CN202455288U

CN202455288U - 一种高压大功率重复脉冲功率电源

Info

Publication number: CN202455288U
Application number: CN201120470875XU
Authority: CN
Inventors: 许赟; 向颖萌; 杨瑞; 丁同海; 丁洪发; 李亮
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2021-11-23

Abstract

本实用新型公开了一种高压大功率重复脉冲功率电源，包括充电电源、储能电容组、残压处理支路和能量回馈支路，储能电容组包括串联连接的主电容C1和副电容C2，两者的电容值相同，极性方向相反；能量回馈支路与储能电容组并联连接，残压处理支路并联在副电容C2的两端，充电电源并联在主电容C1两端。本实用新型采用双电容储能放电的形式，可以使主电容上无反压，副电容上无反压或只承受10％以下的反压，从而提高了单极性电容的可靠性和工作寿命以及系统的工作频率，是一种新型的基于双电容放电、谐振方式能量回馈、储能电容残压处理的紧凑型重复脉冲功率电源。

Description

一种高压大功率重复脉冲功率电源

技术领域

本实用新型属于脉冲功率技术，具体涉及脉冲功率技术中适用于感性负载的高压大功率重复脉冲功率系统的电源，特别涉及重复脉冲功率系统的电源的拓扑结构。

背景技术

重复脉冲功率技术在科学研究和国防军工中都有着重要应用，是脉冲功率技术发展的重要方向。产生重复脉冲功率需要配套的高压大功率重复脉冲功率电源，而且该电源的重复频率、容量、脉宽和可靠性等方面都需要达到一定的要求。

重复脉冲功率电源的负载主要分为阻性负载、容性负载和感性负载三类。其中感性负载型重复脉冲功率技术的负载电流大、时间常数大，可用于产生脉冲强磁场等领域。本实用新型主要针对感性负载型重复脉冲功率电源。

目前用于感性负载的重复脉冲功率电源多数采用电容储能。文献“30T Repeating Pulsed Field System for Neutron Diffraction”(IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2000,10(1):534-537)中提出的电路拓扑方案为目前使用的主流方案。其实施方案大致为：首先通过充电电源对电容充电到额定电压，然后通过晶闸管使电容对感性负载（磁体）放电，为了实现和提高重复频率，在续流回路中串联一个大续流电感，磁体完成一个脉冲放电后其剩余的磁场能量会转移到大续流电感中，该大电感继而又与储能电容发生震荡，从而最终使磁体中剩余的磁场能量回馈到储能电容中。

此方法主要有以下两个不足：储能电容要与大电感发生震荡，使电容上的反向电压接近正向电压，而在高压大功率脉冲功率电路中常用的单极性脉冲储能电容不宜承受过高的反压，过高的反压对其寿命、能量密度和安全性等都提出了苛刻的要求，双极性储能电容的成本比一般的单极性脉冲储能电容高许多，由于电源整体造价主要取决于电容，这样就提高了整个电源系统的成本；并且，电容放电时高频谐振充电电源必须断开以避免其高频整流桥流过大电流，限制了重复频率的提高。

发明内容

为了克服现有电感负载型重复脉冲功率技术中单极性储能电容反压高、寿命低，系统重复频率受限的缺点，本实用新型提供了一种新型高压大功率重复脉冲功率电源。

本实用新型提供的一种高压大功率重复脉冲功率电源，其特征在于，该电源至少包括充电电源、储能电容组、残压处理支路和能量回馈支路；

其中，储能电容组包括串联连接的主电容C1和副电容C2，两者的电容值相同，极性方向相反；能量回馈支路与储能电容组并联连接，并且只允许流经该支路的电流流向副电容C2的负极；残压处理支路并联在副电容C2的两端，或以谐振的方式将副电容C2两端的电压反向，或通过电阻泄能完全消除副电容C2上的残压；充电电源并联在主电容C1两端，充电电源只对主电容C1正向充电。

作为上述技术方案的一种改进，所述残压处理支路包括串联连接的机械开关与电阻，机械开关的一端与副电容C2的正极连接，机械开关的另一端与电阻的一端相连，电阻的另外一端与副电容C2的负极相连。

作为上述技术方案的另一种改进，能量回馈支路包括依次串联连接的晶闸管Q2和电感L1，晶闸管Q2的阴极接副电容C2的负极，晶闸管Q2正极接电感L1的一端，电感L1另一端与主电容C1的负极连接。

作为上述技术方案的再一种改进，能量回馈支路包括依次串联连接的二极管和电感L1，二极管的阴极接副电容C2的负极，二极管正极接电感L1的一端，电感L1另一端与主电容C1的负极连接。

本技术方案主要有以下技术特点：（1）采用双电容串联储能放电的形式，可以使整个工作过程中主电容上无反压，副电容上无反压或只承受10%以下的反压，从而提高了单极性电容的可靠性和工作寿命，降低整个电源系统的造价；（2）通过采用能量回馈支路和残压处理支路，可以实现负载储能的回收，回收率可达负载电流最大时负载储能的90%以上，减少了下一个工作周期所需要的充电能量；（3）由于采用双电容串联工作模式，可以采用高频谐振充电电源，有利于提高系统的重复频率。总之，本实用新型是一种新型的基于双电容放电、谐振方式能量回馈、储能电容残压处理的紧凑型重复脉冲功率电源。

附图说明

图1是本实用新型的技术原理框图。

图2是基于晶闸管回馈能量和电阻处理残压的电路原理图。

图3是基于二极管回馈能量和电感处理残压的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型解决其技术问题采取的方案如下：

如图1所示，本实用新型提供的重复脉冲功率电源包括充电电源1、储能电容组、残压处理支路2和能量回馈支路3，其中，储能电容组包括主电容C1和副电容C2，两者的电容值相同，串联连接，极性方向相反。

能量回馈支路3与储能电容组并联连接，并且能量回馈支路3只允许流经该支路的电流流向副电容C2的负极；残压处理支路2并联在副电容C2的两端，用于将放电结束后的残压进行处理，具体而言，或以谐振的方式将副电容C2两端的电压反向，或通过电阻泄能完全消除副电容C2上的残压，等等。充电电源1并联在主电容C1两端,可采用高频谐振充电电源。

开关保护支路4和感性负载5串联连接后与储能电容组并联。

其工作原理如下：在第一个阶段，储能电容组通过开关保护支路4向感性负载5放电，选择的储能电容的容值和初始放电时的储能电压可以保证负载电流的峰值和脉宽达到所需要求；在第二个阶段，感性负载5上存储的能量通过能量回馈支路3以谐振的方式回馈到储能电容组中；在第三个阶段，副电容C2上的残压通过残压处理支路2进行处理，处理完毕后断开相应的开关。在上述工作过程中，充电电源1可以在整个工作过程中一直对主电容C1进行充电，当副电容C2上的残压处理过程和主电容C1上的充电过程全部完成后，前一个工作周期结束，进入下一个周期。

在具体实施过程中，可以根据需要选择系统各个主要构成部分的具体元件和参数，使系统有不同的工作过程，以更好地提高系统的工作频率、稳定性、可靠性、经济性等。

下面给出两种不同的具体实施例子。例1如图2所示，基于晶闸管回馈能量和电阻处理残压。电路的具体构成如下：主电容C1和副电容C2电容值相等，串联连接，主电容C1的正极接副电容C2的正极；为了安全，主电容C1和副电容C2的两端分别并联有泄能支路，为了画图简洁，图中未标出。残压处理支路2由开关K3和电阻R2串联连接组成，开关K3的另一端接副电容C2的正极，R2的另一端接副电容C2的负极。

能量回馈支路3由晶闸管Q2，电感L1，电阻R1依次串联而成，晶闸管Q2的阴极接副电容C2的负极，阳极接电感L1，电阻R1一端与L1连接，另一端与主电容C1的负极连接；开关保护支路4由晶闸管Q1串联保护电感Lp构成，Q1的阳极接副电容C2的负极，阴极与保护电感Lp连接；感性负载5（由于实际的感性负载不可能没有电阻，并且该电阻的大小对于系统的工作状态有重要影响，故感性负载5在图中用Lm串联Rm表示。）一端接保护电感Lp，另一端接主电容C1的负极。充电电源1并联在主电容C1的两端，充电电源1只对主电容C1正向充电。

能量回馈支路3中的电阻R1也可以去除，直接由晶闸管Q2和电感L1串联构成该支路，

例1的工作过程包括以下3个过程：

（1）放电过程：晶闸管Q1导通，C1和C2通过保护电感Lp向负载Lm和Rm放电，负载电流Im先上升到最大值，然后下降为零。

（2）谐振回馈能量过程：晶闸管Q2导通，C1和C2经过L1和R1放电，将能量进行回馈，直至电流I1过零，Q2关断。

（3）残压处理过程：开关K3闭合，C2上的电能通过电阻R2进行泄能，直到泄能完毕，C2电压为零，再断开开关K3。

在以上三个过程中，充电电源1可以一直对C1进行充电。若以上三个过程完成后储能电容组的串联电压低于额定值，则充电电源1继续对C1进行充电。当以上三个过程完毕，电容器组的串联电压达到额定值，则可以继续开始下一个工作过程。

此方案的优点是工作原理简单，易于控制，主电容C1和副电容C2上都完全没有反压。

例2如图3所示，基于二极管回馈能量和电感处理残压。其电路结构与基于晶闸管回馈能量和电阻处理残压的电路相似，只有残压处理支路2和能量回馈支路3略有差别。具体而言，将例1能量回馈支路3中的晶闸管Q2换成二极管D2，二极管D2的位置和方向与晶闸管Q2相同；另外，残压处理支路2换为由晶闸管Q3串联电感L2构成，晶闸管Q3的阳极与副电容C2的正极连接，阴极与电感L2相连，L2的另外一端与副电容C2的负极相连。

例2的工作过程包括以下4个过程：

（1）放电过程：晶闸管Q1导通，C1和C2通过保护电感Lp向负载Lm和Rm放电，负载电流Im先上升到最大值，然后当能量回馈支路3两端的电压小于零的时候，二极管D2导通，第一个过程结束。

（2）三阶谐振回馈能量过程：当第一个阶段结束时，D2导通，但Q1并未关断，此时电路的工作状态是一个三阶谐振过程。当电路的参数选择合适时，Q1将在一段时间后关断。

（3）二阶谐振回馈能量过程：二极管D2仍然导通，C1和C2经过L1和R1放电，将能量进行回馈，直至电流I1过零，D2关断。

（4）残压处理过程：晶闸管Q3导通，C2上的电能通过电感L2进行转移，当电流过零时，Q3关断，该过程结束，C2的电压为负。

在以上四个过程中，充电电源1可以一直对C1进行充电。若以上四个过程完成后储能电容组的串联电压低于额定值，则充电电源1继续对C1进行充电。当以上四个过程完毕，电容器组的串联电压达到额定值，则可以继续开始下一个工作过程。

此方案中，主电容C1上完全没有反压，副电容C2将承受不足10%的反压，但相比例1中的方案，每个工作周期所需的充电能量更小，对充电电源1的要求也相对更低。

以上两例并非本重复脉冲功率电源唯一的实现途径，只是两种有代表性的具体实施方法。还可以能量回馈支路3的开关器件采用晶闸管，残压处理支路2采用晶闸管串联电感和电阻；能量回馈支路3的开关器件采用二极管，残压处理支路2采用高频非半导体开关器件串联电阻；等等。通过优化系统各个主要构成部分的具体元件形式和参数大小，可以更好地提高储能电容组的寿命和可靠性，提高系统的工作频率。

Claims

1.一种高压大功率重复脉冲功率电源，其特征在于，该电源至少包括充电电源、储能电容组、残压处理支路和能量回馈支路；

2.根据权利要求1所述的高压大功率重复脉冲功率电源，其特征在于，残压处理支路包括串联连接的晶闸管Q3与电感L2，晶闸管Q3的阳极与副电容C2的正极连接，阴极与电感L2的一端相连，电感L2的另外一端与副电容C2的负极相连。

3.根据权利要求1所述的高压大功率重复脉冲功率电源，其特征在于，残压处理支路包括串联连接的机械开关与电阻，机械开关的一端与副电容C2的正极连接，机械开关的另一端与电阻的一端相连，电阻的另外一端与副电容C2的负极相连。

4.根据权利要求1所述的高压大功率重复脉冲功率电源，其特征在于，能量回馈支路包括依次串联连接的晶闸管Q2和电感L1，晶闸管Q2的阴极接副电容C2的负极，晶闸管Q2正极接电感L1的一端，电感L1另一端与主电容C1的负极连接。

5.根据权利要求1所述的高压大功率重复脉冲功率电源，其特征在于，能量回馈支路包括依次串联连接的二极管和电感L1，二极管的阴极接副电容C2的负极，二极管正极接电感L1的一端，电感L1另一端与主电容C1的负极连接。