CN108183700B - 一种多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源 - Google Patents

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Abstract

一种多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，属于脉冲功率技术领域。其特征在于：所述初级充电电源的正、负极依次串联各个超导脉冲变压器中的原边绕组形成回路，单模块脉冲电源并联在储能元件两端，超导脉冲变压器原边绕组的同名端和异名端分别通过一条可控且导通方向相反的单向可控支路并联在储能元件的两端；超导脉冲变压器原边绕组的同名端和异名端同时分别通过一条单向导通且导通方向相反的单向导通支路并联在储能元件的两端；超导脉冲变压器的副边绕组并联在负载两端。在本多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源中，可以对剩余能量进行回收且在下一个充放电周期的充电命令来临之前形成续流，提高了充放电的灵活性。

Description

一种多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源
技术领域
一种多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，属于脉冲功率技术领域。
背景技术
脉冲功率技术产生于20世纪30年代，其研究的主要内容是如何可靠地储存能量，并将大能量和大功率有效地传输到负载上。当前常用的脉冲功率技术储能方式有以下几种：电感储能、电容储能、旋转机械储能三种形式。当前技术大多采用电容储能。但是电容储能密度不高，脉冲电源装置难以小型化和轻量化；电感储能密度比电容储能大，但电感线圈内阻损耗较大，不能长时间储能，对初级电源功率和断路控制开关要求高。因此这两种储能方式无法同时保证储能密度和放电效率。
超导电感其零电阻特性很好的解决了普通电感不能够长期储能的问题，而且超导储能电感的低损耗对初始充电电源的功率要求大大降低。采用超导脉冲变压器的感应放电模式的结构要相对简单，而且它集储能与电流脉冲成形于一体，对脉冲电源体积的减小更具重要意义。尤其随着高温超导材料和技术的发展，采用高温超导电感储能的脉冲功率电源的成本也会大幅减小，更具大规模工程应用的潜力。
超导储能电感串联充电并联放电模式，主要是以超导储能电感模块的叠加来实现输出脉冲电流的增大。它存在的问题是如果要得到幅值非常高的脉冲电流，则需要叠加的超导储能电感非常多，使系统的规模非常大。这不利于脉冲功率电源体积的减小和结构的简化。
围绕着超导储能脉冲功率电源多模块模式，充分发挥其多方面的优势，当前文献中提出了几种研究方法：
第一种是文献Y. Aso， T. Hashimoto， T. Abe， and S. Yamada. InductivePulsed-Power Supply With Marx Generator Methodology [J] . IEEE Trans. onMagnetics， vol. 45， no. 1， Jan 2009.和文献Y. Aso and S. Yamada . CurrentMultiplier by Inductive Storage (CMIS)Cooled by LN2 and Design of Mega-AmpereCMIS [J] . IEEE Trans. Plasma Science， vol. 39， no. 1， Jan. 2011.以及文献H.Li， Y. Wang， W. Chen， W .Luo， Z. Yan， and L.Wang . Inductive Pulsed PowerSupply Consisting of Superconducting Pulsed Power Transformers With MarxGenerator Methodology[J]. IEEE Transactions on Appl. Supercond.， vol. 22， no.5， Oct 2012. 研究的多模块电感储能电流倍增电源模式，利用多个小电感并联放电来实现电流的倍增和减小断路开关的电压。缺点是，由于每个电感值较小，要得到高幅值的电流脉冲输出，则需要更多的电感模块，使系统过于庞大和复杂。
