脉冲电源的制作方法

1.本技术涉及电能与电力技术领域，特别是涉及一种脉冲电源。


背景技术：

2.脉冲电源是电磁发射器系统正常运行的重要部分，其中，电感型脉冲电源是应用前景很广的一类脉冲电源，meat grinder电路拓扑是电感型脉冲电源中的常见拓扑，其主开关需具备关断感性大电流以及电流关断后承受巨大电压尖峰的能力。目前，可通过配置预充电的电容的方式使得主开关具备关断感性大电流的能力。但是，主开关在电流关断后承受巨大电压尖峰的问题仍需解决。
3.传统技术中，通常为主开关配置阻容吸收电路，通过阻容吸收电路的电荷储存能力限制电压，从而使得主开关在电流关断可以承受巨大电压尖峰。
4.然而，阻容吸收电路容易导致脉冲电源所连接的初级电源和辅助电容电压震荡，从而造成更严重的电路运行问题。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够保证主开关正常运行并在电流关断可以承受巨大电压尖峰的脉冲电源。
6.一种脉冲电源。该脉冲电源包括阻感、主开关、第一储能元件和第二储能元件；其中，该阻感、该主开关和该第一储能元件与外部的初级电源，在该主开关导通时形成第一储能回路，以通过该第一储能回路向该第一储能元件充电；该阻感、该第二储能元件和该主开关与外部的初级电源可形成开关关断回路，以通过该开关关断回路向该主开关注入反向电流，该反向电流用于辅助该主开关关断；在该主开关关断后，该第一储能元件与外部的负载形成供电回路，以向该负载供电。
7.在其中一个实施例中，该第一储能元件包括第一储能电感和第二储能电感。
8.在其中一个实施例中，该主开关为可控半导体开关；该主开关的阳极与该阻感的一端连接，该阻感的另一端用于与该初级电源的正极连接，该主开关的阴极与该第一储能电感的一端连接，该第一储能电感的另一端与该第二储能电感的一端连接，该第二储能电感的另一端用于与该初级电源的负极连接。
9.在其中一个实施例中，该脉冲电源还包括二极管；该二极管的阴极与该第二储能电感的一端连接，该二极管的阳极用于与该负载的一端连接，该第二储能电感的另一端用于与该负载的另一端连接。
10.在其中一个实施例中，该脉冲电源还包括第一开关，在该第一开关导通的情况下，该阻感、该第二储能元件和该主开关与该初级电源形成该开关关断回路。
11.在其中一个实施例中，该第一开关为可控半导体开关；该第一开关的阴极与该主开关的阴极连接，该第一开关的阳极与该第二储能元件的一端连接，该第二储能元件的另一端用于与该初级电源的负极连接。
12.在其中一个实施例中，在该第一开关导通的情况下，该第二储能元件、该第一开关、该第一储能电感和该第二储能电感形成第二储能回路，以由该第二储能元件向该第一储能电感和该第二储能电感充电。
13.在其中一个实施例中，该脉冲电源还包括第二开关；在该第二开关导通的情况下，该第二储能元件、该第二开关、该第一储能电感、该二极管以及外部的该负载形成第三储能回路，以由该第二储能元件向该负载充电。
14.在其中一个实施例中，该第二开关为可控半导体开关；该第二开关的阴极与该第二储能元件的一端连接，该第二开关的阳极与该第一储能电感的一端连接，该第二储能元件的另一端用于与该负载的另一端连接。
15.在其中一个实施例中，该第二储能元件为预充电的电容。
16.上述脉冲电源，通过阻感、第二储能元件与主开关可形成开关关断回路，并通过开关关断回路向主开关注入反向电流，以用该反向电流辅助主开关关断。当主开关被注入反向电流关断后，在反向电流恢复的过程中，由于阻感的存在，电流变化率受到限制，使得根据反向电流变化率所确定的反向电压的值变小，从而限制了反向电压的电压尖峰的值，使得主开关可以在断开后承受反向电压的电压尖峰，并保证脉冲电源的正常运行。
附图说明
17.图1为一个实施例中提供的一种脉冲电源的结构示意图；
18.图2为一个实施例中提供的第一种脉冲电源电路拓扑图；
19.图3为一个实施例中提供的第二种脉冲电源电路拓扑图；
20.图4为一个实施例中提供的第三种脉冲电源的电路拓扑图；
