CN113078840B - 电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法，属于脉冲功率技术领域。本发明采用蓄电池型电路拓扑，利用储能电容对感性负载放电以产生脉冲磁场；相对现有技术，本发明采用外接高压充电机对储能电容充电，根据平顶脉冲磁场持续时间，蓄电池可外接充电设备，该充电设备可对蓄电池电量在线监测；在电源电路拓扑中，设计馈能支路，用于实现储能电容的能量回馈，减少系统的能量消耗；设计补偿支路，用于输出稳定的平顶电流，从而实现磁场平顶部分的稳定性；提高储能电容的放电电压，产生陡峭的输出电流上升沿以减少感性负载的发热，同时改善磁场的重复性和稳定性。该电路具有结构简单、控制稳定、可靠性高、便于实现等优点。

Description

电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法。

背景技术

重复平顶脉冲磁场是一种连续重复提供可控波形强磁场的系统，兼具高稳定度平顶磁场的优势，其能够在平顶阶段保持较高的稳定度，故平顶纹波系数小、造成的电磁干扰相对较小，能较长时间运行，同时可以有效地减少磁场对实验设备环境及测控系统的影响。相比于普通平顶磁场系统，由于供电电源系统和磁体感性负载需要运行时间更长，对器件、电路要求更高，制造产生更加困难，因此开展的研究相对较少。但其应用范围却更加广泛，包括空气除尘、污水处理、中子衍射和磁制冷等多个科研领域及工业生产领域。因此，重复平顶脉冲磁场将是未来磁场研究和发展的新方向之一。电源系统作为重复平顶脉冲强磁场系统的核心组成部分，其需要在短时间内同时输出较大电流和较大电压，使磁体线圈流过较大电流，从而在磁体线圈中心处产生平顶稳定度、平顶持续时间和磁场峰值强度、重复度高、符合科学实验要求的平顶脉冲强磁场。

目前各大强磁场实验室主要运用储能电容型、蓄电池型、脉冲发电机型、蓄能电感型作为重复平顶磁场的电源电路。CN105162352A提出一种用于高感性负载的双极陡脉冲电流源，如图1所示，在电源电路的前级(逆变器)直流侧设计一个Boost(升压)模块来补充所需的能量，能量、电压全部由蓄电池源提供，同时通过配置Boost模块电感电容参数，得到预期的感性负载电流波形，同时改善感性负载电流的边缘陡度，减小电路的损耗。

针对重复平顶磁场拓扑电路，主要还存在有以下问题：(1)电路拓扑较为复杂，换流单元开关器件较多，电路成本较高，可靠性较低；(2)电路设计主要针对低功率场合，不适于产生高参数重复平顶磁场；(3)没有考虑蓄电池放电极化现象，磁场平顶稳定度较低。

发明内容

针对现有技术蓄电池电压下降快导致难以支撑较长时间的重复平顶磁场、产生平顶磁场稳定度低、难以产生高参数重复平顶磁场、电源系统能量利用率不高的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法，其目的在于可靠地产生重复平顶磁场，同时更好地实现储能电容的能量回馈。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用于重复平顶脉冲强磁场的电源电路，所述电源电路包括：蓄电池、储能电容、放电支路、馈能支路与补偿支路；其中，蓄电池、放电支路、馈能支路、补偿支路分别接在储能电容正负极两端，放电支路、馈能支路、补偿支路互相间成并联关系。

优选地，放电支路包括：晶闸管与感性负载，两者串联，晶闸管的正向脉冲电流不小于为所述电源电路期望输出的电流最大值。

优选地，馈能支路包括：馈能电感与晶闸管，两者串联；所述晶闸管的正向脉冲电流不小于为所述电源电路期望输出的电流最大值，馈能电感L₂满足：馈能时间

与充电时间之和小于电源电路期望输出电流波形的周期，C为储能电容的电容值；馈能电压可达储能电容工作电压的50％～80％。

优选地，补偿支路包括：受控电流源；受控电流源I_C满足：I_C与流过储能电容电流、流过蓄电池电流之和为电源电路期望输出的电流平顶值。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种重复平顶脉冲强磁场发生装置，所述装置包括：如第一方面所述的电源电路、高压充电机、第二充电机；

所述电源电路两端外接高压充电机、第二充电机；

所述高压充电机的充电电压大于蓄电池电压，使得产生的电流上升沿陡度不低于500A/ms；

所述第二充电机用于对蓄电池电量在线监测和实时调控，使之保持恒定。

优选地，所述装置的电路参数满足以下方程：

其中，L、R分别为感性负载的等效电感与等效电阻；C为储能电容的电容值；U_dc为蓄电池电压；U_C为高压充电机充电电压；I_max为电源电路期望输出的电流平顶值。