第二种是专利申请号201610036334.3公布的一种模块化超导储能连续脉冲功率电源，采用多模块简单并联，利用桥式电容转换电路收集漏感能量，实现剩余能量回收和反馈充电。其中不足的是：该模式充电阶段结束后须立即放电，在放电前无法进行续流等待，不能满足实际工况需求，且采用晶闸管作为转换开关，无法控制其关断，导致电路功能单一且灵活性不高；采用共用电容器的串联充电并联放电的多模块模式时，晶闸管在电路实际运行中无法保证可靠关断；若采用简单并联的多模块模式，对整体初级电源功率要求较高。此外，该电路模式无法对电路进行有效简化，导致电路及其控制较为复杂且成本较高。
第三种是专利申请号201010225070.9公布的一种超导储能脉冲功率电源，采用单一电源对超导电感串联充电再将超导脉冲变压器并联放电来实现电流脉冲放大，通过非线性电阻实现断路开关电压的限制，有效减少了脉冲功率系统对电感模块数的要求。它存在的问题是，该模式下产生的剩余能量无法进行回收利用，非线性电阻消耗部分能量，使得能量传输效率较低。此外，该模式下电路也只能充完即放，无法续流以等待放电指令。
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，提供一种可以对剩余能量进行回收并应用于下一个充放电周期内，减少了下一个充放电周期内的充电时间，提高了充电效率且可以通过单向可控支路和单向导通支路，在下一个充放电周期的充电命令来临之前形成续流，提高了充放电灵活性的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该包括初级充电电源、储能元件、负载以及依次并联的至少三组单模块脉冲电源，每一个单模块脉冲电源内包括一个超导脉冲变压器，初级充电电源以及储能元件连接在超导脉冲变压器的原边侧，负载连接在超导脉冲变压器的副边侧，其特征在于：所述初级充电电源的正、负极依次串联各个超导脉冲变压器中的原边绕组形成回路，单模块脉冲电源并联在储能元件两端，超导脉冲变压器的副边绕组并联在负载两端；
在每一组单模块脉冲电源中，超导脉冲变压器原边绕组的同名端和异名端分别并联有一条导通方向相反的单向导通支路，两条单向导通支路的并联在储能元件的两端且导通方向相反，所有单模块脉冲电源中同名端的单向导通支路并联在储能元件的同一端，所有单模块脉冲电源中异名端的单向导通支路同时并联在储能元件的另一端；
至少设置有两条单向可控支路：第一条并联在第一组单模块脉冲电源超导脉冲变压器原边绕组的同名端与储能元件之间，另一条并联在最后一组单模块脉冲电源超导脉冲变压器原边绕组的异名端与储能元件之间，单向可控支路与同时并联于一处的单向导通支路导通方向相同且并联在储能元件的不同端。
优选的，在每一组所述的单模块脉冲电源中，超导脉冲变压器原边绕组的同名端和异名端分别并联有一条导通方向相反的单向可控支路，两条单向可控支路分别并联在储能元件的两端，单向可控支路与同组单模块脉冲电源中并联于一处的单向导通支路的导通方向相同且并联在储能元件的不同端。
优选的，每一个所述的单模块脉冲电源中包括主开关管和主二极管，所述的初级充电电源的正极依次串联每一组单模块脉冲电源中的主开关管和主二极管以及所述的原边绕组与初级充电电源的负极形成回路。
优选的，在所述的副边绕组中，副边绕组的异名端连接二极管的阳极，二极管阴极以及副边绕组的同名端并联在负载的两端。
优选的，所述的单向可控支路包括一组开关管以及一组二极管，超导脉冲变压器原边绕组的异名端沿开关管的导通方向依次串联开关管以及二极管后连接储能元件的一端，储能元件的另一端沿另一个开关管的导向方向依次串联该开关管以及另一个二极管之后连接超导脉冲变压器原边绕组的同名端。
优选的，所述的单向导通支路包括一组二极管，超导脉冲变压器原边绕组的异名端沿二极管的导通方向串联该二极管后连接储能元件的一端，储能元件的另一端沿另一个二极管的导向方向串联该二极管之后连接超导脉冲变压器原边绕组的同名端。
优选的，连接在所述超导脉冲变压器中的原边绕组同名端的单向可控支路以及单向导通支路电流导通方向相同；连接在所述超导脉冲变压器中的原边绕组异名端的单向可控支路以及单向导通支路电流导通方向相同。
优选的，所述超导脉冲变压器的原边绕组采用超导材料绕制，副边绕组采用常导材料绕制。
优选的，所述的储能元件为储能电容。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、在本多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源中，可以对剩余能量进行回收并应用于下一个充放电周期内，减少了下一个充放电周期内的充电时间，提高了充电效率且可以通过单向可控支路和单向导通支路，在下一个充放电周期的充电命令来临之前形成续流，提高了充放电的灵活性。
