CN105932898B - 一种用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
一种用于电磁发射的电容混合式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、调整电感LC、电容C、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和二极管D；其中，第一电感L1和第二电感L2彼此强耦合。本发明通过对已有的STRETCH meat grinder电路拓扑和电容储能型脉冲电源基本组成模块的电路拓扑进行改进，融合二者优势，从而具有成本低廉、储能能级高、体积精简、储能密度大、充放电电流放大倍数高且可控、电感电流无二阶过程、负载电流无二阶负半波、电容电压自动恢复、主管两端最大电压低和可扩展性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，属于电磁发射技术领域。
背景技术
电磁发射是以电磁力加速物体的新兴技术。与传统发射技术相比，电磁发射具有能量效率高、控制精度高和响应速度快等优势。随着科学技术(特别是计算机控制技术和电力电子技术)的不断发展，电磁发射技术的实用化进程不断加速。
电磁发射装置一般由发射器、被发射组件和脉冲电源构成。脉冲电源一般需要在毫秒级时间内提供兆安级脉冲电流和兆焦级脉冲能量。用于电磁发射的脉冲电源一般由初级电源、中间储能环节和脉冲形成网络三部分构成。初级电源在较长时间内为中间储能环节充电，充电完成之后，中间储能环节在较短时间内将能量传递给脉冲形成网络，脉冲形成网络通过快速压缩转换向负载输出高功率脉冲电流。
对于中间储能环节而言，常见的储能形式有电容储能、电感储能和机械储能。电容储能是目前应用最为广泛的储能形式，主要优点是原理简单、技术成熟、控制容易和成本较低等，主要缺点是储能密度低、系统体积大。储能密度低的缺点很大程度上限制了电容储能在实际系统中的应用。机械储能的典型代表是以旋转机械为核心部件的脉冲发电机组，主要优点是储能密度高，主要缺点是结构复杂、冷却困难和一次性存储多次发射能量。电感储能是近年来的研究热点，主要优点是储能密度较高、结构较简单和冷却容易，主要缺点是换流困难、线圈损耗较高。
美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的高新技术研究所(Institute for Advanced Technology)在2005年提出了STRETCH meat grinder电路拓扑，其原理图如图1所示，其由初级电源US、强耦合电感L1、L2、电容C、主管开关S、晶闸管T和二极管D1、D2构成。电路工作过程如下：闭合主管开关S，初级电源US为电感L1、L2充电；当电感充电电流上升至指定值之后，断开主管开关S，根据磁链守恒原理，电感L1电流将迅速减小，电感L2电流将迅速增大，同时，二极管D1导通，漏感能量通过L1–D2–负载–C–D1–L1回路转移至电容C中，二极管D2导通，负载获得高功率脉冲电流；之后，在合适的时刻触发晶闸管T导通，电容C中储存的能量将通过C–负载–D2–L1–T–C回路向负载释放，使其获得二阶脉冲电流。STRETCH meat grinder电路拓扑的主要优点在于主管开关S承受压降小；主要缺点在于主管开关S必须采用全控型半导体器件——集成门极换流晶闸管IGCT，造价昂贵、通流能力和正反向压降承受能力不足。这一缺点在提高成本的同时，制约系统能级的进一步提高。
世界各国研究机构(以美国德克萨斯大学奥斯汀分校高新技术研究所和德法圣路易斯联合实验室为代表)通常采用的电容储能型脉冲电源的基本组成模块的原理图如图2所示，其由电容C、电感L、开关S和二极管D构成。电路的工作过程如下：(电容已预充能量)闭合开关S，电容C通过C–S–L–负载–C回路向负载放电；当电容初始储能耗尽之后，断开开关S，电感L通过L-负载-D回路向负载放电，直至电感能量耗尽，二极管D电流过零并承受反压而关断。特别的，开关S不需要采用全控型器件，实际中常使用晶闸管作为开关S。电容储能型脉冲电源的主要优点是结构简单、控制容易、成本较低和功率密度高，主要缺点是储能密度低和系统体积大。这一缺点直接制约电容储能在实际系统中的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，通过对已有的STRETCH meat grinder电路拓扑和电容储能型脉冲电源基本组成模块的电路拓扑进行改进，融合二者优势，使其具有成本低廉、储能能级高、体积精简、储能密度大、充放电电流放大倍数高且可控、电感电流无二阶过程、负载电流无二阶负半波、电容电压自动恢复、可扩展性好等优点。
本发明的技术方案如下：
