CN107241084B - 一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置，包括：充电单元、控制监测单元、n个储能单元，第一组晶闸管开关、第二组晶闸管开关、第一避雷器、第二避雷器、均流互感器、汇流母排、m个调波电感；均流互感器包括两个相互耦合的空心线圈绕组，记做第一绕组、第二绕组，两个绕组都有一端与汇流母排连接，第一绕组的另一端通过第一组晶闸管开关连接至储能单元的高压端，第二绕组的另一端通过第二组晶闸管开关连接至储能单元的高压端，第一和第二绕组的通流励磁电感值相等，电磁耦合关系为异名端相连；储能单元的低压端接地；汇流母排的输出端并联连接m路调波电感，每路调波电感连接一路氙灯支路，为氙灯提供长脉宽大电流。

Description

一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置

技术领域

本发明属于脉冲功率技术、高电压技术、强激光技术和电力电子技术的交叉复合领域，更具体地，涉及一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置。

背景技术

用于大型高功率激光器的强激光技术需要使用大尺寸高压氙灯，其长度往往在1000mm以上，内部气压也很高。这时，氙灯激励需要一个能提供强大功率的脉冲泵浦电源。例如，在激光惯性约束聚变的前级泵浦能源中，单台电源系统需要为数十支串并联的大尺寸氙灯提供兆焦级的脉冲激励能量，电源中单个开关的能量传递能力要达到数吉瓦(10⁹W)峰值功率、数百千安(10⁵A)峰值电流、数百微秒(10^-6s)脉冲宽度的水平。

开关器件是脉冲功率电源中的重要器件，因为开关器件的性能会直接影响到输出脉冲波的上升时间、幅值等参数。高能脉冲开关要求响应快、损耗小、承受电压高、传导电流大、稳定性高、电感低、工作电压调节方便、结构简单坚固、寿命长、造价经济等特点。

目前主流的脉冲功率开关器件是气体间隙类开关(包括低气压的真空开关)和固体半导体开关两大类。气体间隙类开关单体耐高压能力、通流能力、抗负载故障能力都很强，造价也很低廉，但缺点是触发电路复杂、寿命有限、维护工作量较大、长期使用的经济性较差。固体半导体开关的优缺点正好与之相反。特别是由于目前半导体器件单体的工作电压、工作电流都很有限，因此不得不将多个单体开关串联或并联起来以实现耐高压和大通流能力。大功率半导体可控硅晶闸管就是这类开关的典型代表。

目前已知6英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片，耐压6.5kV，通流峰值能力330kA，5英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片，耐压6.5kV，通流峰值能力280kA，4英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片，耐压6.0kV，通流峰值能力200kA。随着半导体晶元的直径减小，单体阀片价格也会指数下降，工艺可靠性则会指数上升。

假设某型氙灯激励型高能激光器的脉冲电源需要实现500kA通流峰值能力，储能电容的工作电压(即开关两端工作电压)30kV，则理论上至少需要8～10只5英寸或6英寸半导体可控硅晶闸管单体阀片串联实现开关耐压，两组如此串联起来的晶闸管组件再并联起来实现开关通流。

虽然串联半导体开关可以耐高压，并联半导体开关可以提高通流能力，但由于多个半导体器件开通时间的略微差异会导致电压和电流瞬态分配不均，因此，串联晶闸管组件必须配合均压电路(或措施)，并联晶闸管组件之间必须采用均流电路(或措施)。

在目前已知的各种并联晶闸管均流措施中，除了采用门极强触发、选择开通时间参数基本一致的晶闸管来构成并联组件这类器件性能相关的措施外，利用外部电路强迫均流也是可选的措施。

脉冲电源的瞬态均流适宜采用均流互感器。均流互感器的两个绕组分别接在相邻的两个并联支路中，相互耦合。由于两支路电流的一路由同名端进入，另一路由异名端进入，故极性相反。如两支路的电流不等，就会感应出一个电势，使原来支路电流小的增大，而原来电流大的减小，以达到均流的目的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置，旨在解决当脉冲电源输出电流大于晶闸管开关耐受电流值而必须并联使用两组晶闸管开关时，安全可靠实现均流从而使得脉冲电源输出更大电流的技术问题。

本发明提供了一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置，包括：充电单元、控制监测单元、n个相互并联连接的储能单元，第一组晶闸管开关K1、第二组晶闸管开关K2、均流互感器、汇流母排、m路并联连接的调波电感；所述均流互感器包括第一绕组、第二绕组，第一绕组的一端和第二绕组的一端都与汇流母排连接，第一绕组的另一端通过第一组晶闸管开关连接至储能单元的高压端，第二绕组的另一端通过第二组晶闸管开关连接至储能单元的高压端，储能单元的低压端接地；充电单元用于根据充电控制信号对储能单元进行充电；控制监测单元用于为所述充电单元提供所述充电控制信号，并为所述第一组晶闸管开关K1和所述第二组晶闸管开关K2提供同步触发信号；汇流母排的输出端并联连接m路调波电感，每路调波电感另一端作为长脉宽大电流脉冲电源装置的电流输出端用于为氙灯提供长脉宽大电流；m、n均为正整数。

均流互感器有两个相互耦合的空心线圈绕组，每个绕组2个端子，共有4个端子，按照电流流入和流出方向分别定义为第一绕组的电流流入端、第一绕组的电流流出端、第二绕组的电流流入端、第二绕组的电流流出端。根据电磁耦合原理的规定，第一、第二绕组的电流流入端互为同名端，第一、第二绕组的电流流出端也互为同名端；第一绕组的电流流入端与第二绕组的电流流出端互为异名端，第一绕组的电流流出端与第二绕组的电流流入端也互为异名端。

就物理连接关系看，均流互感器第一绕组的一端和第二绕组的一端都与汇流母排连接，第一绕组的另一端通过第一组晶闸管开关连接至储能单元的高压端，第二绕组的另一端通过第二组晶闸管开关连接至储能单元的高压端。

就电磁耦合关系看，均流互感器的第一绕组和第二绕组，必须满足两者励磁电感值相等，电磁耦合关系为异名端相连到汇流母排上，使得第一绕组的电流流入-流出方向和第二绕组中的电流流入-流出方向正好相反，通过电流时形成的感应电动势方向也相反。

这样做的好处是，当两支路的晶闸管开关由于导通时延差异，开关导通存在先后时，通流初始阶段两个开关上的电流不相等，电流较小支路的互感器绕组上就会感应出一个电势，迫使电流较小支路的电流增大，而电流较大支路的互感器绕组上就会感应出一个方向相反的电势，迫使电流较大支路的电流减小，直至两条支路上的电流趋于相等，当两条晶闸管开关所在支路电流基本相等时，均流互感器两个绕组上的感应电势大小相等，方向相反，正好相互抵消，从而以达到平衡两条支路电流的目的，同时先导通的晶闸管由于电流被抑制，其通态电流上升率(di/dt)也被迫减小，从而避免了瞬态过流和di/dt过大，有利于晶闸管额定参数内的安全运行。

极端情况下，即便两支路的晶闸管开关只有一路导通，另一路导通失败，放电电流完全由一只晶闸管开关承担，此时均流互感器只有一边的线圈绕组通过电流，此时相当于在回路中引入了较大的绕组励磁电感，根据电路原理可知，脉冲电源输出波形的脉宽会显著变长，波形严重畸变，但流过导通晶闸管开关的电流幅值和di/dt仍然被抑制。

更进一步地，储能单元包括：依次串联连接的电容和保护阻抗器，所述电容用于储存能量，所述保护阻抗器用于在电容击穿后释放能量。

更进一步地，保护阻抗器包括：依次串联连接的电感和电阻；所述电感的非串联连接端与所述电容连接，所述电阻的非串联连接端与所述第一组晶闸管开关K1连接。

更进一步地，还包括：与所述第一组晶闸管开关K1并联连接的第一避雷器T1和与所述第二组晶闸管开关K2并联连接的第二避雷器T2。

更进一步地，调波电感的输出端通过电缆与氙灯连接。

更进一步地，m个调波电感成环形等间距布置。这是因为，根据电磁耦合原理，调波电感之间存在耦合作用，环形等间距布置的调波电感能够平衡调波电感之间相互的耦合作用，使流过调波电感支路的电流更加均衡。

更进一步地，第一组晶闸管开关K1与所述第二组晶闸管开关K2沿着所述均流互感器的中心轴对称布置；n/2个储能单元布置在所述第一组晶闸管开关K1侧，另n/2个储能单元布置在所述第二组晶闸管开关K2侧，使得储能单元沿所述均流互感器的中心轴对称。储能单元的储能电容器、保护阻抗器对称排列，能够有效利用脉冲电源的空间体积，且中心轴对称的储能单元输出电流放电方向相对，大小基本相等，有助于平衡大电流通过器件时造成的电动力冲击，提高设备使用的安全性和经济性

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)利用低成本的空心线圈绕组均流互感器，达到并联晶闸管组件瞬态均流的目的，由此提供了一种在超过可控硅晶闸管开关通流能力的脉冲电源中，克服瞬态过流或di/dt过载导致器件损坏，通过并联方式安全使用可控硅晶闸管开关的技术方案。