2、本发明的高温超导脉冲变压器的副边绕组异名端正向串联二极管，可快速阻断负载侧高幅值电流，回收相应的剩余能量，并将该剩余能量用于下一周期的初始充电电流，大大缩小超导脉冲变压器的原边绕组超导电感的充电时间，更适用于初级电源功率较低情况下的连续充放电。
3、通过在每个单模块脉冲电源中设置主开关管和主二极管，主开关管和主二极管组成可控单向导通开关，可以在工作周期中可靠关断，有效避免电路误导通，使电路更具有稳定性。
4、本发明电路模式可以实现续流等待放电指令功能：在超导脉冲变压器原边绕组Lnp充电完成后的下一阶段续流阶段，若无放电指令，超导脉冲变压器原边绕组继续续流，以等待放电指令发出；当放电指令发出，此时可以触发各模块中开关管Kn-1和开关管Kn-2关断，使电路进入放电过程。该电源模式实现了续流等待放电功能，适用于实际充放电装置。
5、本发明电路模式采用单向可控导通支路作为能量转换支路，可以在此电路模式基础上进一步简化电路减少开关器件数量，能够降低成本且减少开关器件损耗；降低电路控制复杂度，使操作更加简单。
附图说明
图1为多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源电路实施例1多模块电路原理图。
图2为多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源电路实施例1三模块电路原理图。
图3为图2所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源充电阶段示意图。
图4为图2所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源续流等待放电阶段示意图。
图5~图7为图2所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源放电阶段示意图。
图8为图2所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源放电阶段超导脉冲变压器原边充电电流波形图。
图9为图2所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源放电阶段负载输出电流波形图。
图10为图2所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源超导脉冲变压器原边侧电流波形图。
图11为图2所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源超导脉冲变压器负载侧输出电流波形图。
图12为多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源实施例2三模块电路原理图。
图13为图12所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源充电阶段电路示意图。
图14为图12所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源续流等待放电阶段示意图。
图15~图17为图12所示多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源放电阶段示意图。
具体实施方式
图1~12是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~17对本发明做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，包括n（n≥1）组单模块重复频率脉冲电源（以下简称单模块脉冲电源）以及n组单模块脉冲电源共用的初级充电电源、储能电容。每一组单模块脉冲电源包括多个开关管Kn-1~开关管Kn-3，二极管Dn-1~Dn-6以及一组超导脉冲变压器。开关管Kn-1~开关管Kn-3采用IGBT实现，因此可以更方便的实现其通断的控制。开关管Kn-1~开关管Kn-3的控制端由相应的驱动电路实现控制。超导脉冲变压器的原边绕组采用超导材料绕制而成，副边绕组可采用超导材料或常导材料绕制而成。
在每一组单模块脉冲电源中，开关管Kn-1的发射极连接二极管Dn-1的阳极，二极管Dn-1的阴极与二极管Dn-2以及二极管Dn-3的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组Lnp的同名端相连。二极管Dn-3的阳极与开关管Kn-2的发射极相连，超导脉冲变压器原边绕组Lnp的异名端同时与二极管Dn-4的阳极以及开关管Kn-3的集电极相连，开关管Kn-3的发射极与二极管Dn-5的阳极相连。二极管Dn-2的阳极以及二极管Dn-5的阴极与储能电容的一端相连，开关管Kn-2的集电极以及二极管Dn-4的阴极与储能电容的另一端相连。
