一種高壓大功率重復(fù)脈沖電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高壓大功率重復(fù)脈沖電源，它采用H橋結(jié)構(gòu)，具體包括充電機(jī)、儲能電容、上放電支路、下放電支路、上能量回饋支路、下能量回饋支路和強(qiáng)制關(guān)斷回路；通過采用能量回饋支路的形式，可以調(diào)節(jié)感性負(fù)載上的電流脈寬，使得電流脈寬可控；通過開關(guān)強(qiáng)迫關(guān)斷支路，可以實現(xiàn)負(fù)載儲能的回收，回收率最大可達(dá)到負(fù)載電流時負(fù)載儲能的90%以上，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，并且減少了下一個工作周期所需要的充電能量；根據(jù)不同的【具體實施方式】，本發(fā)明可以對負(fù)載上電流脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時對負(fù)載上能量進(jìn)行回收，從而提高能量利用率，降低電容充電系統(tǒng)的要求，提高系統(tǒng)的工作頻率。
【專利說明】一種高壓大功率重復(fù)脈沖電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)，具體涉及一種高壓大功率重復(fù)脈沖系統(tǒng)的電源，尤其是其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作方式。
【背景技術(shù)】
[0002]重復(fù)脈沖功率技術(shù)在科學(xué)研究和國防軍工中都有著重要應(yīng)用，是脈沖功率技術(shù)發(fā)展的重要方向。產(chǎn)生重復(fù)脈沖功率需要配套的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，而且該電源的重復(fù)頻率、容量、脈寬和可靠性等方面都需要達(dá)到一定的要求。
[0003]目前用于感性負(fù)載的重復(fù)脈沖電源大多數(shù)是采用電容器儲能。文獻(xiàn)“30TRepeating Pulsed Field System for Neutron Diffraction，， (IEEE Transactions onApplied Superconductivity, 2000,10 (I):534-537)中提出的電路拓?fù)浞桨笧槟壳笆褂玫闹髁鞣桨?。其實施方案大致?首先通過充電機(jī)對電容器充電到額定電壓，然后通過晶閘管使電容對負(fù)載電感即磁體放電。為了實現(xiàn)和提高重復(fù)頻率，一般都在續(xù)流回路中串聯(lián)一個大續(xù)流電感，磁體完成一個脈沖放電后其剩余的磁場能量會轉(zhuǎn)移到大續(xù)流電感中，該大電感繼而又與儲能電容發(fā)生震蕩，從而最終使磁體中剩余的磁場能量回饋到儲能電容中。文獻(xiàn)“Design of a Novel Pulsed Power System for Repetitive Pulsed High MagneticFields，，(IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.22, N0.3, June2012)中提出的另外一種電路拓?fù)浞桨复笾聻?采用一個副電容與用以儲能的主電容器串聯(lián)，主電容器通過晶閘管對負(fù)載電感放電的同時，對副電容器充電，當(dāng)主電容與副電容兩端的電壓差小于零時，續(xù)流支路的二極管導(dǎo)通，而放電晶閘管會在續(xù)流二極管關(guān)斷之前而關(guān)斷，這時電流僅通過續(xù)流電感向電容器組進(jìn)行能量回饋。
