一種用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源的制作方法
【專利摘要】一種用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，屬于電磁發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域。本脈沖電源包括初級電源US、第一電感L1、第二電感L2、電容C、第一晶閘管T1、第二晶閘管T2、第三晶閘管T3和二極管D，其中，第一電感L1和第二電感L2彼此強耦合。通過晶閘管T2和T3的觸發(fā)控制，使電容C先后起到關(guān)斷晶閘管T1、收集漏感能量和產(chǎn)生負(fù)載電流二次峰的作用。本發(fā)明通過對已有的STRETCH meat grinder電路拓?fù)浜蚐TRETCH meat grinder with ICCOS電路拓?fù)溥M行改進，從而具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、充放電電流幅值和儲能能級較高、電容電壓自動恢復(fù)、負(fù)載電流無二階負(fù)半波和可擴展性好等優(yōu)點，適合作為用于電磁發(fā)射的電感儲能型脈沖電源。
【專利說明】
一種用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，屬于電磁發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁發(fā)射是以電磁力加速物體的新興技術(shù)。與傳統(tǒng)發(fā)射技術(shù)相比，電磁發(fā)射具有能量效率高、控制精度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢。隨著科學(xué)技術(shù)(特別是計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù))的不斷發(fā)展，電磁發(fā)射技術(shù)的實用化進程不斷加速。
[0003]電磁發(fā)射裝置一般由發(fā)射器、被發(fā)射組件和脈沖電源構(gòu)成。脈沖電源一般需要在毫秒級時間內(nèi)提供兆安級脈沖電流和兆焦級脈沖能量。用于電磁發(fā)射的脈沖電源一般由初級電源、中間儲能環(huán)節(jié)和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成。初級電源在較長時間內(nèi)為中間儲能環(huán)節(jié)充電，充電完成之后，中間儲能環(huán)節(jié)在較短時間內(nèi)將能量傳遞給脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)通過快速壓縮轉(zhuǎn)換向負(fù)載輸出高功率脈沖電流。
[0004]對于中間儲能環(huán)節(jié)而言，常見的儲能形式有電容儲能、電感儲能和機械儲能。電容儲能是目前應(yīng)用最為廣泛的儲能形式，主要優(yōu)點是原理簡單、技術(shù)成熟、控制容易和成本較低等，主要缺點是儲能密度低、系統(tǒng)體積大。儲能密度低的缺點很大程度上限制了電容儲能在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用。機械儲能的典型代表是以旋轉(zhuǎn)機械為核心部件的脈沖發(fā)電機組，主要優(yōu)點是儲能密度高，主要缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、冷卻困難和一次性存儲多次發(fā)射能量。電感儲能是近年來的研究熱點，主要優(yōu)點是儲能密度較高、結(jié)構(gòu)較簡單和冷卻容易，主要缺點是換流困難、線圈損耗較高。
[0005]美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)的高新技術(shù)研究所(Institute for Advanced Technology)在2005年提出了STRETCH meat grinder電路拓?fù)?，其原理圖如圖1所示，其由初級電源Us、強耦合電感L1、L2、電容C、主管開關(guān)S、晶閘管T和二極管01、仏構(gòu)成。電路工作過程如下:閉合主管開關(guān)S，初級電源Us為電感L^L2充電；當(dāng)電感充電電流上升至指定值之后，斷開主管開關(guān)S，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍?，電感L1電流將迅速減小，電感1^電流將迅速增大，同時，二極管0工導(dǎo)通，漏感能量通SL1-D2-負(fù)載-C-D1-L1回路轉(zhuǎn)移至電容C中，二極管D2導(dǎo)通，負(fù)載獲得高功率脈沖電流;之后，在合適的時刻觸發(fā)晶閘管T導(dǎo)通，電容C中儲存的能量將通過C-負(fù)載-D2-L1-T-C回路向負(fù)載釋放，使其獲得二階脈沖電流。STRETCH meat grinder電路拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點在于主管開關(guān)S承受壓降??；主要缺點在于主管開關(guān)S必須采用全控型半導(dǎo)體器件一一集成門極換流晶閘管IGCT，造價昂貴、通流能力和正反向壓降承受能力不足。這一缺點在提尚成本的同時，制約系統(tǒng)能級的進一步提尚。
[0006]中國清華大學(xué)電機系在2012年提出了STRETCH meat grinder with ICCOS電路拓?fù)洌湓韴D如圖2所示，其由初級電源Us、強耦合電感L1、L2、電容C1、電容C2、晶閘管T1、T2、T3和二極管D1、D2構(gòu)成。電路工作過程如下:觸發(fā)晶閘管Ti導(dǎo)通，初級電源Us為電感L1、L2充電；當(dāng)充電電流上升至指定值之后，觸發(fā)晶閘管!^導(dǎo)通，電容C2(已預(yù)充能量)通過C2-T2-L1-L2-負(fù)載-C2放電，晶閘管!^因電流過零并承受反壓而關(guān)斷；之后，電容(:2儲能耗盡，晶閘管!^因電流過零并承受反壓而關(guān)斷，二極管01、02導(dǎo)通，漏感能量通SL1-D2-負(fù)載-C1-D1-L1回路轉(zhuǎn)移至電容C沖；在合適的時刻觸發(fā)晶閘管T3導(dǎo)通，電容C沖儲存的能量通過C1-負(fù)載-D2-L1-!^-&回路向負(fù)載釋放，使其獲得二階脈沖電流。STRETCH meat grinder with ICCOS電路拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點在于主管!^采用晶閘管，造價低廉、通流能力和正方向壓降承受能力較強;主要缺點在于需要引入電容&和晶閘管T2，并且需要向電容&預(yù)充能量。這一缺點使得電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，體積更龐大，儲能密度更低、成本更高、控制更困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提出一種用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，通過對已有的STRETCH meat grinder電路拓?fù)浜蚐TRETCH meat grinder with ICCOS電路拓?fù)溥M行改進，融合二者優(yōu)勢，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、充放電電流幅值和儲能能級較高、電容電壓自動恢復(fù)、負(fù)載電流無二階負(fù)半波、可擴展性好等優(yōu)點。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，該電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源包括初級電源Us、第一電感L1、第二電感1^2、電容C、第一晶閘管T1、第二晶閘管T2、第三晶閘管T3和二極管D;其中，第一電感L1和第二電感L2彼此強耦合，其特征在于:所述的初級電源Us的正極與第一晶閘管1^的陽極相連接;所述的第一晶閘管T1的陰極、第二晶閘管T2的陰極和第三晶閘管T3的陽極與第一電感Li的一端相連接;所述的第一電感Li的另一端與第二電感L2的一端和二極管D的陰極相連接，且第一電感L1與第二電感L2的連接關(guān)系為同名端順串連接;所述的第二電感L2的另一端與電容C的一端、初級電源Us的負(fù)極和負(fù)載的一端相連接;所述的電容C的另一端與第二晶閘管!^的陽極和第三晶閘管T3的陰極相連接;所述的二極管D的陽極與負(fù)載的另一端相連接。
