CN107846156B - 一种多级复合结构的重复平顶脉冲电流产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多级复合结构的重复平顶脉冲电流产生装置，包括：充电机，储能电容，第一桥臂、感性负载，附加感性元件，动态电压调节单元和第二桥臂；第一桥臂包括：依次串联连接的放电支路和蓄流补偿支路；放电支路的非串联连接端与储能电容的一端连接，蓄流补偿支路的非串联连接端与储能电容的另一端连接；第二桥臂包括：依次串联连接的馈能支路和放电蓄流支路；馈能支路的非串联连接端与储能电容的一端连接，放电蓄流支路的非串联连接端与储能电容的另一端连接；感性负载和附加感性元件依次串联连接在放电支路与蓄流补偿支路的串联连接端和与馈能支路与放电蓄流支路的串联连接端之间。本发明能够自然换流，二极管不存在瞬间过流。

Description

一种多级复合结构的重复平顶脉冲电流产生装置
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种多级复合结构的重复平顶脉冲电流产生装置。
背景技术
为实现重复脉冲平顶强磁场，需要在磁体上产生重复脉冲平顶大电流，现世界各大强磁场实验室主要运用电容器型，蓄电池型，脉冲发电机型，蓄能电感型作为电源。
文献“Design of a Novel Controlled Pulsed Width Full-Bridge Topologyfor Repetitive Pulsed High Magnetic Field”(IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity，vol.24，no.3，pp.1-4，June 2014)中提出了一种馈能结构，将续流阶段结束后的残余电流回馈至电容器，减少了磁体的继续发热与电容的电压补充，从而提高了重复频率。为了实现脉冲平顶强磁场，文献“Multistructure Power Converter With H-Bridge Series Regu4tor Suitable for High-Current High-Precision-PulsedCurrent Source”(IEEE Transactions on Power Electronics，vol.30，no.12，pp.6534-6542，Dec.2015.)中提出了通过多级电容放电来产生脉冲平顶电流：第一级电容用于产生上升沿；第二级电容用于粗略补偿平顶阶段的电阻压降；主电路上串联一个大电感，并通过一个由H桥高频改变第三级电容的接入方向产生的正负方波调节电感两端电压来维持磁体电流在平顶期稳定不变。文献中使用了一种双向可控通流的开关结构来隔离放电上升沿阶段的高压与大电流对平顶调节部分的影响。
上述的技术主要优点在于能量利用率高，控制原理简单，能用相对较小的电压调节较大的电流。主要缺点在于：(1)其用于隔离电压电流的双向开关结构，由4个大功率二极管与大功率IGBT构成，成本高，可靠性低；(2)当用于产生更大的脉冲电流时，由于磁体的内阻由于温升而剧烈变化，会导致流入第三级的电流过高；(3)其用于粗补偿第二级电容的直接投入方式会导致电容和二极管上的瞬间过流。
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多级复合结构的重复平顶脉冲电流产生装置，旨在解决高放电功率时高低压隔离与第三级平顶时期电流过大的问题。
本发明提供了一种多级复合结构的重复平顶脉冲电流产生装置，包括：充电机，储能电容，第一桥臂、感性负载，附加感性元件，动态电压调节单元和第二桥臂；充电机并接于储能电容的两端；第一桥臂包括：依次串联连接的放电支路和蓄流补偿支路；放电支路的非串联连接端与所述储能电容的一端连接，蓄流补偿支路的非串联连接端与所述储能电容的另一端连接；第二桥臂包括：依次串联连接的馈能支路和放电蓄流支路；馈能支路的非串联连接端与所述储能电容的一端连接，放电蓄流支路的非串联连接端与储能电容的另一端连接；感性负载和附加感性元件依次串联连接在放电支路与所述蓄流补偿支路的串联连接端和与馈能支路与放电蓄流支路的串联连接端之间；动态电压调节单元并联在附加感性元件两端。