[0004]目前方法一中有以下兩點(diǎn)不足:1儲能電容與電感諧振完成后，電容上的反向電壓接近正向電壓，使儲能電容承受了過高的反壓。在大功率脈沖功率電路通常使用的單極性自愈式脈沖儲能電容在承受過高的反壓時，壽命和安全性等都受到極大的局限。如果使用雙極性儲能電容器，其成本遠(yuǎn)高于單極性脈沖儲能電容器，會讓整個電源系統(tǒng)的成本大大增加；2電容器放電時高頻諧振型充電機(jī)必須斷開，避免其高頻整流橋流過大電流，限制了高頻充電機(jī)的使用，限制了重復(fù)頻率的提高。方法二雖然成功解決了方法一中的儲能電容反壓問題和充電機(jī)斷開問題，但由于使用了兩組電容器，在高壓大功率的情況下難以降低成本，而且該電路拓?fù)渲荒墚a(chǎn)生重復(fù)窄脈沖的脈沖磁場波形，應(yīng)用范圍受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中儲能電容反壓高、平均充電功率低的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種新型的基于半控型器件強(qiáng)制關(guān)斷、諧振方式能量回饋的緊湊型高壓大功率重復(fù)脈沖電源。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案如下:
[0007]—種高壓大功率重復(fù)脈沖電源，用于感性負(fù)載，其特征于，它采用H橋結(jié)構(gòu)，具體包括充電機(jī)、儲能電容、上放電支路、下放電支路、上能量回饋支路、下能量回饋支路和強(qiáng)制關(guān)斷回路；
[0008]所述充電機(jī)并聯(lián)在儲能電容兩端，H橋結(jié)構(gòu)左半橋臂由所述上放電支路與下能量回饋支路串聯(lián)構(gòu)成，右半橋臂由所述上能量回饋支路與下放電支路串聯(lián)構(gòu)成，并且在下放電支路兩端并聯(lián)有用于對其進(jìn)行關(guān)斷的強(qiáng)制關(guān)斷回路；所述左半橋臂和右半橋臂均與儲能電容并聯(lián)，上放電支路及上能量回饋支路與儲能電容正極連接，下能量回饋支路及下放電支路與儲能電容負(fù)極連接；
[0009]所述上、下放電支路均由半控型器件構(gòu)成，所述上能量回饋支路由半控型器件構(gòu)成，所述下能量回饋支路由半控型器件或者不可控器件構(gòu)成。
[0010]本技術(shù)方案通過采用能量回饋支路的形式，可以調(diào)節(jié)感性負(fù)載上的電流脈寬，使得電流脈寬可控；通過開關(guān)強(qiáng)迫關(guān)斷支路，可以實現(xiàn)負(fù)載儲能的回收，回收率可達(dá)負(fù)載電流最大時負(fù)載儲能的90%以上，甚至接近100%，這樣實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，并且減少了下一個工作周期所需要的充電能量；根據(jù)不同的【具體實施方式】，本發(fā)明可以調(diào)節(jié)負(fù)載上電流脈寬，同時對負(fù)載上能量進(jìn)行回收，從而提高能量利用率，降低電容充電系統(tǒng)的要求，提高系統(tǒng)的工作頻率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明提供的重復(fù)脈沖電源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是充電機(jī)的一種【具體實施方式】的電路原理圖。
[0013]圖3是本發(fā)明提供的重復(fù)脈沖電源的一種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0014]圖4為本發(fā)明提供的重復(fù)脈沖電源的另一種【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)原理圖。
【具體實施方式】
[0015]根據(jù)負(fù)載的不同，重復(fù)脈沖功率主要分為阻性負(fù)載、阻容性負(fù)載和感性負(fù)載這三種情況。其中感性負(fù)載的負(fù)載電流大、時間常數(shù)長，可用于產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場等領(lǐng)域，本發(fā)明主要針對感性負(fù)載型重復(fù)脈沖電源。
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各種實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明提供的重復(fù)脈沖電源為H橋結(jié)構(gòu)，包括充電機(jī)、儲能電容、上放電支路、下放電支路、上能量回饋支路、下能量回饋支路和強(qiáng)制關(guān)斷回路。