[0010]本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，具有以下優(yōu)點及突出性的技術(shù)效果:①本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，相比于基于STRETCH meat grinder電路拓?fù)涞拿}沖電源，以晶閘管取代IGCT作為主管，很大程度的降低了成本，提高了主管的通流能力和正反向壓降承受能力，有利于系統(tǒng)能級的進一步提高。②本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，相比于基于STRETCH meat grinder with ICCOS電路拓?fù)涞拿}沖電源，去除了逆流支路，節(jié)省了一個脈沖電容和一個二極管。這使得脈沖電源的結(jié)構(gòu)更為簡單、成本更為低廉、體積更為精簡，有利于系統(tǒng)整體儲能密度的進一步提高。③本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，相比于基于STRETCH meat grinder電路拓?fù)涞拿}沖電源和基于STRETCHmeat grinder with ICCOS電路拓?fù)涞拿}沖電源，通過恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計和換路控制，使得負(fù)載電流無二階負(fù)半波，有利于放電效率的進一步提高。④本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，通過恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計和換路控制，使得電容電壓可以自動恢復(fù)，省去了多次放電過程中電容預(yù)充這一準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，有利于電磁發(fā)射的連續(xù)進行。
【附圖說明】
[0011]圖1為已有技術(shù)中美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校提出的STRETCHmeat grinder電路拓?fù)涞脑韴D。
[0012]圖2為已有技術(shù)中中國清華大學(xué)電機系提出的STRETCH meat grinderwith ICCOS電路拓?fù)涞脑韴D。
[0013 ]圖3為本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源的電路拓?fù)鋱D。
[0014]圖4為本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源的充放電過程中第一電感電流、第二電感電流和負(fù)載電流的波形示意圖。
[0015]圖5為本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源的充放電過程中電容電壓和主管(即第一晶閘管)兩端電壓的波形示意圖。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，包括初級電源Us、第一電感L1、第二電感1^2、電容C、第一晶閘管!^、第二晶閘管!^、第三晶閘管T3和二極管D;其中，第一電感Li和第二電感L2彼此強耦合;所述的初級電源Us的正極與第一晶閘管T1的陽極相連接;所述的第一晶閘管T1的陰極、第二晶閘管T2的陰極和第三晶閘管T3的陽極與第一電感L1的一端相連接;所述的第一電感1^的另一端與第二電感L2的一端和二極管D的陰極相連接;所述的第二電感L2的另一端與電容C的一端、初級電源Us的負(fù)極和負(fù)載的一端相連接；所述的電容C的另一端與第二晶閘管!^的陽極和第三晶閘管T3的陰極相連接;所述的二極管D的陽極與負(fù)載的另一端相連接;特別的，所述的第一電感L1與第二電感L2的連接關(guān)系為同名端順串連接。
[0017]本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電感儲能型脈沖電源電路中，第一電感Li應(yīng)當(dāng)比第二電感L2感值大，具體倍數(shù)由系統(tǒng)能級和充放電電流放大倍數(shù)需求決定;第二電感L2內(nèi)阻應(yīng)當(dāng)盡可能小，以實現(xiàn)較大的電流放大倍數(shù)和較高的系統(tǒng)效率;如果希望盡可能減小主管兩端尖峰電壓，則第一電感L1和第二電感L2之間的耦合系數(shù)應(yīng)當(dāng)較大(高于0.95)，電容C容值應(yīng)當(dāng)較大;如果希望盡可能增大電容電壓恢復(fù)比率，則第一電感L1和第二電感L2之間的耦合系數(shù)應(yīng)當(dāng)較小(介于0.85和0.9之間)，電容C在滿足自身耐壓要求的前提下容值應(yīng)當(dāng)盡可能??