一种用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，该电容混合式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、调整电感LC、电容C、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和二极管D，其中，第一电感L1和第二电感L2彼此强耦合；其特征在于：所述的初级电源US的正极与第一晶闸管T1的阳极相连接；所述的第一晶闸管T1的阴极、第二晶闸管T2的阴极与第一电感L1的一端相连接；所述的第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端、调整电感LC的一端和二极管D的阴极相连接，第一电感L1与第二电感L2的连接关系为同名端顺串连接；所述的第二电感L2的另一端与电容C的一端、初级电源US的负极和负载的一端相连接；所述的电容C的另一端与第二晶闸管T2的阳极和第三晶闸管T3的阴极相连接；所述的调整电感LC的另一端与第三晶闸管T3的阳极相连接；所述的二极管D的阳极与负载的另一端相连接。
本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，具有以下优点及突出性的技术效果：
①本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，相比于基于STRETCHmeat grinder电路拓扑的电感储能型脉冲电源，以晶闸管取代IGCT作为主管，很大程度的降低了成本，并提高了主管的通流能力和正反向压降承受能力，有利于系统能级的进一步提高。
②本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，通过改变调整电感感值，可以实现充放电电流放大倍数的自由控制，进而降低系统的设计难度。
③本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，相比于基于STRETCHmeat grinder电路拓扑的电感储能型脉冲电源，通过恰当的电路设计和换路控制，使得电感电流无二阶过程、负载电流无二阶负半波，有利于放电效率的进一步提高。
④本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，核心储能形式为电感储能，核心储能元件为储能电感，因此，相比于电容储能型脉冲电源，具有储能密度大、系统体积小的优势。
⑤本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，通过恰当的电路设计和换路控制，使得电容电压可以自动恢复。由于二阶放电过程回路阻值较小，因此电容电压恢复比率较高。这一优点省去了多次放电过程中电容预充这一准备环节，有利于电磁发射的连续进行。
附图说明
图1为已有技术中美国德克萨斯大学奥斯汀分校提出的STRETCH meat grinder电路拓扑的原理图。
图2为已有技术中通用的电容储能型脉冲电源的基本组成模块的原理图。
图3为本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源的电路拓扑图。
图4为本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源的充放电过程中第一电感电流、第二电感电流和负载电流的波形示意图。
图5为本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源的充放电过程中电容电压和主管(第一晶闸管)两端电压的波形示意图。
具体实施方式
本发明提出的用于电磁发射的电容混合式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、调整电感LC、电容C、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和二极管D；其中，第一电感L1和第二电感L2彼此强耦合；所述的初级电源US的正极与第一晶闸管T1的阳极相连接；所述的第一晶闸管T1的阴极、第二晶闸管T2的阴极与第一电感L1的一端相连接；所述的第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端、调整电感LC的一端、二极管D的阴极相连接；所述的第二电感L2的另一端与电容C的一端、初级电源US的负极、负载的一端相连接；所述的电容C的另一端与第二晶闸管T2的阳极、第三晶闸管T3的阴极相连接；所述的调整电感LC的另一端与第三晶闸管T3的阳极相连接；所述的二极管D的阳极与负载的另一端相连接；特别的，所述的第一电感L1与第二电感L2的连接关系为同名端顺串连接。