更进一步地，动态电压调节单元包括：依次级联的阻流隔离网络和双向平顶补偿支路；所述阻流隔离网络工作于放电初始阶段与馈能阶段，用于阻止放电电流涌入耐压等级较低的双向平顶补偿支路；所述双向平顶补偿支路工作于续流平顶阶段，用于当高频的响应负载因发热而导致的电阻增大时快速的调节工作状态(占空比)，维持电流恒定。
更进一步地，阻流隔离网络包括：串联连接的电感和变压器；所述电感用于阻碍放电电流涌入，放电与馈能阶段参与分压，减少双向平顶补偿支路的电压等级；所述变压器用于隔离高压的主放电回路与较低压的双向平顶补偿支路，使得后级的双向平顶补偿支路的调节电压、调节电流值处于开关管的安全工作区内。
更进一步地，双向平顶补偿支路包括：由IGBT组成的H桥和电容级联；所述H桥用于动态改变电容接入电路的正、负极；所述电容用于提供一个稳定的电压，使得在一个开关周期内，磁体的电流能快速的从偏离的电流值回归设定值。
更进一步地，放电支路为开通可控器件。
更进一步地，放电支路为IGBT或晶闸管。
更进一步地，蓄流补偿支路包括：串联连接的不控二极管和电压源型器件。
更进一步地，电压源型器件为蓄电池或电容器。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用了电感与变压器串联替代原有的双向开关，能够取得成本低，无需控制，能够高低压隔离，补充电压与注入电流需求灵活可调的有益效果。由于采用了在蓄流补偿支路中直接串入二级电容或蓄电池的方案，能够取得自然换流，二极管不存在瞬间过流的有益效果。
附图说明
图1是本发明提供的短平顶脉冲电流及磁场产生装置的结构示意图。
图2是本发明提供的短平顶脉冲电流及磁场产生装置的一种具体实施方式结构图。
图3是本发明提供的短平顶脉冲电流及磁场产生装置的另一种具体实施方式结构图。
图4是本发明提供的短平顶脉冲电流及磁场产生装置的电压电流仿真结果。
图5是本发明提供的短平顶脉冲电流及磁场产生装置的电流仿真结果的细节图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明属于脉冲功率技术，具体涉及一种于磁体上产生高低压隔离的高精度平顶的大功率重复脉冲电流波形的方式，尤其是其电路的拓扑结构和工作方式。
为了解决隔压阻流结构成本高，可靠性低的问题，与磁体内阻发热导致第三级电流过大的问题，本发明提出了一种经济的安全可靠的电感与变压器的分压方案，配合第三级电容电压，实现了放电与馈能阶段的隔压阻流，并通过变压器合理的设计，灵活的调节第三级平顶阶段的调节电流；为了解决二级电容投入瞬间过流的问题，本发明将第二级改成了能在平顶阶段自然导通的结构。
本发明提供的重复的短平顶脉冲电流及磁场产生装置包括：充电机1，储能电容2，放电支路31，蓄流补偿支路32，感性负载4，附加感性元件5，动态电压调节单元6，馈能支路71和放电蓄流支路72；
充电机1并接于储能电容2两端；一个不对称H桥由放电支路31，蓄流补偿支路32，馈能支路71，放电蓄流支路72组成；储能电容2跨接在上下桥臂两端；感性负载4和附加感性元件5串联后接在第一与第二桥臂中点之间；动态电压调节单元6并联在附加感性元件5两端。
动态电压调节单元6，具体为阻流隔离网络61与双向平顶补偿支路62级联。所述的阻流隔离网络61为电感611与变压器612串联，所述的双向平顶补偿支路62为由IGBT组成的H桥621与电容622级联。
阻流隔离网络61中的变压器612的等效励磁电感612a与电感611，以及变压器612的变比，负载4的电感，附加感性元件5的电感量，放电电压与第三级电容电压等需满足以下条件以满足阻流与隔压：
其中U3为第三极电容电压；k为变压器变比；U1为第一级放电电容2的电压；L1为附加感性元件5的电感；LTm为变压器612的等效励磁电感612；Lm为负载4的电感；L2为阻流隔离网络61中的电感611。
为了满足对第三级平顶阶段的调节电流的限制，需要根据实际情况，调节变压器变比，使得第三级调节电流不超过开关管耐流限定，第三级电压不超过开关管耐压限制。
所述的放电支路31为单向可控开通器件，可控的电流方向为从储能电容正极端经本支路到负载。合适的结构可以是：晶闸管、IGBT等可控开通的大功率开关器件及其组合。
蓄流补偿支路32包含电压源式结构用于粗补偿磁体内阻所需电压与可在续流阶段自然单向导通的不控开关，电流可流通方向为从电容负端经本支路到负载端，电压源的方向为非关联参考方向，即满足输出功率为正的方向。合适的结构可以是：蓄电池与二极管串联，大电容与二极管串联。
