受电压；同时还具有高储能密度、结构可扩展性强等优点，更适合电磁发射。

Description

一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，属于电磁发射技术领域。

背景技术

电磁发射是依据电磁力定律，即当载流物体通过磁场时受到与磁场和电流方向垂直的电磁力而将物体加速推射出去的一项新兴技术。与传统的发射技术相比，电磁发射具有更高的能量转化效率和控制精度，且不会产生强大的电磁波和弥漫的烟雾等优良性能。由于电磁发射明显的优势和良好的应用前景，随着相关科学技术的不断发展与完善，特别是计算机控制技术和电力电子技术的进一步发展，加速了电磁发射技术走向了实用化的进程。

电磁发射装置一般由发射器本体、被发射组件和高功率脉冲电源组成。其中高功率脉冲电源是基础，在很大程度上决定着电磁发射技术的研究进展和应用潜能，因而成为研究重点。电磁发射时一般在几毫秒时间内需要几十或者上百兆焦的高脉冲电能量，这是普通电源所不能提供的，因此用于电磁发射的脉冲电源一般由初级电源、中间储能系统和脉冲形成网络三部分组成。首先初级电源在一个相对较长的时间内将电能提供给中间储能系统，通过开关控制，中间储能系统将电能传至脉冲形成网络进行快速压缩转换，最后有效释放给负载。

由于电磁发射技术特殊的应用领域，对装置体积和重量的要求是非常高的。脉冲功率电源在整个电磁发射装置体积和重量上占最大份额。而在电源系统中储能设备的体积和质量占整个电源装置的约80％。中间储能系统主要有电容储能、电感储能和旋转机械储能三种形式，理论上，电容、电感、旋转机械的储能密度比为1:10:1000。

电容储能是目前应用最广泛，并且技术成熟的一种中间储能方式，其优点在于所需要的充电功率低，只要由直流初级电源充电，就可以保证电容电压的线性上升，控制简单。主要缺点是能量密度低，这也限制了其在实战系统中的应用，通常只作为实验室研究电源。

对于旋转机械储能方式，由于储能密度大，很早就引起了不少的关注，但由于其非静止储能，冷却困难且需一次性存储多次发射的能量，这种方式的致命缺陷是结构非常复杂难以实施。

电感储能系统相比于电容储能具有高一个数量级的储能密度；相比于旋转机械储能由于其以静止磁场的形式储能，易于冷却且只需存储一次发射的能量即可。这些优势使电感储能型脉冲功率电源成为近年来诸多学者研究的热点之一。

电感储能也具有一些缺点，比如高线圈损耗和换流困难。线圈损耗可以通过减小充电时间和选用超导体解决。在切断大电感电流时，由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量，使得在关断开关两端产生很大的电压应力而超出半导体开关所能处理的能力，因而关断开关成为电感储能型脉冲电源的关键因素。

围绕着克服电感储能的缺点，充分发挥其多方面的优势，国内外学者和研究机构开展了对电感储能型脉冲电源的相关研究，其中知名机构主要有美国高新技术研究所和德法圣路易斯联合实验室。

图1为德法圣路易斯联合实验室提出的一种电感储能型脉冲电源电路图。电路总体上采用的是电感串充并放的拓扑结构。电感L₁、L₂，…L_n通过闭合触发晶闸管T₁、T₂，…T_n由初级电源U_S串联充电。当充电电流达到预定值时，通过断开晶闸管T₁、T₂，…T_n，各电感由串联充电转换为并联放电，从而在负载上获得急剧上升的脉冲电流，其幅值理论上为各电感电流之和。为了能够关断更大的电流和耐受更高的电压，电路采用了晶闸管T₁、T₂，…T_n，为主管。然而晶闸管是半控型器件，其关断要靠外电路来实现。德法圣路易斯联合实验室在电路中采用了一种其先前提出的晶闸管关断电路，即半导体器件逆向电流换路。图1中电容C₁、C₂，…C_n在电路工作前均有一定的预充电压，通过触发负载侧晶闸管T_n+1，晶闸管T₁是由回路C₁-T₁-U_S-D_n2–负载-T_n+1-D₁₃-C₁释放电容C₁的预充能量而产生的逆流脉冲关断的，而其他晶闸管T₂、T₃，…T_n的关断则是分别由回路C_i-T_i–D_(i-1)2–负载-T_n+1–D_i3–C_i(i＝2,3,…n)释放电容C_i的预充能量而产生的逆流脉冲关断的。

通过多个电感的串充并放而获得脉冲电流的方式，很显然，电路在结构上具有很强的拓展性。若要增大电流倍增系数或提高储能容量，可通过不断增加电感级数得以实现。这种结构上的可扩展性为构建特定能级的电源模块提供了便利。采用半导体器件逆向电流换路关断的晶闸管为主管，可通过关断更大的电流而增加电路初始储能，从而获得更大的负载电流和炮口动能。