21.图5为一个实施例中提供的第四种脉冲电源电路拓扑图；
22.图6为一个实施例中提供的一种电感型脉冲电源电路拓扑图；
23.图7为一个实施例中提供的第二种电感型脉冲电源的电路拓扑图。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
25.电磁发射器的构成除轨道炮负载外，最重要的部分就是高功率脉冲电源。脉冲电源通常主要分为电容型脉冲电源、电感型脉冲电源以及旋转机械型脉冲电源等几种类型。其中，电容型脉冲电源是当今最为成熟、使用最多的电源技术。旋转机械型脉冲电源，也称为惯性储能型脉冲电源，能量密度较高，是目前实现电源小型化的重要途径，但由于技术复杂，目前还难以投入实际应用。电感型脉冲电源相比于电容型电源储能密度更高，相比于旋转机械储能具有控制简单、功率密度高、容易冷却等优势，具有很好的应用前景，成为国内外学者研究的重点。
26.由于电磁发射应用场景多对机动性有较高要求，脉冲电源的体积应尽可能小，因此，能量密度成为脉冲电源的最重要技术指标之一。对于电容型脉冲电源、电感型脉冲电源以及旋转机械型脉冲电源，能量密度的大小关系为：旋转机械型脉冲电源》电感型脉冲电源
》电容型脉冲电源，而结构复杂度的排序也是如此。可见，电感型脉冲电源是将来脉冲电源的重要发展方向，因此，进一步增大电感型脉冲电源的储能密度和实用性是非常关键的。
27.meat grinder类电路是电感型脉冲电源的基本拓扑之一。meat grinder类电路虽能实现基础的电流倍增功能，但是主开关s需要具备关断感性大电流的能力，且电流关断后主开关两端还会承受巨大的电压。当前的半导体开关很难以较低的成本胜任此功能。因此，围绕主开关的换流特性，国内外研究者设计了一系列的新拓扑，其增强换流特性的思路都是配置一个预充电的电容，待到主开关需要关断时，为其注入反向电流将其关断。
28.由于在换流能力方面的突出表现，上述研究涉及的新的拓扑已经成为电感型脉冲电源的最成熟拓扑之一。然而，注入反向电流的方法仅仅解决了感性大电流关断问题，在电流关断之后，开关两侧仍会承受较大电压尖峰。在电感型脉冲源设计、测试与实际运行时，该电压尖峰容易造成半导体开关的损坏，这是电感型脉冲源最主要的故障来源。
29.为解决电感型脉冲源感性大电流关断后主开关两端的电压尖峰问题，需要为主开关配置相应的保护电路。当前常见的电压保护电路为阻容吸收电路。阻容吸收电路凭借电容的电荷存储能力限制电压，但是在主开关两端并联电容容易造成初级电源和辅助电容电压震荡，造成更严重的电路运行问题。因此，现有的电压保护措施都不适用于电感型脉冲电源，需要探究新型的主开关电压保护措施。
30.如图1所示，其示出了本技术实施例提供的一种脉冲电源的结构示意图。该脉冲电源100包括阻感101、主开关102、第一储能元件103和第二储能元件104。其中，该阻感、该主开关和该第一储能元件与外部的初级电源，在该主开关导通时形成第一储能回路，以通过该第一储能回路向该第一储能元件充电；该阻感、该第二储能元件与该主开关可形成开关关断回路，以通过该开关关断回路向该主开关注入反向电流，该反向电流用于辅助该主开关关断；在该主开关关断后，该第一储能元件与外部的负载形成供电回路，以向该负载供电。
31.其中，该脉冲电源中的主开关、第一储能元件以及阻感，与外部的初级电源在主开关导通时形成第一储能回路。外部的初级电源为可以向脉冲电源中的第一储能元件充电的电源设备。脉冲电源通过连接该外部的初级电源在，在主开关导通时，使该初级电源通过第一储能回路向第一储能元件充电，从而使得脉冲电源中存储有能量。同时，该脉冲电源还可以与外部的负载连接，以使用该第一储能元件中的能量，向所连接的负载充电。具体地，该脉冲电源中的阻感、第二储能元件以及主开关可形成开关关断回路，通过开关关断回路利用第二储能元件中的能量向主开关注入第二反向电流，以关断该主开关。同时，在主开关关断后，第一储能元件停止被充电，并通过供电回路向该向脉冲电源所连接的外部的负载供电。其中，例如，该负载可为电磁发射器，脉冲电源中的第一储能元件与电磁发射器形成供电回路，并向电磁发射器供电，以为电磁发射器提供高功率脉冲电源，需要说明的是，该负载也可以为其他需要脉冲电源的设备，本技术实施例对此不做限定。