馈能支路71为单向可控开通或不控开通的器件，电流方向从负载经本支路到电容正极。合适的结构可以是：晶闸管、IGBT、二极管等大功率开关器件及其组合。
放电蓄流支路72为单向可控开通可控关断的器件，允许电流方向为从负载经本支路到电容负极。合适的结构可以是：IGBT等全控器件；以及具有全控能力的开关组合如带强迫关断支路的晶闸管等。
本发明实施例中，通过高压电容2与负载谐振产生快速的电流上升沿，利用蓄流补偿支路32中包含的蓄电池32a或大容值电容32b提供平顶续流阶段磁体内阻的基础电压，利用高频工作的动态电压调节单元6动态补偿磁体因为发热内阻变化对应的电压，利用阻流隔离网络61防止放电阶段产生的高压对双向平顶补偿支路62的电力电子器件产生冲击，从而实现高低压隔离。根据需求的不同，本发明可以在一定范围内自由调节平顶时间与重复频率，从而能够工作于不同的需求。
为了使本发明的目的、技术方案及有点更加清晰，以下结合附图即实例，对本发明进行进一步的详细说明。
本发明至少包括：充电机1，储能电容2，半控的放电支路31，不控带电压源的蓄流补偿支路32，感性负载4，附加感性元件5，可隔离高低压的动态电压调节单元6，不控的馈能支路71，全控的放电蓄流支路72。
连接方式如图1所示：充电机1并接于储能电容2两端；一个不对称H桥由放电支路31，蓄流补偿支路32，馈能支路71，放电蓄流支路72组成；储能电容2跨接在上下桥臂两端；感性负载4和附加感性元件5串联后接在第一与第二桥臂中点之间；动态电压调节单元6并联在附加感性元件5两端；动态电压调节单元6为阻流隔离网络61与双向平顶补偿支路62级联；如图2，3所示，所述的阻流隔离网络61为降流电感611与变压器612串联，所述的双向平顶补偿支路62为由IGBT组成的H桥621与电容622级联，电容622并联对应的充电机8。
放电支路31为开通可控的器件，如图2所示的IGBT，或图3所示的晶闸管。蓄流补偿支路32为不控的二极管与电压源型器件的串联，如图2所示的蓄电池32a或图3所示的电容器32b。馈能支路71为二极管。放电蓄流支路72应有全控的特性，如图2所示的IGBT，或图3所示的带强迫关断支路的晶闸管。
其中蓄流补偿支路32的蓄电池32a或者电容器32b与二极管串联的结构，可以保证在第一级储能电容2的放电电压低于蓄电池32a的电压，或者低于电容器32b的初始电压时，二极管自然导通，下支路不会出现电压突变，从而不会形成瞬态过电流。
其中蓄流补偿支路32的电容器32b的电容值应远大于第一级储能电容器2，具体应满足：
其中C2为电容器32b的电容值；tflat_top为最大平顶时间；Lm为负载4的电感；L1为感性元件5的电感。
其中，强迫关断支路的原理是通过开通此支路，使得晶闸管承受并联电容上的反压，从而电流快速降为0，实现换流，强迫关断。
本发明属于脉冲磁体的供电源，是一种复合型电源。在结构上，可以分为3个供电电源，即快速建立电流的第一级电容器电源2，维持平顶时期基础电压的第二级蓄电池电源32a(图2)或电容器电源32b(图3)，动态补偿磁体电阻变化的第三级动态电压调节单元6(图1)。从阶段上来看，第一级电源工作于电流建立阶段，第二与第三级电源在平顶阶段共同工作。
为产生重复脉冲，每单个脉冲都需要4个基础阶段：一、电流的快速建立阶段；二、电流稳定平顶阶段；三、电流下降阶段；四、零电流冷却阶段。对应的拓扑4种工作状态：
(1)放电阶段：放电支路31与放电蓄流支路72被触发闭合，2向负载磁体4以及串联的电感L1放电，负载电流快速上升至设定值附近；
(2)平顶阶段：放电支路31关断，蓄流补偿支路32导通，对应本实例图2，3中2上电压随着放电过程逐渐降低至低于蓄流补偿支路32中的蓄电池E2电压(图2)或电容器C2(图3)的初始电压，放电支路31会自动承受反压关断，而蓄流补偿支路32中的二极管则会自然导通；同时激活平顶调节的动态电压调节单元6，来动态的补偿所需的电压；
(3)馈能阶段：第一桥臂上支路32，馈能支路71，断开动态电压调节单元6，负载4与电感L1上的电流通过馈能支路71流入主电容2上，进行能量回馈；
(4)冷却阶段：等电流回馈完毕，各支路无电流后，外带的充电机给各电容补充电到所需电压。
注意要选择合适的电感611的值与变压器变比，保证放电阶段时电容器2的电压在第三级H桥上的分压不超过第三极电容622的初始电压时，这样放电过程就不会有电流经过H桥IGBT的反并联二极管。
