CN113258906A - 一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法 - Google Patents

一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113258906A
CN113258906A CN202110782904.4A CN202110782904A CN113258906A CN 113258906 A CN113258906 A CN 113258906A CN 202110782904 A CN202110782904 A CN 202110782904A CN 113258906 A CN113258906 A CN 113258906A
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnet
voltage
current
capacitor bank
converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110782904.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113258906B (zh
Inventor
韩小涛
张绍哲
王正磊
姜涛
谢剑峰
肖后秀
丁同海
李亮
潘垣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202110782904.4A priority Critical patent/CN113258906B/zh
Publication of CN113258906A publication Critical patent/CN113258906A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113258906B publication Critical patent/CN113258906B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明提供一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法，包括：对磁体放电前，对超级电容器组和第一高压电容器组充电储能；对磁体放电时，首先控制第一高压电容器组对磁体放电；当检测到磁体电流达到设定值时，多相交错并联DC/DC变换器开始工作，超级电容器组通过多相交错并联DC/DC变换器对磁体放电，根据第一高压电容器组的端电压和磁体电流进行状态控制，改变多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，抵消超级电容器组电压下降和磁体内阻增加的影响，使磁体电流稳定在设定值；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭多相交错并联DC/DC变换器。本发明提升了平顶脉冲磁场的综合性能。

Description

一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1THz ~10 THz的电磁波，具有高频大带宽、强透射性、高波谱分辨率、强生物兼容性等特性，被评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹源是太赫兹技术的核心基础，诸多太赫兹源方案中，基于脉冲强磁场的回旋管太赫兹波源（以下简称：脉冲场回旋管）可产生更高极限频率和功率的太赫兹波，是极具应用前景的太赫兹源方案之一。但是，受脉冲磁场波形限制，现有脉冲场回旋管的辐射时间小于0.5 ms，且稳定性较差，严重制约了其应用。平顶脉冲磁场兼具脉冲磁场场强高和稳态磁场稳定度高的优点，可为增加脉冲场回旋管辐射时间提供新途径。因此，发展紧凑型、高稳定度（<100ppm）、长持续时间（>100ms）的平顶脉冲强磁场是提升脉冲场回旋管性能的关键。
表1现有平顶脉冲磁场类型及参数
Figure 640499DEST_PATH_IMAGE001
现有平顶脉冲磁场参数如表1所示。产生脉冲强磁场的电源主要包括：飞轮储能交流脉冲发电机，电容器组和铅酸蓄电池组。飞轮储能交流脉冲发电机输出电压可控，在储能足够的情况下，可以通过调控输出电压产生多种脉冲波形。但是交流脉冲发电机本质上纹波是不可避免的，所以难以获得高稳定度平顶脉冲磁场，目前该方式产生的平顶脉冲磁场稳定度大约为5000ppm，稳定度不能满足回旋管、核磁共振等的应用需求。
高压电容器组的优点是输出功率没有限制，可以利用其高电压的优势使磁体电流快速上升，从而减少磁体的发热。但是，其储能较低，输出电压不可控，放电过程输出电压迅速跌落，所以难以在放电过程中保持平顶。中国强磁场和日本固体物理研究所提出了利用高压电容器供电产生平顶脉冲磁场的方法，分别产生了64T/2000ppm/6ms和60.64T/82ppm/2ms的平顶脉冲磁场，但是不能平顶持续时间较短的问题，分别见中国专利ZL201310728223.5和英文论文“Generation of flat-top pulsed magnetic fields withfeedback control approach”。