32.可选的，该第一储能元件和该第二储能元件为有能量存储功能的半导体器件，如电容、电感等。例如，该第一储能元件可以为电感，该第二储能元件可以为电容。脉冲电源使用过程中，当第一储能元件为电感时，对于阻感、第二储能元件以及主开关形成的开关关断回路，在该开关关断回路中存在杂散电感，第二储能元件通过提供反向电流给主开关，以关断主开关。当主开关关断后，主开关中仍有少子仍未耗散，主开关仍保持导通状态，主开关
中的电流会反向增大到某个较小的幅值。当反向电流开始减小时，主开关中的电流变化率较大，会在开关关断回路中存在的杂散电感上感应出一定的负电压，该负电压与外部的初级电源和第二储能元件的电压差一起，在主开关上形成负电压尖峰。此时，反向电流由于幅值较小、变化率较大，会很快恢复到零，所以上述反向电压过程也会很快结束。主开关关断回路中整体表现为主开关会在电流关断后承受作用时间非常短的反向电压。而主开关则应具备承受该反向电压的电压尖峰的能力，否则很有可能出现故障。在本技术实施例中，由于主开关关断回路中存在阻感，在反向电流恢复的过程中，反向电流的变化率di/dt受到限制，反向电压的值为阻感中的感值乘以反向电流的变化率得到，因此，当反向电流的变化率di/dt受到限制后，反向电压的值被限制，主开关所需承受的反向电压的尖峰值减小，从而可以保护主开关不被损坏，保证脉冲电源的正常运行。
33.可选的，主开关可以为可控半导体开关，例如单个晶闸管或者串联的多个晶闸管等。
34.其中，该阻感为包括一定阻值和感值的元件，例如该阻感可以由电阻和电感组成。可选的，该阻感的感值以μh量级为宜，阻感的阻值尽可能的小为宜，可选的，具体的最合适的阻值和感值可以通过多次测试或物理层级的仿真确定。
35.上述脉冲电源，通过阻感、第二储能元件与主开关可形成开关关断回路，并通过开关关断回路向主开关注入反向电流，以用该反向电流辅助主开关关断。当主开关被注入反向电流关断后，在反向电流恢复的过程中，由于阻感的存在，电流变化率受到限制，使得根据反向电流变化率所确定的反向电压的值变小，从而限制了反向电压的电压尖峰的值，使得主开关可以在断开后承受反向电压的电压尖峰，并保证脉冲电源的正常运行。由于阻感的存在，稳定了开关关断回路中的杂散电感值，增加了电路运行的稳定性和可控性。
36.需要说明的是，本技术实施例提供的将阻感串联进主开关所在的回路中，在主开关关断回路中避免主开关受反向电压的影响而损坏的方法，也适用于其他通过反向电流注入使得半导体开关关断的电路，例如，除电感型脉冲电源之外，在超导大电流储能、电网的电流注入式断路器等设备中也存在电流注入使得半导体开关自然关断的应用场景，均需解决开关的电压保护问题，可选的，本技术实施例提供的方法也可应用于这些场景中。
37.在一个实施例中，该第一储能元件包括第一储能电感和第二储能电感。
38.其中，该第一储能元件可以为储能电感，可选的，该第一储能元件可以包括两个储能电感，即第一储能电感和第二储能电感。该第一储能电感和第二储能电感之间彼此强耦合，可以使得脉冲电源的储能密度更高。
39.在一个实施例中，该第二储能元件为预充电的电容。
40.其中，该脉冲电源中的第二储能元件可以为电容，并且，可在将该脉冲电源中与外部的初级电源连接之前，为该电容预充电，使其具有一定的能量，从而可以在脉冲电源与外部的初级电源连接后为第一储能元件充电后，通过该预充电的电容为主开关注入反向电流，以关断主开关。当第一储能元件为储能电感的情况下，使得该主开关具备关断感性大电流的能力，解决了感性大电流的关断问题。
41.在一个实施例中，如图2所示，其示出了本技术实施例提供的第一种脉冲电源电路拓扑图。其中，rl为阻感，t1为主开关，l1为第一储能电感，l2为第二储能电感，us为外部的初级电源。该主开关为可控半导体开关，该主开关的阳极与该阻感的一端连接，该阻感的另
一端用于与该初级电源的正极连接，该主开关的阴极与该第一储能电感的一端连接，该第一储能电感的另一端与该第二储能电感的一端连接，该第二储能电感的另一端用于与该初级电源的负极连接。
42.其中，可选的，该主开关可以为单个晶闸管或多个串联的晶闸管。晶闸管一般指晶体闸流管，晶体闸流管又称为可控硅整流器，它有三个极：阳极，阴极和门极。晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制。脉冲电源中的主开关可以使用晶闸管，通过控制晶闸管的门极的电压从而控制晶闸管导通或关断。
43.第一储能回路由脉冲电源中的阻感、主开关、第一储能元件与外部的初级电源形成。具体地，如图2所示，主开关t1的阳极与阻感rl的一端连接，主开关t1的阴极与第一储能电感l1的一端连接，第一储能电感l1的另一端与第二储能电感l2的一端连接，脉冲电源通过第二储能电感l2的另一端与外部的初级电源us的负极连接，并通过阻感rl的另一端与外部的初级电源us的正极连接，从而在主开关t1导通的情况下，利用初级电源us为第一储能电感l1以及第二储能电感l2充电。
44.在一个实施例中，该脉冲电源还包括第一开关，在该第一开关导通的情况下，阻感、第二储能元件和主开关与初级电源形成开关关断回路。
45.如图3所示，其示出了本技术实施例提供的第二种脉冲电源电路拓扑图。其中，t2为第一开关，c为第二储能元件。该第一开关为可控半导体开关；该第一开关的阴极与该主开关的阴极连接，该第一开关的阳极与该第二储能元件的一端连接，该第二储能元件的另一端用于与该初级电源的负极连接。
46.其中，该脉冲电源中的开关关断回路中还包括第一开关t2，该第一开关t2可以为可控半导体开关，可选的，该第一开关t2可以为单个晶闸管或多个串联的晶闸管。具体地，该第一开关t2的阴极与主开关t1的阴极连接，第一开关t2的阳极与第二储能元件c的一端连接，第二储能元件c的另一端可用于与初级电源us的负极连接，从而通过阻感rl、主开关t1、第一开关t2、第二储能元件c以及外部的初级电源us形成该开关关断回路。
47.当第一储能电感和第二储能电感通过储能回路被充电完成后，需要关断该主开关以停止充电。第一开关可以为晶闸管，因此，当需要关断主开关时，可通过控制第一开关的门极的电压，从而使第一开关导通，此时形成开关关断回路。第二储能元件通过开关关断回路向主开关注入反向电流，以使主开关关断。
48.通过向主开关注入反向电流关断主开关，使得主开关具备关断感性大电流的能力，并且，由于阻感的存在，可以减小主开关中反向电压的值，从而使得主开关不被反向电压损坏，从而保证脉冲电源正常运行。
49.在一个实施例中，在该第一开关导通的情况下，该第二储能元件、该第一开关、该第一储能电感和该第二储能电感形成第二储能回路，以由该第二储能元件向该第一储能电感和该第二储能电感充电。
50.其中，在第一开关导通的情况下，第二储能元件通过开关关断回路向主开关注入反向电流以关断主开关。当主开关关断后，主开关、阻感以及初级电源不再参与脉冲电源的工作。此时，第一开关的阳极与第二储能元件的一端连接，第一开关的阴极与第一储能电感的一端连接，第一储能电感的另一端与第二储能电感的一端连接，第二储能电感的另一端
与第二储能元件的另一端连接，形成第二储能回路。由于第二储能元件为预充电的电容，因此，第二储能元件通过第二储能回路向第一储能电感以及第二储能电感充电，可充分利用第二储能元件中的能量。
51.在一个实施例中，如图4所示，其示出了本技术实施例提供的第三种脉冲电源的电路拓扑图，r为外部的负载。该脉冲电源还包括二极管d。该二极管的阴极与该第二储能电感的一端连接，该二极管的阳极用于与该负载的一端连接，该第二储能电感的另一端用于与该负载的另一端连接。
52.其中，该脉冲电源主要用于为负载提供高功率脉冲电源。因此，该脉冲电源中还包括二极管d，该二极管为负载二极管。该二极管的阴极与第二储能电感的一端连接，该二极管的阳极用于与负载的一端连接，第二储能电感的另一端用于与负载的另一端连接，从而通过第二储能元件中的第二储能电感、二极管以及外部的负载形成供电回路。
53.当第二储能元件中的电流减小为0时，第一储能电感中的电流急剧减小，并且第二储能电感中的电流急剧增大，即第一储能电感以及第二储能电感中的能量均存储至第二储能电感中。因此，在第一开关导通的情况下，脉冲电源可通过第二储能电感向负载供电。
54.在一个实施例中，如图5所示，其示出了本技术实施例提供的第四种脉冲电源电路拓扑图。该脉冲电源还包括第二开关t3；在该第二开关导通的情况下，该第二储能元件、该第二开关、该第一储能电感、该二极管以及外部的该负载形成第三储能回路，以由该第二储能元件向该负载充电。
55.该第二开关为可控半导体开关；该第二开关的阴极与该第二储能元件的一端连接，该第二开关的阳极与该第一储能电感的一端连接，该第二储能元件的另一端用于与该负载的另一端连接。
56.其中，该脉冲电源中还包括第二开关t3，该第二开关可以为可控半导体开关，可选的，该第二开关t3可以为单个晶闸管或多个串联的晶闸管。该第二开关的阴极与第二储能元件的一端连接，第二开关的阳极与第一储能电感的一端连接。由于第二储能元件为预充电的电容，若需充分使用第二储能元件中的能量，可在需要的情况下，通过控制第二开关的门极电压，将第二开关导通，从而由第二储能元件、第二开关、第一储能电感、二极管以及外部的该负载形成第三储能回路，该第二储能元件可通过第三储能回路为外部的负载充电，以充分利用其中的能量。可选的，当第二储能元件中的能量用完后，可以通过外接充电电路的方式向该第二储能元件充电。
57.在一个实施例中，如图6所示，其示出了本技术实施例提供的一种电感型脉冲电源电路拓扑图。该电感型脉冲电源包括主开关t1、阻感rl、第一储能电感l1、第二储能电感l2、第一开关t2、第二开关t3、电容c以及负载二极管d。r为外部的负载，us为外部的初级电源。主开关、第一开关、电容和阻感与外部的负载形成开关关断回路，具体地，主开关的阴极与第一开关的阴极连接，第一开关的阳极与电容的一端连接，电容的另一端与阻感的一端连接，阻感的另一端用于与外部的初级电源的负极连接，主开关的阳极用于与外部的初级电源的正极连接。电容c为预充电的电容，初始时刻第一开关关断，当需要关断主开关时，通过控制第一开关导通，使得电容c可以通过开关断开回路向主开关注入反向电流，以关断主开关。同时，由于阻感的存在，抑制主开关在关断时的反向电压的尖峰值，避免主开关无法承受该反向电压而损坏。其中，主开关、第一开关以及第二开关可以为晶闸管。
58.在一个实施例中，如图7所示，其示出了本技术实施例提供的第二种电感型脉冲电源的电路拓扑图。其中，t1、t2、t3为晶闸管，t1为主开关。rl为阻感。c1、c2为电容，c2为预充电的电容。l1、l2为彼此强耦合的储能电感。d1、d2为二极管。us为外部的初级电源，r为外部的负载。
59.该电感型脉冲电源开始工作时，导通t1，此时，t2以及t3并未导通。rl、t1、l1、l2以及us形成储能回路，初级电源us通过储能回路为l1和l2充电。当充电完成需要关断t1时，将t2导通，此时，us、rl、t1、t2、c2以及r形成开关断开回路，c2通过开关断开回路向t1注入反向电流，以关断t1。由于rl的存在，使得t1所承受的反向电压的电压值减小，避免t1因反向电压尖峰值过大而被损坏，保证该电感型脉冲电源的正常运行。可选的，该脉冲电源还可以使其他元件连接关系不变，使t1的阳极与初级电源的正极连接，阻感的一端与初级电源的负极连接，阻感的另一端与c1以及r连接，并在t2导通的情况下，通过us、t1、t2、r以及rl形成开关关断回路。可选的，t1、t2、t3也可为其他可控半导体开关。
60.应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
61.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
62.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。