超导脉冲变压器原边绕组Lnp的异名端同时与下一组单模块脉冲电源中的开关管K（n+1）-1的集电极或与初级充电电源的负极相连，开关管Kn-1的集电极与上一组单模块脉冲电源中超导脉冲变压器原边绕组Lnp的异名端相连或与初级充电电源的正极相连。
在每一组单模块脉冲电源中，在超导脉冲变压器的副边绕组中，副边绕组Lns的异名端连接二极管Dn-6的阳极，副边绕组Lns的同名端以及二极管Dn-6的阴极分别连接负载R1的两端。
每一组单模块脉冲电源中的二极管Dn-2的阳极以及二极管Dn-5的阴极连接储能电容的同一端，同理，每一组单模块脉冲电源中的开关管Kn-2的集电极以及二极管Dn-4的阴极同时连接储能电容的另一端。
如图2所示，以三组单模块脉冲电源组成的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源为例进行进一步说明：
初级充电电源Us的正极连接第一组单模块脉冲电源中开关管K1-1的集电极，开关管K1-1的发射极连接二极管D1-1的阳极，二极管D1-1的阴极与二极管D1-2以及二极管D1-3的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组L1p的同名端相连。二极管D1-3的阳极与开关管K1-2的发射极相连，超导脉冲变压器原边绕组L1p的异名端同时与二极管D1-4的阳极以及开关管K1-3的集电极相连，开关管K1-3的发射极与二极管D1-5的阳极相连。二极管D1-2的阳极以及二极管D1-5的阴极与储能电容的一端相连，开关管K1-2的集电极以及二极管D1-4的阴极与储能电容的另一端相连。超导脉冲变压器原边绕组L1p的异名端同时与第二组单模块脉冲电源中的开关管K2-1的集电极相连。
在第一组单模块脉冲电源超导脉冲变压器的副边绕组中，副边绕组L1s的异名端连接二极管D1-6的阳极，副边绕组L1s的同名端以及二极管D1-6的阴极分别连接负载R1的两端。
在第二组单模块脉冲电源中：开关管K2-1的发射极连接二极管D2-1的阳极，二极管D2-1的阴极与二极管D2-2以及二极管D2-3的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组L2p的同名端相连。二极管D2-3的阳极与开关管K2-2的发射极相连，超导脉冲变压器原边绕组L2p的异名端同时与二极管D2-4的阳极以及开关管K2-3的集电极相连，开关管K2-3的发射极与二极管D2-5的阳极相连。二极管D2-2的阳极以及二极管D2-5的阴极与储能电容的一端相连，开关管K2-2的集电极以及二极管D2-4的阴极与储能电容的另一端相连。超导脉冲变压器原边绕组L2p的异名端同时与第三组单模块脉冲电源中的开关管K3-1的发射极相连。
在第二组单模块脉冲电源超导脉冲变压器的副边绕组中，副边绕组L2s的异名端连接二极管D2-6的阳极，副边绕组L2s的同名端以及二极管D2-6的阴极分别连接负载R1的两端。
在第三组单模块脉冲电源中：开关管K3-1的发射极连接二极管D3-1的阳极，二极管D3-1的阴极与二极管D3-2以及二极管D3-3的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组L3p的同名端相连。二极管D3-3的阳极与开关管K3-2的发射极相连，超导脉冲变压器原边绕组L3p的异名端同时与二极管D3-4的阳极以及开关管K3-3的集电极相连，开关管K3-3的发射极与二极管D3-5的阳极相连。二极管D3-2的阳极以及二极管D3-5的阴极与储能电容的一端相连，开关管K3-2的集电极以及二极管D3-4的阴极与储能电容的另一端相连。超导脉冲变压器原边绕组L3p的异名端同时与初级充电电源Us的负极相连。
在第二组单模块脉冲电源超导脉冲变压器的副边绕组中，副边绕组L3s的异名端连接二极管D3-6的阳极，副边绕组L3s的同名端以及二极管D3-6的阴极分别连接负载R1的两端。
本多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源的工作过程及工作原理如下：