蓄电池电源兼具脉冲发电机电源储能高和电容器电源无纹波的优点，较为适合产生长脉冲磁场。但是，蓄电池输出功率低，磁场上升时间长，大电流作用下磁体产生焦耳热，热效应使磁体电阻逐渐增大，从而使磁场达到最大值后缓慢下降。为此，武汉国家脉冲强磁场中心的科研人员提出了采用并联PWM调节旁路，参见英文论文：“Development of aHigh-Stability Flat-Top Pulsed Magnetic Field Facility”和中国专利ZL201810411004.7基于IGBT有源区的线性调节旁路，以产生平顶脉冲强磁场。通过旁路调控可以在磁场峰值处产生一定时间的平顶，但是调节能力有限，实现大范围调控难度大，且无法解决蓄电池功率密度低的问题。
另外，现有平顶脉冲磁场普遍存在平顶时间相对于脉宽时间占比，即平顶占比较小，效率低下的问题。
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太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法，旨在解决现有平顶脉冲磁场在稳定度和平顶持续时间难以兼顾和平顶占比较小、效率低下，导致其难以在太赫兹回旋管中应用的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置，包括：超级电容器电源、第一高压电容器组以及磁体；
所述超级电容器电源的正极与第一高压电容器组的正极和磁体的一端连接；
所述超级电容器电源的负极、第一高压电容器组的负极以及磁体的另一端共同接地；
对所述磁体放电前，对所述超级电容器电源和第一高压电容器组充电储能；
对所述磁体放电时，首先控制第一高压电容器组对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段；当检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始对磁体放电，以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，改变超级电容器电源内多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时第一高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，进入磁体电流下降阶段；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。
在一个可选的示例中，所述超级电容器组电源包括：超级电容器组、直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器；
所述超级电容器组通过直流断路器连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端，多相交错并联DC/DC变换器的输出端为超级电容器电源的正极；
所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，直流断路器为超级电容器电源的保护开关，多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压。
在一个可选的示例中，该装置还包括：能量回收支路和直流控制开关；
所述磁体的另一端连接所述直流控制开关后接地；所述能量回收支路和直流控制开关并联；
在磁体电流上升阶段和磁体电流平顶阶段，所述直流控制开关开通，所述能量回收支路被短路；
在磁体电流下降阶段，所述直流控制开关关断，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中电感的磁场能量通过能量回收支路释放，实现磁场能量的回收，直至磁体电流降至零放电结束。
在一个可选的示例中，所述能量回收支路包括：续流二极管和和第二高压电容器组；
磁体电流下降阶段，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管流入第二高压电容器组，第二高压电容器组可承受瞬时大功率，实现磁场能量的快速回收。
在一个可选的示例中，该装置还包括：高压隔离单元和晶闸管；
所述高压隔离单元的阳极连接超级电容器电源的正极，阴极连接第一高压电容器组的正极和晶闸管的正极；
所述晶闸管的负极连接磁体的一端；
所述高压隔离单元用于隔离第一高压电容器的高电压，以免超级电容器电源被所述高压击穿损坏；
所述晶闸管作为第一高压电容器组对磁体放电的开关。
在一个可选的示例中，该装置还包括：控制器、电压传感器以及电流传感器；
所述电流传感器采集磁体的电流值；
所述电压传感器采集第一高压电容器组的端电压；
所述控制器结合电流传感器和电压传感器采集的数据控制整个装置的工作过程，以产生平顶脉冲强磁场。
在一个可选的示例中，所述控制器分别控制直流断路器、晶闸管以及直流控制开关的开通和关断；
且所述控制器输出多路PWM控制信号从控制多相交错并联DC/DC变换器。
在一个可选的示例中，设置第一高压电容器组和第二高压电容器组的参数相同，对磁体进行一次放电后，将第一高压电容器组和第二高压电容器组互换位置，以实现能量重复利用。
第二方面，本发明提供了一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生方法，包括如下步骤：
控制充电后的第一高压电容器组对磁体放电，以利用第一高压电容器组的高压大功率输出使磁体电流快速上升，此时处于磁体电流上升阶段；
当检测到磁体电流达到设定值时，控制超级电容器电源对磁体放电，以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，改变超级电容器电源内多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时第一高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定，此时处于磁体电流平顶阶段；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数；
