CN115208229A - 一种电感储能脉冲发生器 - Google Patents

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    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Abstract

本发明提出一种电感储能脉冲发生器，其将感应叠加与电感储能相结合，利用感应叠加原理实现多模块电压叠加，用电感储能替代传统的电容储能，提升脉冲电源功率密度，减少体积。本发明旨在减少开关数量、开关功率等级、开关的情况下，采用少许元器件，即可实现快前沿、高压重频脉冲输出。本发明采用感应叠加技术获得输出电压倍增，通过增加多级电感储能模块数量以及变压器的副边绕组个数，即可增加输出电压等级，具有良好的可拓展性和更高的储能密度，此外，本发明的脉冲发生器还具有简易可行、小型化、低成本、各级接地的优势。

Description

一种电感储能脉冲发生器
技术领域
本发明属于脉冲功率领域，具体涉及一种电感储能脉冲发生器。
背景技术
近年来，脉冲功率技术已经从传统的核聚变研究领域扩展到各种各样的产业应用，例如食品加工、水处理、材料改性、生物医学等各种等离子体应用领域，研究表明，与其他激励源相比，脉冲激励的低温等离子体具有：1)高放电稳定性，防止局部过热；2)快前沿加强气体的激发与电离过程等离子体密度更高；3)粒子活性更高，种类更多，然而，脉冲功率源受限于高压输出与绝缘之间的矛盾、快前沿与放电回路杂散杂散参数之间的矛盾以及短脉冲与开关重复频率之间的矛盾，现有脉冲电源多采用电容储能，具有成本造价和充电电压较高、体积较大、放电回路杂散电感制约脉冲上升时间的劣势，采用电感储能的脉冲激励源体积更小，而且可以兼顾快前沿、短脉冲的优点，有望推进大规模产业化应用。
中国发明专利CN05958857B提出了一种利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，该脉冲电源包括超导脉冲变压器和多模块超导储能电感实现脉冲电压输出，除此之外还包括连接转换支路、续流支路、能量回收支路、电感充电电路、切换电路和负载控制支路，整体电路复杂，该电路具有以下两个问题：1)该脉冲电源需采用超导手段处理脉冲变压器和储能电感，对超导的材料技术与配套装置有很高的要求，设备造价高，并伴有失超的潜在危险。2)电容与电感进行多次能量来回传输，引起不必要的能量损耗。中国发明专利CN107222122B提出了一种电容混合式多级电感储能型脉冲电源，该脉冲电源主要包含三个晶闸管，n级电感单元、能量转换电容、脉冲调整电感和二极管，该电源具有体积精简、储能能级高和成本低廉的优点，但负载电流的上升时间与转换电容、电感单元数，储能电感感值与电感之间耦合系数密切相关，元器件计算繁琐复杂，同时输出负载电流具有二次峰，也无法实现快前沿、短脉冲，不适合于对前沿与脉冲宽度有严苛要求的等离子体方面工业应用。
目前，基于全固态半导体开关研制出来的高压脉冲源，主要代表是Marx发生器和直线型变压器驱动源(LTD)。对于传统的固态Marx发生器，采用电容储能方式，中国实用新型专利CN209046525U提出了一款全固态Marx高压脉冲源，可实现脉冲可调的高压输出，高阻抗负载时，输出电压约是充电电压的N倍。此电源每一级开关需要单独设计隔离驱动电路，设计难度较大，除此之外，需配套高压直流充电电源，整体系统装置复杂。不适合对成本、体积、重量以及充电电压有要求的大规模工业化应用。中国发明专利CN110995210A介绍了一款多匝LTD脉冲变压器，其每级增加了磁芯匝数，省略了开关隔离驱动电路。虽然减少了设计难度，但是每级增加了磁芯和开关数量，在体积、成本、重量，充电电压等级方面并无提升。
目前常用的全固态脉冲电源多采用电容储能方式，输出脉冲具有高灵活性与可控关断性，然而脉冲功率源主要存在以下几个问题：1)开关隔离驱动设计问题，2)充电电压等级要求问题，3)紧凑型与小型化，4)放电回路中的杂散电感等问题，5)体积大、成本高、短脉冲实现困难等问题，不适合大规模工业化应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种电感储能脉冲发生器，其将感应叠加与电感储能相结合，利用感应叠加原理实现多模块电压叠加，用电感储能替代传统的电容储能，提升了脉冲电源功率密度，减少体积。本发明旨在减少成本(开关数量、开关功率等级、开关)的情况下，采用少许元器件，即可实现快前沿、高压重频脉冲输出。本发明采用感应叠加技术获得输出电压倍增。该脉冲电源具有简易可行、小型化、低成本、各级接地的优势。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电感储能脉冲发生器，包括低压直流充电电源Vin、充电电感L、主电容C1～Cn、脉冲变压器T1～Tn、高压二极管D1～Dn和开关管M1～Mn；其中，n为大于或等于2的整数；
所述电感储能脉冲发生器由n级充放电电路组成，每一级充电电路相同；多级充电电路由充电电感L、低压直流充电电源Vin和各级主电容C1～Cn组成；多级充电电路的电感L的一端与低压直流充电电源Vin正极串联连接，另一端与主电容C1～Cn的正极相连接，每一级充电电路并联连接；
任意第n级的主电容Cn正极与开关管Mn的漏极串联；记脉冲变压器Tn的原边绕组同名端为A，异名端为B，开关管Mn的源极与原边绕组Npn的A端相连，B端与低压直流充电电源Vin的负极相连；
X个副边绕组NA1～NAx的同名端与异名端首尾串联连接，第一副边绕组NA1的异名端与高压二极管Dn的正极相连，第x副边绕组NAx的同名端与第n+1级的高压二极管Dn+1的阴极相连接。
进一步地，所述开关管M1～Mn为具有快关断能力的电压驱动型半导体开关管MOSFET。
进一步地，每个所述的脉冲变压器T1～Tn均包含一个原边线圈和X个副边线圈，原边线圈与副边线圈共用一个磁芯，缠绕方向相反，匝数比为1:1。
进一步地，当开关管Mn接收到开通信号后，开关管Mn开通，此时主电容Cn中存储的能量开始传递给脉冲变压器的励磁电感，转化为磁场能，经过一段时间后，原边绕组Npn中的电流由零变Icharge；此时，控制各级开关管Mn快速关断，副边绕组NA1～NAx同时感应出瞬时高压Us，多级电路的每一级输出电压Umodule＝xUs,各级磁芯通过感应叠加的方式，将每级感应电压进行叠加，传递给负载，负载电压Uout＝xnUs，其中，x是脉冲变压器副边绕组的个数。
进一步地，输出电压倍增通过增加多级充放电电路的级数n和增加脉冲变压器副边绕组数量x获得，输出电压的表达式如下：
Vout＝xnUs，其中，Us为开关关断时单个副边绕组两端的感应电压。
有益效果：
本发明与传统电容储能脉冲产生方式不同，具有以下三方面优势：1)大幅度降低充电电压，低压直流电源即可满足要求；2)变压器电感储能具有高储能密度、整体装置小型化，可通过增加副边绕组数量X与模块数量n，提高每一级的输出电压；3)放电回路中不包含开关，输出电流无限制。综上，该脉冲发生器具有低成本、小型化、简单易行的优点，具有重要的工程应用价值。
该脉冲电源相比于其他脉冲电源，可实现大电压放大倍数，输出电压是初始充电电压的xnUs/Vin倍。可实现快上升沿与短脉冲，电路结构简单、成本造价低、简易可行。
多个线圈共用一个磁芯，体积小，对充电电源要求较低，普通的蓄电池模组即可满足充电电压的要求，适用于大规模工业应用。
附图说明
图1为本发明的电感储能脉冲发生器的电路拓扑结构图；
图2为本发明的电感储能脉冲发生器电感充电过程示意图；
图3为本发明的电感储能脉冲发生器的脉冲产生过程示意图；
图4为本发明的电感储能脉冲发生器的四级仿真模型等效电路图；
图5为本发明的电感储能脉冲发生器的单级磁芯充电电流与负载电压波形图；
图6为本发明的电感储能脉冲发生器的不同阻值下负载电压波形图。
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。
本发明提供一种电感储能脉冲发生器，其充电电路包括低压直流充电电源Vin、充电电感L、信号发生电路、光电转换电路、开关驱动电路、隔离供电模块、n个脉冲变压器T1～Tn、n个高压二极管D1～Dn、n个开关管M1～Mn，其中每一级(1～n级)的变压器Tn包含1个原边绕组Npn和X个副边绕组NA1～NAx。每一级充放电电路由低压直流充电电源、充电电感L和各级主电容C1～Cn构成，主电容的一端经电感与低压直流充电电源Vin相连，另一端接地，多级充放电电路(1～n级)中每一级的电路并联连接。n为大于或等于2的整数。
优选的，所述脉冲发生器，每一级包含1个脉冲变压器、1个主电容、1个开关管和1个高压二极管。所述的多级充放电电路中每一级的电路结构相同。所述隔离供电模块为光电转换电路和开关驱动电路供电。所述信号发生电路产生开关管所需的TTL电信号，并传递给光电转换电路。
所述光电转换电路包含n根长度相同的光纤线、n个光纤发射器以及配套的光纤接收器。TTL电信号传输到各级光纤发射器，转换为光信号，并发送至光纤接收器，光纤接收器将电信号还原成TTL电信号，发送至开关驱动电路。
所述开关驱动电路接收从光纤接收器的TTL电信号，为开关管提供控制信号，控制开关的开通与关断。
每级主电容的正极与开关管的漏极相连，负极与变压器的原边绕组的异名端相连，开关管的源级与原边绕组的同名端相连。
所述脉冲发生器的变压器的原边绕组与副边绕组的匝数比为：Npn:NA1～Ax＝1:1；原边绕组的缠绕方向与副边绕组的缠绕的方向相反，每一个副边绕组的电路结构相同。第一个副边绕组NA1的同名端与第二副边绕组NA2的异名端相连接，第二副边绕组NA2的同名端与第三副边绕组NA3的异名端相连接，以此类推，第x-1副边绕组NA(x-1)的同名端接第x副边绕组NAx的异名端。
所述变压器的第一副边绕组NA1的异名端接相应的高压二极管的阳极，第x副边绕组NAx的同名端与n+1级的高压二极管Dn+1的阴级相连接。
所述的多级电路中每一级原边绕组、副边绕组共用一个磁芯。
所述开关管M1～Mn为电压驱动型半导体开关管MOSFET，其下降时间与输出电压幅值呈现正相关。
当开关管接收到开通信号后，开关管开通，此时主电容中存储的电场能量开始传输给变压器的励磁电感，转化为磁场能；当开关管快速断开时，基于电磁感应定律，副边绕组同时感应出瞬时高压Us，多级电感储能模块的每级输出电压为Umodule＝xUs,x为副边绕组的级数，并通过感应叠加的方式，将每级感应电压传递给负载，负载上的电压为Uload＝nxUs。
实施例1：
参照图1，n级电感储能脉冲发生器包括n个主电容C1～Cn，n个开关管M1～Mn，n个高压二极管D1～Dn以及n个脉冲变压器T1～Tn。
多级脉冲发生器的1～n级各包含1个主电容、1个开关管、1个高压二极管和一个脉冲变压器。副边绕组个数为x，每个脉冲变压器(T1～Tn)均由1个原边线圈和X个副边绕组NA1～NAx组成。
每级主电容Cn的正极与开关管Mn的漏极相连，负极与脉冲变压器Tn的原边绕组Npn的异名端相连，开关管Mn的源级与原边绕组Npn的同名端相连；
所述脉冲变压器Tn的原边绕组与副边绕组的匝数比为：NPn:NAx＝1:1；原边绕组Npn的缠绕方向与副边绕组NA1～NA2的缠绕的方向相反，每一个副边绕组(NA1～NAX)的电路结构相同。第一副边绕组NA1的同名端与第二副边绕组NA2的异名端串接，第二副边绕组NA2的同名端与第三副边绕组NA3的异名端串接，以此类推，第x-1副边绕组NA(x-1)的同名端与第x副边绕组NAx的异名端串接；第一副边绕组NA1的异名端接高压二极管Dn的阳极，第x副边绕组NAx的同名端与n+1级高压二极管Dn+1的阴级相连接。
任一级脉冲变压器的磁芯、脉冲电压与脉宽满足下式：
N(ΔB)Sα＝∫U(t)dt。 (1)
其中，N为磁芯绕组匝数，S是为磁芯横截面积，α为磁芯填充系数，U为任一级电感储能模块原边绕组两端电压值。
为了防止磁芯饱和，最大磁通密度变化值ΔB如下所示：
ΔBmax＝0.6(Bs-Br)。 (2)
式中，BS和Br分别为饱和磁通密度和剩余磁通密度。
1～4级充电电路并联连接，参照图2所示的充电电路电流流向，开关管闭合时，电流从主电容Cn的正级流经开关管，将能量存储以磁场能的方式储存在磁芯中。此时，磁芯的初级电路的充电电流如下所示：
icharge＝1/L∫U(t)dt。 (3)
其中，L是磁芯的励磁电感值，dt是开关的开通时间，磁芯的励磁电感L满足如下公式：
L＝(μrμ0Npn 2S)/l。 (4)
其中，μ0为真空中磁导率，μr为磁芯材料的相对磁导率，l为磁芯的磁路长度。
开关关断时，n级电感储能模块的放电回路电流方向如图3所示，此时二极管D1～Dn正向导通，各级(1～n级)副边绕组NA1～NAx串联连接，磁芯副边单个绕组的感应电压为Us，满足如下所示：
Us＝kIchargeKt[1+(K/RL)t]LsK。(5)
其中，Ls为磁芯的励磁电感，K为开关Mn的电阻增长比例系数，RL为负载阻值，k为磁芯的耦合系数，t为时间变量。
实例2：
搭建了四级全固态电感储能脉冲发生器电气仿真模型，并进行了电路仿真，该脉冲源包含四个模块，即第一模块-第四模块，其等效电路图如图4所示。
第一模块-第四模块的电路结构完全相同，每一级包括一个主电容C，1个开关SW，1个高压二极管D和一个脉冲变压器，四级脉冲变压器互感分别为一级互感K1,二级互感K2，三级互感K3，四级互感K4。各级脉冲变压器由1个原边绕组和2个副边绕组构成。
关于参数设置部分，其中主电容电容值设定为10uF，电容的初始充电电压为32V；变压器的互感取理想值K1＝1，K2＝1,K3＝1,K4＝1；开关Mn的导通电阻为Ron＝0.1Ω，截止电阻Roff＝1MΩ，开关的导通时间为3us；四级原边绕组与两个副边绕组的匝数比均为1:1，原边绕组与副边绕组采用反向绕制。开关延迟0.5us导通，导通时间设置为3us,上升时间为10ns，关断时间为5ns，负载电阻Rload初始设置为400Ω。
图5显示了任意一级电感储能模块的脉冲变压器原边电流与四级模块的负载电压。开关0.5us时闭合，电流呈线性增加，3us后电流增加到41A。此时，主电容电压从初始电压32V降至25.4V，变压器中励磁电感存储的能量约1.68mJ(1/2LI2)。当负载电阻为400Ω时，每级输出电压为2kV，四级电路叠加后的负载电压幅值可达8kV。由仿真结果可以推算，输出电压与输入电压相比增加了250倍。
参照图6，保持其他参数不变，改变负载电阻的情况下进行输出电压扫描，取三组电阻阻值，电阻值分别为300Ω，400Ω和500Ω，对应的四级电感储能脉冲源输出电压为6kV,8kV和10kV。脉冲的上升时间基本保持不变，但脉冲的下降时间与电阻值呈现负相关。
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 (5)

1.一种电感储能脉冲发生器，其特征在于：包括低压直流充电电源Vin、充电电感L、主电容C1～Cn、脉冲变压器T1～Tn、高压二极管D1～Dn和开关管M1～Mn；其中，n为大于或等于2的整数；
所述电感储能脉冲发生器由n级充放电电路组成，每一级充电电路相同；多级充电电路由充电电感L、低压直流充电电源Vin和各级主电容C1～Cn组成；多级充电电路的电感L的一端与低压直流充电电源Vin正极串联连接，另一端与主电容C1～Cn的正极相连接，每一级充电电路并联连接；
任意第n级的主电容Cn正极与开关管Mn的漏极串联；记脉冲变压器Tn的原边绕组同名端为A，异名端为B，开关管Mn的源极与原边绕组Npn的A端相连，B端与低压直流充电电源Vin的负极相连；
x个副边绕组NA1～NAx的同名端与异名端首尾串联连接，第一副边绕组NA1的异名端与高压二极管Dn的正极相连，第x副边绕组NAx的同名端与第n+1级的高压二极管Dn+1的阴极相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电感储能脉冲发生器，其特征在于：所述开关管M1～Mn为具有快关断能力的电压驱动型半导体开关管MOSFET。
3.根据权利要求1所述的一种电感储能脉冲发生器，其特征在于：每个所述的脉冲变压器T1～Tn均包含一个原边线圈和X个副边线圈，原边线圈与副边线圈共用一个磁芯，缠绕方向相反，匝数比为1:1。
4.根据权利要求1或2所述的一种电感储能脉冲发生器，其特征在于：当开关管Mn接收到开通信号后，开关管Mn开通，此时主电容Cn中存储的能量开始传递给脉冲变压器的励磁电感，转化为磁场能，经过一段时间后，原边绕组Npn中的电流由零变为Icharge；控制开关管Mn快速关断，副边绕组NA1～NAx同时感应出瞬时高压Us，多级电路的每级输出电压Umodule＝xUs,各级磁芯通过感应叠加的方式，将每级感应电压进行叠加，传递给负载，负载电压Uout＝xnUs，其中，x为副边绕组个数。
5.根据权利要求1-3之一所述的一种电感储能脉冲发生器，其特征在于：输出电压倍增通过增加多级充放电电路的级数n和脉冲变压器的副边绕组个数x获得，输出电压的表达式如下：
Vout＝xnUs，其中，Us为开关关断时单个副边绕组两端的感应电压。
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