第一阶段，充电阶段。触发各个单模块脉冲电源中的开关管Kn-1导通，初级充电电源Us的正极依次通过开关管K1-1-二极管D1-1-原边绕组L1p-开关管K2-1-二极管D2-1-原边绕组L2p-开关管K3-1-二极管D3-1-原边绕组L3p与初级充电电源Us的负极之间形成充电回路，见图3中黑色实线。此时初级充电电源Us对三个单模块脉冲电源中超导脉冲变压器的原边绕组（超导储能电感）L1p、原边绕组L2p以及原边绕组L3p进行充电，当充电回路中的电流上升到预定值之后，控制开关管K1-1、开关管K2-1以及开关管K3-1截止。
第二阶段，续流等待放电阶段。充电完成之后，控制三组单模块脉冲电源中的开关管Kn-2以及开关管Kn-3导通，因此在每一组单模块脉冲电源内分别形成两条续流回路：第一条为：原边绕组Lnp的异名端-开关管Kn-3-二极管Dn-5-二极管Dn-2-原边绕组Lnp的同名端；第二条为：原边绕组Lnp的异名端-二极管Dn-4-开关管Dn-2-二极管Dn-3-原边绕组Lnp的同名端，见图4中黑色实线。
第三阶段，放电阶段。放电阶段又分为三个分阶段，分别为：
放电阶段I：开始放电时，首先控制各个单模块脉冲电源中的开关管Kn-2以及开关管Kn-3截止，由于各个单模块脉冲电源中超导脉冲变压器的原边绕组Lnp存在有预充电压，因此当各个单模块脉冲电源中的开关管Kn-2以及开关管Kn-3截止时，原边绕组Lnp上的预充能量分别通过回路：原边绕组Lnp异名端-二极管Dn-4-电容器C1-二极管Dn-2－原边绕组Lnp同名端对储能电容C1进行充电，见图5中黑色实线，当储能电容C1电压值达到最大值时，电路进入放电阶段II。该过程中电容电压的大小由电容值和变压器原边漏感的储能共同决定。
在原边绕组Lnp对储能电容C1进行充电的同时，在互感作用下，各个单模块脉冲电源中超导脉冲变压器的副边绕组Lns通过回路：副边绕组Lns异名端-二极管Dn-6-负载R1－副边绕组LnS同名端在负载R1上产生负载脉冲，见图6中黑色实线。
放电阶段II：当储能电容C1两端的电压达到最大值之后，由于各个单模块脉冲中二极管Dn-2以及二极管Dn-4的反向阻断作用，因此在开关管Kn-2和开关管Kn-3被触发导通之前，超导脉冲变压器原边回路中的电流为零（见图8中t2~t3），同时超导脉冲变压器副边绕组回路中的电流按照一阶RL电路指数规律衰减（见图9中t2~t3）。
放电阶段III：控制各个单模块脉冲电源中开关管Kn-2和开关管Kn-3导通，储能电容C1开始对各个超导脉冲变压器中的原边绕组Lnp反向充电，具体反向充电回路为：储能电容C1-开关管Kn-2-二极管Dn-3-原边绕组Lnp-开关管Kn-3-二极管Dn-5-储能电容C1，见图7中黑色实线，即储能电容C1存储的能量重新转移至原边绕组Lnp中。
同时，由于互感作用，在各个超导脉冲变压器中副边绕组Lns的同名端感应的电压转变为正极性，即此时副边绕组Lns吸收副边回路中的剩余能量，并最终使回路中的剩余能量同样转移至电感Lnp中。该阶段的原边电流波形如图8中t3时刻~t4时刻所示波形。
在此阶段中，由于副边绕组Lns异名端正向串接二极管Dn-6，因此能够快速阻断负载R1侧的电流，回收负载R1侧的剩余能量并通过互感作用返回到原边绕组中并形成续流，使得该部分剩余能量能够用于下一周期中初始充电电流，因此大大降低了本多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源中对初级充电电源Us功率的要求，可以使用体积更小的小功率电源，使本多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源的电路结构更加轻量化和小型化。此阶段副边绕组Lns中的电流迅速衰减，电流波形如图9中t3时刻~t4时刻所示，当电流减小到零时，电路进入下一工作过程。
第四阶段：续流等待充电过程。当储能电容C1两端电压为零时，各个超导脉冲变压器中超导电感Lnp再次分别形成两条续流回路：第一条为：原边绕组Lnp的异名端-开关管Kn-3-二极管Dn-5-二极管Dn-2-原边绕组Lnp的同名端；第二条为：原边绕组Lnp的异名端-二极管Dn-4-开关管Dn-2-二极管Dn-3-原边绕组Lnp的同名端，见图4中黑色实线，通过续流回路实现续流并等待充电指令进入下一个周期的充电阶段。
上述过程完成之后，图2所示的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源的原边绕组波形以及副边绕组的波形分别如图10以及图11所示。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于：包括n（n≥3）组单模块脉冲电源以及n组单模块脉冲电源共用的初级充电电源、储能电容，具体而言：
