CN114094820B - 电容储能式电流下降斜率可调电源 - Google Patents

电容储能式电流下降斜率可调电源 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电容储能式电流下降斜率可调电源。本发明包括储能电容、二极管、晶闸管SCR、电感负载和调节模块，其中储能电容正极与反并联二极管的阴极连接后与晶闸管SCR的阳极连接，晶闸管SCR的阴极与调节模块组合的正极连接，调节模块组合的负极连接到电感负载的正极，电感负载的负极连接至储能电容的负极和反并联二极管的阳极。本发明能够解决多开关管串联均压的问题，解决电流脉冲下降斜率调节的问题，阻断相关线圈在电源不工作时的所有续流回路防止从装置变化磁场中感应电流。

Description

电容储能式电流下降斜率可调电源
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电容储能式电流下降斜率可调电源。
背景技术
极向磁场线圈是托卡马克装置主要部件之一，通过线圈为装置提供强极向磁场，故极向磁场线圈电源的负载是线圈，等效为电感。球形托卡马克装置是指环径比小于1.5的托卡马克装置，通常用廉价灵活的电容组储能。
现有技术中用于球形托卡马克装置预电离的电容储能式极向磁场线圈电源的电流下降斜率不可调，且如果要产生更大电流下降斜率，需多个开关管串联承受高压，增加了均压保护的困难。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种电容储能式电流下降斜率可调电源，解决多开关管串联均压的问题，解决电流脉冲下降斜率调节的问题，阻断相关线圈在电源不工作时的所有续流回路防止从装置变化磁场中感应电流。
本发明采用的技术方案：
一种电容储能式电流下降斜率可调电源，包括储能电容、二极管、晶闸管SCR、电感负载和调节模块，其中储能电容正极与反并联二极管的阴极连接后与晶闸管SCR的阳极连接，晶闸管SCR的阴极与调节模块组合的正极连接，调节模块组合的负极连接到电感负载的正极，电感负载的负极连接至储能电容的负极和反并联二极管的阳极。
所述调节模块包括绝缘栅双极晶体管IGBT、压敏电阻、RCD阻容吸收组件，压敏电阻、RCD阻容吸收组件均与绝缘栅双极晶体管IGBT并联，绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极作为调节模块的正极，绝缘栅双极晶体管IGBT的发射极作为调节模块的负极。
所述调节模块包含若干个，后一个调节模块的正极与前一个调节模块的负极连接，以此类推，形成调节模块的串联组合。
所述RCD阻容吸收组件与压敏电阻并联用于抑制IGBT两端电压。
所述压敏电阻具有较大耐冲击电流能力。
所述当回路电流降低到微安甚至更小时，RCD阻容吸收组件作为压敏电阻的补充，吸收剩余能量避免IGBT两端产生高电压毛刺。
所述压敏电阻替换为无感电阻或者普通电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.增加晶闸管SCR，阻断相关线圈在电源不工作时的所有续流回路防止从装置变化磁场中感应电流，影响装置运行。
2.使电流下降波形呈线性下降趋势，改善已有技术中的脉冲电流的非线性下降波形，图4是改善前后的下降波形对比，(a)是已有技术的脉冲电流非线性下降波形，(b)是改善后的线性下降波形。
3.使脉冲电流下降斜率可调，图5四组图是电流下降斜率调节对比波形。
4.提供多开关管串联的均压解决办法，将压敏电阻作为续流回路并联到IGBT两端电压可限制电压，模块化的设计减轻了开关器件的电压应力，各串联模块不需要额外的均压措施。
附图说明
图1是本发明提供的电流脉冲下降斜率可调的极向磁场线圈电源原理图；
图2是本发明提供的子模块投入状态工作示意图；
图3是本发明提供的子模块切出状态工作示意图；
图4是本发明提供的脉冲电流下降波形改善前后对比图；
图5是本发明提供的改进后脉冲电流下降波形调节对比图；
图6是本发明提供的改进前脉冲电流下降波形调节对比图。
图中：1-储能电容、2-二极管、3-晶闸管SCR、4-绝缘栅双极晶体管IGBT、5-压敏电阻、6-电感负载、7-RCD阻容吸收组件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所述，本发明提供的一种电容储能式电流下降斜率可调电源，包括储能电容1、二极管2、晶闸管SCR3、电感负载6和若干个调节模块，
其中储能电容1正极与反并联二极管2的阴极连接后与晶闸管SCR3的阳极连接，晶闸管SCR3的阴极与调节模块组合的正极连接，调节模块组合的负极连接到电感负载6的正极，电感负载6的负极连接至储能电容1的负极和反并联二极管的阳极。