但是图1所示的电路主要存在着以下两个方面的不足：

1)较大的电流放大倍数获取只能是通过不断增加电路级数而实现，且每增加一级电路，电流放大倍数只能增一；

2)采用半导体器件逆向电流换路关断的晶闸管为主管时，负载电流波形有尖峰，且无二次峰，不利于波形调整，见图3波形对比图。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，对已有的脉冲电源的电路进行改进，使其具有高电流倍增、低主管耐受电压、高储能密度、结构可扩展性强以及具有适于电磁发射电流波形等优点。

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，包括初级电源Us、第一电感L₁、第二电感L₂、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电容C₁、第二电容C₂和n个电感模块；所述的初级电源Us的阳极与第一晶闸管T₁的阳极连接；第一电感L₁的一端和第二电感L₂顺串连接后的中间连接点与第二二极管D₂的阴极连接，第一电感L₁的另一端与第一晶闸管T₁的阴极、第二晶闸管T₂的阳极、第一二极管D₁的阴极和第三晶闸管T₃的阴极连接，第三晶闸管T₃的阳极与第二电容C₂的阳极连接；第二电容C₂的阴极与第二二极管D₂的阳极、第三D₃二极管的阴极连接；第二电感L₂的另一端与第四二极管D₄的阳极、第一电感模块的第一连接端连接，第一电感模块的第二连接端与第二电感模块的第一连接端连接；以此类推，直到第(n-1)电感模块的第二连接端与第n电感模块的第一连接端连接；第n电感模块的第二连接端与第一电容C₁的阴极、初级电源Us的阴极以及大地连接；第一电容C₁的阳极与第二晶闸管T₂的阴极和第一二极管D₁的阳极连接；n个电感模块的第三连接端与第三二极管D₃的阳极和第四晶闸管T₄的阴极连接；n个电感模块的第四连接端与第四二极管D₄的阴极和电感储能型脉冲电源负载的一端连接；电感储能型脉冲电源负载的另一端与第四晶闸管T₄的阳极连接。

上述脉冲电源的n个电感模块，其中每个电感模块，包括第三电感L₃、第五晶闸管T₅、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈和第三电容C₃；所述的第三电感L₃的一端、第五晶闸管T₅的阴极、第三电容C₃的阳极、第五二极管D₅的阳极和第六二极管D₆的阴极相互连接；第五晶闸管T₅阳极与第五二极管D₅的阴极连接，该连接点作为电感模块的第一连接端；第三电感L₃的另一端与第八二极管D₈的阳极连接，该连接点作为电感模块的第二连接端；第三电容C₃的阴极与第六二极管D₆的阳极、第七二极管D₇的阴极连接；第七二极管D₇的阳极引出电缆作为电感模块的第三连接端；第八二极管D₈的阴极的引出电缆作为电感模块的第四连接端。

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其优点是：

1、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源拓扑，具有很强的电流放大能力，既有电感串充并放的电流放大作用，又有耦合电感间由于磁通守恒原理产生的电流放大作用。即本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源拓扑，如果要得到更大的负载电流，可以通过增加串充并放的电感级数实现，也可以通过增大第一电感与其他电感的电感比值获得，还可以通过提高初级电源的电流水平，提升充电电流(几十千安)获得。

2、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，用漏感收集电容，即第一电容收集第一电感与其他电感之间的漏感能量，通过较小的电容储能比例使主管两端承受电压降低。

3、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，相比于相同能级的电感串充并放电路，由于电感间的高耦合作用，互感储存和转换了一部分能量，故总体储能密度增大。

4、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，采用半导体器件逆向电流换路换流的晶闸管为关断主管，不仅可关断很大的(几十千安)充电电流，而且由于半导体器件逆向电流换路逆流电容(第二电容和各电感模块中的第三电容)支路的存在，换路瞬间不会出现纯电感元件构成的割集(节点)，各电感电流不会发生突变，各电感电流之间的相互影响也很小，故主管两端也不会出现冲击电压。

5、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，负载电流不会出现电感串充并放拓扑电路负载电流所具有的尖峰电流，负载电流波形具有双重峰值，有利于波形调整，更适合电磁发射，可见图3波形对比图。

附图说明

图1为已有技术中德法圣路易斯联合实验室提出的电感串充并放的电感储能型脉冲电源电路结构图。

图2为本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源电路结构图。

图3是图2所示的脉冲电源中电感模块的电路结构图。

图4是本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源电路负载电流波形与已有的同能级的电感串充并放电路负载电流波形对比图。