在第一组单模块脉冲电源中，开关管Kn-1（即开关管K1-2）的发射极连接二极管Dn-1（即二极管D1-1）的阳极，二极管Dn-1的阴极与二极管Dn-2（即二极管D1-2）以及二极管Dn-3（即二极管D1-3）的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组Lnp（即原边绕组L1p）的同名端相连。二极管Dn-3的阳极与开关管Kn-2（即开关管K1-2）的发射极相连，超导脉冲变压器原边绕组Lnp的异名端同时与二极管Dn-4（即二极管D1-4）的阳极相连，二极管Dn-2的阳极与储能电容的一端相连，开关管Kn-2的集电极以及二极管Dn-4的阴极与储能电容的另一端相连。
在最后一组单模块脉冲电源中，开关管Kn-1的发射极连接二极管Dn-1的阳极，二极管Dn-1的阴极与二极管Dn-2的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组Lnp的同名端相连。超导脉冲变压器原边绕组Lnp的异名端同时与二极管Dn-4的阳极以及开关管Kn-3的集电极相连，开关管Kn-3的发射极与二极管Dn-5的阳极相连。二极管Dn-2的阳极以及二极管Dn-5的阴极与储能电容的一端相连，二极管Dn-4的阴极与储能电容的另一端相连。
在第2~第（n-1）组单模块脉冲电源中，开关管Kn-1的发射极连接二极管Dn-1的阳极，二极管Dn-1的阴极与二极管Dn-2的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组Lnp的同名端相连。超导脉冲变压器原边绕组Lnp的异名端与二极管Dn-4的阳极相连，二极管Dn-2的阳极与储能电容的一端相连，二极管Dn-4的阴极与储能电容的另一端相连。
超导脉冲变压器原边绕组Lnp的异名端同时与下一组单模块脉冲电源中的开关管K（n+1）-1的集电极或与初级充电电源的负极相连，开关管Kn-1的集电极与上一组单模块脉冲电源中超导脉冲变压器原边绕组Lnp的异名端相连或与初级充电电源的正极相连。在每一组单模块脉冲电源中，在超导脉冲变压器的副边绕组中，副边绕组Lns的异名端连接二极管Dn-6的阳极，副边绕组Lns的同名端以及二极管Dn-6的阴极分别连接负载R1的两端。
在本实施例中，第一组单模块脉冲电源中的二极管Dn-2的阳极、第2~第（n-1）组单模块脉冲电源中的二极管Dn-2的阳极以及最后一组中二极管Dn-2的阳极连接储能电容的同一端。同理，第一组单模块脉冲电源中的开关管Kn-2的集电极以及二极管Dn-4的阴极、第2~第（n-1）组单模块脉冲电源中二极管Dn-4的阴极以及最后一组中二极管Dn-4的阴极同时连接储能电容的另一端。
同样以三模块电路结构为例：本实施例与实施例1的区别在于：如图12所示，初级充电电源Us的正极连接第一组单模块脉冲电源中开关管K1-1的集电极，开关管K1-1的发射极连接二极管D1-1的阳极，二极管D1-1的阴极与二极管D1-2以及二极管D1-3的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组L1p的同名端相连。二极管D1-3的阳极与开关管K1-2的发射极相连，超导脉冲变压器原边绕组L1p的异名端同时与二极管D1-4的阳极相连。二极管D1-2的阳极与储能电容的一端相连，开关管K1-2的集电极与二极管D1-4的阴极与储能电容的另一端相连。超导脉冲变压器原边绕组L1p的异名端同时与第二组单模块脉冲电源中的开关管K2-1的集电极相连。
在第一组单模块脉冲电源超导脉冲变压器的副边绕组中，副边绕组L1s的异名端连接二极管D1-6的阳极，副边绕组L1s的同名端以及二极管D1-6的阴极分别连接负载R1的两端。
在第二组单模块脉冲电源中：开关管K2-1的发射极连接二极管D2-1的阳极，二极管D2-1的阴极与二极管D2-2的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组L2p的同名端相连。超导脉冲变压器原边绕组L2p的异名端同时与二极管D2-4的阳极相连。二极管D2-2的阳极与储能电容的一端相连，二极管D2-4的阴极与储能电容的另一端相连。超导脉冲变压器原边绕组L2p的异名端同时与第三组单模块脉冲电源中的开关管K3-1的发射极相连。
在第二组单模块脉冲电源超导脉冲变压器的副边绕组中，副边绕组L2s的异名端连接二极管D2-6的阳极，副边绕组L2s的同名端以及二极管D2-6的阴极分别连接负载R1的两端。