；電容C需要進行預(yù)充，理論上預(yù)充電壓應(yīng)當(dāng)高于電感充電過程結(jié)束時刻的初級電源電壓，實際中預(yù)充電壓可以取電感充電過程開始時刻的初級電源電壓的1.5倍；當(dāng)電容C容值選取合適，可以實現(xiàn)電壓自動恢復(fù)，后續(xù)(第一次之后)充放電過程中，不需要再對電容C進行預(yù)充;初級電源最好選用電壓可調(diào)的高壓直流電源，通過程序控制使其在電感充電過程即將結(jié)束時降低輸出電壓，以實現(xiàn)第一晶閘管T1的可靠關(guān)斷;第一晶閘管T1S當(dāng)采用快速恢復(fù)型晶閘管，以保證可靠關(guān)斷；第二晶閘管T2、第三晶閘管T3可采用普通晶閘管，以降低成本;第一晶閘管T1、第二晶閘管Τ2、第三晶閘管T3和二極管D的通流能力和耐壓能力應(yīng)當(dāng)高于系統(tǒng)額定能級下各器件的最大電流和最高電壓，建議通過電路仿真進行預(yù)分析。
[0018]以下結(jié)合附圖3、附圖4和附圖5，詳細(xì)介紹本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用型電感儲能型脈沖電源電路的工作過程，可以分為以下六個工作階段。
[0019](假設(shè)電容C已完成預(yù)充)
[0020]第一階段，電感充電。
[0021]觸發(fā)第一晶閘管!^導(dǎo)通，初級電源Us為第一電感L1、第二電感L2充電；當(dāng)電感充電電流上升至指定值之后，觸發(fā)第二晶閘管T2導(dǎo)通，第一階段結(jié)束。
[0022]第二階段，主管逆流及電感繼續(xù)充電。
[0023]觸發(fā)第二晶閘管!^導(dǎo)通，電容C電流迅速增大至電感充電電流，第一晶閘管T1因電流過零并承受反壓而關(guān)斷;之后電容C繼續(xù)為第一電感U、第二電感1^2充電，直至其預(yù)充能量完全耗盡，二極管D導(dǎo)通，第二階段結(jié)束。
[0024]第三階段，第二電感電流倍增及漏感能量收集。
[0025]二極管D導(dǎo)通，第一電感電流迅速減小，第二電感電流迅速增大，負(fù)載電流也隨之迅速增大，電流倍增過程遵循磁鏈?zhǔn)睾阍?，電流放大倍?shù)由電感比值、電感耦合系數(shù)和回路阻值共同決定;漏感能量通過L1-D-負(fù)載-C-T2-L1回路被電容C收集，直至第二晶閘管1~2電流過零并承受反壓而關(guān)斷，第三階段結(jié)束。
[0026]第四階段，一階放電。
[0027]第二晶閘管T2關(guān)斷，第二電感直接向負(fù)載放電，由于負(fù)載通常是小阻感負(fù)載，這一階段遵循RL—階電路放電規(guī)律。在合適的時刻觸發(fā)第三晶閘管T3導(dǎo)通，第四階段結(jié)束。
[0028]第五階段，二階放電。
[0029]觸發(fā)第三晶閘管T3導(dǎo)通，電容C所收集的漏感能量通過C-負(fù)載-D-L1-T3-C回路向負(fù)載放電，產(chǎn)生負(fù)載電流的二次峰，這一階段遵循RLC二階電路放電規(guī)律。之后，第三晶閘管T3電流過零并承受反壓而關(guān)斷，第五階段結(jié)束。
[0030]第六階段，一階放電。
[0031]第三晶閘管T3關(guān)斷，第二電感直接向負(fù)載放電，這一階段與第四階段相同。二極管D電流降至零，第六階段結(jié)束。
[0032]此外，如果第三晶閘管T3的觸發(fā)導(dǎo)通時刻恰好是第三階段結(jié)束時刻(或者稍提前)，則第四階段將被跳過，直接進入第五階段。
【主權(quán)項】
1.一種用于電磁發(fā)射的電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源，該電容復(fù)用式電感儲能型脈沖電源包括初級電源Us、第一電感L1、第二電感1^2、電容C、第一晶閘管T1、第二晶閘管T2、第三晶閘管T3和二極管D;其中，第一電感L1和第二電感L2彼此強耦合，其特征在于:所述的初級電源Us的正極與第一晶閘管1^的陽極相連接;所述的第一晶閘管T1的陰極、第二晶閘管T2的陰極和第三晶閘管T3的陽極與第一電感Li的一端相連接;所述的第一電感Li的另一端與第二電感L2的一端和二極管D的陰極相連接，且第一電感L1與第二電感L2的連接關(guān)系為同名端順串連接;所述的第二電感L2的另一端與電容C的一端、初級電源Us的負(fù)極和負(fù)載的一端相連接;所述的電容C的另一端與第二晶閘管!^的陽極和第三晶閘管T3的陰極相連接;所述的二極管D的陽極與負(fù)載的另一端相連接。
【文檔編號】H02M9/02GK105897033SQ201610387943
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】劉旭堃, 班瑞, 于歆杰, 李臻
【申請人】清華大學(xué)