具体实施方式

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其电路结构图如图2所示，包括初级电源Us、第一电感L₁、第二电感L₂、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电容C₁、第二电容C₂和n个电感模块；所述的初级电源Us的阳极与第一晶闸管T₁的阳极连接；第一电感L₁的一端和第二电感L₂顺串连接后的中间连接点与第二二极管D₂的阴极连接，第一电感L₁的另一端与第一晶闸管T₁的阴极、第二晶闸管T₂的阳极、第一二极管D₁的阴极和第三晶闸管T₃的阴极连接，第三晶闸管T₃的阳极与第二电容C₂的阳极连接；第二电容C₂的阴极与第二二极管D₂的阳极、第三D₃二极管的阴极连接；第二电感L₂的另一端与第四二极管D₄的阳极、第一电感模块的第一连接端连接，第一电感模块的第二连接端与第二电感模块的第一连接端连接；以此类推，直到第(n-1)电感模块的第二连接端与第n电感模块的第一连接端连接；第n电感模块的第二连接端与第一电容C₁的阴极、初级电源Us的阴极以及大地连接；第一电容C₁的阳极与第二晶闸管T₂的阴极和第一二极管D₁的阳极连接；n个电感模块的第三连接端与第三二极管D₃的阳极和第四晶闸管T₄的阴极连接；n个电感模块的第四连接端与第四二极管D₄的阴极和电感储能型脉冲电源负载的一端连接；电感储能型脉冲电源负载的另一端与第四晶闸管T₄的阳极连接。

需要注意的是第一电感L₁、第二电感L₂的连接务必保证同名端顺串。

上述脉冲电源的n个电感模块，其中每个电感模块的电路结构图如图4所示，包括第三电感L₃、第五晶闸管T₅、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈和第三电容C₃；所述的第三电感L₃的一端、第五晶闸管T₅的阴极、第三电容C₃的阳极、第五二极管D₅的阳极和第六二极管D₆的阴极相互连接；第五晶闸管T₅阳极与第五二极管D₅的阴极连接，该连接点作为电感模块的第一连接端；第三电感L₃的另一端与第八二极管D₈的阳极连接，该连接点作为电感模块的第二连接端；第三电容C₃的阴极与第六二极管D₆的阳极、第七二极管D₇的阴极连接；第七二极管D₇的阳极引出电缆作为电感模块的第三连接端；第八二极管D₈的阴极的引出电缆作为电感模块的第四连接端。

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，如图2所示，各电感相互间具有很强的耦合作用。总体上可设置电感L₁比其他电感值大。当电路由充电回路换流至负载回路瞬间，电感L₁与电容C₁构成二阶欠阻尼回路，使其电流迅速变化而在其他与之有耦合的电感上产生明显的互感电压，这样就会使其他电感的电流因磁通量守恒原理而倍增。同时这些电感构成串充并放的拓扑结构，负载电流为各电感倍增后的电流之和。相比于德法圣路易斯联合实验室提出的图1电路，本发明提出的电路中电感间的强耦合作用不仅可获得较大的电流倍增系数，而且由于互感存储和转换了一部分能量，提高了储能密度。同时由于本发明电路中的电容C₁收集漏感能量，使关断开关(主管)两端的电压降低，而且可通过控制触发晶闸管T₂闭合释放C₁所收集的漏感能量至负载，使负载电流波形无明显尖峰，且有二次峰，有利于波形调整，更适于实际电磁发射。

本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源电路中，各电感之间存在强耦合作用并保证在充电时为同名端顺向串联连接，第一电感与其他电感的电感值大，具体倍数以及电路连接的电感模块个数由实际系统能级及放电电流倍数需求决定。为了能够快速关断第一晶闸管和各电感模块中的第五晶闸管，第三晶闸管和第四晶闸管选用快速型晶闸管；其他晶闸管和二极管选用普通型器件即可。第二电容和各电感模块中的第三电容在电路工作前要求有一定的预充电压；第一电容是用来收集漏感能量的，不需要预充电压。可用小阻感负载模拟电磁发射负载。

以下结合附图2，详细介绍本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源电路的工作过程，可以分为五个工作阶段。

第一阶段，初级电源充电。

触发晶闸管T₁和各电感模块中的T₅导通，初级电源U_S给电感L₁、L₂和各电感模块中的L₃充电。由于采用了直流恒压源为初级电源，忽略回路电阻，充电过程实际上是一个回路电流线性上升的过程。当电流上升到预定值后，同时触发晶闸管T₃和T₄，进入第二阶段。

