專利名稱：一種利用雙電容器轉換放電的脈沖功率電源的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于脈沖功率科學技術領域中的脈沖電流發生裝置，特別涉及一種利用雙電容器轉換放電的脈沖功率電源。
背景技術：
脈沖功率技術是當前國際上很活躍的前沿高科技技術之一，它通過對儲能器件緩慢充電，然后在短時間內對能量完成壓縮、整形和傳輸，從而得到高幅值、大功率、陡前沿的脈沖。脈沖功率技術作為一門新興學科，在國防科研和民用工業等領域中有著廣泛的應用潛力。在國防科研領域，它可以為核聚變、強流粒子束加速器、電磁推進以及微波武器等裝置提供大功率脈沖電源；在民用工業領域，既可以運用微波功率雷達高速脈沖技術對地下資源的性質和分布狀況進行勘查，又可以應用脈沖電場產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治療尿路結石和膽結石，應用十分廣泛。早期的核聚變研究給脈沖功率技術創造了良好的成長環境，國防基礎科研的需求為它提供了充足的發展動力，同時隨著其在民用領域的發展，人們對脈沖功率技術提出了許多新的挑戰，也促進了它向更廣、更深的層次發展。現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，根據不同的特點應用在不同場合。電感儲能是以磁場方式進行儲能，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，能量釋放環節采用的斷路開關不僅會在切斷大電流瞬間發生電弧現象，還會在儲能電感上產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果，具有充放電時間短、重復頻率高、使用壽命長的特點。與電感儲能脈沖發生器使用的斷路開關相比，穩定而可重復的快速閉合開關應用更加成熟，既能避免電弧現象，又可實現大電流、高功率的脈沖輸出。傳統的電容器放電模式，主要是以一個電容器作為初始儲能元件，通過控制開關，將電容器中的能量轉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，副邊繞組向負載感應輸出脈沖電流。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，不具備連續輸出多脈沖的應用潛力。
實用新型內容鑒于現有技術的缺點，本實用新型的目的是設計一種利用雙電容器轉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、能量轉換效率高、控制系統簡單等特點。[0008]本實用新型的目的是通過如下的手段實現的。一種利用雙電容器轉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、轉換電容器、脈沖變壓器、可控開關、二極管和負載；所述可控開關包括一個電源開關和兩個放電開關，兩個放電開關分別串聯在儲能電容器和轉換電容器回路中，所述二極管串聯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帶材B1-2223/Ag繞制，具有儲能密度大、損耗低、儲存能量時間長的優點；但由于高溫超導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，既能保證高溫超導帶材處于超導態，又能降低銅帶的電阻率，從而減小焦耳熱損耗，提高整個系統的能量轉換效率。采用本實用新型的實質是儲能電容器在能量存儲完畢后，通過放電開關將能量以LC 二階振蕩方式傳輸至脈沖變壓器的原邊超導繞組，原邊超導繞組中的電流快速增加；原邊超導繞組中的電流達到最大值后，通過二極管和放電開關，與轉換電容器交替傳遞能量，直至能量耗盡，能量傳遞過程中副邊常導繞組在二極管的單向導通作用下感應輸出脈沖電流。本實用新型的有益結果在于1、雙電容器和電感之間的能量轉換都是基于LC 二階振蕩方式，轉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，不僅能夠提高能量傳輸速度，還能實現高幅值的脈沖電流輸出；2、在電容儲能技術的基礎上插入超導電感儲能，既能發揚各自優點，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，既能保證高溫超導帶材處于超導態，又能降低銅帶的電阻率，從而減小焦耳熱損耗，提高系統的能量轉換效率；4、每個能量傳輸環節均采用IGBT可控開關，其既能在開關導通瞬間避免電弧現象，又能在關斷瞬間防止高幅值的電壓脈沖，具有動作速度快、熱穩定性好、di/dt小、能量損耗低和驅動電路簡單等優點；5、通過對電源開關的時序控制信號做適當調整，儲能電容器可以在放電完畢后立即進行儲能，接著再次放電，這種循環應用方式能夠替代多模塊電容器組，從而達到縮小裝置體積、降低成本、實現多脈沖連續輸出的目的，用以滿足負載的特別需要。由于上述優點，本實用新型可以應用于軌道炮能源補給或強電流脈沖電源的技術領域。
圖1為本實用新型實施例應用于脈沖電流發生裝置的電路原理圖圖中(1)為初始充電電源，⑵為電源開關S1, (3)為儲能電容器C1,⑷為放電開關S2, (5)為放電開關S3, (6)為轉換電容器C2, (7)為續流二極管D1,⑶為脈沖變壓器TX, (9)為單向導通二極管D2, (10)為負載Load。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如附圖1所示，雙電容器轉換放電的脈沖功率電源包括初始充電電源(I)，電源開關S1 (2)，儲能電容器C1 (3)，放電開關S2 (4)，放電開關S3 (5)，轉換電容器C2 (6)，續流二極管D1 (7)，脈沖變壓器TX(8)，單向導通二極管D2 (9)，負載Load(10)。工作過程為①放電開關S2、s3初始處于關斷狀態，首先導通電源開關S1，初始充電電源開始對儲能電容器C1充電；②充電電壓達到預定值后保持恒定，儲能電容器C1中的能量以電場形式儲存，當負載需要脈沖電流時，關斷電源開關S1,導通放電開關S2，儲能電容器C1對脈沖變壓器的原邊超導繞組放電，儲能電容器C1中的能量釋放完畢后，立即關斷放電開關S2 ;③脈沖變壓器原邊超導繞組中的電流達到正向最大值后，經續流二極管D1對轉換電容器C2正向充電，由于原副邊繞組之間的互感作用，副邊常導繞組經過二極管D2向負載感應輸出脈沖電流轉換電容器C2正向電壓達到最大值后，瞬時導通放電開關S3，轉換電容器C2對脈沖變壓器的原邊超導繞組反向放電，負載電流在原有脈沖基礎上進行疊加原邊超導繞組中的電流達到反向最大值后，立即對轉換電容器C2反向充電；⑥轉換電容器C2中的電壓達到反向最大值后，又對原邊超導繞組正向放電；接著，重復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電感繞組和轉換電容器C2之間交替傳遞、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輸出，可以在步驟②結束后，通過控制電源開關再次對 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電感繞組和轉換電容器C2之間交替傳遞、衰減，負載再次實現脈沖電流輸出。循環采用此方式，就可以實現多脈沖連續輸出，用以滿足負載的特別需要。在本實施例中，儲能電容器和轉換電容器均為102μ F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帶材B1-2223/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，利用液氮冷卻。所述可控開關均為大功率IGBT開關。本實用新型所述的一種利用雙電容器轉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，本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應被理解為實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，均被認為屬于本實用新型的權利要求的保護范圍。
權利要求1.一種利用雙電容器轉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、轉換電容器、可控開關、脈沖變壓器、二極管和負載；所述可控開關包括一個電源開關和兩個放電開關，兩個放電開關分別串聯在儲能電容器和轉換電容器回路中，所述二極管串聯在脈沖變壓器的原副邊回路中。
2.根據權利要求1所述之脈沖功率電源，其特征在于，所述儲能電容器和轉換電容器均為102μ F的自愈式高電壓脈沖電容器。
3.根據權利要求1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帶材B1-2223/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，利用液氮冷卻。
4.根據權利要求1所述之脈沖功率電源，其特征在于，所述可控開關均為大功率IGBT 開關。
專利摘要本實用新型公開了一種利用雙電容器轉換放電的脈沖功率電源，包括初始充電電源、儲能電容器、轉換電容器、可控開關、脈沖變壓器、二極管和負載；所述儲能電容器和轉換電容器均為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帶材Bi-2223/Ag繞制，副邊繞組采用銅帶繞制。采用本實用新型的結構可以使能量在雙電容器和電感之間交替傳遞，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，實現脈沖大電流輸出，具有體積小、損耗低、能量轉換效率高、控制系統簡單等優點，有廣泛的應用前景和巨大的經濟效益。
文檔編號H02M9/04GK202856654SQ201220486530
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者王豫, 吳銳, 嚴仲明, 李海濤, 王亮, 羅文博 申請人:西南交通大學