调节模块包括绝缘栅双极晶体管IGBT4、压敏电阻5、RCD阻容吸收组件7，压敏电阻5、RCD阻容吸收组件7均与绝缘栅双极晶体管IGBT4并联，绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极作为调节模块的正极，绝缘栅双极晶体管IGBT4的发射极作为调节模块的负极，后一个调节模块的正极与前一个调节模块的负极连接，以此类推，形成调节模块的串联组合，根据实际所需的最大电流下降斜率情况增减调节模块的数量。RCD阻容吸收组件7与压敏电阻5并联用于抑制IGBT4两端电压。压敏电阻5的耐冲击电流较大，当回路电流降低到微安甚至更小时，RCD阻容吸收组件7可作为压敏电阻5的补充，吸收剩余能量避免IGBT4两端产生高电压毛刺。图2、图3是模块工作状态示意图，图中深色粗线条表示电流路径，每个模块有“投入”与“切出”两个工作状态：
图2定义为投入状态，此时IGBT4关断，压敏电阻5支路成为续流回路，负载电流下降斜率增加；
图3定义为切出状态，此时IGBT4导通，IGBT支路是续流回路，切出的模块对负载电流下降斜率增加不做贡献。
案例一，共有四个调节模块，设每个模块的参数均一样，每个模块的压敏电阻残压是2kV，电源输出脉冲电流峰值是4kA，工作步骤如下：
第一步，储能电容1充电，此刻所有IGBT与晶闸管SCR均处于关闭状态；
第二步，脉冲电流开始爬升，此时能量从电容1流向负载6，所有IGBT与晶闸管SCR均处于开通状态，所有调节模块均切出；
第三步，调节电流下降斜率，在脉冲电流爬升到峰值的时刻，根据所需的下降斜率选择投入的调节模块数量；
第四步，关闭系统，当脉冲电流下降到零之后，关闭所有IGBT与晶闸管SCR。
输出波形见图5，(a)投入一个调节模块，(b)投入两个调节模块，(c)投入三个调节模块，(d)投入四个调节模块。上述控制方法及仿真总结见表1，如果四个模块均不投入，则为自然放电过程，下降斜率不可控。通过改变投入的模块数量，实现了脉冲电流下降斜率间断可调，投入一个模块时，下降斜率为-2.5×106A/s；投入两个模块时，下降斜率为-5.0×106A/s；投入三个模块时，下降斜率为-7.5×106A/s；投入四个模块时，下降斜率为-10.2×106A/s。
表1图5数据表
图5 投入模块数量 切出模块数量 下降斜率(A/s)
(a) 1 3 -2.5×106
(b) 2 2 -5.0×106
(c) 3 1 -7.5×106
(d) 4 0 -10.2×106
可以规避或替换的技术手段：将图1中的压敏电阻5换为无感电阻或者普通电阻。图6是将压敏电阻5换为无感电阻后的脉冲电流下降波形调节对比图，表2总结了图6的数据，可见将压敏电阻换为无感电阻后下降斜率呈非线性下降趋势。
表2图6数据表
图6 投入模块数量 切出模块数量 最大下降斜率(A/s)
(a) 1 3 -2.5×106
(b) 2 2 -4.8×106
(c) 3 1 -7.2×106
(d) 4 0 -9.5×106
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种电容储能式电流下降斜率可调电源，其特征在于：包括储能电容(1)、二极管(2)、晶闸管SCR(3)、电感负载(6)和调节模块，其中储能电容(1)正极与反并联二极管(2)的阴极连接后与晶闸管SCR(3)的阳极连接，晶闸管SCR(3)的阴极与调节模块组合的正极连接，调节模块组合的负极连接到电感负载(6)的正极，电感负载(6)的负极连接至储能电容(1)的负极和反并联二极管的阳极；
所述调节模块包括绝缘栅双极晶体管IGBT(4)、压敏电阻(5)、RCD阻容吸收组件(7)，压敏电阻(5)、RCD阻容吸收组件(7)均与绝缘栅双极晶体管IGBT(4)并联，绝缘栅双极晶体管IGBT(4)的集电极作为调节模块的正极，绝缘栅双极晶体管IGBT(4)的发射极作为调节模块的负极。
2.根据权利要求1所述的一种电容储能式电流下降斜率可调电源，其特征在于：所述调节模块包含若干个，后一个调节模块的正极与前一个调节模块的负极连接，以此类推，形成调节模块的串联组合。
3.根据权利要求2所述的一种电容储能式电流下降斜率可调电源，其特征在于：所述RCD阻容吸收组件(7)与压敏电阻(5)并联用于抑制IGBT(4)两端电压。
4.根据权利要求3所述的一种电容储能式电流下降斜率可调电源，其特征在于：当回路电流降低到微安甚至更小时，RCD阻容吸收组件(7)作为压敏电阻(5)的补充，吸收剩余能量避免IGBT(4)两端产生高电压毛刺。
5.根据权利要求4所述的一种电容储能式电流下降斜率可调电源，其特征在于：所述压敏电阻(5)替换为无感电阻或者普通电阻。
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