第二阶段，半导体器件逆向电流换路关断晶闸管T₁和各电感模块中的T₅。

电容C₂和各电感模块中的C₃均有预充电压，当触发晶闸管T₃和T₄导通时，C₂上的预充能量通过小阻抗回路C₂-T₃–T₁-U_S–D₈(隶属于最后一级电感模块)–负载–T₄-D₃–C₂释放，形成快速变化的逆流脉冲，使晶闸管T₁的电流迅速下降至其维持电流以下，低于维持电流的时间至少为晶闸管的反向恢复时间，且关断过程中C₂的电压始终比初级电源电压U_S高，以保证晶闸管可靠关断。

各电感模块中的晶闸管T₅的关断过程与晶闸管T₁的关断过程是一样的，不同之处在于其逆流脉冲回路不包含初级电源。各自的逆流脉冲回路为C₃-T₅–D₈(隶属于上一级电感模块)–负载–T₄–D₇–C₃。当晶闸管T₅电流过零时，电流通过并联于其两端的二级管D₅，使晶闸管T₅零功率关断。

第三阶段，电感L₂和各电感模块中的L₃电流倍增。

晶闸管T₁和各电感模块中的T₅关断瞬间，电感L₁中的电流将通过回路L₁–D₂–D₃–T₄–负载–D₈(隶属于最后一级电感模块)–C₁-D₁-L₁流通，由于二阶电路L₁-负载-C₁电流变化快，基于磁通量守恒原理，使得与电感L₁有强耦合的其他电感L₂和各电感模块中的L₃两端产生较大的互感电压，电感L₂和各电感模块中的L₃中的电流倍增，倍增系数取决于L₁与其他电感的比值。

第四阶段，电感L₂和各电感模块中的L₃并联放电。

电感L₂和各电感模块中的L₃通过相关二极管的自然导通转换为并联连接，将倍增了的电流叠加至负载，获得脉冲电流。

第五阶段，触发晶闸管T₂导通，调整负载脉冲电流波形。

在第三阶段中，电感L₁与其他电感的漏感能量通过二阶回路L₁-负载-C₁收集于电容C₁中。在延后换路瞬间适当时刻触发晶闸管T₂导通可使储存于电容C₁中的漏感能量通过回路C₁–D₈(隶属于最后一级电感模块)-负载–T₄-D₃–D₂-L₁–T₂–C₁释放至负载中，在原有负载脉冲电流波形基础上叠加一二阶波形，有利于波形调整，更适于实际电磁发射需求。

Claims (2)

1.一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其特征在于该电感储能型脉冲电源包括初级电源Us、第一电感L₁、第二电感L₂、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一电容C₁、第二电容C₂和n个电感模块；所述的初级电源Us的阳极与第一晶闸管T₁的阳极连接；第一电感L₁的一端和第二电感L₂顺串连接后的中间连接点与第二二极管D₂的阴极连接，第一电感L₁的另一端与第一晶闸管T₁的阴极、第二晶闸管T₂的阳极、第一二极管D₁的阴极和第三晶闸管T₃的阴极连接，第三晶闸管T₃的阳极与第二电容C₂的阳极连接；第二电容C₂的阴极与第二二极管D₂的阳极、第三D₃二极管的阴极连接；第二电感L₂的另一端与第四二极管D₄的阳极、第一电感模块的第一连接端连接，第一电感模块的第二连接端与第二电感模块的第一连接端连接；以此类推，直到第(n-1)电感模块的第二连接端与第n电感模块的第一连接端连接；第n电感模块的第二连接端与第一电容C₁的阴极、初级电源Us的阴极以及大地连接；第一电容C₁的阳极与第二晶闸管T₂的阴极和第一二极管D₁的阳极连接；n个电感模块的第三连接端与第三二极管D₃的阳极和第四晶闸管T₄的阴极连接；n个电感模块的第四连接端与第四二极管D₄的阴极和电感储能型脉冲电源负载的一端连接；电感储能型脉冲电源负载的另一端与第四晶闸管T₄的阳极连接。

2.如权利要求1所述的脉冲电源，其特征在于其中所述的n个电感模块的每个电感模块，包括第三电感L₃、第五晶闸管T₅、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈和第三电容C₃；所述的第三电感L₃的一端、第五晶闸管T₅的阴极、第三电容C₃的阳极、第五二极管D₅的阳极和第六二极管D₆的阴极相互连接；第五晶闸管T₅阳极与第五二极管D₅的阴极连接，第五晶闸管T₅阳极与第五二极管D₅的阴极的连接点作为电感模块的第一连接端；第三电感L₃的另一端与第八二极管D₈的阳极连接，第三电感L₃的另一端与第八二极管D₈的阳极的连接点作为电感模块的第二连接端；第三电容C₃的阴极与第六二极管D₆的阳极、第七二极管D₇的阴极连接；第七二极管D₇的阳极引出电缆作为电感模块的第三连接端；第八二极管D₈的阴极的引出电缆作为电感模块的第四连接端。