CN112039364B - 脉冲电源电路 - Google Patents

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    • H03K3/57—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a semiconductor device

Abstract

本申请揭示了一种脉冲电源电路，包括电磁轨道发射器、线圈发射器和至少一个脉冲电源模块，每个脉冲电源模块包括电容器、二极管、第一控制开关、第二控制开关和电感器，电容器与二极管并联，第一控制开关、电感器和电磁轨道发射器依次串联形成第一供电支路，第二控制开关和线圈发射器中的一级电磁线圈绕组串联形成第二供电支路，第一供电支路和第二供电支路并联，电容器向导通的第一供电支路或第二供电支路供电；各个脉冲电源模块一对一依次连接线圈发射器中的各级电磁线圈绕组，或，至少两个脉冲电源模块多对一依次连接线圈发射器中的一级电磁线圈绕组。本申请达到了电源结构简单、体积小巧、成本低廉、控制灵活、可扩展性强等优点。

Description

脉冲电源电路
技术领域
本发明属于电路设计技术领域，涉及一种脉冲电源电路。
背景技术
电磁轨道发射是电磁发射方式中的一个重要分支，它是由采用脉冲功率技术的高功率脉冲电源、发射轨道和滑动导电部件——电枢构成导电回路，通过电场与磁场相互作用产生洛伦兹力加速电枢以推动弹丸达到超高速发射的装置。电磁线圈发射是采用脉冲或交变电流产生磁行波来驱动带有导电线圈的弹丸或纯磁性材料电枢的发射装置。它利用驱动线圈和电枢的磁耦合机制工作，本质上是一台直线电动机。线圈弹射装置一般包含两种线圈机构：一种是固定的定子，起驱动作用，称作驱动线圈，也称炮管线圈；另一种是被驱动的电枢，其内可装有弹丸或对弹丸进行推进。
电磁发射工作过程中最高功率可达GW级，发射过程需要大约数个ms。常规电源无法支撑这样的瞬态功率需求，需采用脉冲功率电源。脉冲电源按储能方式可分为电容器储存静电能、电感储存磁能、以及电机储存惯性能。随着研究深入，电容器储能型脉冲电源成为当前的主流方案，同时也被视为未来工程应用的主要方案。在上述两种发射方式中，轨道发射一般由多个储能规模相同的电源模块根据设定好的时间间隔对轨道依次放电，为发射提供所需的电能。线圈发射器一般由多个独立的线圈绕组组成，每级线圈绕组连接一个或多个储能规模相同的电源模块，电源模块同样根据设定好的时间间隔对逐个绕组放电，达到加速效果。电磁轨道发射回路中一般需串联数十μH量级的脉冲电感器，以保护晶闸管开关不因瞬间过高的电流变化而造成损坏并保持电流一定的脉宽，为续流支路提供能量。在电磁线圈发射电路，由于线圈绕组电感一般为数百mH量级，模块电流峰值较轨道发射电流峰值低，回路中无需额外增加脉冲电感器，但为保护电容器寿命避免反向充电以及反向电流抑制加速受力，也需对电容器器并联二极管。针对两种发射方式不同发射器结构、发射指标需求、可通过对电容器器充电电压数值的变化来调节放电电流数值。
在实际应用中，由于电磁轨道发射器和电磁线圈发射器均因为自身的结构复杂，需分别使用一套脉冲电源，造成电源系统体积庞大、造价高昂、控制复杂等问题。
发明内容
为了解决相关技术电磁轨道发射和电磁线圈发射需分别使用两套脉冲电源，造成电源系统体积庞大、造价高昂、控制复杂等问题，本申请提供了一种脉冲电源电路，其可以让电磁轨道与线圈发射共用电容器，电源具有结构简单、体积小巧、成本低廉、控制灵活、可扩展性强等优点。
本申请提供一种脉冲电源电路，该脉冲电源电路包括电磁轨道发射器、线圈发射器和至少一个脉冲电源模块，所述线圈发射器包括多级电磁线圈绕组；每个所述脉冲电源模块包括电容器、二极管、第一控制开关、第二控制开关和电感器，所述电容器与所述二极管并联，所述第一控制开关、所述电感器和电磁轨道发射器依次串联形成所述脉冲电源模块第一供电支路，所述第二控制开关和线圈发射器中的一级电磁线圈绕组串联形成所述脉冲电源模块第二供电支路，所述第一供电支路和所述第二供电支路并联，所述电容器向导通的所述第一供电支路或所述第二供电支路供电；各个脉冲电源模块一对一依次连接线圈发射器中的各级电磁线圈绕组，或，至少两个脉冲电源模块多对一依次连接线圈发射器中的一级电磁线圈绕组。
可选的，在每个所述脉冲电源模块中，所述电容器的正极、所述二极管的负极、所述第一控制开关的输入端、所述第二控制开关的输入端均电性连接，所述电容器的负极和所述二极管的正极电性连接；
所述第一控制开关的输出端与所述电感器的输入端连接，所述电感器的输出端与所述电磁轨道发射器的输入端连接，所述电磁轨道发射器的输出端接地且与所述电容器的负极连接；
所述第二控制开关的输出端与所述线圈发射器中对应一级的电磁线圈绕组的输入端连接，所述电磁线圈绕组的输出端接地且与所述电容器的负极连接。
可选的，每个所述脉冲电源模块中的第一控制开关和第二控制开关被择一控制导通。
可选的，各个所述脉冲电源模块中的每个第一控制开关以及每个第二控制开关均通过时序信号控制。
可选的，所述第一控制开关和所述第二控制开关为晶闸管开关、真空触发器开关TVS、反向开关晶体管RSD或碳化硅SiC开关。
通过上述技术特征，本申请提供的技术方案至少可以实现如下有益效果：
通过设置电磁轨道与线圈发射共用电容器，解决了原先两种发射系统需各自组件脉冲电源，体积庞大，成本高昂，控制复杂，无法整合利用的问题，达到了电源结构简单、体积小巧、成本低廉、控制灵活、可扩展性强等优点；通过将各个脉冲电源模块依次与线圈发射器中的各级电磁线圈绕组连接，从而适应于具备不同数量电磁线圈绕组的线圈发射器，脉冲电源模块可以根据线圈发射器中电磁线圈绕组的级数进行增减。
通过将各个脉冲电源模块中的每个第一控制开关以及每个第二控制开关均通过时序信号控制，可以实现线圈发射器的逐级加速。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本申请一个实施例中提供的脉冲电源电路的电路图；
图2是本申请一个实施例中提供的脉冲电源模块的电路图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本申请提供的脉冲电源电路包括电磁轨道发射器10、线圈发射器20和至少一个脉冲电源模块，所述线圈发射器包括多级电磁线圈绕组，如图1、图2所示，图1是本申请一个实施例中提供的脉冲电源电路的电路图，图2是本申请一个实施例中提供的脉冲电源模块的电路图。
如图1所示，每个脉冲电源模块包括电容器、二极管、第一控制开关、第二控制开关和电感器。
对于每个脉冲电源模块，该脉冲电源模块中的电容器与二极管并联，第一控制开关、电感器和电磁轨道发射器10依次串联形成该脉冲电源模块第一供电支路，第二控制开关和线圈发射器20中的一级电磁线圈绕组串联形成该脉冲电源模块第二供电支路，第一供电支路和第二供电支路并联，电容器向导通的第一供电支路或第二供电支路供电。
各个脉冲电源模块依次连接线圈发射器20中的各级电磁线圈绕组，也就是说，对于第i个脉冲电源模块，该第i个脉冲电源模块中的第二控制开关和线圈发射器20中的第i级电磁线圈绕组串联形成该第i个脉冲电源模块中第二供电支路，比如图1中的第1个脉冲电源模块中的第二控制开关SCR2和线圈发射器20中的第1级电磁线圈绕组21串联，第2个脉冲电源模块中的第二控制开关SCR4和线圈发射器20中的第2级电磁线圈绕组22串联，第N个脉冲电源模块中的第二控制开关SCR2N和线圈发射器20中的第N级电磁线圈绕组2N串联。
各个脉冲电源模块一对一依次连接线圈发射器20中的各级电磁线圈绕组，或，至少两个脉冲电源模块多对一依次连接线圈发射器20中的一级电磁线圈绕组。也就是说，一个脉冲电源模块对应连接线圈发射器20中的一级电磁线圈绕组，或者，多个脉冲电源模块对应连接线圈发射器20中的一级电磁线圈绕组。
图2中，电磁轨道发射器10通过串联的等效电阻R、等效电感L来代替，每个脉冲电源模块所连接的线圈发射器20的电磁线圈绕组均通过串联的等效电阻RC(数mΩ)、等效电感LC来代替。
为了指示线圈发射器20中不同的电磁线圈绕组，对于第i个脉冲电源模块所对应的线圈发射器20中第i个电磁线圈绕组，其用串联的等效电阻RCi、等效电感LCi来代替，如图1所示。
在每个脉冲电源模块中，电容器的正极、二极管的负极、第一控制开关的输入端、第二控制开关的输入端均电性连接，电容器的负极和二极管的正极电性连接；第一控制开关的输出端与电感器的输入端连接，电感器的输出端与电磁轨道发射器10的输入端连接，电磁轨道发射器10的输出端接地且与电容器的负极连接；第二控制开关的输出端与线圈发射器20中对应一级的电磁线圈绕组的输入端连接，电磁线圈绕组的输出端接地且与电容器的负极连接。
在实际应用中，每个脉冲电源模块中的第一控制开关和第二控制开关被择一控制导通。进一步的，第一控制开关和第二控制开关为晶闸管开关、真空触发器开关TVS、反向开关晶体管RSD或碳化硅SiC开关。
以图2中脉冲电源模块、第一控制开关和第二控制开关为晶闸管开关为例，电容器C经恒流高压充电至设定电压(一般低于10kV)，存储发射所需的能量。触发第一控制开关(图2中为晶闸管SCR1)后，电容器C的正极经晶闸管SCR1、电感器L1对电磁轨道发射器10等效电阻R0(数mΩ)、等效电感L0(数μH)进行放电后返回电容器C的负极，此阶段为RLC二阶欠阻尼放电过程。
随着电容器C放电结束，正负极两端电压为零后，二极管D开始导通，此时晶闸管SCR1未关断，电感器L1向电磁轨道发射器10等效电阻R0、等效电感L0提供能量，此阶段为RL一阶放电过程。触发第一控制开关(图2中为晶闸管SCR2)后，电容器C的正极经晶闸管SCR2对线圈发射器20的某一级绕组的等效电阻RC(数mΩ)、等效电感LC(数百mH)进行放电后返回电容器C负极，此阶段为RLC二阶欠阻尼放电过程。随着电容器C放电结束，正负极两端电压为零后，二极管D开始导通，此时晶闸管SCR2未关断，电磁线圈绕组等效电感LC为等效电阻RC提供能量，此阶段为RL一阶放电过程。
当线圈发射器20包括多级电磁线圈绕组时，需要依次对多级电磁线圈绕组提供能量，此时，各个脉冲电源模块可以根据多级电磁线圈绕组的数量进行增减，各个脉冲电源模块中的每个第二控制开关均通过时序信号控制，各个脉冲电源模块中的每个第一控制开关也均可以通过时序信号控制。
以图1为例，其中，晶闸管SCR1与SCR3…SCR2N-1所控第一供电支路并联于电磁轨道发射器10正极与负极两端，电磁轨道发射器10所需电流可通过时序信号对上述晶闸管进行时序控制获得。晶闸管SCR2与SCR4…SCR2N可分别连接N级线圈发射器20的每一级绕组，或某几个支路连接同一级线圈绕组，图1为每一组电源模块连接1级线圈绕组方案。依次通过时序信号对晶闸管SCR2与SCR4…SCR2N进行时序控制，可实现线圈发射器20的逐级加速。
每级线圈绕组具体所需模块数量、轨道发射器所需电源模块数量均可根据发射需求进行调整，以达到最佳配置方案，通过对电容器C1、C2…CN高功率的快速充电可满足两种发射方式的交替应用。
综上所述，本申请提供的脉冲电源电路，通过设置电磁轨道与线圈发射共用电容器与续流二极管，通过分别控制两组晶闸管分别导通电磁轨道发射器与线圈发射器放电回路，为电磁轨道发射与电磁线圈发射提供所需能量，具备电路拓扑结构简单、工程可实现度高、减少研制成本、节约电源体积、实现资源的整合、可根据需求灵活扩展的优点；通过将各个脉冲电源模块依次与线圈发射器中的各级电磁线圈绕组连接，从而适应于具备不同数量电磁线圈绕组的线圈发射器，脉冲电源模块可以根据线圈发射器中电磁线圈绕组的级数进行增减。
通过将各个脉冲电源模块中的每个第一控制开关和每个第二控制开关均通过时序信号控制，可以实现线圈发射器的逐级加速。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (2)

1.一种脉冲电源电路，其特征在于，所述脉冲电源电路包括电磁轨道发射器、线圈发射器和至少一个脉冲电源模块，所述线圈发射器包括多级电磁线圈绕组；
每个所述脉冲电源模块均包括电容器、二极管、第一控制开关、第二控制开关和电感器，所述电容器与所述二极管并联，所述第一控制开关、所述电感器和所述电磁轨道发射器依次串联形成所述脉冲电源模块第一供电支路，所述第二控制开关和所述线圈发射器中的一级电磁线圈绕组串联形成所述脉冲电源模块第二供电支路；
在每个所述脉冲电源模块中，所述电容器的正极、所述二极管的负极、所述第一控制开关的输入端、所述第二控制开关的输入端均电性连接，所述电容器的负极和所述二极管的正极电性连接；
所述第一控制开关的输出端与所述电感器的输入端连接，所述电感器的输出端与所述电磁轨道发射器的输入端连接，所述电磁轨道发射器的输出端接地且与所述电容器的负极连接；
所述第二控制开关的输出端与所述线圈发射器中对应一级的电磁线圈绕组的输入端连接，所述电磁线圈绕组的输出端接地且与所述电容器的负极连接，所述电容器向导通的所述第一供电支路或所述第二供电支路供电；其中，所述第一控制开关和所述第二控制开关为碳化硅开关，每个所述脉冲电源模块中的第一控制开关和第二控制开关被择一控制导通；
各个所述脉冲电源模块一对一依次连接所述线圈发射器中的各级电磁线圈绕组，或，至少两个所述脉冲电源模块多对一依次连接所述线圈发射器中的一级电磁线圈绕组。
2.根据权利要求1所述的脉冲电源电路，其特征在于，各个所述脉冲电源模块中的每个第一控制开关以及每个第二控制开关均通过时序信号控制。
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