一种用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源，属于电磁发射【技术领域】。包括脉冲电容、第一开关、负载、第一二极管和n个级联的开关组，脉冲电容正极与第一开关的阳极连接，使其与第一开关构成串联，其负极与第一二极管阳极连接，第一开关的阴极与第一二极管的阴极连接，使脉冲电容和第一开关串联后与第一二极管构成并联，第一二极管阴极与n个级联开关组的入流端连接，n个级联开关组的出流端并联连接后与负载的入流端连接，其接地端并联后与负载的接地端连接。本发明脉冲电源使得系统余能不用直接在炮口熄弧上以热能形式消耗，从而降低了系统损耗，提高了系统效率，并缩短了整个系统的发射周期，为系统实现短时多发目标提供了有效途径。
【专利说明】-种用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源，属于电磁发射技术领 域。
【背景技术】
[0002] 电磁发射的研究已经有了一百多年的历史，随着能源危机的加剧以及电力技术、 控制技术的发展，电磁发射技术受到越来越多的关注，特别是计算机技术和电力电子技术 的进一步发展，加速了电磁发射技术走向了实用化的进程。
[0003] 脉冲电源技术作为电磁发射的核心技术，其电源系统一般由初级电源、中间储能 环节及脉冲形成系统3部分组成。对于中间储能环节，比较常见的3种储能形式为机械储 能、电感储能和电容储能。机械储能的典型代表有旋转动能储能及重力势能储能等。由于 机械储能方式的储能密度较大，曾一度引发不少的关注及研究。但是，机械储能受到诸多因 素制约，例如电压低、电感充电时间长、能量需即时存储等等，进而限制了它在实战系统中 的发展应用。电感储能与机械储能相比，装置轻小且控制手段灵活。但是电感在常温下有 电阻，为降低系统能量损耗，通常需要利用冷却装置来降低电感电阻；电感能量不易储存， 对使用时效性要求较高。这使得电感储能应用于实战系统中时的控制系统变得复杂，可靠 性较低。电容储能的研究发展起步较早，它的储能密度虽不及上述两种储能方式，但其技术 成熟、控制简单，并且充电功率较低，只需通过恒定电流充电，即可满足电容电压线性上升 的要求。这使得电容储能在实战系统中的应用简便可靠，因而成为了目前使用最广泛的中 间储能方式。
[0004] 随着各国国防建设脚步的加快，电磁发射在军事领域的重要性逐渐显现，尤其是 近几年提出的连续发射战略目标，要求发射系统的整体性能必须有所提升。但就现有实际 系统的发射效率而言，电枢出膛动能占当次发射提供的系统总能量的比例通常不到20%。 同时，由于受到电容器充电时间的限制，电容储能型电磁轨道炮系统的发射间隔时间长达 分钟量级，与发射过程的晕秒量级时长相比，系统两次发射间隔时间未免有些太长。因此， 电容储能型电磁轨道炮系统发射间隔时间过长、系统效率低下是亟待解决的两大现实问 题。
[0005] 图1是现在广泛采用的电容储能型传统脉冲形成单元（Pulse Forming Unit，以下 简称PFU)电路结构图。PFU是电容储能型脉冲电源系统的基本组成单元，尽管在不同需求 条件下其外形、体积和容量都不相同，但是其组成形式以及工作原理却是大同小异。PFU中 的储能电容C可以根据实际实验储能需求，选用单个电容器或由多个串并联形成的电容器 组；脉冲调整电感L PFU又称脉冲形成电感，可以通过调节它的电感值大小来控制输出脉冲 电流的波形、幅值，并隔离不同PFU之间故障的蔓延；反并联续流二极管D在储能电容C上 的电压队放电至零时导通，起到引流续流的作用，不仅可以提高放电传输的效率，同时也避 免了脉冲电流对储能电容的反向充电，从而使电容器不必承受过高反压，延长了电容器的 使用寿命。若干个的PFU按照实际需求分成许多分段（segment)，同分段内PFU同一时刻触 发，不同分段间有触发延时，所有PFU间均以并联的方式通过电缆连接，这样就构成了整个 脉冲电源系统。
[0006] 电磁发射过程中，轨道炮负载可以由一个小电阻与小电感的串联近似，则脉冲电 源系统中PFU的主体是电容与电感。此时，PFU电路的放电过程分为两个阶段，首先是由储 能电容C、脉冲调整电感LPFU以及小阻感负载构成的RLC二阶电路，此时反并联二极管D可 视为断路。当储能电容C上的电压U c放电至零时，反并联二极管导通续流，形成由反并联 二极管D、脉冲调整电感LPFU以及小阻感负载构成的RC -阶电路。
[0007] 传统PFU存在着放电电流拖尾过长的弊端，这使PFU中的能量难以在短时间内完 全释放。因此，对于电磁发射中电枢有效电流ms量级的脉宽限制条件，传统PFU的尾部电 流能量通常得不到充分利用而直接在炮口熄弧上以热能形式消耗，成为系统损耗。传统 PFU结构带来的拖尾电流不仅使系统损耗能量增加从而降低了系统发射效率，同时，电流拖 尾及相应的熄弧过程延长了整个系统的发射周期，是阻碍系统实现短时多发目标的因素之 〇
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提出一种用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源，针对已有电 容储能型电磁轨道炮系统效率低下、发射间隔时间过长等问题，对传统PFU的结构进行改 进，，由单个或多个CMC-PFU模块分段并联对负载放电，即构成了用于电磁发射的时序倍增 电流型脉冲电源，以提高系统效率、缩短发射间隔。
[0009] 本发明提出的用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源，包括脉冲电容C、第一开 关S、负载R^ d、第一二极管Di和η个级联的开关组，所述的脉冲电容的正极与第一开关的 阳极连接，使脉冲电容与第一开关构成串联，脉冲电容的负极与第一二极管的阳极连接，第 一开关的阴极与第一二极管的阴极连接，使脉冲电容和第一开关串联后与第一二极管构成 并联，第一二极管的阴极与所述的η个级联开关组的入流端连接，η个级联开关组的出流端 并联连接后与负载的入流端连接，η个级联开关组的接地端并联后与负载的接地端连接； 所述的开关组包括第一电感L PFU1、第二二极管D2、双向开关Si和第四开关S2，所述的双向开 关Si的14"方向为第二开关，双向开关&的13"方向为第三开关，所述的第一电感的 一端作为开关组的入流端，第一电感的另一端同时与第二开关的阳极和第三开关的阳极连 接，第三开关的阴极作为开关组的出流端，第二开关的阴极与第二二极管的阴极连接，作为 η个开关组之间的级联端，第二二极管的阳极与第四开关的阴极连接，使第二二极管与第四 开关串联，第四开关的阳极作为开关组的接地端。
[0010] 本发明提出的用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源，其优点是，解决了传统 PFU存在的放电电流拖尾过长的弊端，使得PFU中的能量可以在短时间内基本全部释放。因 此，对于电磁发射中电枢有效电流ms量级的脉宽限制条件，本发明提出的时序倍增电流型 脉冲电源解决了传统脉冲电源尾部电流能量得不到充分利用的问题，使得系统余能不用直 接在炮口熄弧上以热能形式消耗，从而降低了系统损耗，提高了系统效率，并缩短了整个系 统的发射周期，为系统实现短时多发目标提供了有效途径。
【专利附图】
【附图说明】 toon] 图1为现有广泛采用的电容储能型传统脉冲电源电路结构图。
[0012] 图2为本发明提出的时序倍增电流型脉冲电源的电路原理图。