[0018]本系統(tǒng)的充電機(jī)并聯(lián)在儲能電容兩端，在充電過程中對其充電。11橋結(jié)構(gòu)左半橋臂由上放電支路與下能量回饋支路串聯(lián)構(gòu)成，右半橋臂由上能量回饋支路與下放電支路串聯(lián)構(gòu)成，并且在下放電支路兩端并聯(lián)強(qiáng)制關(guān)斷回路。將此二橋臂與儲能電容并聯(lián)，上放電支路及上能量回饋支路與儲能電容正極連接，下能量回饋支路及下放電支路與儲能電容負(fù)極連接，便構(gòu)成完整的電源系統(tǒng)。在H橋結(jié)構(gòu)的中心，即在上放電支路與下能量回饋支路的串聯(lián)接線處連接感性負(fù)載正極，并在下放電支路與上能量回饋支路的串聯(lián)接線處連接感性負(fù)載負(fù)極(若負(fù)載無極性，可將負(fù)載反向相連)。
[0019]上、下放電支路均由半控型器件構(gòu)成，上能量回饋支路由半控型器件構(gòu)成，下能量回饋支路可由半控型器件或者二極管構(gòu)成。強(qiáng)制關(guān)斷回路由半控型器件、強(qiáng)制關(guān)斷電容(包括與之并聯(lián)的副充電機(jī))、電感或/和電阻串聯(lián)構(gòu)成。由于強(qiáng)制關(guān)斷回路工作時，強(qiáng)制關(guān)斷電容上需有初始電壓，所以電容兩端并聯(lián)一臺副充電機(jī)為強(qiáng)制關(guān)斷電容充電。
[0020]本發(fā)明提供的電源系統(tǒng)工作時分為三個過程，其中，在放電過程中，電流從儲能電容正極流出，經(jīng)過兩個放電支路和感性負(fù)載流回儲能電容負(fù)極；在續(xù)流過程中，感性負(fù)載電流流過下放電支路和下能量回饋支路進(jìn)行續(xù)流；在能量回饋過程中，感性負(fù)載電流通過上下能量回饋支路流入儲能電容正極，實現(xiàn)能量的回饋。下放電支路并聯(lián)的強(qiáng)制關(guān)斷回路，用于關(guān)斷下放電支路，具體而言，以諧振的方式將開關(guān)流入的電流降低為零。儲能電容兩端并聯(lián)有充電機(jī)，可以采用基于串并聯(lián)諧振工作原理的充電機(jī)，以便快速充電，提高系統(tǒng)的工作頻率。
[0021]本高壓大功率重復(fù)脈沖電源中，續(xù)流過程與能量回饋過程共用的半導(dǎo)體器件(即構(gòu)成下能量回饋支路的半導(dǎo)體器件)既可以是二極管等不可控器件，也可以使用半控器件
坐寸ο
[0022]利用強(qiáng)制關(guān)斷回路關(guān)斷放電支路后，負(fù)載能量流回儲能電容；強(qiáng)制關(guān)斷回路中與強(qiáng)制關(guān)斷電容串聯(lián)的，可以只有電阻，或者只有電感，也可以同時有電感和電阻。
[0023]副充電機(jī)給強(qiáng)制關(guān)斷電容充電。每次重復(fù)脈沖電源在向儲能電容回饋能量的過程中，副充電機(jī)向強(qiáng)制關(guān)斷電容充電，以保證實現(xiàn)重復(fù)關(guān)斷。
[0024]其工作原理如下:在第一個階段，儲能電容通過放電開關(guān)向感性負(fù)載放電，選擇的儲能電容的電容值和初始放電時的儲能電壓可以保證負(fù)載的電流峰值達(dá)到所須要求；在第二個階段，感性負(fù)載上的電流通過下放電支路和下能量回饋支路續(xù)流，在第三個階段，感性負(fù)載上存儲的能量通過能量回饋支路以諧振的方式回饋到儲能電容器組中。
[0025]本發(fā)明的重復(fù)脈沖電源工作在大功率場合，因此選取了晶閘管作為放電支路的開關(guān)器件，該電路的關(guān)鍵在于能量回饋階段需要關(guān)斷下放電支路的晶閘管，所以采用強(qiáng)制關(guān)斷回路用以關(guān)斷下放電支路。若電源系統(tǒng)的放電支路采用IGBT等全控器件(適用于小功率，小電流的工作條件)，由于全控器件可以通過觸發(fā)信號直接關(guān)斷，因此在這類系統(tǒng)中可以省略強(qiáng)制關(guān)斷回路。如圖4所示。