在第三组单模块脉冲电源中：开关管K3-1的发射极连接二极管D3-1的阳极，二极管D3-1的阴极与二极管D3-2的阴极以及超导脉冲变压器原边绕组L3p的同名端相连。超导脉冲变压器原边绕组L3p的异名端同时与二极管D3-4的阳极以及开关管K3-3的集电极相连，开关管K3-3的发射极与二极管D3-5的阳极相连。二极管D3-2的阳极以及二极管D3-5的阴极与储能电容的一端相连，二极管D3-4的阴极与储能电容的另一端相连。超导脉冲变压器原边绕组L3p的异名端同时与初级充电电源Us的负极相连。
在第三组单模块脉冲电源超导脉冲变压器的副边绕组中，副边绕组L3s的异名端连接二极管D3-6的阳极，副边绕组L3s的同名端以及二极管D3-6的阴极分别连接负载R1的两端。
本多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源的工作过程及工作原理如下：
第一阶段，充电阶段。触发各个单模块脉冲电源中的开关管Kn-1导通，初级充电电源Us的正极依次通过开关管K1-1-二极管D1-1-原边绕组L1p-开关管K2-1-二极管D2-1-超原边绕组L2p-开关管K3-1-二极管D3-1-原边绕组L3p与初级充电电源Us的负极之间形成充电回路，见图13中黑色实线。此时初级充电电源Us对三个单模块脉冲电源中超导脉冲变压器的原边绕组（超导储能电感）L1p、原边绕组L2p以及原边绕组L3p进行充电，当充电回路中的电流上升到预定值之后，控制开关管K1-1、开关管K2-1以及开关管K3-1截止。
第二阶段，续流等待放电阶段。充电完成之后，控制第一组单模块脉冲电源中的开关管K1-2以及最后一组单模块脉冲电源中的开关管K3-3导通，因此在每一组单模块脉冲电源内分别形成两条续流回路：第一条为：开关管K3-3-二极管D3-5-二极管D1-2-原边绕组L1p-开关管K2-1-二极管D2-1-超原边绕组L2p-开关管K3-1-二极管D3-1-原边绕组L3p-开关管K3-3。第二条为：各组单模块脉冲电源中二极管Dn-4的阴极-第一组单模块脉冲电源中开关管K1-2-第一组单模块脉冲电源中二极管D1-3-第一组单模块脉冲电源的原边绕组L1p-之前所有组单模块中的开关管Kn-1-之前所有组单模块中的二极管Dn-1-之前所有组单模块中的原边绕组Lnp-本组单模块中的开关管Kn-1-本组单模块中的二极管Dn-1-本组单模块中的原边绕组Lnp-本组中单模块脉冲电源中二极管Dn-4的阳极，在每一组单模块脉冲电源与第一组单模块脉冲电源之间分别形成续流回路。见图14中黑色实线。
第三阶段，放电阶段。放电阶段又分为三个分阶段，分别为：
放电阶段I：开始放电时，首先控制各个单模块脉冲电源中的开关管截止，由于各个单模块脉冲电源中超导脉冲变压器的原边绕组Lnp存在有预充电压，因此当各个单模块脉冲电源中的开关截止时，原边绕组Lnp上的预充能量分别通过回路：原边绕组Lnp异名端-二极管Dn-4-电容器C1-二极管Dn-2－原边绕组Lnp同名端对储能电容C1进行充电，见图15中黑色实线，当储能电容C1电压值达到最大值时，电路进入放电阶段II。
在原边绕组Lnp对储能电容C1进行充电的同时，在互感作用下，各个单模块脉冲电源中超导脉冲变压器的副边绕组Lns通过回路：副边绕组Lns异名端-二极管Dn-6-负载R1－副边绕组LnS同名端在负载R1上产生负载脉冲，见图16中黑色实线。
放电阶段II：当储能电容C1两端的电压达到最大值之后，由于各个单模块脉冲中二极管Dn-2以及二极管Dn-4的反向阻断作用，因此在开关管被触发导通之前，超导脉冲变压器原边回路中的电流为零（见图8中t2~t3），同时超导脉冲变压器副边绕组回路中的电流按照一阶RL电路指数规律衰减（见图9中t2~t3）。
放电阶段III：控制第一组单模块脉冲电源中的开关管K1-2导通，最后一组单模块脉冲电源中的开关管K3-3导通以及第2~n组单模块脉冲电源中开关管Kn-1导通，储能电容C1开始对各个超导脉冲变压器中的原边绕组Lnp反向充电，具体反向充电回路为：储能电容C1-开关管K1-2-二极管D1-3-原边绕组L1p-开关管K2-1-二极管D2-1-原边绕组L2p-开关管K3-1-二极管D3-1-原边绕组L3p-开关管K3-5-储能电容C1，见图17中黑色实线，即储能电容C1存储的能量重新转移至原边绕组Lnp中。
同时，由于互感作用，在各个超导脉冲变压器中副边绕组Lns的同名端感应的电压转变为正极性，即此时副边绕组Lns吸收副边回路中的剩余能量，并最终使回路中的剩余能量同样转移至电感Lnp中。该阶段的原边电流波形如图8中t3时刻~t4时刻所示波形。