为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种如第二方面所述的重复平顶脉冲强磁场发生装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1.断开放电支路、馈能支路与补偿支路，连接电源电路与高压充电机，高压充电机对储能电容进行充电直至储能电容充电完毕；

S2.断开电源电路与高压充电机的连接，接通蓄电池和第二充电机，接通放电支路与补偿支路，直至电源电路输出的电流达到平顶值并保持预设时间；

S3.断开蓄电池和第二充电机，直至放电支路电流变为0；

S4.导通馈能支路直至馈能支路中的电流为0，并保持时间t，时间t满足以下条件：步骤S1中的充电时间、馈能支路的馈能时间与时间t之和等于电源电路输出电流波形的周期；

S5.循环步骤S1-S4，放电支路生成重复平顶脉冲强磁场。

优选地，预设时间的取值范围为：5ms-100ms。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明设计了一种用于重复平顶脉冲强磁场的电源电路，设计了馈能电路，通过所设计的电路的开关变换，储能电容上由于对感性负载放电产生的反向电压，将通过馈能支路续流回到储能电容的正极，实现电容的能量回馈，馈能电压可达工作电压的50％～80％；设计了补偿支路，由受控电流源构成，用于补偿由于电池的极化现象导致的电池电压跌落和感性负载电阻的热效应，感性负载电阻增大导致输出电流逐渐下降的问题，从而实现磁场平顶部分的稳定性，同时相对已有的电源电路，极大地减少了可控的电力电子开关器件，有效简化了电路拓扑及控制的复杂程度。

(2)本发明设计了一种重复平顶脉冲强磁场发生装置，包括：蓄电池、储能电容、第二充电机、放电支路、馈能支路与补偿支路、高压充电机，其中，蓄电池、放电支路、馈能支路、补偿支路分别接在储能电容正负极两端，高压充电机接在储能电容正负极两端，外接第二充电机接在蓄电池两端，放电支路、馈能支路、补偿支路互相间成并联关系。采用蓄电池型电路拓扑，利用储能电容对感性负载放电以产生脉冲磁场；相对已有的利用蓄电池通过boost模块为储能电容提供电压的电路方案，本发明采用外接高压充电机对储能电容充电，可以减小蓄电池对电路的负荷，从而使得蓄电池能够支撑较长的平顶磁场；提高储能电容的放电电压，产生陡峭的输出电流上升沿以减少感性负载的发热，同时改善磁场的重复性和稳定性。该电路具有结构简单、控制稳定、可靠性高、便于实现等一系列的优点。

(3)本发明设计了一种重复平顶脉冲强磁场发生装置的控制方法，放电前，外加高压充电机对储能电容充电；放电时，储能电容通过放电支路对感性负载放电，感性负载电流上升，待储能电容电压下降至蓄电池电压时，由蓄电池完成对感性负载的放电，从而达到电流平顶值，同时，补偿支路用于稳定感性负载电流的平顶部分，最后储能电容上反压通过馈能支路续流完成能量回馈，循环重复实现重复平顶电流波形，通过感性负载进而产生重复平顶磁场。本发明采用蓄电池与补偿支路共同完成输出电流平顶阶段，可实现稳定的平顶磁场；该电路方法控制稳定，可实现电容能量回馈，能产生稳定、重复的平顶磁场所需的输出电流，通过感性负载进而形成供科学实验所用的重复平顶磁场。

附图说明

图1为现有技术中用于强磁场的双极性陡脉冲电流源电路拓扑图；

图2为本发明提供的一种重复平顶脉冲强磁场发生装置结构示意图；

图3为本发明提供的一种重复平顶脉冲强磁场发生装置电路拓扑图；

图4是本发明提供的产生电路负载电流的典型波形图；

在所有附图中，相同的附图标记用来为相同的元件或者结构，其中：

1为高压充电机，2为蓄电池，3为储能电容，4为放电支路，5为馈能支路，6为补偿电路，7为第二充电机。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，本发明提供了一种用于重复平顶脉冲强磁场的电源电路，所述电源电路包括：蓄电池、储能电容、放电支路、馈能支路与补偿支路；其中，蓄电池、放电支路、馈能支路、补偿支路分别接在储能电容正负极两端，放电支路、馈能支路、补偿支路互相间成并联关系。

优选地，放电支路包括：晶闸管与感性负载，两者串联，晶闸管的正向脉冲电流不小于为所述电源电路期望输出的电流最大值。

优选地，馈能支路包括：馈能电感与晶闸管，两者串联；所述晶闸管的正向脉冲电流不小于为所述电源电路期望输出的电流最大值，馈能电感L₂满足：馈能时间

与充电时间之和小于电源电路期望输出电流波形的周期，C为储能电容的电容值；馈能电压可达储能电容工作电压的50％～80％。实施例中取1～3s。

优选地，补偿支路包括：受控电流源；受控电流源I_C满足：I_C与流过储能电容电流、流过蓄电池电流之和为电源电路期望输出的电流平顶值。

本实施例中，蓄电池的容量为144V；储能电容的容量为4mF，工作电压为1600V；晶闸管的最大导通电流为3600A，最高耐压为1700V。

如图2所示，本发明提供了一种重复平顶脉冲强磁场发生装置，所述发生装置包括：如上述电源电路、高压充电机、第二充电机；

所述电源电路两端外接高压充电、第二充电机；

所述高压充电机的充电电压大于蓄电池2电压，使得产生的电流上升沿陡度不低于500A/ms。

所述外接第二充电机用于对蓄电池电量在线监测和实时调控，使之保持恒定。

本发明利用外接高压充电机对储能电容充电，充电电压大于蓄电池电压，以此提高二阶RLC电路的放电电压，所产生陡峭的感性负载电流上升沿能够减少感性负载的发热，同时改善磁场的重复性。

本发明设计了馈能支路，通过所设计的电路的开关变换，储能电容上由于对感性负载放电产生的反向电压，将通过馈能支路续流回到储能电容的正极，实现电容的能量回馈，馈能电压可达工作电压的50％～80％；设计了补偿支路，由受控电流源构成，用于补偿由于电池的极化现象导致的电池电压跌落和感性负载电阻的热效应，感性负载电阻增大导致输出电流逐渐下降的问题，可输出稳定的平顶电流，从而实现磁场平顶部分的稳定性。

所述发生装置的电路参数满足以下方程：

其中，L、R分别为感性负载的等效电感与等效电阻；C为储能电容的电容值；U_dc为蓄电池电压；U_C为高压充电机充电电压；I_max为电源电路期望输出的电流平顶值。

本实施例中，高压充电机的工作电压为1600V，为蓄电池电压的10倍以上；感性负载一般是磁体线圈。

本发明提供了一种重复平顶脉冲强磁场发生装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1.断开放电支路、馈能支路与补偿支路，连接电源电路与高压充电机，高压充电机对储能电容进行充电直至储能电容充电完毕。

工作状态如下(对应图4中t₁阶段)：放电开始前，充电机对储能电容进行充电。每次循环开始时，储能电容的残余电压不同，例如，第一次循环开始时，储能电容的两端电压为0；第二次循环开始时，由于能量回馈，储能电容的残余电压为工作电压的50％～80％。

步骤S2.断开电源电路与高压充电机的连接，接通蓄电池，直至电源电路输出的电流达到平顶值并保持预设时间T。

工作状态如下：

第一阶段(对应图4中t₂阶段)：当储能电容充电完毕后，断开电源电路与高压充电机的连接，此时依次触发IGBT T₁和晶闸管K₁，此时，电流依次流经储能电容正极、K₁、感性负载、储能电容负极。由于储能电容两端电压U_C远大于蓄电池电压U_dc，这时电源电路可以看作是储能电容C₁对感性负载进行放电，感性负载电流迅速上升，储能电容电压下降。

第二阶段(对应图4中t₃阶段)：此时T₁、K₁仍处于导通状态，电流从蓄电池正极及储能电容正极出发，沿T₁、感性负载、K₁回到蓄电池、储能电容负极。当储能电容两端电压下降至蓄电池电压U_dc时，二极管D₁导通，电源电路不再是二阶RLC电路。由于蓄电池的存在，储能两端两端电压会稳定至U_dc，此时可以将电源电路看作是直流恒压源U_dc，并对感性负载进行放电。由于感性负载电感对直流放电的影响可忽略不计，此时感性负载电流I满足

输出电流达到平顶值。理想状态下，此时感性负载电流恒定不变，但是由于电池的极化现象导致的电池电压跌落和磁体电阻的热效应导致的磁体电阻增大，会使磁体电流逐渐下降，为维持磁体电流恒定不变，需要并联一个受控电流源I_C对电流进行实时补偿。受控电流源I_C满足：I_C与流过储能电容电流、流过蓄电池电流之和为电源电路期望输出的电流平顶值。此时，蓄电池外接充电机亦会蓄电池电量在线监测和实时调控，使之保持恒定。