[0013] 图3为本发明提出的时序倍增电流型脉冲电源构成的750kJ电容储能型轨道炮连 续发射系统结构图，图3中，1是脉冲电源系统，2是控制系统，3是轨道发射系统。
[0014] 图4为本发明的具有5级开关组的脉冲电源的电路图。
[0015] 图5是现有电容储能型传统脉冲电源构成的单发系统导轨电流波形。
[0016] 图6是本发明提出的时序倍增电流型脉冲电源构成的双发系统导轨电流波形。
[0017] 图7是现有电容储能型传统脉冲电源构成的单发系统电枢速度波形。
[0018] 图8是本发明提出的时序倍增电流型脉冲电源构成的双发系统电枢速度波形。
【具体实施方式】
[0019] 本发明提出的用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源，其电路原理图如图2所 示，包括脉冲电容C、第一开关S、负载Rb ad、第一二极管Di和η个级联的开关组，所述的脉冲 电容的正极与第一开关的阳极连接，使脉冲电容与第一开关构成串联，脉冲电容的负极与 第一二极管的阳极连接，第一开关的阴极与第一二极管的阴极连接，使脉冲电容和第一开 关串联后与第一二极管构成并联，第一二极管的阴极与所述的η个级联开关组的入流端连 接，η个级联开关组的出流端并联连接后与负载的入流端连接，η个级联开关组的接地端并 联后与负载的接地端连接；所述的开关组包括第一电感Lp FU1、第二二极管D2、双向开关Si和 第四开关&，所述的双向开关Si的14"方向为第二开关，双向开关Si的13"方向为第 三开关，所述的第一电感的一端作为开关组的入流端，第一电感的另一端同时与第二开关 的阳极和第三开关的阳极连接，第三开关的阴极作为开关组的出流端，第二开关的阴极与 第二二极管的阴极连接，作为η个开关组之间的级联端，第二二极管的阳极与第四开关的 阴极连接，使第二二极管与第四开关串联，第四开关的阳极作为开关组的接地端。
[0020] 在电容储能型电磁轨道炮系统中，电枢出膛时刻脉冲电源系统PFU中储能电容已 经放电完毕，此时系统的剩余能量主要残存在电源、电缆以及负载中的等效电感中。由于电 感具有电流不可突变的性质，很容易联想到，可以对这部分余能进行利用。此外，在轨道炮 负载的发射过程中，通常对负载电流波形包括幅值、脉宽等因素要求较高，而对于炮口两端 的电压却考虑较少。从轨道炮负载的加速度公式可以看出，电枢加速度与脉冲电源系统出 流的平方成正比，如式（1)所示。
【权利要求】
1. 一种用于电磁发射的时序倍增电流型脉冲电源，其特征在于该脉冲电源包括脉冲电 容C、第一开关S、负载RkM、第一二极管Di和η个级联的开关组，所述的脉冲电容的正极与 第一开关的阳极连接，使脉冲电容与第一开关构成串联，脉冲电容的负极与第一二极管的 阳极连接，第一开关的阴极与第一二极管的阴极连接，使脉冲电容和第一开关串联后与第 一二极管构成并联，第一二极管的阴极与所述的η个级联开关组的入流端连接，η个级联开 关组的出流端并联连接后与负载的入流端连接，η个级联开关组的接地端并联后与负载的 接地端连接；所述的开关组包括第一电感Lp FU1、第二二极管D2、双向开关Si和第四开关S2， 所述的双向开关Si的'、4"方向为第二开关，双向开关Si的'、-8"方向为第三开关，所述 的第一电感的一端作为开关组的入流端，第一电感的另一端同时与第二开关的阳极和第三 开关的阳极连接，第三开关的阴极作为开关组的出流端，第二开关的阴极与第二二极管的 阴极连接，作为η个开关组之间的级联端，第二二极管的阳极与第四开关的阴极连接，使第 二二极管与第四开关串联，第四开关的阳极作为开关组的接地端。
【文档编号】H02M9/04GK104124886SQ201410317730
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】龚晨, 于歆杰, 刘秀成 申请人:清华大学