当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，进入磁体电流下降阶段。
在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：在磁体电流下降阶段，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过能量回收支路释放，实现磁场能量的回收，直至磁体电流降至零放电结束；
所述能量回收支路包括：续流二极管和和第二高压电容器组；
所述磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管流入第二高压电容器组，第二高压电容器组可承受瞬时大功率，实现磁场能量的快速回收。
本发明提供一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明由于采用了高压电容器组和超级电容器组协同通电，并通过大功率多相交错并联DC/DC变换器对超级电容器进行电能变换，使得本发明装置具备以下突出性能：
相对于现有蓄电池供电的平顶脉冲磁场装置，功率密度大，磁体电流升降时间短，大大减小了平顶时间以外的磁体通流时间，同等磁体发热量下，平顶持续时间更长，提高了平顶占比，效率显著提高；
相对于现有蓄电池供电的平顶脉冲磁场装置，同等磁场参数装置质量可减小10倍以上，有利于平顶脉冲磁场发生装置的集成化发展；相对于现有电容器型平顶脉冲磁场装置，本发明装置能量大，可产生百毫秒级以上平顶脉冲磁场；
大功率多相交错并联DC/DC变换器的调节范围大，能适应磁体内阻的大范围变化，使得平顶持续时间长；
多相交错并联技术可大大减小电流输出纹波，同时，利用高压电容器组的大容值进一步滤波，可实现平顶期间磁体电流的高稳定度。
综上，本发明技术方案，可产生快速升降的高效率、高稳定度、长持续时间平顶脉冲强磁场，提升平顶脉冲磁场的综合性能，以延长脉冲场回旋管的辐射时间。另外，超级电容器的功率密度是蓄电池的15倍~20倍，内阻只有蓄电池的三分之二，相对于现有蓄电池供电的平顶脉冲磁场装置，本发明提可大幅度缩减装置体积。
附图说明
图1为本发明实施例提供的平顶脉冲磁场发生装置结构图；
图2为本发明实施例提供的平顶脉冲磁场发生装置产生的平顶脉冲电流在0s-1.1s时间段的整体波形图，其中，内部小图为平顶脉冲电流在0.4s-0.5s时间段的波形放大图；
图3为本发明实施例中超级电容器电压波形、磁体电阻变化波形及磁体温度波形图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：C s为超级电容器组电容值，R s为超级电容器组内阻；S1为直流断路器；Q bi为多相交错并联DC/DC变换器第i相的开关器件，D bi为多相交错并联DC/DC变换器第i相的二极管，L bi为多相交错并联DC/DC变换器第i相的储能电感，i=1，2···n，n为交错并联DC/DC变换器的相数；D 1为高压隔离单元，A为阳极，K为阴极；C 1为第一高压电容器组磁体，R m为磁体电阻，L m为磁体电感；CT为精密电流传感器；VT为电压传感器；T1为晶闸管；Q 1为直流控制开关，A为阳极，K为阴极，G为控制极；D 2为续流二极管，A为阳极，K为阴极，C 2为第二高压电容器组。
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。
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法，旨在解决现有平顶脉冲磁场在稳定度和平顶持续时间难以兼顾和平顶占比较小、效率低下，导致其难以在太赫兹回旋管中应用的问题，为脉冲场太赫兹回旋管提供必要的磁场环境。另外，本发明亦可用于核磁共振实验、比热测量等其它科学实验。
为产生高效率、高稳定度、长持续时间平顶脉冲强磁场，本发明采用以下技术方案：本发明装置采用高压电容器组和超级电容器组协同供电，即电流升降阶段高压电容器组供电，平顶电流阶段由超级电容器组供电。高压电容器组的瞬时大功率可实现磁体电流的ms级升降，相比于蓄电池型长脉冲磁场可将电流上升时间从500ms缩减至10ms以内；平顶阶段超级电容器组的输出通过多相交错并联DC/DC变换器进行电能变换，通过状态反馈调节改变所述多相交错并联DC/DC变换器的占空比，实现磁体端电压宽范围调控，在超级电容器组输出电压和磁体电阻变化时维持磁体电流恒定，使得平顶持续时间更长，同时，平顶阶段利用高压电容器组的大电容值进行滤波，实现平顶阶段磁体电流的超高稳定度。
综上，本发明技术方案，可产生快速升降的高效率、高稳定度、长持续时间平顶脉冲强磁场，提升平顶脉冲磁场的综合性能，以延长脉冲场回旋管的辐射时间。另外，超级电容器的功率密度是蓄电池的15倍~20倍，内阻只有蓄电池的三分之二，故可大幅度缩减装置体积。
本发明提供了一种平顶脉冲强磁场发生装置，如图1所示，主要包括：超级电容器电源，其由超级电容器组（C s为超级电容器组电容值，R s为超级电容器组内阻）、直流断路器S1和多相交错并联DC/DC变换器构成；高压隔离单元D 1；第一高压电容器组C 1；磁体（R m为磁体电阻，L m为磁体电感）；精密电流传感器CT；电压传感器VT；晶闸管T1；直流控制开关Q 1；能量回收支路，由续流二极管D 2和第二高压电容器组C 2串联组成；控制器。
本发明中各部件连接关系如下。
