專利名稱：一種利用雙電容器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于脈沖功率科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的脈沖電流發(fā)生裝置，特別涉及一種利用雙電容器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源。
背景技術(shù)：
脈沖功率技術(shù)是當(dāng)前國際上很活躍的前沿高科技技術(shù)之一，它通過對儲能器件緩慢充電，然后在短時間內(nèi)對能量完成壓縮、整形和傳輸，從而得到高幅值、大功率、陡前沿的脈沖。脈沖功率技術(shù)作為一門新興學(xué)科，在國防科研和民用工業(yè)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用潛力。在國防科研領(lǐng)域，它可以為核聚變、強流粒子束加速器、電磁推進(jìn)以及微波武器等裝置提供大功率脈沖電源；在民用工業(yè)領(lǐng)域，既可以運用微波功率雷達(dá)高速脈沖技術(shù)對地下資源的性質(zhì)和分布狀況進(jìn)行勘查，又可以應(yīng)用脈沖電場產(chǎn)生的靜電場除塵和分解有毒化合物，還可以采用體外沖擊波技術(shù)治療尿路結(jié)石和膽結(jié)石，應(yīng)用十分廣泛。早期的核聚變研 究給脈沖功率技術(shù)創(chuàng)造了良好的成長環(huán)境，國防基礎(chǔ)科研的需求為它提供了充足的發(fā)展動 力，同時隨著其在民用領(lǐng)域的發(fā)展，人們對脈沖功率技術(shù)提出了許多新的挑戰(zhàn)，也促進(jìn)了它向更廣、更深的層次發(fā)展。現(xiàn)有脈沖功率裝置中的儲能方式主要有電感儲能和電容儲能兩種，根據(jù)不同的特點應(yīng)用在不同場合。電感儲能是以磁場方式進(jìn)行儲能，具有儲能密度高和傳輸功率大的特點，有利于縮小儲能裝置的體積。但其最大的缺點在于充放電速度受電感值制約，能量釋放環(huán)節(jié)采用的斷路開關(guān)不僅會在切斷大電流瞬間發(fā)生電弧現(xiàn)象，還會在儲能電感上產(chǎn)生高峰值的過電壓脈沖，影響儲能電感的正常工作，因此，目前大功率裝置中，多采用電容儲能方式。電容儲能是以電場方式在兩極板上積蓄異種電荷的結(jié)果，具有充放電時間短、重復(fù)頻率高、使用壽命長的特點。與電感儲能脈沖發(fā)生器使用的斷路開關(guān)相比，穩(wěn)定而可重復(fù)的快速閉合開關(guān)應(yīng)用更加成熟，既能避免電弧現(xiàn)象，又可實現(xiàn)大電流、高功率的脈沖輸出。傳統(tǒng)的電容器放電模式，主要是以一個電容器作為初始儲能元件，通過控制開關(guān)，將電容器中的能量轉(zhuǎn)移至升流降壓式脈沖變壓器的原邊繞組，隨著原邊繞組中的電流快速增加，副邊繞組向負(fù)載感應(yīng)輸出脈沖電流。它存在的問題是1、由于電感電流不能突變，該放電模式下的原邊繞組電流變化率小，導(dǎo)致輸出脈沖電流的幅值小；2、電容器向脈沖變壓器原邊繞組放電后會產(chǎn)生殘余電流，這部分電流會停滯在電感中，因此能量有效利用率低；
3、脈沖變壓器的原副邊繞組均由銅線繞制，電阻不可忽略，伴隨的焦耳熱損耗大；4、該模式只能輸出單次脈沖電流，不具備連續(xù)輸出多脈沖的應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種利用雙電容器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源電路模式，與同類電路模式相比既能提高脈沖電流幅值，又能消除電路中的殘余電流，具有體積小、損耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高、控制系統(tǒng)簡單等特點。
本發(fā)明的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的。一種利用雙電容器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，其特征在于，包括初始充電電源、儲能電容器、轉(zhuǎn)換電容器、脈沖變壓器、可控開關(guān)、二極管和負(fù)載；所述可控開關(guān)包括一個電源開關(guān)和兩個放電開關(guān)，兩個放電開關(guān)分別串聯(lián)在儲能電容器和轉(zhuǎn)換電容器回路中，所述二極管串聯(lián)在脈沖變壓器的原副邊回路中。