CN114094821A - 电容储能式脉冲阶梯电流发生电源 - Google Patents

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脉冲阶梯电流发生电源。本发明包括低压模块、高压模块、电感负载，低压模块的正输出点与高压模块的负输出点连接，低压模块的负输出点与高压模块的正输出点之间连接有电感负载，低压模块包括两个二极管、大容量低压电容、绝缘栅双极晶体管IGBT，高压模块包括两个二极管、小容量高压电容、晶闸管SCR。本发明能提供阶梯状的脉冲电流且平顶电流稳定度更高，每个阶梯的电流与持续时间均可调。

Description

电容储能式脉冲阶梯电流发生电源

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脉冲阶梯电流发生电源。

背景技术

环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环向磁场约束和稳定等离子体，故环向磁场线圈电源的负载是线圈，等效为电感。球形托卡马克是指环径比小于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的电容储能式环向磁场线圈电源工作方式是不控放电，只能产生一个电流平顶，不能产生阶梯状的脉冲电流。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种闭环控制的电容储能式环向场磁场线圈电源，能提供阶梯状的脉冲电流且平顶电流稳定度更高，每个阶梯的电流与持续时间均可调。

本发明采用的技术方案：

一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，包括低压模块、高压模块、电感负载，低压模块的正输出点与高压模块的负输出点连接，低压模块的负输出点与高压模块的正输出点之间连接有电感负载。

所述低压模块的负输出点与电感负载的负极连接，低压模块的正输出点与高压模块的负输出点连接，高压模块正输出点与电感负载的正极连接。

所述低压模块包括两个二极管、大容量低压电容、绝缘栅双极晶体管IGBT，大容量低压电容与一个二极管反向并联，并联电路与绝缘栅双极晶体管IGBT串联；绝缘栅双极晶体管IGBT的发射极与第二个二极管的阴极连接，第二个二极管的阳极与并联电路负极连接。

所述并联电路正极连接绝缘栅双极晶体管IGBT的集电极，第二个二极管阴极是低压模块的正输出点，第二个二极管阳极是低压模块的负输出点。

所述高压模块包括两个二极管、小容量高压电容、晶闸管SCR，小容量高压电容与一个二极管反向并联，并联电路负极与第二个二极管的阳极连接，第二个二极管阴极与晶闸管SCR的阴极连接。

所述并联电路正极与晶闸管SCR的阳极连接，第二个二极管阴极是高压模块的正输出点，第二个二极管阳极是高压模块的负输出点。

所述高压模块增加低电流到高电流的上升速度。

所述高压模块的数量为若干个，高压模块串联连接。

所述若干个高压模块中，第一个高压模块的正输出点与下一个高压模块的负输出点连接，以此类推。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明主要提供一种用于球形托卡马克装置的电容储能式环向磁场线圈电源，用于产生阶梯状的脉冲电流，所有电流平台上升时间均可变；所有电流平台持续时间均可调；所有平台电流均可调，电流稳定度随闭环控制频率变化；阶梯电流的阶梯数量均可增减。

附图说明

图1为本发明提供的电容储能式脉冲阶梯电流发生电源实施例一结构示意图：

图2为本发明提供的电容储能式脉冲阶梯电流发生电源实施例二结构示意图：

图3为本发明提供的电流平顶阶段电流路径示意图。

图4为本发明提供的电流上升阶段电流路径示意图。

图5为本发明提供的电流下降阶段电流路径示意图。

图6为电容储能式脉冲阶梯电流发生电源输出电流波形示意图。

图7为电容储能式脉冲四台阶电流发生电源设计波形。

图8为电容储能式脉冲两台阶电流发生电源设计波形。

图中：1-二极管、2-大容量低压电容、3-绝缘栅双极晶体管IGBT、4-小容量高压电容、5-晶闸管SCR、6-电感负载。

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。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，由一个低压模块和一个高压模块组成：

低压模块包括两个二极管1、大容量低压电容2、绝缘栅双极晶体管IGBT3，大容量低压电容2与一个二极管1反向并联，并联电路与绝缘栅双极晶体管IGBT3串联，并联电路正极连接绝缘栅双极晶体管IGBT3的集电极，绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与第二个二极管1的阴极连接，第二个二极管1的阳极与并联电路负极连接；第二个二极管1阴极是低压模块的正输出点，第二个二极管1阳极是低压模块的负输出点；

高压模块包括包括两个二极管1、小容量高压电容4、晶闸管SCR5，小容量高压电容4与一个二极管1反向并联，并联电路正极与晶闸管SCR5的阳极连接，并联电路负极与第二个二极管1的阳极连接，第二个二极管1阴极与晶闸管SCR5的阴极连接，第二个二极管1阴极是高压模块的正输出点，第二个二极管1阳极是高压模块的负输出点；

低压模块的正输出点与高压模块的负输出点连接，低压模块的负输出点与高压模块的正输出点之间连接有电感负载6。

高压模块的作用是增加低电流到高电流的上升速度。

低压模块的负输出点与电感负载6的负极连接，低压模块的正输出点与高压模块的负输出点连接，高压模块正输出点与电感负载6的正极连接。

本实施例的工作步骤如下：

第一步，给高低压电容充合适的初始电压值，所有开关管均关闭。

第二步，产生第一个平台电流，由于第一个台阶的上升时间没有要求，故不开启高压模块的SCR，等待电流爬升到平台电流额定值后低压模块开始PWM闭环调节；

第三步，产生第二个平台电流，要求电流台阶的上升时间≤7ms，故在台阶上升初始时刻开通高压模块，高压电容与低压电容串联得到高压使电感负载电流上升率增加；

第四步，技术效果，电容储能式脉冲两台阶电流发生电源实际波形见图8，本案例产生两台阶电流脉冲，第一个台阶的上升时间不做要求，低电流平台0-6kA可调，平台时间0-200ms可调，第二个电流台阶的上升时间小于7ms，高电流平台6kA-25kA可调，平台时间0-100ms可调。

第五步，电容能量逐渐减小，负载电流下降不能达到额定平顶电流，此刻视为电流平台结束，归为电容能量泄放阶段。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：

其中高压模块的数量为若干个，高压模块串联连接，即第一个高压模块的正输出点与下一个高压模块的负输出点连接，以此类推。

图3、图4、图5中深色粗线条是电流路径。

图3主要是产生平顶电流时的电流路径示意图，高压模块的晶闸管SCR5全部关闭，低压模块的绝缘栅双极晶体管IGBT3以某频率工作于闭环调制状态，当绝缘栅双极晶体管IGBT3导通时，电容2为电感负载提供电流，当绝缘栅双极晶体管IGBT3关闭时，低压模块的第二个二极管1为电感负载6续流，高压模块的第二个二极管1为电感负载6电流提供单向通路；

图4是低电流平台增加到高电流平台的上升阶段电流路径示意图，高压模块的晶闸管SCR5导通，小容量高压电容4投入电路，此时IGBT不关闭，相当于低压电容2与高压电容4串联提供大电压产生较高电流上升率，之后进入平顶电流工作阶段，晶闸管SCR5关闭。下一个电流台阶产生前投入下一个高压模块提升电流上升率，再下一个电流台阶产生前则投入下一个高压模块提升电流上升率，以此类推，阶梯数量取决于高压模块的数量；

图5是低压模块的IGBT3和高压模块的SCR5均关闭后的电流路径示意图，此时负载电流处于下降阶段，低压模块中与IGBT3发射极连接的二极管1和各高压模块中与SCR5阴极连接的二极管1为电感负载续流。

实施例2的工作步骤如下：

第一步，给高低压电容充合适的初始电压值，所有开关管均关闭。

第二步，产生第一个平台电流，由于第一个台阶的上升时间没有要求，故不需要开启任何高压模块的SCR，等待电流爬升到平台电流额定值后低压模块开始PWM闭环调节；

第三步，产生第二个平台电流，要求电流台阶的上升时间≤2ms，故在台阶上升初始时刻开通一个高压模块，高压电容与低压电容串联得到高压使电感负载电流上升率增加，第一个电流平台迅速上升到第二个电流平台；

第四步，产生多个平台电流，与第三步相同；

第五步，电容能量逐渐减小，负载电流下降不能达到额定平顶电流，此刻视为电流平台结束，归为电容能量泄放阶段。

第六步，波形效果，电容储能式脉冲四台阶电流发生电源实际波形见图7，本案例产生四台阶电流脉冲，第一个台阶的上升时间不做要求，其余电流台阶的上升时间均≤2ms，各电流平台分别是5kA、10kA、15kA、20kA，平台时间均为100ms。实施例二中所有电容必须在电源输出脉冲电流之前完成充电，实施例一中高压电容应在电流平顶阶段完成充电才能增加下一阶段低电流到高电流的上升速度。

当高压电容充电时间大于电流的阶梯平顶时间时，用实施例二。

当高压电容充电时间小于电流的阶梯平顶时间时，用实施例一。

实施例一与实施例二中所有电容的反向并联二极管作用是防止电容被反向充电。低压模块是闭环控制，应添加电流传感器测量负载电流作为反馈，高压模块是开环控制，开通信号是电流参考值的上升沿。

图6是上述方案的脉冲阶梯电流的效果示意图：

图中O点表示波形起点，即0时刻，A点是第一个电流平台的起点，B点是第一个电流平台的终点，AB电流为I1，C点是第二个电流平台的起点，D点是第二个电流平台的终点，CD段电流为I2，E点是第三个电流平台的起点，F点是第三个电流平台的终点，EF电流为I3，G点是第n个电流平台的起点，H点是第n个电流平台的终点，GH段电流为In，H点之后是负载电流续流阶段。

tr1是产生第一个电流平台之前的上升时间；

td1是第一个电流平台的持续时间；

tr2是第一个电流平台向二个电流平台过渡的上升时间；

td2是第二个电流平台的持续时间；

tr3是第二个电流平台向三个电流平台过渡的上升时间；

td3是第三个电流平台的持续时间；

trn是第n-1个电流平台向n个电流平台过渡的上升时间；

tdn是第n个电流平台的持续时间；

tf是脉冲电流下降时间，通常对此没有要求；

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 (9)

1.一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：包括低压模块、高压模块、电感负载(6)，低压模块的正输出点与高压模块的负输出点连接，低压模块的负输出点与高压模块的正输出点之间连接有电感负载(6)。

2.根据权利要求1所述的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：所述低压模块的负输出点与电感负载(6)的负极连接，低压模块的正输出点与高压模块的负输出点连接，高压模块正输出点与电感负载(6)的正极连接。

3.根据权利要求2所述的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：所述低压模块包括两个二极管(1)、大容量低压电容(2)、绝缘栅双极晶体管IGBT(3)，大容量低压电容(2)与一个二极管(1)反向并联，并联电路与绝缘栅双极晶体管IGBT(3)串联；绝缘栅双极晶体管IGBT(3)的发射极与第二个二极管(1)的阴极连接，第二个二极管(1)的阳极与并联电路负极连接。

4.根据权利要求3所述的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：所述并联电路正极连接绝缘栅双极晶体管IGBT(3)的集电极，第二个二极管(1)阴极是低压模块的正输出点，第二个二极管(1)阳极是低压模块的负输出点。

5.根据权利要求2所述的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：所述高压模块包括两个二极管(1)、小容量高压电容(4)、晶闸管SCR(5)，小容量高压电容(4)与一个二极管(1)反向并联，并联电路负极与第二个二极管(1)的阳极连接，第二个二极管(1)阴极与晶闸管SCR(5)的阴极连接。

6.根据权利要求5所述的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：所述并联电路正极与晶闸管SCR(5)的阳极连接，第二个二极管(1)阴极是高压模块的正输出点，第二个二极管(1)阳极是高压模块的负输出点。

7.根据权利要求6所述的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：所述高压模块增加低电流到高电流的上升速度。

8.根据权利要求7所述的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：所述高压模块的数量为若干个，高压模块串联连接。

9.根据权利要求8所述的一种电容储能式脉冲阶梯电流发生电源，其特征在于：所述若干个高压模块中，第一个高压模块的正输出点与下一个高压模块的负输出点连接，以此类推。

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