超级电容器组通过直流断路器S1连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端，三者构成超级电容器电源，多相交错并联DC/DC变换器的输出端即为超级电容器电源的输出端；
进一步地，超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，直流断路器S1为超级电容器电源的保护开关，多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压；
高压隔离单元D 1的阳极A与超级电容器电源的正极相连；高压隔离单元D 1的阴极K、第一高压电容器组C 1的正极和晶闸管T1的阳极连接至一点（节点a），磁体的一端与晶闸管T1的阴极相连；磁体的另一端与直流控制开关Q 1的阳极A相连；
进一步地，高压隔离单元D 1用于隔离高压电容器的高电压，以免超级电容器电源被高压击穿损坏；磁体用于将电流转化磁场；
能量回收支路由续流二极管D 2和第二高压电容器组C 2串联构成，用于快速回收磁体能量；能量回收支路与直流控制开关Q 1并联；
进一步地，能量回收支路中的续流二极管D 2的阳极A与直流控制开关Q 1的阳极A相连，超级电容器电源的负极、第一高压电容器组C 1的负极、直流控制开关Q 1的阴极K和能量回收支路的另一端接至公共地；
精密电流传感器CT采集磁体电流i m、电压传感器VT采集第一高压电容器组C 1端电压u C传输至控制器，控制器输出3路脉冲信号和n路PWM控制信号分别控制直流断路器S1、晶闸管T1、直流控制开关Q 1和所述多相交错并联DC/DC变换器，其中n为多相交错并联DC/DC变换器的相数。
所发明装置的工作原理及控制方法如下。
将放电过程划分磁体电流上升阶段、磁体电流平顶阶段和磁体电流下降阶段，通过设置状态标志位分阶段控制。
放电前，对超级电容器组和第一高压电容器组C 1充电储能，闭合直流断路器S1为放电做准备；
放电时，首先触发直流控制开关Q 1，多相交错并联DC/DC变换器关闭，继而触发晶闸管T1，第一高压电容器组C 1对磁体放电，利用高压电容器的高压大功率输出使磁体电流快速上升，放电过程处于磁体电流上升阶段；
当精密电流传感器CT检测到磁体电流达到设定值I ref时，放电过程进入磁体电流平顶阶段，多相交错并联DC/DC变换器开始工作，以第一高压电容器组C 1的端电压（由电压传感器VT检测得到）为状态反馈量、磁体电流i m为控制量通过改变所述多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，抵消超级电容器组电压下降和磁体内阻增加的影响，同时，磁体电流平顶阶段第一高压电容器组C 1作为所述多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，C 1的大容值可以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，实现磁体电流的高稳定度；
当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，控制器先关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，继而关闭直流控制开关Q 1，放电过程进入磁体电流下降阶段，磁体和所述多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管D 2流入第二高压电容器组C 2，第二高压电容器组C 2可承受瞬时大功率，实现磁场能量的快速回收，直至磁体电流降至零放电结束。
进一步地，电流的上升和下降时间可通过磁体电感值和高压电容器组容值进行配置，其计算方法为常规的LC振荡电路。
本实施例选择的超级电容器模块可以为MAXWELL公司生产的BM0D130P 056B03（标称参数56V/130F），其它型号亦可，无固定要求。本实施例的超级电容器组可以由32个BM0D130P056B03型超级电容器模块8串4并组成，其内阻R s为16.2mΩ，充电电压设为400V。
第一高压电容器组C 1和第二高压电容器组C 2的电容值设置为相同，例如可以为6mF，一次放电结束后，将C 1和C 2角色互换，实现能量重复利用。
直流控制开关Q 1由半导体器件（可以是IGBT、IGCT或晶闸管，等等）串并联组成，串并联数目根据系统最大电流、电压和器件的极限参数确定，其它部件选取规则与此相同。本实施例可以采用CAC4000-45型IGCT通过4串4并组成，晶闸管T1可以采用耐压16kV，可由多个晶闸管串并联构成。
多相交错并联DC/DC变换器可以采用4相交错并联BUCK电路拓扑结构，即n=4，其中开关器件Q bi（i=1，2···n）可以选择FZ3600R12HP4型IGBT，二极管D bi型号可以为5SDD60N2800，电感值L bi可以为75μH。
高压隔离单元D 1和续流二极管D 2可以由5SDD60N2800型二极管阵列组成，依据放电电流、电压选择其串并联的组数。
直流断路器S1作用为保护开关防止意外事故的发生，实验完成后断开电路防止电路误触发。本发明选用的直流断路器的型号可以为Gerapid 4207，其耐压4200V，最大通流能力40kA。
磁体用于将电路电流转换为磁场。本发明选用磁体的电参数可以为：电感值8mH，77k温度下电阻值为6mΩ。磁体磁场电流比常数为1.4T/kA，即每1kA电流产生1.4T磁场。磁体参数无固定要求，通过仿真和实验能满足要求即可。
精密电流传感器CT为量程可以20kA精密霍尔电流传感器，采集磁体电流信号；电压传感器VT可以采用高压隔离探头，采集第一高压电容器组端电压；并将所采集的电流和电压值送至控制器，以进行实时控制。
控制器的作用为：控制直流断路器S1和直流控制开关Q 1的开通和关断；触发晶闸管T1；采集精密电流传感器CT和电压传感器VT的信号，根据采集的信号，输出PWM控制信号控制所述多相交错并联DC/DC变换器的输出；实现系统的时序控制，并保证系统安全可靠运行。本实施例采用的控制器可以为CompactRIO9030实时控制系统。
采用上述配置参数，可以设定磁体参考电流Iref为10kA，平顶时间为1s，第一高压电容器组充电电压为11.6kV，超级电容器组充电400V。产生的平顶脉冲电流如图2所示，其对应的平顶脉冲磁场为10*1.4T=14T，稳定度优于10ppm。
相应的超级电容器电压波形、磁体电阻变化波形及磁体温度波形如图3所示，平顶期间超级电容器电压从400V下降至353V，磁体电阻从6mΩ增加至10mΩ（即平顶期间磁体电压从60V上升至100V），磁体温度从77K上升至97K。由此可见，本发明可以实现平顶磁体端电压的大范围调控，抵消超级电容电压和磁体电阻变化的影响，实现高效率（平顶占比大于90%）、高稳定度（优于10ppm）、长持续时间（可达秒级，具体取决于磁体温升，磁体温度不超过270K）的平顶脉冲磁场。超级电容器相比于蓄电池，功率密度可提升约15倍。
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 (10)

1.一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，包括：超级电容器电源、第一高压电容器组以及磁体；
所述超级电容器电源的正极与第一高压电容器组的正极和磁体的一端连接；
所述超级电容器电源的负极、第一高压电容器组的负极以及磁体的另一端共同接地；
对所述磁体放电前，对所述超级电容器电源和第一高压电容器组充电储能；
对所述磁体放电时，首先控制第一高压电容器组对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段；当检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始对磁体放电，以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，改变超级电容器电源内多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时第一高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，进入磁体电流下降阶段；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超级电容器组电源包括：超级电容器组、直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器；
所述超级电容器组通过直流断路器连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端，多相交错并联DC/DC变换器的输出端为超级电容器电源的正极；
所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，直流断路器为超级电容器电源的保护开关，多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：能量回收支路和直流控制开关；
所述磁体的另一端连接所述直流控制开关后接地；所述能量回收支路和直流控制开关并联；
在磁体电流上升阶段和磁体电流平顶阶段，所述直流控制开关开通，所述能量回收支路被短路；
在磁体电流下降阶段，所述直流控制开关关断，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中电感的磁场能量通过能量回收支路释放，实现磁场能量的回收，直至磁体电流降至零放电结束。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述能量回收支路包括：续流二极管和和第二高压电容器组；
磁体电流下降阶段，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管流入第二高压电容器组，第二高压电容器组可承受瞬时大功率，实现磁场能量的快速回收。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：高压隔离单元和晶闸管；
所述高压隔离单元的阳极连接超级电容器电源的正极，阴极连接第一高压电容器组的正极和晶闸管的正极；
所述晶闸管的负极连接磁体的一端；
所述高压隔离单元用于隔离第一高压电容器的高电压，以免超级电容器电源被所述高压击穿损坏；
所述晶闸管作为第一高压电容器组对磁体放电的开关。
6.根据权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，还包括：控制器、电压传感器以及电流传感器；
所述电流传感器采集磁体的电流值；
所述电压传感器采集第一高压电容器组的端电压；
所述控制器结合电流传感器和电压传感器采集的数据控制整个装置的工作过程，以产生平顶脉冲强磁场。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制器分别控制直流断路器、晶闸管以及直流控制开关的开通和关断；
且所述控制器输出多路PWM控制信号从控制多相交错并联DC/DC变换器。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，设置第一高压电容器组和第二高压电容器组的参数相同，对磁体进行一次放电后，将第一高压电容器组和第二高压电容器组互换位置，以实现能量重复利用。
9.一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生方法，其特征在于，包括如下步骤：
控制充电后的第一高压电容器组对磁体放电，以利用第一高压电容器组的高压大功率输出使磁体电流快速上升，此时处于磁体电流上升阶段；
当检测到磁体电流达到设定值时，控制超级电容器电源对磁体放电，以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，改变超级电容器电源内多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时第一高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定，此时处于磁体电流平顶阶段；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数；
当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，进入磁体电流下降阶段。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：在磁体电流下降阶段，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过能量回收支路释放，实现磁场能量的回收，直至磁体电流降至零放电结束；
所述能量回收支路包括：续流二极管和和第二高压电容器组；
所述磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管流入第二高压电容器组，第二高压电容器组可承受瞬时大功率，实现磁场能量的快速回收。
CN202110782904.4A 2021-07-12 2021-07-12 一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法 Active CN113258906B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110782904.4A CN113258906B (zh) 2021-07-12 2021-07-12 一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110782904.4A CN113258906B (zh) 2021-07-12 2021-07-12 一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113258906A true CN113258906A (zh) 2021-08-13
CN113258906B CN113258906B (zh) 2021-10-08

Family

ID=77191080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110782904.4A Active CN113258906B (zh) 2021-07-12 2021-07-12 一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113258906B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116614018A (zh) * 2023-07-19 2023-08-18 华中科技大学 一种重频平顶脉冲磁场发生装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140354076A1 (en) * 2012-06-22 2014-12-04 Sandia Corporation Linear transformer driver for pulse generation with fifth harmonic
CN107546980A (zh) * 2016-06-27 2018-01-05 三菱电机株式会社 直流电源装置
CN109560708A (zh) * 2018-11-01 2019-04-02 国家电网有限公司 一种数控高压直流发生装置及方法
CN113078840A (zh) * 2021-03-16 2021-07-06 华中科技大学 电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140354076A1 (en) * 2012-06-22 2014-12-04 Sandia Corporation Linear transformer driver for pulse generation with fifth harmonic
CN107546980A (zh) * 2016-06-27 2018-01-05 三菱电机株式会社 直流电源装置
CN109560708A (zh) * 2018-11-01 2019-04-02 国家电网有限公司 一种数控高压直流发生装置及方法
CN113078840A (zh) * 2021-03-16 2021-07-06 华中科技大学 电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHAOZHE ZHANG ET AL.: "Realization of High-Stability Flat-Top Pulsed Magnetic Fields by a Bypass Circuit of IGBTs in the Active Region", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 *
YONGHENG HUANG: "Design of an Active Ripple Compensator for the 50-T High-Stability Flat-Top Pulsed Magnetic Field", 《IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY》 *
余庆: "脉冲平顶磁场纹波抑制方法的研究", 《 中国优秀硕士论文电子期刊网-信息科技辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116614018A (zh) * 2023-07-19 2023-08-18 华中科技大学 一种重频平顶脉冲磁场发生装置
CN116614018B (zh) * 2023-07-19 2023-09-19 华中科技大学 一种重频平顶脉冲磁场发生装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN113258906B (zh) 2021-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ai et al. A family of high step-up cascade DC–DC converters with clamped circuits
CN108336922B (zh) 一种阵列式脉冲负载供电电路及其控制方法
CN101013860A (zh) 一种高压脉冲电容器充电装置
CN103546057A (zh) 一种高压大功率重复脉冲电源
CN102931867B (zh) 一种重复频率的脉冲倍压发生装置
CN113258906B (zh) 一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法
Toliyat et al. Soft switched ac-link AC/AC and AC/DC buck-boost converter
Alatai et al. Phase-Shifted LLC Resonant DC-DC Converter for Battery Charging Application
Wang et al. A High-Precision Flat-Top Pulsed Power Supply Topology Based on SFPFN and Active Coupled Inductor Filter
CN211127589U (zh) 单级式高频隔离型双向直流变换器和并网储能系统
Lee et al. Bidirectional DC-DC converter with multiple switched-capacitor cells
CN113258905B (zh) 一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法
Thumma et al. A new high-voltage gain non-isolated zero-current-switching bidirectional DC–DC converter
CN114759781A (zh) 基于开关电容的输入交错并联软开关高电压增益dc-dc变换器
CN204696955U (zh) 一种采用变压器辅助谐振的光伏逆变器
CN116614018B (zh) 一种重频平顶脉冲磁场发生装置
Farhni et al. A multilevel power converter with integrated storage for particle accelerators
Balasubramanian et al. Alleviate the voltage gain of high step-up DC to DC converter using quasi active switched inductor structure for renewable energy
Zeng et al. A Single-Switch Capacitor Clamped Non-Resonant Linear Soft-Switching DC-DC Converter
Wang et al. Fault ride-through scheme and control strategy of multilevel voltage-balancing DC-DC converter
CN205847087U (zh) 一种高增益准开关升压dc‑dc变换器
CN112636612A (zh) 一种充电机电源模块应用于等离子和微弧氧化电源的电路拓扑结构
CN210927112U (zh) 轧钢专用动态滤波补偿装置
Kavitha et al. Non isolated interleaved cuk converter for high voltage gain applications.
Yang et al. A three-level boost-buck converter for the ultracapacitor applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant