脉冲电路、脉冲电源和电磁发射装置的制作方法

本发明涉及电源领域，特别是涉及一种脉冲电路、脉冲电源和电磁发射装置。

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。

电磁发射装置一般由发射器、被发射组件和脉冲电源构成。脉冲电源一般需要在毫秒级时间内提供兆安级脉冲电流和兆焦级脉冲能量。用于电磁发射的脉冲电源一般由初级电源、中间储能环节和脉冲形成网络三部分构成。对于中间储能环节而言，常见的储能形式有机械储能、电容储能和电感储能。其中电感储能会存在换流困难、线圈损耗较高，电感线圈余能占总预充能量的比例较高的问题，这使得系统整体能量利用效率较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的。脉冲电源系统整体能量利用效率较低的问题，提供一种具有能量回收功能的脉冲电路、脉冲电源和电磁发射装置。

一种脉冲电路，包括：

脉冲电路正输出端和脉冲电路负输出端；

至少一电感模块，所述电感模块包括与所述脉冲电路正输出端电连接的电感正输出端和与所述脉冲电路负输出端电连接的电感负输出端，所述电感模块用于通过所述电感正输出端和所述电感负输出端输出能量；

还包括：

至少一电容模块，所述电容模块包括：

与所述脉冲电路正输出端电连接的电容正输出端和与所述脉冲电路负输出端电连接的电容负输出端。

在其中一个实施例中，所述脉冲电路包括：

能量回收电路，所述能量回收电路通过所述电容正输出端和所述电容负输出端回收所述电感模块的能量，所述能量回收电路的两端分别与所述电容正输出端和所述电容负输出端相连；

充电电路，所述充电电路通过所述电容正输出端和所述电容负输出端输出能量，所述充电电路的两端分别与所述电容正输出端和所述电容负输出端相连。

在其中一个实施例中，所述能量回收电路包括：

串联于所述电感正输出端和所述电感负输出端之间的第一电容、第一晶闸管，所述第一晶闸管的阳极与所述电容正输出端电连接。

在其中一个实施例中，所述充电电路包括：

串联于所述电容正输出端和所述电容负输出端之间的第一电感和第一二级管，所述第一二级管的阳极与所述电容负输出端电连接；

第二晶闸管，所述第二晶闸管的阳极与所述第一晶闸管的阴极电连接，所述第二晶闸管的阴极与所述第一二极管的阴极电连接。

在其中一个实施例中，所述电感模块包括：

串联连接的第一电源和开关，所述第一电源的脉冲电路负输出端与所述电感正输出端电连接；

并联连接的第二二极管与第三晶闸管；

第二电容，分别与所述第二二极管和所述第三晶闸管串联并与所述电感正输出端电连接，所述开关连接在所述第二二极管的阴极、所述第三晶闸管的阳极与所述第一电源的脉冲电路正输出端之间；

第二电感与第三电感，异名端连接并串联在所述第三晶闸管的阳极与所述电感正输出端之间；

第三二极管，阴极连接在所述第二电感与所述第三电感之间，所述第三二极管的阳极与所述电感负输出端电连接。

在其中一个实施例中，所述电感模块包括：

串联连接的第二电源和第四晶闸管，所述第二电源的脉冲电路负输出端与所述电感正输出端电连接，所述第二电源的脉冲电路正输出端与所述第四晶闸管的阳极电连接；

并联连接的第四二极管和第六晶闸管；

第三电容，分别与所述第四二极管和第六晶闸管串联，并与所述电感正输出端电连接，所述第四二极管的阴极与所述第六晶闸管的阳极和所述第四晶闸管的阴极电连接；

第四电感和第五电感，异名端连接并串联在所述第四晶闸管的阴极和所述第二电源的脉冲电路负输出端之间；

第五晶闸管、第四电容和第五二极管，依次串联于所述第四电感的两端，所述第五晶闸管的阴极与所述第四晶闸管的阴极电连接，所述第五二极管的阳极与所述电容负输出端电连接。

在其中一个实施例中，所述电感模块包括：

串联连接的第三电源和第七晶闸管，所述第三电源的脉冲电路负输出端与所述电感正输出端电连接，所述第三电源的脉冲电路正输出端与所述第七晶闸管阳极电连接；

并联连接的第八晶闸管和第九晶闸管；

第五电容，分别与所述第八晶闸管、所述第九晶闸管串联并与所述电感正输出端电连接，所述第八晶闸管的阴极、所述第九晶闸管的阳极与所述第七晶闸管的阴极电连接；

第六电感、第七电感，异名端连接并串联在所述第七晶闸管的阴极和所述第三电源的脉冲电路负输出端之间；

第六二极管，阴极连接在所述第六电感、所述第七电感之间，所述第六二极管的阳极与所述电感负输出端电连接。

在其中一个实施例中，所述电感模块包括：

串联连接的第四电源、第十晶闸管，所述第四电源的脉冲电路负输出端与所述电感正输出端电连接，所述第四电源的脉冲电路正输出端与所述第十晶闸管的阳极电连接；

第十一晶闸管、第六电容，串联于所述第十晶闸管的阴极和所述第四电源的脉冲电路负输出端之间，所述第十一晶闸管的阴极与所述第十晶闸管的阴极电连接；

第九电感和第十电感，异名端连接并串联在所述第十晶闸管的阴极和所述第四电源的脉冲电路负输出端之间；

串联连接的第十二晶闸管和第八电感，所述第十二晶闸管阴极与所述第十一晶闸管的阳极电连接，所述第八电感远离所述第十二晶闸管的一端电连接在所述第九电感、所述第十电感之间；

第七二极管，阴极电连接在所述第九电感、所述第十电感之间，所述第七二极管的阳极与所述电感负输出端电连接。

一种脉冲电源，包括所述的脉冲电路。

一种电磁发射装置，包括加速装置，包括所述的脉冲电源，所述脉冲电路正输出端与所述脉冲电路负输出端电连接在所述加速装置的两端。

本发明提供的脉冲电路中，所有所述电感模块的正输出端与所有所述电容模块的正输出端连接后与负载的脉冲电路正输出端连接。所有所述电感模块的负输出端与所有所述电容模块的负输出端连接后与负载的脉冲电路负输出端连接。在所述电感模块向负载释放能量后，所述能量回收电路能够将所述电感模块未利用的能量回收以备下次使用，从而提高能量的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的脉冲电路示意图；

图2为本发明实施例提供的电容模块示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电感模块的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种电感模块的示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种电感模块的示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种电感模块的示意图；

图7为本发明提供的一个实施例中脉冲电路中电容模块输出电流、电压模块输出电流、负载电流相互关系示意图；

图8为本发明提供的一个实施例中负载电流、电容模块中第一电容电压和电枢速度关系示意图；

图9为本发明提供的一个实施例中加速装置的结构示意图。

主要元件符号说明

脉冲电路10、电感模块20、电感正输出端21、电感负输出端22、电容模块30、电容正输出端31、电容负输出端32、充电电路40、能量回收电路50、第一电容110、第二电容120、第三电容130、第四电容140、第五电容150、第六电容160、第一晶闸管210、第二晶闸管220、第三晶闸管230、第四晶闸管240、第五晶闸管250、第六晶闸管260、第七晶闸管270、第八晶闸管280、第九晶闸管290、第十晶闸管291、第十一晶闸管292、第十二晶闸管293、第一电感310、第二电感320、第三电感330、第四电感340、第五电感350、第六电感360、第七电感370、第八电感380、第九电感390、第十电感391、第一二级管410、第二二极管420、第三二极管430、第四二极管440、第五二极管450、第六二极管460、第七二极管470、第一电源510、第二电源520、第三电源530、第四电源540、开关600、加速装置700、导轨710、电枢720、弹丸730。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。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。

请参见图1和图2，本发明实施例提供一种脉冲电路10。所述脉冲电路10包括脉冲电路正输出端11、脉冲电路负输出端12、至少一电感模块20、以及至少一电容模块30。所述电感模块20包括与所述脉冲电路正输出端11电连接的电感正输出端21和与所述脉冲电路负输出端12电连接的电感负输出端22。所述电感模块20用于通过所述电感正输出端21和所述电感负输出端22输出能量。

在其中一个实施例中，所述电容模块30包括能量回收电路50、充电电路40、电容负输出端32、电容正输出端31。所述电容正输出端31与所述脉冲电路10正输出端11电连接。所述电容负输出端32与所述脉冲电路负输出端12电连接。所述能量回收电路50通过所述电容正输出端31和所述电容负输出端32回收所述电感模块20的能量。所述能量回收电路50的两端分别与所述电容正输出端31和所述电容负输出端32相连。所述充电电路40通过所述电容正输出端31和所述电容负输出端32输出能量。所述充电电路40的两端分别与所述电容正输出端31和所述电容负输出端32相连。所述脉冲电路10可以通过电磁力给物体加速。所述电感模块20可以为负载提供加速的能量。所述负载可以是电磁轨道炮、舰载机发射器、卫星发射器等。所述电感模块20具有高储能密度优势。所述电容模块30具有高功率密度优势。因此所述电感模块20可以具有较小的体积，从而可以减少设备的体积。可以所述电容模块30可以将所述电感模块20工作过程中没有被利用的能量回收。所述电容模块30还可以将回收的能量在所述脉冲电路10再次工作时提供给负载。从而达到充分利用能量的目的。所述充电电路40可以在所述脉冲电路10工作时直接给负载充电。所述能量回收电路50可以在被发射元件出膛的前后回收所述电感模块20中的能量以备下次利用。所述电感模块20和所述电容模块30可以协同工作。所述电感模块20和所述电容模块30的数量可以根据负载的功率要求选择。所述电容模块30和所述电感模块20各自的工作相互不受干扰。所述电感模块20和收缩时电容模块30可以并联放电、相对独立，通过灵活调整所述电感模块20的数量和所述电容模块30数量，即可满足不同的发射需求。

在其中一个实施例中，所述能量回收电路50包括第一电容110、第一晶闸管210。所述第一电容110串联于所述电容正输出端31和所述电容负输出端32之间。所述第一晶闸管210的阳极与所述电容正输出端31电连接。

当需要对所述电感模块20中的能量回收时，触发所述第一晶闸管210使所述第一晶闸管210导通，电感模块20中的能量可以从所述电容正输出端31输入，经过所述第一晶闸管210将能量储存在所述第一电容110中。优选地，所述第一晶闸管210触发的时刻可以早于被发射元件的出膛时刻以使能量回收最大化。在其中一个实施例中，所述第一电容110为脉冲电容。脉冲电容可以具有较高的电压承受能力。

在其中一个实施例中，所述充电电路40包括第一电感310、第一二级管410、第二晶闸管220。所述第一电感310和所述第一二级管410串联于所述电容正输出端31和所述电容负输出端32之间。第一二极管410的阳极连接32。所述第二晶闸管220的阳极与所述第一晶闸管210的阴极电连接，所述第二晶闸管220的阴极与所述第一二极管410的阴极电连接。

在负载需要储能时，触发导通所述第二晶闸管220，所述第一电容110中的能量经过所述第二晶闸管220，在所述第一电感310中形成脉冲。能量经过所述第一电感310后通过所述电容正输出端31输入负载，负载的另一端连接在所述电容负输出端32，能量经过负载流经所述第一二极管410进入所述第一电感310。在给负载充能的过程中，所述第一电感310、负载、所述第一二极管410形成回路。

请参见图3，在其中一个实施例中，所述电感模块20包括第一电源510、开关600、第二二极管420、第三晶闸管230、第二电容120、第二电感320、第三电感330、以及第三二极管430。所述第一电源510和开关600串联。所述第二二极管420与所述第三晶闸管230并联。所述第二二极管420的的阴极与所述第三晶闸管230的阳极连接。所述第二电容120分别与所述第二二极管420和所述第三晶闸管230串联并与所述电感正输出端21电连接。所述开关600连接在所述第二二极管420的阴极、所述第三晶闸管230的阳极与所述第一电源510的脉冲电路正输出端之间。所述开关600的一端连接在所述第一电源510的正极。所述第二电感320与所述第三电感330异名端连接并串联在所述第三晶闸管230的阳极与所述电感正输出端21之间。所述第三二极管430的阴极连接在所述第二电感320与所述第三电感330之间，所述第三二极管430的阳极与所述电感负输出端22电连接。

本实施例中，所述电容模块30的工作过程如下：

s100，合上开关600，导通回路，所述第一电源510向所述第二电感320和所述第三电感330充电，充电完毕后断开所述开关600。

s200，所述第三二极管430导通，所述第二电感320的电流迅速减小，所述第三电感330的电流迅速增加，负载电流迅速增大，漏感能量被所述第二电容120收集。

s300，触发导通所述第三晶闸管230，所述第二电容120收集的能量向负载放电。

本实施例中，所述第二电容120能够回收能量并向负载放电，从而提高了能量利用的效率。

请参见图4，在其中一个实施例中，所述电感模块20包括第二电源520、第四晶闸管240、第五晶闸管250、第六晶闸管260、第三电容130、第四电感340、第五电感350、第四电容140、以及第五二极管450。所述第二电源520和所述第四晶闸管240串联连接。所述第二电源520的脉冲电路负输出端与所述电感正输出端21电连接。所述第二电源520的脉冲电路正输出端与所述第四晶闸管240的阳极电连接。所述第四二极管440、所述第六晶闸管260并联连接。所述第三电容分别与所述第四二极管440和第六晶闸管260串联，并与所述电感正输出端21电连接。所述第四二极管440的阴极与所述第六晶闸管260的阳极和所述第四晶闸管240的阴极电连接。所述第四电感340和所述第五电感350异名端连接后串联在所述第四晶闸管240的阴极和所述第二电源520的脉冲电路负输出端之间。所述第五晶闸管250、所述第四电容140和所述第五二极管450依次串联于所述第四电感340的两端。所述第五晶闸管250的阴极与所述第四晶闸管240的阴极电连接。所述第五二极管450的阳极与所述电容负输出端32电连接。通过设置第五晶闸管250、第四电容140，能够使得所述第四电容140反压阻断管段所述第四晶闸管240。

本实施例中，所述电感模块20的工作过程如下：

s100，触发所述第四晶闸管240导通，所述第二电源520为所述第四电感340和所述第五电感350充电，直至充电电流增加到指定值。

s200，触发导通所述第五晶闸管250，至所述第五晶闸管250关断。

在步骤s200中，触发导通所述第五晶闸管250后，所述第四电容140电流迅速增大至所述第四电感340和所述第五电感350的电流的大小，所述第四晶闸管240受反压被关断，所述第四电容140继续为所述第四电感340和所述第五电感350充电，直至所述第四电容140预充电量耗尽，所述第五晶闸管250关断。

s300，所述第五二极管450导通，所述第四电感340电流减小，所述第五电感350电流迅速增大，漏感能量被所述第三电容130回收。

s400，所述第六晶闸管260导通，所述第三电容130向负载放电。

s500，所述第六晶闸管260受反压关断，所述第五电感350继续向负载放电直至所述第五二极管450电流降为零，充电过程结束。

请参见图5，在其中一个实施例中，所述电感模块20包括第三电源530、第七晶闸管270、第八晶闸管280、第九晶闸管290、第五电容150、第六电感360、第七电感370、以及第六二极管460。所述第三电源530和所述第七晶闸管270串联连接。所述第三电源530的脉冲电路负输出端与所述电感正输出端21电连接。所述第三电源530的脉冲电路正输出端与所述第七晶闸管270阳极电连接。所述第八晶闸管280、所述第九晶闸管290并联连接。所述第五电容150分别与所述第八晶闸管280、所述第九晶闸管290串联并与所述电感正输出端21电连接。所述第八晶闸管280的阴极、所述第九晶闸管290的阳极与所述第七晶闸管270的阴极电连接。所述第六电感360、所述第七电感370异名端连接并串联在所述第七晶闸管270的阴极和所述第三电源530的脉冲电路负输出端之间。所述第六二极管460的阴极连接在所述第六电感360、所述第七电感370之间。所述第六二极管460的阳极与所述电感负输出端22电连接。

本实施例中，所述电容模块30的工作过程如下：

s100，触发所述第七晶闸管270，所述第三电源530为所述第六电感360和所述第七电感370充电。

s200，触发导通所述第八晶闸管280；至所述第五电容150预充能量完全耗尽。

在步骤s200中，触发导通所述第八晶闸管280后，所述第五电容150电流增大至所述第六电感360和所述第七电感370的充电电流。所述第七晶闸管270因电流过零且承受反压而关断；之后第五电容150继续为所述第六电感360和所述第七电感370充电，直至其预充能量完全耗尽。

s300，所述第六二极管460导通，直至所述第八晶闸管280电流过零并承受反压而关断。

在步骤s300中，所述第六二极管460导通后，所述第六电感360电流迅速减小，所述第七电感370电流迅速增大，负载电流也随之迅速增大，漏感能量通过所述第六电感360–第六二极管460—负载—第五电容150—第八晶闸管280—第六电感360回路被所述第五电感350收集，直至所述第八晶闸管280电流过零并承受反压而关断。

s400，所述第七电感370直接向负载放电。

s500，触发所述第九晶闸管290导通，所述第三晶闸管230t3电流过零并承受反压而关断。

在步骤s500中，触发所述第九晶闸管290导通后，所述第五电容150所收集的漏感能量通过所述第五电容150—负载—第六二极管460—第六电感360—第九晶闸管290—第五电容150回路向负载放电，产生负载电流的二次峰。之后，所述第三晶闸管230t3电流过零并承受反压而关断。

s600，所述第七电感370直接向负载放电，这一阶段与s400步骤相同。所述第六二极管460电流降至零，充电结束。

请参见图6，在其中一个实施例中，所述电感模块20包括第四电源540、第十晶闸管291、第十一晶闸管292、第十二晶闸管293、第六电容160、第八电感380、第九电感390、第十电感391、第七二极管470。所述第四电源540、所述第十晶闸管291串联连接。所述第四电源540的脉冲电路负输出端与所述电感正输出端21电连接。所述第四电源540的脉冲电路正输出端与所述第十晶闸管291的阳极电连接。所述第十一晶闸管292、所述第六电容160串联于所述第十晶闸管291的阴极和所述第四电源540的脉冲电路负输出端之间。所述第十一晶闸管292的阴极与所述第十晶闸管291的阴极电连接。所述第九电感390所述第十电感391异名端连接后串联在所述第十晶闸管291的阴极和所述第四电源540的脉冲电路负输出端之间。所述第十二晶闸管293和所述第八电感380串联连接。所述第十二晶闸管293阴极与所述第十一晶闸管292的阳极电连接。所述第八电感380远离所述第十二晶闸管293的一端电连接在所述第九电感390、所述第十电感391之间。所述第七二极管470的阴极电连接在所述第九电感390、所述第十电感391之间。所述第七二极管470的阳极与所述电感负输出端22电连接。

在本实施例中，所述电感模块20的工作过程如下：

s100，触发所述第十晶闸管291导通，所述第十电感391电流上升至指定值。

在步骤s100中，触发所述第十晶闸管291导通后，所述第四电源540为所述第九电感390、所述第十电感391充电，当电感充电电流上升至指定值。

s200，触发所述第十一晶闸管292导通，所述第六电容160为所述第九电感390、所述第十电感391充电，直至其预充能量完全耗尽。

在步骤s200中，触发所述第十一晶闸管292导通后，所述第六电容160的电流迅速增大至电感充电电流，所述第十晶闸管291因电流过零并承受反压而关断；所述第六电容160继续为所述第九电感390、所述第十电感391充电，直至其预充能量完全耗尽。

s300，所述第七二极管470导通，漏感能量被所述第六电感360收集。

在步骤s300中，所述第七二极管470导通后，所述第九电感390的电流迅速减小，所述第十电感391电流迅速增大，负载电流也随之迅速增大，漏感能量通过所述第九电感390–第七二级管–负载–第六电容160–第十一晶闸管292–第九电感390回路被所述第六电感360收集。

s400，所述第十一二级管电流过零并承受反压而关断，所述第十电感391直接向负载放电。

s500，触发所述第八晶闸管280导通，所述第六电容160负载放电。

步骤s500中，触发所述第八晶闸管280导通，所述第六电容160所收集的漏感能量通过第六电容160-负载-第七二级管-第八电感380-第十二晶闸管293-第六电容160回路向负载放电，同时，所述第十电感391直接向负载一阶放电。二阶电流与一阶电流叠加，构成负载电流。

s600，所述第十二晶闸管293电流过零并承受反压而关断，所述第十电感391继续向负载放电，这一阶段与s400相同。所述第七二级管电流降至零，充电过程结束。

此外，如果第十二晶闸管293的触发导通时刻恰好是s300结束时刻，则步骤s400将被跳过，直接进入步骤s500。

下面对脉冲电路10的一个应用实施例进行说明：

所述脉冲电路10包括一个图6所示的电感模块20，一个电容模块30，负载为轨道炮。系统参数如下：

请参见图7-8，在电枢需要能量时，所述电容模块30和所述电感模块20分别向所述电枢输出能量，所述电枢的电流是所述电容模块30和所述电感模块20输出电流的迭加。所述电容模块30输出电流的时间和所述电感模块20输出电流的时间可以不同。在所述电容模块30向电枢放电时，所述电容模块30的第一电容110的电压迅速降为零，所述电枢的电流迅速增加。所述电枢的速度也迅速增加。在所述电枢出膛后，所述第一电容110回收能量，所述第一电容110的电压迅速增加，所述电枢的电流迅速降低，所述电枢的速度趋于稳定。

在其中一个实施例中，还提供一种脉冲电源。所述脉冲电源包括所述的脉冲电路10。所述脉冲电源可以在毫秒级时间内提供兆安级脉冲电流和兆焦级脉冲能量。可以应用在电磁发射领域。并可以在工作完成后回收所述脉冲电源中所述剩余的能量，具有节约能源的优点。

在其中一个实施例中，还提供一种电磁发射装置。所述电磁发射装置包括加速装置700。还包括所述的脉冲电源。所述脉冲电路正输出端11与所述脉冲电路负输出端12连接在所述加速装置的两端。所述加速装置700中可以设置有电枢720、轨道710和弹丸730。所述轨道710的两端可以连接在所述脉冲电源的输入输出端。所述脉冲电源输出的电流经过所述轨道710输送给所述电枢720。所述电枢720带动所述弹丸730加速，最终将所述弹丸730高速发射。所述电磁发射装置可以为电枢提供暂态高能量，使得所述电枢加速向外运动。所述电磁发射装置工作完成后能够回收所述电磁发射装置中的能量。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。