一种电容复用式多级电感储能型脉冲电源的制作方法

本发明涉及一种电感储能型脉冲电源，特别涉及一种电容复用式多级电感储能型脉冲电源，属于电磁发射技术领域。

背景技术：

电磁发射是以电磁力加速物体的新兴技术。与传统发射技术相比，电磁发射具有能量效率高、控制精度高和响应速度快等优势。随着科学技术(特别是计算机控制技术和电力电子技术)的不断发展，电磁发射技术的实用化进程不断加速。电磁发射系统一般由发射器、被发射组件和脉冲电源构成。脉冲电源的主要作用是为发射器提供短时间(毫秒量级)、高幅值(兆安量级)、高功率(吉瓦量级)的脉冲电流。根据储能形式的不同，脉冲电源常分为机械储能型、电容储能型和电感储能型。机械储能的典型代表是以旋转机械为核心部件的脉冲发电机组，主要优点是储能密度高，主要缺点是结构复杂、冷却困难和一次发射须存储多次发射能量。电容储能是目前应用最为广泛的储能形式，主要优点是原理简单、技术成熟、控制容易和成本较低等，主要缺点是储能密度低、系统体积大。电感储能是近年来的研究热点，主要优点是储能密度较高、结构较简单和冷却容易，主要缺点是换流困难、线圈损耗较高。

中国专利申请(申请号：2016103879433)提出了“一种用于电磁发射的电容复用式电感储能型脉冲电源”，其原理如图1所示。该脉冲电源的组成部分包括初级电源us、储能电感l1、l2、能量转换电容c、晶闸管t1、t2、t3和二极管d。该脉冲电源的工作过程为：触发晶闸管t1导通，初级电源us为储能电感l1、l2充电；当电感充电电流上升至指定值，触发晶闸管t2导通，能量转换电容c放电，强迫晶闸管t1电流迅速降低；在晶闸管t1因电流过零并承受反压而关断之后，能量转换电容c继续为储能电感l1、l2充电；当能量转换电容c预充能量即将耗尽，二极管d导通，储能电感l1的电流迅速减小，储能电感l2的电流迅速增大，负载电流也随之迅速增大，同时储能电感l1、l2之间的漏感能量被能量转换电容c收集；在晶闸管t2因电流过零并承受反压而关断之后，储能电感l2直接向负载放电；触发晶闸管t3导通，能量转换电容c所收集的漏感能量通过c→负载→d→l1→t3→c回路向负载放电，产生负载电流的二次峰；在晶闸管t3因电流过零并承受反压而关断之后，储能电感l2直接向负载放电，直至负载断开或二极管d电流降至零。总体而言，该脉冲电源具有结构简单、成本低廉、充放电电流放大倍数高且可控、负载电流无二阶负半波、能量转换电容预充电压自动恢复等优点。

但是，上述技术方案的缺点是储能密度较低，只适合构建数十至数百千焦能量量级的脉冲电源基本模块，而不适合直接构建数十至数百兆焦能量量级脉冲电源整体系统；就整体系统的构建而言，一种易于实现的解决方案是：先基于该脉冲电源构建数十至数百个基本模块，再并联连接所有基本模块、搭建整体系统。但是，基于这种解决方案，整体系统的储能密度较低、体积较大、能量转换电容预充电压恢复比例较低、综合性能欠佳。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种电容复用式多级电感储能型脉冲电源，使其不仅继承已有的电容复用式电感储能型脉冲电源的优点，而且具有更好的可扩展性和更高的储能密度，以实现脉冲电源整体系统的构建和集成。

本发明的技术方案如下：

一种电容复用式多级电感储能型脉冲电源，含有初级电源us、能量转换电容c、晶闸管t1、t2、t3和二极管d，其特征在于，该脉冲电源还含有n级彼此并联、且结构完全相同的电感单元，其中n为大于等于2的正整数；所述的初级电源us的正极与晶闸管t1的阳极相连接；晶闸管t1的阴极分别与晶闸管t2的阴极、晶闸管t3的阳极以及每个电感单元的输入端相连接；每个电感单元的输出端与二极管d的阴极相连接；二极管d的阳极与负载的一端相连接，负载的另一端与分别与每个电感单元的地端、能量转换电容c的一端和初级电源的负极相连接；能量转换电容c的另一端分别与晶闸管t2的阳极和晶闸管t3的阴极相连接。

上述技术方案中，每个电感单元由强耦合的储能电感l1和储能电感l2构成；储能电感l1的一端为电感单元的输入端；储能电感l1的另一端与储能电感l2的一端相连接，为电感单元的输出端；储能电感l2的另一端为电感单元的地端；特别的，储能电感l1和储能电感l2的连接关系为同名端顺串连接。

本发明提出的电容复用式多级电感储能型脉冲电源，不仅继承了已有的电容复用式电感储能型脉冲电源的优势，即具有成本低廉、储能能级高、体积精简、充放电电流放大倍数高且可控、电感电流无二阶过程、负载电流无二阶负半波和能量转换电容预充电压自动恢复等优点外，还具有以下突出性技术效果。①由于采用了多级电感单元彼此并联、相对独立的拓扑结构，因此具有良好的可扩展性，电感单元的级数n可以根据实际的发射需求和工艺水平灵活设定。②相比于已有的电容复用式电感储能型脉冲电源，具有更高的能量转换电容电压预充电压恢复比例。在已有的电容复用式电感储能型脉冲电源中，能量转换电容c仅能收集1级电感单元的漏感能量；而在本脉冲电源中，能量转换电容c能够收集n级电感单元的漏感能量；因此本脉冲电源的能量转换电容电压预充电压恢复比例更高。③本脉冲电源，相比于已有的电容复用式电感储能型脉冲电源，具有更高的储能密度。相比于由n个已有的电容复用式电感储能型脉冲电源基本模块并联而成的整体系统，本脉冲电源由于n级电感单元共用同一组能量转换电容c、晶闸管t1、t2、t3和二极管d，因此总体积更小，总储能密度更高。

附图说明

图1为已有技术中清华大学电机系提出的用于电磁发射的电容复用式电感储能型脉冲电源的电路原理图。

图2为本发明的提供的一种电容复用式多级电感储能型脉冲电源的电路原理图。

图3为本发明中电感单元的电路原理图。

图4为本发明中初级电源us输出电流和负载电流的波形示意图。

图5为本发明中#1电感模块储能电感l1电流和储能电感l2电流的波形示意图。

图6为本发明中能量转换电容c电压和晶闸管t1电压的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图2为本发明的提供的一种电容复用式多级电感储能型脉冲电源的电路原理图，本脉冲电源由初级电源us、n级电感单元、能量转换电容c、晶闸管t1、t2、t3和二极管d构成，所述n级电感单元彼此并联连接、结构完全相同、参数完全相同，其中n为大于等于2(本实施例中n等于4)；在本脉冲电源中，初级电源us的正极与晶闸管t1的阳极相连接；晶闸管t1的阴极与晶闸管t2的阴极、晶闸管t3的阳极、所有电感模块的输入端(in端)相连接；所有电感模块的输出端(out端)与二极管d的阴极相连接；二极管d的阳极与负载的一端相连接；负载的另一端与所有电感模块的地端(gnd端)、能量转换电容c的一端、初级电源的负极相连接；能量转换电容c的另一端与晶闸管t2的阳极和晶闸管t3的阴极相连接。在本脉冲电源中，电感单元由强耦合储能电感l1、l2构成；储能电感l1的一端为电感单元的输入端(in端)；储能电感l1的另一端与储能电感l2的一端相连接，为电感单元的输出端(out端)；储能电感l2的另一端为电感单元的地端(gnd端)；特别的，储能电感l1和l2的连接关系为同名端顺串连接。

在本发明中，电感单元参数(包括级数n、储能电感l1感值、储能电感l2感值和储能电感l1、l2之间的耦合系数等)应由实际的发射需求和工艺水平确定。在体积允许的情况下，储能电感l1、l2阻值应当尽可能小，以减小能量损耗、提高系统效率、增大电流放大倍数。如果希望电流放大倍数较大，则储能电感l1、l2感值比值应当较大。如果希望晶闸管t1尖峰电压较小，则储能电感l1、l2之间的耦合系数应当较大(高于0.95％)，同时能量转换电容c容值应当较大。如果希望能量转换电容预充电压恢复比例较高，则储能电感l1、l2之间的耦合系数应当较小(介于0.85和0.9之间)，同时能量转换电容c容值应当较小。能量转换电容c预充电压由能量转换电容c容值、所有电感单元充电电流之和、初级电源us电压、晶闸管t1反向恢复时间共同决定。晶闸管t1应当采用快速恢复型晶闸管，以降低能量转换电容c预充电压。晶闸管t1、t2、t3和二极管d的通流能力和耐压能力应当高于系统额定能级下各器件的最大电流和最高电压，建议通过电路仿真进行预分析。

本发明提出的共用能量转换电容的多级电容复用式电感储能型脉冲电源的工作过程，可以分为以下六个工作阶段。

(假设能量转换电容c已完成预充工作)

1)第一阶段，充电过程：

触发晶闸管t1导通，初级电源us为所有电感单元并联充电；当所有电感单元充电电流上升至指定值之后，触发晶闸管t2导通，第一阶段结束。

2)第二阶段，逆流及继续充电过程：

触发闸管t2导通，能量转换电容c放电，强迫晶闸管t1电流迅速降低；在晶闸管t1因电流过零并承受反压而关断之后，能量转换电容c继续为所有电感单元继续充电，直至其预充能量完全耗尽，二极管d导通，第二阶段结束。

3)第三阶段，电流倍增及漏感能量收集过程：

二极管d导通，所有电感单元中储能电感l1的电流迅速减小、储能电感l2的电流迅速增大，负载电流也随之迅速增大，所有电感单元中储能电感l1、l2之间的漏感能量被能量转换电容c收集，直至晶闸管t2电流过零并承受反压而关断，第三阶段结束。

电流倍增过程遵循磁链守恒原理，电流放大倍数主要由储能电感l1、l2感值比值和储能电感l1、l2之间的耦合系数共同决定。储能电感l2电流和负载电流的上升率主要由能量转换电容c容值、电感单元数n、储能电感l1感值和储能电感l1、l2之间的耦合系数决定。能量转换电容c收集的漏感能量，主要由电感单元数n、每个电感单元充电电流、储能电感l1感值和储能电感l1、l2之间的耦合系数决定。

4)第四阶段，一阶放电过程：

晶闸管t2关断，所有电感单元的储能电感l2并联向负载放电；在合适的时刻，触发晶闸管t3导通，第四阶段结束。

由于负载通常是小阻感负载，这一阶段遵循rl一阶电路放电规律。

5)第五阶段，二阶放电过程：

触发晶闸管t3导通，能量转换电容c所收集的漏感能量通过c→负载→d→l1→t3→c回路向负载放电，产生负载电流的二次峰，直到晶闸管t3电流过零并承受反压而关断，第五阶段结束。

需要注意的是，在这一过程中，所有电感单元的储能电感l2仍然并联向负载放电。

6)第六阶段，一阶放电过程：

晶闸管t3关断，所有电感单元的储能电感l2并联向负载放电，直至负载断开或二极管d电流降至零。

此外，如果晶闸管t3的触发导通时刻恰好是第三阶段结束时刻(或者稍提前)，则第四阶段将被跳过，直接进入第五阶段。

设置如表1所示的参数，进行电路仿真，对应的初级电源us输出电流波形、负载电流波形、#1电感单元中储能电感l1电流波形、#1电感单元中储能电感l2的电流波形、能量转换电容c电压波形和晶闸管t1电压波形分别如图3、图4、图5所示。

表1电容复用式多级电感储能型脉冲电源参数