本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源电路中，第一电感L1应当比第二电感L2感值大，具体倍数由系统能级和充放电电流放大倍数需求决定；第二电感L2内阻应当尽可能小，以实现较大的电流放大倍数和较高的系统效率；电容C容值选取应当综合第一电感L1感值、第二电感L2感值、电感耦合系数k、电感充电电流预设值和初级电源US电压确定；如果希望尽可能增大充放电电流放大倍数，则调整电感LC在通流能力满足要求前提下感值应当尽可能小；如果希望尽可能增大电容电压恢复比率，则调整电感LC应当取值合适，可以取(1-k2)×L1；电容C需要进行预充，理论上预充电压应当高于电感充电过程结束时刻的初级电源电压，实际中预充电压可以取电感充电过程开始时刻的初级电源电压的1.5倍；当电容C容值选取合适，可以实现电压自愈，后续(第一次之后)充放电过程中，不需要再对电容C进行预充；初级电源最好选用电压可调的高压直流电源，通过程序控制使其在电感充电过程即将结束时降低输出电压，以实现第一晶闸管T1的可靠关断；第一晶闸管T1应当采用快速恢复型晶闸管，以保证可靠关断；第二晶闸管T2、第三晶闸管T3可采用普通晶闸管，以降低成本；第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和二极管D的通流能力和耐压能力应当高于系统额定能级下各器件的最大电流和最高电压，建议通过电路仿真进行预分析。
该脉冲电源可视为电感储能型脉冲电源中嵌入小型电容储能型脉冲电源，电感和电容相对独立的产生负载电流一次峰值和二次峰值。
以下结合附图3、附图4和附图5，详细介绍本发明提出的用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源电路的工作过程，可以分为以下六个工作阶段。
(假设电容C已完成预充)
第一阶段，电感充电。
触发第一晶闸管T1导通，初级电源US为第一电感L1、第二电感L2充电；当电感充电电流上升至指定值之后，触发第二晶闸管T2导通，第一阶段结束。
第二阶段，主管逆流及电感继续充电。
触发第二晶闸管T2导通，电容C电流迅速增大至电感充电电流，第一晶闸管T1因电流过零并承受反压而关断；之后电容C继续为第一电感L1、第二电感L2充电，直至其预充能量完全耗尽，二极管D导通，第二阶段结束。
第三阶段，第二电感电流倍增及漏感能量收集。
二极管D导通，第一电感电流迅速减小，第二电感电流迅速增大，负载电流也随之迅速增大，电流倍增过程遵循磁链守恒原理，电流放大倍数由电感比值、电感耦合系数和回路阻值共同决定；漏感能量通过L1–D–负载–C–T2–L1回路被电容C收集，直至第二晶闸管T2电流过零并承受反压而关断，第三阶段结束。
第四阶段，一阶放电。
第二晶闸管T2关断，第二电感直接向负载放电，由于负载通常是小阻感负载，这一阶段遵循RL一阶电路放电规律。在合适的时刻触发第三晶闸管T3导通，第四阶段结束。
第五阶段，二阶放电。
触发第三晶闸管T3导通，电容C所收集的漏感能量通过C–负载–D–LC–C回路向负载放电，产生负载电流的二次峰，这一阶段遵循RLC二阶电路放电规律。同时，第二电感直接向负载一阶放电。二阶电流与一阶电流叠加，构成负载电流。之后，第三晶闸管T3电流过零并承受反压而关断，第五阶段结束。
第六阶段，一阶放电。
第三晶闸管T3关断，第二电感继续向负载放电，这一阶段与第四阶段相同。二极管D电流降至零，第六阶段结束。
此外，如果第三晶闸管T3的触发导通时刻恰好是第三阶段结束时刻(或者稍提前)，则第四阶段将被跳过，直接进入第五阶段。
Claims (1)
1.一种用于电磁发射的电容混合式电感储能型脉冲电源，该电容混合式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、调整电感LC、电容C、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和二极管D，其中，第一电感L1和第二电感L2彼此强耦合；其特征在于：所述的初级电源US的正极与第一晶闸管T1的阳极相连接；所述的第一晶闸管T1的阴极、第二晶闸管T2的阴极与第一电感L1的一端相连接；所述的第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端、调整电感LC的一端和二极管D的阴极相连接，第一电感L1与第二电感L2的连接关系为同名端顺串连接；所述的第二电感L2的另一端与电容C的一端、初级电源US的负极和负载的一端相连接；所述的电容C的另一端与第二晶闸管T2的阳极和第三晶闸管T3的阴极相连接；所述的调整电感LC的另一端与第三晶闸管T3的阳极相连接；所述的二极管D的阳极与负载的另一端相连接。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Xukun Inventor after: Yu Xinjie Inventor after: Sun Hao Inventor after: Li Zhen Inventor after: Chang Xinyue Inventor after: Li Jin Inventor after: Huang Songling Inventor before: Liu Xukun Inventor before: Yu Xinjie Inventor before: Li Zhen |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |