CN113794363B - 一种平顶磁场拓扑电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平顶磁场拓扑电路，采用主供电单元配合有源滤波器协同供电的方式来维持负载电流的平顶，与传统的电路中存在着多个大功率电感元件和变压器元件相比，本发明中仅采用了一个滤波电感，减小了装置的体积；并且本发明中的补偿电路采用的是直流buck电路，只需要控制一个开关器件，而传统平定电路采用的是桥式buck电路，由于需要控制四个开关器件，结构和控制都较为复杂。因此，本发明克服了传统电路中普遍存在的传输线型PFN无法适应负载变化、且会引入多个大功率电感、有源滤波器结构和控制过于复杂、有源滤波器多通过耦合互感接入主回路引起体积过大的缺点，电路结构简单可靠，控制过程简单，能够产生稳定的脉冲平顶磁场。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率领域，更具体地，涉及一种平顶磁场拓扑电路及其控制方法。
背景技术
强磁场作为一种极端环境，为物理、化学、生物等领域的科学研究提供了许多发现物质新特性和新现象的机会。强磁场分为稳态强磁场和脉冲强磁场两类。稳态强磁场具有持续时间长，稳定度高的优点，保证了科学实验的稳定性并提供了足够的观测时间，但是场强较低，维持大场强对于电源的要求很高且会消耗大量能量。脉冲强磁场相比于稳态强磁场，具有磁场峰值强度较高的优点，但是成本高且可重复性差，一般只应用于对磁场峰值强度要求高的场合。
相较于稳态磁场，脉冲平顶强磁场兼具稳态强磁场的高稳定度和脉冲强磁场的低能耗优势，能够在平顶阶段保持较高的稳定度，提供纹波系数小、电磁干扰小，功耗小的强磁场来为相应的科学实验提供条件，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。
脉冲平顶强磁场可广泛应用于核磁共振、中子衍射、磁制冷、电磁成型、电磁焊接、太赫兹、电磁发射、等离子体压缩等多个科研领域及工业生产领域。是未来磁场研究和发展的重要方向，主要的研究方向是追求更大的磁场强度、更长的平顶脉冲宽度以及更高的稳定度。
针对大功率脉冲平顶磁场拓扑电路，目前主流方案主要存在以下问题：1、传统脉冲平顶磁场电路拓扑用来作为主供电的PFN(Pulses Generated Net，脉冲产生网络)为模拟传输线模型的LC级联网络，需要根据负载设计网络参数，负载改变后无法适应负载，且会引入多个大功率电感，体积较大；2、传统电路多采用复杂的全桥移相有源滤波器来进行纹波补偿，控制复杂，且需要多个开关器件和变压器；3、有源滤波器多通过耦合互感接入主回路，体积庞大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种平顶磁场拓扑电路及其控制方法，由此解决现有的脉冲平顶磁场拓扑电路体积大、控制复杂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种由上升沿电容、第一开关、滤波电感、滤波电阻、感性负载依次串联构成的第一放电回路；由主供电单元、第二开关、滤波电感、滤波电阻、感性负载依次串联构成的第二放电回路；由有源滤波器、第三开关、感性负载依次串联构成的补偿放电回路；
所述第一放电回路用于对滤波电感和感性负载放电，使感性负载电流达到平顶值；所述第二放电回路和补偿放电回路用于在感性负载电流达到平顶值后，同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。
优选地，所述主供电单元为带放电开关的电容器组、三相不控整流发电机或脉冲发电机中的任意一种；
所述有源滤波器为单相buck变换器、三相buck变换器、三相boost变换器、三相boos变换器、单相buck-boost变换器、三相buck-boost变换器或直流蓄电池组中的任意一种。
优选地，所述主供电单元为电容器组、所述第二开关为电容器组的放电开关，且所述有源滤波器为单相buck变换器时，上升沿电容与感性负载满足以下关系式：
Ucf＝ImaxRm；
其中，Lm、Rm分别表示感性负载的电感值与电阻值，Lf为滤波电感值；C0为上升沿电容的电容值；Ucf为有源滤波器输出端滤波电容的初始电压；UC0为上升沿电容的初始电压；Imax为负载电流的平顶值；Cdc为buck电路输入侧电容值，UCdc为其初始电压，ibuck为buck支路输出的电流，t0和t3分别为单个平顶脉冲开始时刻和结束时刻。
优选地，所述平顶磁场拓扑电路还包括分别与上升沿电容、主供电单元和有源滤波器连接的充电机，用于对上升沿电容、主供电单元和有源滤波器充电。
优选地，所述充电机为高压充电机。
优选地，所述第一开关、第二开关和第三开关均为晶闸管。
按照本发明的第二方面，提供了一种如第一方面所述的平顶磁场拓扑电路的控制方法，包括：
S1，分别对上升沿电容、主供电单元、有源滤波器充电；
S2，充电完毕后，导通所述第一放电回路，以使上升沿电容对滤波电感和感性负载进行放电，直至感性负载电流达到平顶值；
S3，同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，使主供电单元和有源滤波器同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。
优选地，在t1时刻同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，使主供电单元和有源滤波器同时对感性负载供电，以产生平顶磁场；
且t1与Lm、Rm满足以下关系式：
其中，Lm、Rm分别表示感性负载的电感值与电阻值，Lf为滤波电感值，Rf为滤波电阻值，C0为上升沿电容的电容值。
优选地，当所述主供电单元为带放电开关的电容器组且所述有源滤波器为单相buck变换器时，所述同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，具体为：
同时导通第三开关和电容器组中第一级电容器的放电开关，并按照预设时间间隔Δt依次导通电容器组中其它电容器的放电开关。
优选地，所述预设时间间隔Δt的计算公式为：
t2-t1＝nΔt
其中，t1为同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路的时刻；t2为平顶结束时刻；n为电容器组中的电容器数量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的平顶磁场拓扑电路，采用主供电单元配合有源滤波器协同供电的方式来维持负载电流的平顶，与传统的电路中存在着多个大功率电感元件和变压器元件相比，本发明中仅采用了一个滤波电感，减小了装置的体积。
2、本发明中的补偿电路采用的是直流buck电路，只需要控制一个开关器件，而传统平定电路采用的是桥式buck电路，由于需要控制四个开关器件，结构和控制都较为复杂。因此，本发明克服了传统电路中普遍存在的传输线型PFN无法适应负载变化、且会引入多个大功率电感、有源滤波器结构和控制过于复杂、有源滤波器多通过耦合互感接入主回路引起体积过大的缺点，电路结构简单可靠，控制过程简单，能够产生稳定的脉冲平顶磁场。
3、本发明提供的平顶磁场拓扑电路，具有体积小、结构简单、系统可靠性强等优点，且器件多为半控器件，耐压耐流能力强，适用于大功率场合，如大部分有关脉冲平顶磁场的科学实验和创造的场合，具有一定的普适性。
附图说明
图1为本发明提供的平顶磁场拓扑电路结构示意图之一；
图2为本发明提供的平顶磁场拓扑电路结构示意图之二；
图3为本发明提供的平顶磁场拓扑电路产生电路负载电流的典型波形示意图。
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。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。
本发明实施例提供一种平顶磁场拓扑电路，如图1所示，包括：由上升沿电容、第一开关、滤波电感、滤波电阻、感性负载依次串联构成的第一放电回路；由主供电单元、第二开关、滤波电感、滤波电阻、感性负载依次串联构成的第二放电回路；由有源滤波器、第三开关、感性负载依次串联构成的补偿放电回路；
所述第一放电回路用于对滤波电感和感性负载放电，使感性负载电流达到平顶值；所述第二放电回路和补偿放电回路用于在感性负载电流达到平顶值后，同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。
具体地，本发明提供的平顶磁场拓扑电路，通过所述第一放电回路、第二放电回路和补偿放电回路之间相互配合放电的方式，分时段投切供电，并且在平顶阶段采用主供电单元和有源滤波器一起投入对感性负载供电的方式，来产生稳定的平顶磁场。
首先由所述第一放电回路用于对滤波电感和感性负载放电，使感性负载电流达到平顶值，再由所述第二放电回路和补偿放电回路用于在感性负载电流达到平顶值后，同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。
进一步地，如图1所示，所述平顶磁场拓扑电路还包括分别与上升沿电容、主供电单元和有源滤波器连接的充电机，用于对上升沿电容、主供电单元和有源滤波器充电。
具体地，在所述第一放电回路用于对滤波电感和感性负载放电，使感性负载电流达到平顶值之前，通过分别与上升沿电容、主供电单元和有源滤波器连接的充电机，对对上升沿电容、主供电单元和有源滤波器充电。
放电前，充电机对上升沿电容以及有源滤波器输出端的滤波电容充电，如果主供电单元为电容器组则也需要对其进行充电，同理如果有源滤波器的前级为电容储能则也需要提前充电。
进一步地，其特征在于，所述充电机为高压充电机。
具体地，利用外接高压充电机对储能电容充电。
进一步地，所述第一开关、第二开关和第三开关均为晶闸管。
具体地，上升沿电容、和有源滤波器均经晶闸管与电路相连接来控制其投切。
放电时，先投入上升沿电容对感性负载放电，负载电流上升至峰值时，主供电单元和有源滤波器一起投入对感性负载供电，从而产生平顶电流波形，最后负载电流过零，晶闸管自然关断。
进一步地，所述主供电单元为带放电开关的电容器组、三相不控整流发电机或脉冲发电机中的任意一种；
所述有源滤波器为单相buck变换器、三相buck变换器、单相boost变换器、三相boost变换器、单相buck-boost变换器、三相buck-boost变换器或直流蓄电池组中的任意一种。
优选地，如图2所示，主供电单元为带放电开关的电容器组，即带晶闸管的电容器组；所述有源滤波器为单相buck变换器，即以储能电容为电压输入的直流buck电路，以直流大电容为输入的buck电路。即本发明提供的平顶磁场拓扑电路包括：上升沿电容、高压充电机、带放电开关的电容器组、感性负载、滤波电感、作为有源滤波器的直流buck电路,其中有源滤波器的输出端包含了一个滤波电容。
进一步地，所述主供电单元为电容器组、所述第二开关为电容器组的放电开关，且所述有源滤波器为单相buck变换器时，上升沿电容与感性负载满足以下关系式：
Ucf＝ImaxRm (2)
其中，Lm、Rm分别表示感性负载的电感值与电阻值，Lf为滤波电感值；C0为上升沿电容的电容值；Ucf为有源滤波器输出端滤波电容的初始电压；UC0为上升沿电容的初始电压；Imax为负载电流的平顶值；Cdc为buck电路输入侧电容值，UCdc为其初始电压，ibuck为buck支路输出的电流，即流经晶闸管T7的电流，t0和t3分别为单个平顶脉冲开始时刻和结束时刻。
即，电路参数设计过程中，上升沿电容对感性负载放电过程满足式(1)-(3)。
本发明实施例提供一种如上述任一实施例所述的平顶磁场拓扑电路的控制方法，包括：
S1，分别对上升沿电容、主供电单元、有源滤波器充电。
具体地，可通过控制分别与上升沿电容、主供电单元和有源滤波器连接的充电机对上升沿电容、主供电单元和有源滤波器充电。
S2，充电完毕后，导通所述第一放电回路，以使上升沿电容对滤波电感和感性负载进行放电，直至感性负载电流达到平顶值。
具体地，充电完毕后，闭合第一开关，以导通所述第一放电回路，以使上升沿电容对滤波电感和感性负载进行放电，直至感性负载电流达到平顶值。
S3，同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，使主供电单元和有源滤波器同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。
具体地，同时闭合第二开关和第三开关，以导通所述第二放电回路和补偿放电回路，使主供电单元和有源滤波器同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。
进一步地，在t1时刻同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，使主供电单元和有源滤波器同时对感性负载供电，以产生平顶磁场；
且t1与Lm、Rm满足以下关系式：
其中，Lm、Rm分别表示感性负载的电感值与电阻值，Lf为滤波电感值，Rf为滤波电阻值，C0为上升沿电容的电容值。
具体地，在t1时刻同时闭合第二开关和第三开关，以导通所述第二放电回路和补偿放电回路，使主供电单元和有源滤波器同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。
进一步地，当所述主供电单元为带放电开关的电容器组且所述有源滤波器为单相buck变换器时，所述同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，具体为：
同时导通第三开关和电容器组中第一级电容器的放电开关，并按照预设时间间隔Δt依次导通电容器组中其它电容器的放电开关。
进一步地，所述预设时间间隔Δt的计算公式为：
t2-t1＝nΔt (5)
其中，t1为同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路的时刻；t2为平顶结束时刻；n为电容器组中的电容器数量。
选取一个周期的脉冲电流进行分析，如图2-3所示，可分为以下四个阶段：
(1)t0时刻之前：充电机对上升沿电容C0、电容器组Cset、buck型有源滤波器的输入电容Cdc以及输出端的滤波电容Cf充电，充电电压按照式(1)-(3)整定；
(2)t0时刻：当所有电容充电完毕后，断开主电路与充电机的连接，开通上升沿电容C0的放电开关，即第一开关，上升沿电容C0对负载以及滤波电感进行放电。按照(1)式的整定，在t1时刻，负载和滤波电感达到电流峰值Imax，即电流变化率为0，此时上升沿电容C0的电压为ImaxRm+ImaxRf，t1的具体值可以通过式(2)来实现整定，或者通过检测滤波电感电流的变换率为0(或上升沿电容C0的电压为ImaxRm+ImaxRf)的时刻来确定；
(3)t1时刻：此时同时导通电容器组Cset的第一级电容器放电开关和buck型有源滤波器的第三开关T7。在接下来的电流平顶阶段t1～t2，按照时间间隔Δt依次导通电容器组的其他几级电容器开关，导通的时间间隔的Δt整定方法为：保证整个平顶过程中，流过滤波电感的电流ILf≤Imax。在此过程中，buck型有源滤波器会补偿电流低于Imax的部分，在负载中产生稳定的平顶电流；
(4)t2时刻：此时电容器组Cset中所有电容器均放电完毕，平顶结束；假设电容器组Cset中有n个电容器，则满足t2-t1＝nΔt，其中，Δt为时间间隔；在t2时刻关断buck型有源滤波器中的IGBT，负载电流经滤波电容Cf续流，在t3时刻衰减为0，放电过程结束。
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 (8)
1.一种平顶磁场拓扑电路，其特征在于，包括：
由上升沿电容、第一开关、滤波电感、滤波电阻、感性负载依次串联构成的第一放电回路；由主供电单元、第二开关、所述滤波电感、滤波电阻、感性负载依次串联构成的第二放电回路；由有源滤波器、第三开关、感性负载依次串联构成的补偿放电回路；
所述第一放电回路用于对滤波电感和感性负载放电，使感性负载电流达到平顶值；所述第二放电回路和补偿放电回路用于在感性负载电流达到平顶值后，同时对感性负载供电，以产生平顶磁场；
所述感性负载包括相互串联的电感与电阻；
所述主供电单元为带放电开关的电容器组、三相不控整流发电机或脉冲发电机中的任意一种；
所述有源滤波器为单相buck变换器、三相buck变换器、三相boost变换器、单相boost变换器、单相buck-boost变换器、三相buck-boost变换器或直流蓄电池组中的任意一种；
所述主供电单元为电容器组、所述第二开关为电容器组的放电开关，且所述有源滤波器为单相buck变换器时，上升沿电容与感性负载满足以下关系式：
Ucf＝ImaxRm；
其中，Lm、Rm分别表示感性负载的电感值与电阻值，Lf为滤波电感值；C0为上升沿电容的电容值；Ucf为有源滤波器输出端滤波电容的初始电压；UC0为上升沿电容的初始电压；Imax为负载电流的平顶值；Cdc为buck电路输入侧电容值，UCdc为其初始电压，ibuck为buck支路输出的电流，t0和t3分别为单个平顶脉冲开始时刻和结束时刻，Rf为滤波电阻值。
2.如权利要求1所述的平顶磁场拓扑电路，其特征在于，所述平顶磁场拓扑电路还包括分别与上升沿电容、主供电单元和有源滤波器连接的充电机，用于对上升沿电容、主供电单元和有源滤波器充电。
3.如权利要求2所述的平顶磁场拓扑电路，其特征在于，所述充电机为高压充电机。
4.如权利要求1所述的平顶磁场拓扑电路，其特征在于，所述第一开关、第二开关和第三开关均为晶闸管。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的平顶磁场拓扑电路的控制方法，其特征在于，包括：
S1，分别对上升沿电容、主供电单元、有源滤波器充电；
S2，充电完毕后，导通所述第一放电回路，以使上升沿电容对滤波电感和感性负载进行放电，直至感性负载电流达到平顶值；
S3，同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，使主供电单元和有源滤波器同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。
6.如权利要求5所述的平顶磁场拓扑电路的控制方法，其特征在于，在t1时刻同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，使主供电单元和有源滤波器同时对感性负载供电，以产生平顶磁场；
且t1与Lm、Rm满足以下关系式：
其中，Lm、Rm分别表示感性负载的电感值与电阻值，Lf为滤波电感值，Rf为滤波电阻值，C0为上升沿电容的电容值。
7.如权利要求5或6任一项所述的平顶磁场拓扑电路的控制方法，其特征在于，当所述主供电单元为带放电开关的电容器组且所述有源滤波器为单相buck变换器时，所述同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路，具体为：
同时导通第三开关和电容器组中第一级电容器的放电开关，并按照预设时间间隔Δt依次导通电容器组中其它电容器的放电开关。
8.如权利要求7所述的平顶磁场拓扑电路的控制方法，其特征在于，所述预设时间间隔Δt的计算公式为：
t2-t1＝nΔt
其中，t1为同时导通所述第二放电回路和补偿放电回路的时刻；t2为平顶结束时刻；n为电容器组中的电容器数量。
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