(2)利用非线性电阻特性的氧化锌避雷器，能够避免使用均流互感器后晶闸管过压击穿的潜在风险。该风险具体是指，当两组并联晶闸管开关有一组晶闸管组件因故导通时延过大甚至完全不能导通时，在连接该组晶闸管组件的绕组上会感应出过电压，过电压若超过该组晶闸管的反向耐受电压值就会导致该组晶闸管过压击穿。

(3)该装置布局合理、紧凑，主要柜体内储能电容器、保护阻抗器对称排列，能够平衡大电流通过造成的电动力冲击，提高设备使用的安全性和经济性。

附图说明

图1为本发明实施例中带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置整体电路示意图；

图2为本发明实施例中均流互感器两个绕组与晶闸管开关和汇流母排之间的一种连接实现方式示意图。

图3为本发明实施例中脉冲电源装置的布局图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源电路，可以采用大功率可控硅晶闸管开关、用于氙灯激励型高能激光器的长脉宽大电流脉冲电源装置；用以实现在数百千安峰值大电流、数百微秒长脉宽的脉冲电源中安全可靠地使用半导体可控硅晶闸管开关。

针对大电流长脉宽脉冲电源中使用半导体可控硅晶闸管开关的需求，本发明提供了一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置电路，其目的在于，将均流互感器合理应用于脉冲电源电路中，避免两组并联晶闸管开关之间导通时延差异带来的电流不平均和通态电流上升率(即di/dt)不平均问题，防止晶闸管开关因过流或di/dt过大而损坏。

本发明主要适用于输出峰值电流超过当前6英寸晶闸管330kA通流能力上限，而必须使用并联晶闸管开关的脉冲电源。

本发明电路中的晶闸管开关由两组并联的晶闸管组件构成，不包括两组以上并联的晶闸管开关结构。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种带均流互感器的脉冲电源装置，其采用两组并联的半导体可控硅晶闸管开关作为放电开关，均流互感器的两个相互耦合的空心线圈绕组分别接在相邻的两个并联晶闸管开关支路中，两并联支路电流的一路由均流互感器的同名端进入，另一路由均流互感器的异名端进入。每个晶闸管开关支路中，还各并联有一只具有非线性电阻特性的金属氧化物(例如典型的氧化锌)避雷器。

本发明提供的一种带均流互感器的脉冲电源装置，该装置还包括充电单元、控制监测单元、n个相互并联连接的储能单元、汇流母排、m路并联连接的调波电感。其中，每只储能电容器连接1只保护阻抗器构成的储能单元并联在一起构成本装置的储能单元组。储能单元组连接到前述并联的两组晶闸管开关上，再由均流互感器连接在一个汇流母排的输入端上，汇流母排的输出端并联连接若干路的调波电感，每路调波电感通过电缆连接一路大功率氙灯。

在本发明实施例中，其包括充放电模块机柜、充电控制机柜以及电流调制机柜，其中，储能电容器、保护阻抗器、晶闸管开关、均流互感器和汇流母排都设置在充放电模块机柜中，所述调波电感设置在所述电流调制机柜中，所述充放电模块机柜一端连接所述电流调制机柜，且另一端连接所述充电控制机柜，所述充放电模块机柜、充电控制机柜以及电流调制机柜采用等电位共地接地的接地方式。

在本发明实施例中，充电控制柜内包括控制监测单元和充电单元，所述控制监测单元和充电单元呈现上、下排列，上部设置控制监测单元，下部设置充电单元，所述控制监测单元用于接收外部指令，对充电单元进行控制，还用于接收外部指令，对充放电子模块中的晶闸管开关组件给出同步触发信号，还用于监测、记录脉冲泵浦电源的工作信息，所述充电单元用于给充放电子模块中的储能电容器充电。

在本发明实施例中，充放电模块机柜中的储能电容器、保护阻抗器沿所述均流互感器的中心轴对称排列，所述汇流母排设置在所述充放电模块机柜中部。

在本发明实施例中，电流调制机柜位于所述充放电模块机柜的顶部上方，所述电流调制机柜内设置有若干调波电感，若干调波电感呈现环形均布排列，每个调波电感通过电缆连接一路氙灯。

工作时，所述充电控制机柜输入380V交流市电，充电控制机柜的充电单元输出放电子模块中储能电容器所需的工作储能直流电压，并对充电电压进行监测。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置，下面结合具体的实施例进一步详细说明本发明的脉冲电源装置。

图1为本发明实施例中带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置整体电路示意图。如图1所示，假设电源装置包括20台储能电容器，标记为C1-1至C1-20，每个电容器连接有一个保护阻抗器，保护阻抗器的电阻分别标记为R1-1至R1-20，电感分别标记为L1-1至L1-20。由图1电路可知，当电容器在充电过程中发生内部短路击穿，其余并联的正常电容器会对该台电容器发生能量“灌注”，导致故障电容器短时间电流过大而爆裂。保护阻抗器由具有一定吸能特性的金属材料制成，在电流过大时阻抗会显著增大，相当于吸收其余电容器的能量，防止故障电容器爆裂。

在图1中，20台储能电容器和保护阻抗器构成的20个储能单元全部并联在一起构成储能单元组。

在图1中，两组半导体可控硅晶闸管开关，在图中记做K1和K2，通过均流互感器Lm构成并联连接关系。

图2给出了均流互感器通过两个绕组与晶闸管开关和汇流母排之间构成的一种连接实现方式示意图。图2显示的一种具体做法是：

(1)两组晶闸管开关K1和K2分别有2个接头，一个接头连接储能单元，另一个接头连接均流互感器Lm的一个绕组。

(2)均流互感器Lm包括2个耦合绕组，这两个耦合绕组的励磁电感相等，可以通过使用相同参数结构来实现，例如使用相同材料、相同机械尺寸、相同绕组匝数等；每个绕组包括2个接头，每个绕组都有一个接头与晶闸管开关K1或K2相连，另一个接头与汇流母排相连；连接到汇流母排的两个绕组接头也可以绞合在一起形成一个接头后再连接到汇流母排上，也就是如图1所示的样式。

(3)均流互感器Lm的2个耦合绕组要注意根据电流在绕组中的流动方向，区分电流流入端和电流流出端，图2中，第一绕组的接头1是电流流入端，接头3是电流流出端，第二绕组的接头4是电流流入端，接头2是电流流出端。则接头1和接头4互为同名端，接头2和接头3互为同名端；相应的，接头1和接头2互为异名端，接头3和接头4互为异名端。图1和图2中，同名端接头用星号“*”来标示。

(4)图2中，要满足电磁耦合关系为异名端相连到汇流母排上，则接头1与第一组晶闸管开关K1相连，接头4与第二组晶闸管开关K2相连，互为异名端的接头2和接头3通过适当的布线方式共同连接到汇流母排上。如此，正好使得第一绕组的电流流入-流出方向(即从接头1到接头3)和第二绕组中的电流流入-流出(即从接头4到接头2)方向正好相反，根据电磁感应定律，两个绕组通过电流时形成的感应电动势方向也正好相反。

在图1中，两组晶闸管开关K1和K2分别并联有一只避雷器，图1中标记为T1和T2。避雷器T1、T2的功能是防止晶闸管开关K1或K2上的反向过电压击穿晶闸管开关K1或K2。举例来说，发生这种危险的一种可能情形是，当触发导通信号到达K1和K2时，K1因故导通失败，K2正常导通，由于均流互感器Lm耦合绕组的存在，且是异名端相连接，K1上可能产生反向过电压，过电压幅值与放电瞬间脉冲电源中的总体等效电感值和总体等效电阻值相关，如果过电压超过K1的反向电压耐受值(通常半导体器件耐受的反向电压值小于其正常工作时的正向耐受电压值)，K1就可能损坏。避雷器T1在到达反向过电压危险值时就会动作，其电阻从绝缘的高阻态显著降低，变成低阻态，避雷器类似一个导通的开关，提供反向过电压释放的一个低电阻通道，从而抑制施加在K1上的过电压幅值，防止K1损坏。避雷器T2也是同样工作原理。

因此，本发明所述的均流互感器和避雷器两种器件的技术效果，可归结为：

(1)均流互感器用以抑制K1和K2开关所在支路因K1和K2先后导通导致的电流不平衡，防止先导通晶闸管开关上的通态电流上升率di/dt过大损坏先导通的晶闸管开关；

(2)避雷器用以防止后导通(或导通失败)晶闸管开关上产生的反向过电压导致该晶闸管开关反向过压击穿。

图1中从汇流母排输出20路氙灯支路，每个支路上包括一个调波电感(调波电感分别以L2-1至L2-20表示)、一段电缆(电缆以TL1-1至TL1-20表示)以及两只氙灯(氙灯分别以LT1-1、LT1-2至LT20-1、LT20-2表示，其中，LT1-1和LT1-2表示同一组氙灯，其对应连接TL1-1电缆和L2-1调波电感，同理，LT20-1、LT20-2也为同一组氙灯，其对应连接TL1-20电缆和L2-20调波电感，其他依次类推)。这些为本技术领域常规设计，亦可以是其他数目的支路和氙灯数目，在此不做赘述。

假设图1中，充放电电压30kV，所有20路氙灯支路总的电流峰值之和(即通过汇流母排电流)要达到500kA，那么，目前已知的半导体可控硅晶闸管没有一种可以直接通过500kA的电流，只能用两组通流能力330kA的6英寸半导体可控硅晶闸管，每组8-10个单体阀片串联，分别构成K1和K2。均流互感器的单边励磁电感则需要根据装置电路的等效总电感来估算，假设装置中的集中参数元器件的等效总电感是7.0μH，均流互感器的等效励磁电感不能超过7.0μH，不妨设置为5.0μH，耦合系数根据互耦线圈绕组实现的具体工艺，可以是0.5～0.9之间的任意值。

图3为本发明实施例中氙灯激励高能激光器的脉冲泵浦电源装置的布局图，图3中，从粗实线可以看出，该装置包括充电控制机柜、充放电模块机柜、电流调制机柜三个主要功能机柜。充电控制机柜包括控制监测单元和充电单元两个功能单元，呈现上、下排列，上部为控制监测单元，下部为充电单元。放电模块机柜中，储能单元组的电容器和保护阻抗器以及半导体可控硅晶闸管开关，都是沿所述均流互感器的中心轴对称分布。第一组晶闸管开关K1和第二组晶闸管开关K2在放电模块机柜中部的母排上形成汇流。电流调制机柜位于放电模块机柜的顶部上方，其内有与母排连接的若干调波电感，每个调波电感通过电缆连接一路氙灯。

本发明装置在具体实现时，可以有各种变形，例如两台储能电容器共用一个保护阻抗器(只要保护阻抗器设计合理，满足功能要求)，或者电流调制机柜从放电模块机柜侧面连接，以降低总体高度，这些都可视作本发明的等效技术修改。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带均流互感器的长脉宽大电流脉冲电源装置，其特征在于，包括：充电单元、控制监测单元、n个相互并联连接的储能单元，第一组晶闸管开关K1、第二组晶闸管开关K2、第一避雷器T1、第二避雷器T2、均流互感器、汇流母排、m路并联连接的调波电感；

所述第一组晶闸管开关K1并联连接第一避雷器T1，所述第二组晶闸管开关K2并联连接第二避雷器T2；

所述均流互感器包括第一绕组、第二绕组，所述第一绕组的一端和第二绕组的一端都与汇流母排连接，第一绕组的另一端通过第一组晶闸管开关连接至储能单元的高压端，第二绕组的另一端通过第二组晶闸管开关连接至储能单元的高压端，储能单元的低压端接地；

所述均流互感器的第一绕组和第二绕组，两者励磁电感值相等，电磁耦合关系为异名端相连，即满足第一绕组和第二绕组中的电流方向相反，通过电流时形成的感应电动势方向也相反；

充电单元用于根据充电控制信号对储能单元进行充电；

控制监测单元用于为所述充电单元提供所述充电控制信号，并为所述第一组晶闸管开关K1和所述第二组晶闸管开关K2提供同步触发信号；

汇流母排的输出端并联连接m路调波电感，每路调波电感另一端作为长脉宽大电流脉冲电源装置的电流输出端用于为氙灯提供长脉宽大电流；

m、n均为正整数。

2.如权利要求1所述的长脉宽大电流脉冲电源装置，其特征在于，每个储能单元包括：依次串联连接的电容和保护阻抗器，所述电容用于储存能量，所述保护阻抗器用于当电容器在充电过程中发生内部短路击穿后，吸收其余并联的正常电容器会对该台电容器灌注的能量。

3.如权利要求2所述的长脉宽大电流脉冲电源装置，其特征在于，所述保护阻抗器包括：依次串联连接的电感和电阻；所述电感的非串联连接端与所述电容连接，所述电阻的非串联连接端与所述第一组晶闸管开关K1连接。

4.如权利要求1所述的长脉宽大电流脉冲电源装置，其特征在于，调波电感的输出端通过电缆与氙灯连接。

5.如权利要求1所述的长脉宽大电流脉冲电源装置，其特征在于，m个调波电感成环形等间距布置。

6.如权利要求1-5任一项所述的长脉宽大电流脉冲电源装置，其特征在于，所述第一组晶闸管开关K1与所述第二组晶闸管开关K2沿着所述均流互感器的中心轴对称布置；n/2个储能单元布置在所述第一组晶闸管开关K1侧，另n/2个储能单元布置在所述第二组晶闸管开关K2侧，使得储能单元沿所述均流互感器的中心轴对称。