[0026]在上述工作過程中，基于串并聯(lián)諧振工作原理的充電機(jī)的電路原理圖如圖2所示，具體為一種高頻串并聯(lián)諧振電容器充電電源(Capacitor Charging Power Supply —CCPS)。
[0027]市網(wǎng)三相電經(jīng)過三相不控整流向直流母線電容充電，直流母線電容再與IGBT等開關(guān)器件構(gòu)成全橋逆變電路，逆變電路的出線端串聯(lián)一個諧振電容、諧振電感后連接高頻高壓變壓器，在變壓器原邊并聯(lián)一個電容，構(gòu)成LCC諧振電路，變壓器副邊通過不控整流向儲能電容充電。
[0028]如圖3所示，基于開關(guān)管為晶閘管的重復(fù)脈沖電源的結(jié)構(gòu)為:
[0029]儲能電容Cl與由3個晶閘管和一個二極管構(gòu)成的H橋電路并聯(lián)，上放電支路、下放電支路、上能量回饋支路分別為晶閘管T1、T2和T3，下能量回饋支路為二極管D15。強(qiáng)制關(guān)斷回路由晶閘管Τ4、電感L2，以及并聯(lián)有副充電機(jī)的電容C2串聯(lián)構(gòu)成。
[0030]儲能電容Cl正極與左上支路晶閘管Tl的陽極相連，Tl陰極接感性負(fù)載后與右下支路晶閘管Τ2的陽極連接，Τ2的陰極連接Cl負(fù)極；右上支路的晶閘管Τ3陰極與Cl正極相接，T3、T2共陽極連接，左下支路二極管D15陽極接Cl陰極，D15、Tl共陰極連接。Τ2兩端并聯(lián)強(qiáng)制關(guān)斷回路，強(qiáng)制關(guān)斷回路的晶閘管Τ4陽極與Τ2陽極連接，Τ4陰極串聯(lián)電感L2和電容C2。
[0031]上述基于晶閘管的回饋能量支路的工作過程包括以下3個過程:
[0032](I)放電過程:晶閘管Τ1、Τ2導(dǎo)通，Cl通過向負(fù)載Lm放電，負(fù)載電流Im先上升到
最大值。
[0033](2)續(xù)流過程:晶閘管Tl自然關(guān)斷，Τ2繼續(xù)導(dǎo)通二極管DI5導(dǎo)通，負(fù)載Lm經(jīng)過T2、D15續(xù)流，由于回路電阻很小，電流下降緩慢。同時副充電機(jī)向強(qiáng)制關(guān)斷電容充電，使其達(dá)到可關(guān)斷電壓。
[0034](3)能量回饋過程:晶閘管T3導(dǎo)通后，使晶閘管T4導(dǎo)通，由C2、L2、T4組成強(qiáng)迫關(guān)斷支路，T2關(guān)斷，負(fù)載Lm上能量經(jīng)過D15、T3流入到主電容Cl上，完成能量回饋過程。
[0035]如圖4所示，基于開關(guān)管為IGBT的重復(fù)脈沖電源的結(jié)構(gòu)為:
[0036]儲能電容Cl與由3個IGBT和一個二極管構(gòu)成的H橋電路并聯(lián)，上放電支路、下放電支路、上能量回饋支路分別為IGBT:S1、S3和S2，下能量回饋支路為二極管D15。
[0037]儲能電容Cl正極與左上支路IGBTSl的集電極相連，SI發(fā)射極接感性負(fù)載后與右下支路IGBTS3的集電極連接，S3的發(fā)射極連接Cl負(fù)極；右上支路的IGBTS2的集電極與Cl正極相接，S2發(fā)射極與S3集電極連接，左下支路二極管D15陽極接Cl陰極，D15陰極與SI發(fā)射極連接。
[0038]上述基于晶閘管的回饋能量支路的工作過程包括以下3個過程:
[0039](I)放電過程:IGBT管S1、S3導(dǎo)通，Cl通過向負(fù)載Lm放電，負(fù)載電流Im先上升到
最大值。
[0040](2)續(xù)流過程:關(guān)斷SI，S3繼續(xù)導(dǎo)通且二極管D15導(dǎo)通，負(fù)載Lm經(jīng)過S3、D15續(xù)流。
[0041](3)能量回饋過程:給IGBT管S2觸發(fā)信號使其開通，并將S3關(guān)斷，負(fù)載Lm上能量經(jīng)過D15、S2流入到主電容Cl上，完成能量回饋過程。
[0042]本發(fā)明采用開關(guān)管強(qiáng)迫關(guān)斷進(jìn)行工作，基于諧振進(jìn)行能量回饋，使用兩臺基于串并聯(lián)諧振原理的充電機(jī)分別對儲能電容和強(qiáng)制關(guān)斷電容進(jìn)行充電。