在此阶段中，由于副边绕组Lns异名端正向串接二极管Dn-6，因此能够快速阻断负载R1侧的电流，回收负载R1侧的剩余能量并通过互感作用返回到原边绕组中并形成续流。此阶段副边绕组Lns中的电流迅速衰减，电流波形如图9中t3时刻~t4时刻所示，当电流减小到零时，电路进入下一工作过程。
第四阶段：续流等待充电过程。当储能电容C1两端电压为零时，各个超导脉冲变压器中超导电感Lnp再次分别形成如图14所示的两条续流回路。
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 (8)

1.一种多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，包括初级充电电源、储能元件、负载以及依次并联的至少三组单模块脉冲电源，每一个单模块脉冲电源内包括一个超导脉冲变压器，初级充电电源以及储能元件连接在超导脉冲变压器的原边侧，负载连接在超导脉冲变压器的副边侧，其特征在于：所述初级充电电源的正、负极依次串联各个超导脉冲变压器中的原边绕组形成回路，单模块脉冲电源并联在储能元件两端，超导脉冲变压器的副边绕组并联在负载两端；
在每一组单模块脉冲电源中，超导脉冲变压器原边绕组的同名端和异名端分别并联有一条导通方向相反的单向导通支路，两条单向导通支路的并联在储能元件的两端且导通方向相反，所有单模块脉冲电源中同名端的单向导通支路并联在储能元件的同一端，所有单模块脉冲电源中异名端的单向导通支路同时并联在储能元件的另一端；
至少设置有两条单向可控支路：第一条并联在第一组单模块脉冲电源超导脉冲变压器原边绕组的同名端与储能元件之间，另一条并联在最后一组单模块脉冲电源超导脉冲变压器原边绕组的异名端与储能元件之间，单向可控支路与同时并联于一处的单向导通支路导通方向相同且并联在储能元件的不同端；
连接在所述超导脉冲变压器中的原边绕组同名端的单向可控支路以及单向导通支路电流导通方向相同；连接在所述超导脉冲变压器中的原边绕组异名端的单向可控支路以及单向导通支路电流导通方向相同。
2.根据权利要求1所述的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，其特征在于：在每一组所述的单模块脉冲电源中，超导脉冲变压器原边绕组的同名端和异名端分别并联有一条导通方向相反的单向可控支路，两条单向可控支路分别并联在储能元件的两端，单向可控支路与同组单模块脉冲电源中并联于一处的单向导通支路的导通方向相同且并联在储能元件的不同端。
3.根据权利要求1所述的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，其特征在于：每一个所述的单模块脉冲电源中包括主开关管和主二极管，所述的初级充电电源的正极依次串联每一组单模块脉冲电源中的主开关管和主二极管以及所述的原边绕组与初级充电电源的负极形成回路。
4.根据权利要求1所述的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，其特征在于：在所述的副边绕组中，副边绕组的异名端连接二极管的阳极，二极管阴极以及副边绕组的同名端并联在负载的两端。
5.根据权利要求1所述的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，其特征在于：所述的单向可控支路包括一组开关管以及一组二极管，超导脉冲变压器原边绕组的异名端沿开关管的导通方向依次串联开关管以及二极管后连接储能元件的一端，储能元件的另一端沿另一个开关管的导向方向依次串联该开关管以及另一个二极管之后连接超导脉冲变压器原边绕组的同名端。
6.根据权利要求1所述的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，其特征在于：所述的单向导通支路包括一组二极管，超导脉冲变压器原边绕组的异名端沿二极管的导通方向串联该二极管后连接储能元件的一端，储能元件的另一端沿另一个二极管的导向方向串联该二极管之后连接超导脉冲变压器原边绕组的同名端。
7.根据权利要求1所述的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，其特征在于：所述超导脉冲变压器的原边绕组采用超导材料绕制，副边绕组采用常导材料绕制。
8.根据权利要求1所述的多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源，其特征在于：所述的储能元件为储能电容。
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