为了实现脉冲磁场的平顶阶段，让输出电流达到平顶值后保持一定时间。

预设时间的取值根据需要可调，典型范围为5ms-100ms。本实施例中，预设时间为20ms。

步骤S3.断开蓄电池，放电支路电流经储能电容续流，对储能电容进行反向充电，充至最大值时，磁体电流变为0，放电支路自然断开。

工作状态如下(对应图4中t₄阶段)：断开T₁，由于感性负载是感性器件，会产生逐渐减小的同方向续流电流，并对储能电容进行反向充电，直至感性负载电流回零。感性负载电流下降时，感性负载产的续流流回储能电容负极，在储能电容上产生反向电压。这个过程电流依次流经晶闸管K₁、感性负载返回至电容负极。

步骤S4.导通馈能支路，储能电容的反向电压经馈能支路放电，转为正向电压，当储能电容的电压达到峰值时，馈能支路中的电流为0，馈能支路-自然关断，并保持时间t，保持时间t满足以下条件：步骤S1中的充电时间、馈能支路的馈能时间与保持时间t之和等于输出电流波形的周期T₀。

工作状态如下：

第一阶段(对应图4中t₅阶段)：触发晶闸管K₂，储能电容上的反向电压对馈能电感L₂放电，转为正向电压，当储能电容的电压达到峰值时，L₂中的电流为0，晶闸管K₂自然关断，从而实现储能电容的能量回馈。

第二阶段(对应图4中t阶段)：为了实现平顶磁场的重复性与预期频率，待K₂关断后，保持时间t在接入高压充电机，保持时间t满足以下条件：由于电流脉宽很短，步骤S1中的充电时间、馈能支路的馈能时间与保持时间t之和等于输出电流波形的周期。本实施例中，输出电流波形周期T₀为1s-10s可调。

步骤S1-S4即为一个完整的放电周期T₀。

步骤S5.循环S1-S4，感性负载生成重复平顶脉冲强磁场。

本实施例中，电源电路输出电流的平顶电流为2850A，脉宽为30ms，平顶时间为20ms，重复频率为0.1Hz-1Hz可调，馈能电压达工作电压的50％～80％。

本电路拓扑适用于大部分有关重复平顶磁场的科学实验和创造的场合，具有一定的普适性。

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)

1.一种重复平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，所述装置包括：电源电路、高压充电机、第二充电机；

所述电源电路两端外接高压充电机、第二充电机；

所述高压充电机的充电电压大于蓄电池电压，使得产生的电流上升沿陡度不低于500A/ms；

所述第二充电机用于对蓄电池电量在线监测和实时调控，使之保持恒定；

所述电源电路包括：蓄电池、储能电容、放电支路、馈能支路与补偿支路；其中，蓄电池、放电支路、馈能支路、补偿支路分别接在储能电容正负极两端，放电支路、馈能支路、补偿支路互相间成并联关系。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的电路参数满足以下方程：

其中，L、R分别为感性负载的等效电感与等效电阻；C为储能电容的电容值；U_dc为蓄电池电压；U_C为高压充电机充电电压；I_max为电源电路期望输出的电流平顶值。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，放电支路包括：晶闸管与感性负载，两者串联，晶闸管的正向脉冲电流不小于为所述电源电路期望输出的电流最大值。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，馈能支路包括：馈能电感与晶闸管，两者串联；所述晶闸管的正向脉冲电流不小于为所述电源电路期望输出的电流最大值，馈能电感L₂满足：馈能时间

与充电时间之和小于电源电路期望输出电流波形的周期，C为储能电容的电容值；馈能电压可达储能电容工作电压的50％～80％。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，补偿支路包括：受控电流源；受控电流源I_C满足：I_C与流过储能电容电流、流过蓄电池电流之和为电源电路期望输出的电流平顶值。

6.一种权利要求1至5任一项所述的重复平顶脉冲强磁场发生装置的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1.断开放电支路、馈能支路与补偿支路，连接电源电路与高压充电机，高压充电机对储能电容进行充电直至储能电容充电完毕；

S2.断开电源电路与高压充电机的连接，接通蓄电池和第二充电机，接通放电支路与补偿支路，直至电源电路输出的电流达到平顶值并保持预设时间；

S3.断开蓄电池和第二充电机，直至放电支路电流变为0；

S4.导通馈能支路直至馈能支路中的电流为0，并保持时间t，时间t满足以下条件：步骤S1中的充电时间、馈能支路的馈能时间与时间t之和等于电源电路输出电流波形的周期；

S5.循环步骤S1-S4，放电支路生成重复平顶脉冲强磁场。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，预设时间的取值范围为：5ms-100ms。

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