[0043]在具體實施過程中，可以根據(jù)需要選擇系統(tǒng)各個主要構(gòu)成部分的系統(tǒng)具體元件和參數(shù)，使系統(tǒng)有不同的工作過程，以更好地提高系統(tǒng)的工作頻率、穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等。本發(fā)明工作原理簡單，負(fù)載上電流脈寬易于控制。
[0044]以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓大功率重復(fù)脈沖電源，用于感性負(fù)載，其特征于，它采用H橋結(jié)構(gòu)，具體包括充電機(jī)、儲能電容、上放電支路、下放電支路、上能量回饋支路、下能量回饋支路和強(qiáng)制關(guān)斷回路； 所述充電機(jī)并聯(lián)在儲能電容兩端，H橋結(jié)構(gòu)左半橋臂由所述上放電支路與下能量回饋支路串聯(lián)構(gòu)成，右半橋臂由所述上能量回饋支路與下放電支路串聯(lián)構(gòu)成，并且在下放電支路兩端并聯(lián)有用于對其進(jìn)行關(guān)斷的強(qiáng)制關(guān)斷回路；所述左半橋臂和右半橋臂均與儲能電容并聯(lián)，上放電支路及上能量回饋支路與儲能電容正極連接，下能量回饋支路及下放電支路與儲能電容負(fù)極連接； 所述上、下放電支路以及上能量回饋支路均由半控型器件構(gòu)成，所述下能量回饋支路由半控型器件或者不可控器件構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，其特征于，該電源包括放電、續(xù)流和能量回饋過程，其中，在放電過程中，電流從儲能電容正極流出，經(jīng)過上放電支路、下放電支路和感性負(fù)載流回儲能電容負(fù)極；在續(xù)流過程中，感性負(fù)載電流流過下放電支路和下能量回饋支路進(jìn)行續(xù)流；在能量回饋過程中，感性負(fù)載電流通過上、下能量回饋支路流入儲能電容正極，實現(xiàn)能量的回饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，其特征于，所述強(qiáng)制關(guān)斷回路由半控型器件、強(qiáng)制關(guān)斷電容和電感串聯(lián)構(gòu)成，所述強(qiáng)制關(guān)斷電容并聯(lián)有副充電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，其特征于，所述強(qiáng)制關(guān)斷回路由半控型器件、強(qiáng)制關(guān)斷電容和電阻串聯(lián)構(gòu)成，所述強(qiáng)制關(guān)斷電容并聯(lián)有副充電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，其特征于，所述強(qiáng)制關(guān)斷回路由半控型器件、強(qiáng)制關(guān)斷電容、電感和電阻串聯(lián)構(gòu)成，所述強(qiáng)制關(guān)斷電容并聯(lián)有副充電機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，其特征于，所述充電機(jī)為串并聯(lián)諧振電容器充電電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，其特征于，所述副充電機(jī)為串并聯(lián)諧振電容器充電電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，其特征于，所述上放電支路、下放電支路和上能量回饋支路均為晶閘管，所述下能量回饋支路為二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的高壓大功率重復(fù)脈沖電源，其特征于，所述上放電支路、下放電支路和上能量回饋支路均為IGBT，所述下能量回饋支路為二極管。
【文檔編號】H02M9/06GK103546057SQ201310475446
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】許赟, 陳翼龍, 萬卿, 丁洪發(fā), 李亮 申請人:華中科技大學(xué)