所述脈沖變壓器的原邊繞組采用高溫超導(dǎo)帶材Bi-2223/Ag繞制，具有儲能密度大、損耗低、儲存能量時間長的優(yōu)點；但由于高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流只有幾百安，不具備輸出脈沖大電流的能力，因此副邊繞組采用導(dǎo)電好、載流能力強的銅帶作為材料；整個脈沖變壓器放置在低溫容器中，利用液氮冷卻，既能保證高溫超導(dǎo)帶材處于超導(dǎo)態(tài)，又能降低銅帶的電阻率，從而減小焦耳熱損耗，提高整個系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。采用本發(fā)明的實質(zhì)是儲能電容器在能量存儲完畢后，通過放電開關(guān)將能量以LC二階振蕩方式傳輸至脈沖變壓器的原邊超導(dǎo)繞組，原邊超導(dǎo)繞組中的電流快速增加；原邊超導(dǎo)繞組中的電流達(dá)到最大值后，通過二極管和放電開關(guān)，與轉(zhuǎn)換電容器交替?zhèn)鬟f能量， 直至能量耗盡，能量傳遞過程中副邊常導(dǎo)繞組在二極管的單向?qū)ㄗ饔孟赂袘?yīng)輸出脈沖電流。本發(fā)明的有益結(jié)果在于1、雙電容器和電感之間的能量轉(zhuǎn)換都是基于LC 二階振蕩方式，轉(zhuǎn)換時間均為四分之一振蕩周期，該方式通過增大電路中的電流變化率，不僅能夠提聞能量傳輸速度，還能實現(xiàn)聞幅值的脈沖電流輸出；2、在電容儲能技術(shù)的基礎(chǔ)上插入超導(dǎo)電感儲能，既能發(fā)揚各自優(yōu)點，又能克服各自缺點；3、整個脈沖變壓器放置在低溫容器中，利用液氮冷卻，既能保證高溫超導(dǎo)帶材處于超導(dǎo)態(tài)，又能降低銅帶的電阻率，從而減小焦耳熱損耗，提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率；4、每個能量傳輸環(huán)節(jié)均采用IGBT可控開關(guān)，其既能在開關(guān)導(dǎo)通瞬間避免電弧現(xiàn)象，又能在關(guān)斷瞬間防止高幅值的電壓脈沖，具有動作速度快、熱穩(wěn)定性好、di/dt小、能量損耗低和驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點；5、通過對電源開關(guān)的時序控制信號做適當(dāng)調(diào)整，儲能電容器可以在放電完畢后立即進(jìn)行儲能，接著再次放電，這種循環(huán)應(yīng)用方式能夠替代多模塊電容器組，從而達(dá)到縮小裝置體積、降低成本、實現(xiàn)多脈沖連續(xù)輸出的目的，用以滿足負(fù)載的特別需要。由于上述優(yōu)點，本發(fā)明可以應(yīng)用于軌道炮能源補給或強電流脈沖電源的技術(shù)領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明實施例應(yīng)用于脈沖電流發(fā)生裝置的電路原理中(1)為初始充電電源，⑵為電源開關(guān)S1, (3)為儲能電容器C1,⑷為放電開關(guān)S2, (5)為放電開關(guān)S3, (6)為轉(zhuǎn)換電容器C2, (7)為續(xù)流二極管D1,⑶為脈沖變壓器TX, (9)為單向?qū)ǘO管D2, (10)為負(fù)載Load。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如附圖I所示，雙電容器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源包括初始充電電源(I)，電源開關(guān)S1 (2)，儲能電容器C1 (3)，放電開關(guān)S2 (4)，放電開關(guān)S3 (5)，轉(zhuǎn)換電容器C2 (6)，續(xù)流二極管D1 (7)，脈沖變壓器TX(8)，單向?qū)ǘO管D2 (9)，負(fù)載Load(10)。工作過程為①放電開關(guān)S2、s3初始處于關(guān)斷狀態(tài)，首先導(dǎo)通電源開關(guān)S1，初始充電電源開始對儲能電容器C1充電；②充電電壓達(dá)到預(yù)定值后保持恒定，儲能電容器C1中的能量以電場形式儲存，當(dāng)負(fù)載需要脈沖電流時，關(guān)斷電源開關(guān)S1,導(dǎo)通放電開關(guān)S2，儲能電容器C1對脈沖變壓器的原邊超導(dǎo)繞組放電，儲能電容器C1中的能量釋放完畢后，立即關(guān)斷放電開關(guān)S2 ;③脈沖變壓器原邊超導(dǎo)繞組中的電流達(dá)到正向最大值后，經(jīng)續(xù)流二極管D1對轉(zhuǎn)換電容器C2正向充電，由于原副邊繞組之間的互感作用，副邊常導(dǎo)繞組經(jīng)過二極管D2向負(fù)載感應(yīng)輸出脈沖電流轉(zhuǎn)換電容器C2正向電壓達(dá)到最大值后，瞬時導(dǎo)通放電開關(guān)S3，轉(zhuǎn)換電容器C2對脈沖變壓器的原邊超導(dǎo)繞組反向放電，負(fù)載電流在原有脈沖基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加原邊超導(dǎo)繞組中的電流達(dá)到反向最大值后，立即對轉(zhuǎn)換電容器C2反向充電；⑥轉(zhuǎn)換電容器C2中的電壓達(dá)到反向最大值后，又對原邊超導(dǎo)繞組正向放電；接著，重復(fù)③、④、⑤、⑥的步驟用于消除電路中的殘余電流，促使剩余能量在脈沖變壓器原邊超導(dǎo)電感繞組和轉(zhuǎn)換電容器C2之間交替?zhèn)鬟f、衰減，從而完成高幅值的脈沖電流輸出。如果需要多脈沖電流連續(xù)輸出，可以在步驟②結(jié)束后，通過控制電源開關(guān)再次對儲能電容器C1充電；接著，儲能電容器C1在上一個階段能量釋放完畢后再次放電，新階段能量在脈沖變壓器原邊超導(dǎo)電感繞組和轉(zhuǎn)換電容器C2之間交替?zhèn)鬟f、衰減，負(fù)載再次實現(xiàn)脈 沖電流輸出。循環(huán)采用此方式，就可以實現(xiàn)多脈沖連續(xù)輸出，用以滿足負(fù)載的特別需要。在本實施例中，儲能電容器和轉(zhuǎn)換電容器均為102iiF的自愈式高電壓脈沖電容器。所述脈沖變壓器的原邊繞組采用高溫超導(dǎo)帶材Bi-2223/Ag繞制，副邊繞組采用銅帶繞制。所述脈沖變壓器整體放置在低溫容器內(nèi)，利用液氮冷卻。所述可控開關(guān)均為大功率IGBT開關(guān)。本發(fā)明所述的一種利用雙電容器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，上述針對較佳實施例的描述過于具體，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，均被認(rèn)為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用雙電容器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，其特征在于，包括初始充電電源、儲能電容器、轉(zhuǎn)換電容器、可控開關(guān)、脈沖變壓器、二極管和負(fù)載；所述可控開關(guān)包括一個電源開關(guān)和兩個放電開關(guān)，兩個放電開關(guān)分別串聯(lián)在儲能電容器和轉(zhuǎn)換電容器回路中，所述二極管串聯(lián)在脈沖變壓器的原副邊回路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述之脈沖功率電源，其特征在于，所述儲能電容器和轉(zhuǎn)換電容器均為102μ F的自愈式高電壓脈沖電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述之脈沖功率電源，其特征在于，所述脈沖變壓器的原邊繞組采用高溫超導(dǎo)帶材Bi-2223/Ag繞制，副邊繞組采用銅帶繞制；所述脈沖變壓器整體放置在低溫容器內(nèi)，利用液氮冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述之脈沖功率電源，其特征在于，所述可控開關(guān)均為大功率IGBT開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用雙電容器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，包括初始充電電源、儲能電容器、轉(zhuǎn)換電容器、可控開關(guān)、脈沖變壓器、二極管和負(fù)載；所述儲能電容器和轉(zhuǎn)換電容器均為102μF的自愈式高電壓脈沖電容器；所述脈沖變壓器的原邊繞組采用高溫超導(dǎo)帶材Bi-2223/Ag繞制，副邊繞組采用銅帶繞制。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以使能量在雙電容器和電感之間交替?zhèn)鬟f，能量傳遞過程中通過LC振蕩方式增大電流變化率，從而消除電路中的殘余電流，實現(xiàn)脈沖大電流輸出，具有體積小、損耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高、控制系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號H02M9/04GK102832844SQ20121035546
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者王豫, 吳銳, 嚴(yán)仲明, 李海濤, 王亮, 羅文博 申請人:西南交通大學(xué)