平顶阶段动态电压调节单元6的动态补偿，是通过反馈负载电流信号，来改变第三级电容622并联接入电路的占空比，从而高频的改变5上的电压，使得负载4的电流能够维持在设定值附近。
实例：此处所描述的实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下述的各实施方式中涉及到的技术特征只要彼此间未构成冲突即可互相结合。
在图3对应的实例中，磁体电感4约为1.117mH，磁体电阻在工作一段时间后在10mΩ～15mΩ之间波动，为了产生20T的平顶脉冲磁场，需要对应的7kA的平顶脉冲电流。选取主放电电容2为3.8mF，放电电压5809V，二级电容器电压96V，第三级电容电压500V，串联电感5为1.5mH，阻流网络中的降流电感611为10.4mH，变压器励磁电感612a为50mH，变压器变比为8：1(主电路：第三级)，平顶时间10ms。仿真结果如图4所示，可以得到重复的电流脉冲波形，上升沿时间为4.95ms，第三级放电阶段无涌流存在，重复频率为10Hz。由图5中的平顶细节图可以知道平顶精度在300ppm以内，放电电流能够快速稳定到平顶设定值附近。
本装置具有能量利用率高，操作简单，精度高，重复频率快等特点。以上所述仅为本发明的较佳实例，并不以限制本发明。
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 (7)

1.一种多级复合结构的重复平顶脉冲电流产生装置，其特征在于，包括：充电机(1)，储能电容(2)，第一桥臂(3)、感性负载(4)，附加感性元件(5)，动态电压调节单元(6)和第二桥臂(7)；
所述充电机(1)并接于所述储能电容(2)的两端；
所述第一桥臂(3)包括：依次串联连接的放电支路(31)和蓄流补偿支路(32)；所述放电支路(31)的非串联连接端与所述储能电容(2)的一端连接，所述蓄流补偿支路(32)的非串联连接端与所述储能电容(2)的另一端连接；
所述第二桥臂(7)包括：依次串联连接的馈能支路(71)和放电蓄流支路(72)；所述馈能支路(71)的非串联连接端与所述储能电容(2)的一端连接，所述放电蓄流支路(72)的非串联连接端与所述储能电容(2)的另一端连接；
所述感性负载(4)和所述附加感性元件(5)依次串联连接在所述放电支路(31)与所述蓄流补偿支路(32)的串联连接端和与所述馈能支路(71)与所述放电蓄流支路(72)的串联连接端之间；
动态电压调节单元(6)并联在附加感性元件(5)两端；
所述动态电压调节单元(6)包括阻流隔离网络(61)，所述阻流隔离网络(61)包括：串联连接的电感(611)和变压器(612)；
所述电感(611)用于阻碍放电电流涌入，放电与馈能阶段参与分压，减少双向平顶补偿支路(62)的电压等级；
所述变压器(612)用于隔离高压的主放电回路与较低压的双向平顶补偿支路(62)，使得后级的双向平顶补偿支路(62)的调节电压、调节电流值处于开关管的安全工作区内。
2.如权利要求1所述的重复平顶脉冲电流产生装置，其特征在于，所述动态电压调节单元(6)还包括：与所述阻流隔离网络(61)连接的双向平顶补偿支路(62)；
所述阻流隔离网络(61)工作于放电初始阶段与馈能阶段，用于阻止放电电流涌入耐压等级较低的双向平顶补偿支路(62)；
所述双向平顶补偿支路(62)工作于续流平顶阶段，用于当高频的响应负载因发热而导致的电阻增大时快速的调节工作状态，维持电流恒定。
3.如权利要求2所述的重复平顶脉冲电流产生装置，其特征在于，所述双向平顶补偿支路(62)包括：由IGBT组成的H桥和稳压电容级联；
所述H桥用于动态改变电容接入电路的正、负极；
所述稳压电容用于提供一个稳定的电压，使得在一个开关周期内，磁体的电流能快速的从偏离的电流值回归设定值。
4.如权利要求1-3任一项所述的重复平顶脉冲电流产生装置，其特征在于，所述放电支路(31)为开通可控器件。
5.如权利要求4所述的重复平顶脉冲电流产生装置，其特征在于，所述放电支路(31)为IGBT或晶闸管。
6.如权利要求1-3任一项所述的重复平顶脉冲电流产生装置，其特征在于，所述蓄流补偿支路(32)包括：串联连接的不控二极管和电压源型器件。
7.如权利要求6所述的重复平顶脉冲电流产生装置，其特征在于，所述电压源型器件为蓄电池或电容器。
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