CN115313686A - 一种正负充放电的重频脉冲磁场装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正负充放电的重频脉冲磁场装置，包括：正负电源模块；储能电容；放电回路的双向可控性导通开关；晶闸管D3、D4，用于控制正负电源模块对储能电容C的正、负充电；负载电感L；主控模块；放电时导通晶闸管、储能电容与负载电感构成LRC谐振网络，进行半个周期的谐振，在电流首次过零时停止放电，此时储能电容C电压完成换向；在储能电容换向之后继续给储能电容C补电，补充到设定电压之后负压侧的晶闸管导通，储能电容再次放电，如此循环。本发明可以省去能量回收过程，进而增加充电时间，减少充电电源的体积和重量，有利于提高整个脉冲磁场系统的能量利用率，可以适应HPM器件及其相应脉冲磁场对更高重频率的需求。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波器件技术领域，尤其涉及一种正负充放电的重频脉冲磁场装置。
背景技术
高功率微波(High Power Microwave，缩写为HPM)通常是指峰值功率大于100MW，频率介于0.1GHz-100GHz的电磁波。HPM技术是20世纪70年代兴起的一门交叉学科，是传统电真空器件与脉冲功率技术集合的产物。近二十年来，HPM技术得到了迅猛发展。
HPM器件是一种利用强流相对论电子束在真空高频电磁结构中与其本征模相互作用机制，将电子束动能转化成微波能的器件。由于空间电荷力的存在，电子束在传输过程中存在明显的发散现象，因此需要外加导引磁场对电子束进行导引和聚焦，以增强束波相互作用，从而提高微波输出效率，随着HPM器件朝着高功率、重频和紧凑化的方向发展，紧凑和重频也成为了导引磁场的主要发展方向。在HPM领域中常用的外加磁场方式大致有四种：超导磁体，永磁体，直流磁场和脉冲磁场。超导磁体虽然磁场强度高且没有热损耗，但是系统复杂，成本高，准备时间长，需要单独的冷却系统。永磁体的优点是无需附加电源，体积小，重量轻，但是不容易实现强磁场和长距离均匀的磁场，且一旦设计成型后磁场强度无法调节。直流磁场可以方便地提供准稳恒磁场，但是功耗高，发热量大。利用电容器对螺线管放电产生的脉冲磁场，具有结构紧凑，发热量小，功耗低等优点，在HPM领域得到了广泛应用。
目前常用的产生重频脉冲磁场的等效电路如图1所示。充电设备一般采用速度快、效率高、方便控制的高频恒功率充电方式充电；储能电容C储存脉冲磁场的能量，在放电周期内向磁场线圈提供能量；开关管一般采用半控器件晶闸管开关，切断无用的负半周期放电；主控模块用来产生合理时序的晶闸管触发脉冲。其工作过程为充电系统给储能电容C充电到电压U，放电时刻到来时控制晶闸管导通，电容C通过晶闸管给螺线管谐振放电，使在峰值电流时刻电子束刚好穿越微波管，由于电子束穿越微波管的时间量级(ns)与回路放电周期(ms)相差6个量级，故可以认为电子束是在恒定最大磁场下穿越微波管。电流谐振过零时，晶闸管关断，放电结束。电容器放电后，利用重频电子束间的间隙，对储能电容C剩余的能量进行能量回收，损失的能量由高频开关电源为其补充，再次充电到预定电压后等待放电晶闸管触发信号放电，即可实现重复频率运行。
根据上述工作过程可知，储能电容C的充电过程可分为两个部分：能量回收和电源充电。能量回收过程和电源充电过程需要分别占据脉冲间隔时间(即上述的负半周期放电)，当HPM器件重复频率较高时，脉冲间的间隔时间较短，可利用的充电时间有限，由于能量回收过程占据了一定时间，这将进一步缩短电源充电过程。充电电源的体积和重量一般与充电功率、充电时间存在关联，充电功率越大、充电时间越短，充电电源的体积和重量将越大。显然，电源充电过程的缩短不利于重频脉冲磁场紧凑化和小型化设计。此外，能量回收过程需要特定的能量回收回路，而回路中难免存在能量损耗，这使得整个脉冲磁场系统的能量利用率降低，也增大了充电电源的充电负担。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对HPM器件所使用的现有重频脉冲磁场充电时间较短，进而使得充电电源体积和重量较大，能量利用率较低以及不适用于更高的重频率，提供一种正负充放电的重频脉冲磁场装置，为HPM器件重频脉冲磁场的紧凑化和小型化设计提供了可行的技术方案。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种正负充放电的重频脉冲磁场装置，包括：
正负电源模块，具有正、负双向的充电能力；
储能电容C；
放电回路的双向可控性导通开关，用于实现双向换向；
晶闸管D3和晶闸管D4，用于控制正负电源模块对储能电容C的正、负充电；
负载电感L，用于产生重频脉冲磁场；
主控模块，用于控制切换逻辑；
放电时导通晶闸管、储能电容C与负载电感L构成LRC谐振网络，进行半个周期的谐振，在电流首次过零时停止放电，此时储能电容C电压完成换向；在储能电容C换向之后继续给储能电容C补电，补充到设定电压之后负压侧的晶闸管导通，储能电容C再次放电，如此循环。
作为上述技术方案的进一步改进：还包括防反峰IGBT模块，用于切断正负电源模块和储能电容C，防反峰IGBT模块设于正负电源模块的输出位置。
作为上述技术方案的进一步改进：所述防反峰IGBT模块包括多级串联的半导体开关、半导体开关的驱动及控制电路。
作为上述技术方案的进一步改进：所述防反峰IGBT模块还包括均压网络，所述均匀网络包括多个串联的TVS管，多个所述TVS与多个所述半导体开关一一对应并联。
作为上述技术方案的进一步改进：所述防反峰IGBT模块还包括多个用于驱动主动限流的电阻，多个所述用于驱动主动限流的电阻与多个所述半导体开关一一对应串联。
作为上述技术方案的进一步改进：所述防反峰IGBT模块还包括用于检测输出端电压电流的电压电流检测装置。
作为上述技术方案的进一步改进：所述防反峰IGBT模块集成于所述正负电源模块内。
作为上述技术方案的进一步改进：正负充放电的重频脉冲磁场装置还包括电压检测模块，用于检测储能电容C电压。
作为上述技术方案的进一步改进：所述双向可控性导通开关包括晶闸管D1和晶闸管D2，所述晶闸管D1和晶闸管D2反向并联。
作为上述技术方案的进一步改进：所述正负电源模块具有恒流充电以及充满保压的功能；
和/或，正负电源模块具有外部反馈功能，当充电机与储能电容C之间有保护电路时，可以通过外挂反馈回路来实现更精确的电压控制；
和/或，正负电源模块采用全数字控制，实现正负电源模块的快速保护及恢复额定电压功能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的正负充放电的重频脉冲磁场装置，充电电源具有正、负双向的充电能力，在储能电容C换向之后给储能电容C补电，省去能量回收过程，进而增加充电时间，减少充电电源的体积和重量，同时，由于能量回收过程的省略，有利于提高整个脉冲磁场系统的能量利用率。本发明可以适应HPM器件及其相应脉冲磁场对更高重频率的需求，对于HPM器件重频脉冲磁场的紧凑化和小型化设计具有重要应用价值。
附图说明
图1是现有的重频脉冲磁场的等效电路原理示意图。
图2是本发明正负充放电的重频脉冲磁场装置的等效电路原理示意图。
图3是本发明中的防反峰IGBT模块的原理示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图2至图3示出了本发明正负充放电的重频脉冲磁场装置的一种实施例。
如图2所示，一种正负充放电的重频脉冲磁场装置包括以下模块，正负电源模块、用于切断正负电源模块和储能电容C的防反峰IGBT模块(优选的，防反峰IGBT模块分别集成在正负电源模块内部)、储能电容C、放电回路的双向晶闸管开关、用于检测储能电容C电压的电压检测模块、用于保证控制切换逻辑的主控模块和负载电感(也即磁场线圈)。其中，电阻R和电感L为磁场线圈等效的电阻和电感，电阻R1、R2和电感L1、L2分别为电路中的杂散电容和杂散电感，晶闸管D1、D2用于实现双向换向，晶闸管D3、D4用于正负电源模块对储能电容C的正负充电。优选的，正负电源模块具有恒流充电以及充满保压的功能，在满足需求的情况下，可采用单机或多机集成的方式；所述正负电源模块具有外部反馈功能，当充电机与负载电容之间有保护电路时，可以通过外挂反馈回路来实现更精确的电压控制；所述正负电源模块采用全数字控制，可以实现电源的快速保护及恢复额定电压功能；
电压检测模块要求准确测量电容电压，测量精度高、灵敏度高，电压量程较大且包含所需电压需求。
该正负充放电的重频脉冲磁场装置的工作原理如下：
放电时导通晶闸管、储能电容C与负载电感L构成LRC谐振网络，进行半个周期的谐振，在电流首次过零时停止放电，此时储能电容C电压完成换向。目的是在负载电感L上产生类正弦波电流。由于电流无方向要求，考虑到能源利用率及系统的集成度要求充电机组具有正、负双向的充电能力，在储能电容C换向之后继续给储能电容C补电，补充到设定电压之后负压侧的晶闸管导通，储能电容C再次放电。正、负两次放电的各项电参数均相同，如此往复循环。可以省去能量回收过程，进而增加充电时间，减少充电电源的体积和重量，同时，由于能量回收过程的省略，有利于提高整个脉冲磁场系统的能量利用率。本发明可以适应HPM器件及其相应脉冲磁场对更高重频率的需求，对于HPM器件重频脉冲磁场的紧凑化和小型化设计具有重要应用价值。
配电采用480-600V(DC-锂电池供电)，相对传统的AC380输入电路的变动如下：
输入保险丝采用直流供电专用保险丝，保证在高压电源异常短路的情况下切断供电保证系统的安全；直流母线电解电容更换为适用于直流供电系统的CBB金属化电容；为了防止高频开关脉动电流对供电电源的影响，在母线电容和保险丝之间增加滤波电感；为了防止上电浪涌，在输入端增加NTC热敏电阻限制上电浪涌电流。
由于高压电源的二次侧为桥式整流器件，所以无法承受负压，如果外部电路有负压输入，会在次级整流电路中构成回路，使负压无法维持，严重的可能直接损坏充电机。在正负电源模块输出位置增加IGBT开关，组成防反峰高压电源系统。这样当IGBT开关关闭时就允许在最终输出侧长时间带有反峰电压，不会导致充电机损坏。当检测电路检测到放电时(输出电压迅速跌落)会主动关闭IGBT开关，达到模块级的自动保护，防止控制逻辑错误在负压时开通IGBT开关导致高压电源损坏。为了进一步提升系统可靠性，还可增加均压网络和/或驱动主动限流措施等。
具体如图3所示，防反峰高压电源系统主要由以下几部分组成：高压电源、多级串联的半导体开关、用于保护半导体开关的均压网络、半导体开关的驱动、电压电流检测装置、用于驱动主动限流的电阻、及控制电路；
半导体开关，由于本发明正负电源模块输出电压较高，单只IGBT无法满足耐压要求，所以采用多级IGBT开关串联的方案；
均压网络，在半导体开关关断期间需要承受输出端的反向电压。均压网络是由多个TVS管串联组成。当单个开关上的电压过高时TVS管导通释放电压，保证与其并联的半导体开关不受损坏；
半导体开关驱动，由于各半导体开关是串联的，所以各个半导体开关上的电位都不相同，驱动电路需要有足够的隔离耐压能力。其次由于电源在正常工作状态半导体开关是持续导通的状态，所以驱动电路要有持续输出高电平保存半导体开关导通的能力；
电压电流检测装置，实时检测输出端的电压电流，将电压通过分压器将幅值降低至可接收的值传输给控制电路。电流由于是悬浮在高电位的，无法直接采集，需要通过霍尔电离传感器等采集传输至控制电路；
用于驱动主动限流的电阻，半导体驱动1输出的电压驱动信号加在电阻R1和Q1的两端，当高压电源至输出这部分回路总电流较小时(以下简称输出电流)，电阻R1上的电压可以忽略，驱动1输出的大部分电压都加在Q1上。当输出电流突然增大时，根据欧姆定律可知，电阻R1上的电压也会增大，而驱动1的电压不变，这就导致Q1上的电压降低，阻止电流进一步提升，起到限流作用，防止半导体开关和高压电源损坏。
根据最终负载，峰值电流，电流上升斜率等参数，并且要求对电流谐振的时间可控，本发明所使用的可控性导通开关为双向晶闸管开关，选型时考虑到器件的通用性以及可靠性，实际使用两颗晶闸管反向并联来实现双向换向的要求。最终选用晶闸管型号为H65KPR，品牌：TECHSEM(台基)，或者：T1060N品牌：Infineon(英飞凌)。
主控模块主要包含三部分功能：通讯功能、电容电压检测功能、晶闸管放电开关驱动。通讯功能主要是接收上级主控系统的电压设定信息，放电触发及相应的反馈；通知正负充电机执行相应的充电动作。电容电压检测，此部分与防反峰充电系统内部的电压检测模块构成冗余结构，防止在有反压的时刻开启高压电源，提升系统的可靠性。晶闸管放电开关驱动，集成双路晶闸管驱动，分别驱动正向放电和负向放电的晶闸管。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，包括：
正负电源模块，具有正、负双向的充电能力；
储能电容C；
放电回路的双向可控性导通开关，用于实现双向换向；
晶闸管D3和晶闸管D4，用于控制正负电源模块对储能电容C的正、负充电；
负载电感L，用于产生重频脉冲磁场；
主控模块，用于控制切换逻辑；
放电时导通晶闸管、储能电容C与负载电感L构成LRC谐振网络，进行半个周期的谐振，在电流首次过零时停止放电，此时储能电容C电压完成换向；在储能电容C换向之后继续给储能电容C补电，补充到设定电压之后负压侧的晶闸管导通，储能电容C再次放电，如此循环。
2.根据权利要求1所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，还包括防反峰IGBT模块，用于切断正负电源模块和储能电容C，防反峰IGBT模块设于正负电源模块的输出位置。
3.根据权利要求2所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，所述防反峰IGBT模块包括多级串联的半导体开关、半导体开关的驱动及控制电路。
4.根据权利要求3所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，所述防反峰IGBT模块还包括均压网络，所述均匀网络包括多个串联的TVS管，多个所述TVS与多个所述半导体开关一一对应并联。
5.根据权利要求3所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，所述防反峰IGBT模块还包括多个用于驱动主动限流的电阻，多个所述用于驱动主动限流的电阻与多个所述半导体开关一一对应串联。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，所述防反峰IGBT模块还包括用于检测输出端电压电流的电压电流检测装置。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，所述防反峰IGBT模块集成于所述正负电源模块内。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，还包括电压检测模块，用于检测储能电容C电压。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，所述双向可控性导通开关包括晶闸管D1和晶闸管D2，所述晶闸管D1和晶闸管D2反向并联。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的正负充放电的重频脉冲磁场装置，其特征在于，所述正负电源模块具有恒流充电以及充满保压的功能；
和/或，正负电源模块具有外部反馈功能，当充电机与储能电容C之间有保护电路时，可以通过外挂反馈回路来实现更精确的电压控制；
和/或，正负电源模块采用全数字控制，实现正负电源模块的快速保护及恢复额定电压功能。
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