一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，属于电磁发射技术领域。
【背景技术】
[0002]电磁发射是依据电磁力定律，即当载流物体通过磁场时受到与磁场和电流方向垂直的电磁力而将物体加速推射出去的一项新兴技术。与传统的发射技术相比，电磁发射具有更高的能量转化效率和控制精度，且不会产生强大的电磁波和弥漫的烟雾等优良性能。由于电磁发射明显的优势和良好的应用前景，随着相关科学技术的不断发展与完善，特别是计算机控制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]电磁发射装置一般由发射器本体、被发射组件和高功率脉冲电源组成。其中高功率脉冲电源是基础，在很大程度上决定着电磁发射技术的研宄进展和应用潜能，因而成为研宄重点。电磁发射时一般在几毫秒时间内需要几十或者上百兆焦的高脉冲电能量，这是普通电源所不能提供的，因此用于电磁发射的脉冲电源一般由初级电源、中间储能系统和脉冲形成网络三部分组成。首先初级电源在一个相对较长的时间内将电能提供给中间储能系统，通过开关控制，中间储能系统将电能传至脉冲形成网络进行快速压缩转换，最后有效释放给负载。
[0004]由于电磁发射技术特殊的应用领域，对装置体积和重量的要求是非常高的。脉冲功率电源在整个电磁发射装置体积和重量上占最大份额。而在电源系统中储能设备的体积和质量占整个电源装置的约80%。中间储能系统主要有电容储能、电感储能和旋转机械储能三种形式，理论上，电容、电感、旋转机械的储能密度比为1:10:1000。
[0005]电容储能是目前应用最广泛，并且技术成熟的一种中间储能方式，其优点在于所需要的充电功率低，只要由直流初级电源充电，就可以保证电容电压的线性上升，控制简单。主要缺点是能量密度低，这也限制了其在实战系统中的应用，通常只作为实验室研宄电源。
[0006]对于旋转机械储能方式，由于储能密度大，很早就引起了不少的关注，但由于其非静止储能，冷却困难且需一次性存储多次发射的能量，这种方式的致命缺陷是结构非常复杂难以实施。
[0007]电感储能系统相比于电容储能具有高一个数量级的储能密度；相比于旋转机械储能由于其以静止磁场的形式储能，易于冷却且只需存储一次发射的能量即可。这些优势使电感储能型脉冲功率电源成为近年来诸多学者研宄的热点之一。
[0008]电感储能也具有一些缺点，比如尚线圈损耗和换流困难。线圈损耗可以通过减小充电时间和选用超导体解决。在切断大电感电流时，由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量，使得在关断开关两端产生很大的电压应力而超出半导体开关所能处理的能力，因而关断开关成为电感储能型脉冲电源的关键因素。
[0009]围绕着克服电感储能的缺点，充分发挥其多方面的优势，国内外学者和研宄机构开展了对电感储能型脉冲电源的相关研宄，其中知名机构主要有美国高新技术研宄所和德法圣路易斯联合实验室。
[0010]图1为德法圣路易斯联合实验室提出的一种电感储能型脉冲电源电路图。电路总体上采用的是电感串充并放的拓扑结构。电感L1、L2，通过闭合触发晶闸管I\、T2，…Tn由初级电源U s串联充电。当充电电流达到预定值时，通过断开晶闸管T 1、T2，…τη，各电感由串联充电转换为并联放电，从而在负载上获得急剧上升的脉冲电流，其幅值理论上为各电感电流之和。为了能够关断更大的电流和耐受更高的电压，电路采用了晶闸管?\、τ2，…Tn，为主管。然而晶闸管是半控型器件，其关断要靠外电路来实现。德法圣路易斯联合实验室在电路中采用了一种其先前提出的晶闸管关断电路，即半导体器件逆向电流换路。图1中电容C1X2,…匕在电路工作前均有一定的预充电压，通过触发负载侧晶闸管τη+1，晶闸管!\是由回路C !-T1-Us-Dn2 -负载-Tn+1-D13-C^放电容C i的预充能量而产生的逆流脉冲关断的，而其他晶闸管T2、T3，…1；的关断则是分别由回路C「凡-D(i_m -负载-Tn+1 - Di3 - Ci (i=2，3，…η)释放电容Ci的预充能量而产生的逆流脉冲关断的。
[0011]通过多个电感的串充并放而获得脉冲电流的方式，很显然，电路在结构上具有很强的拓展性。若要增大电流倍增系数或提高储能容量，可通过不断增加电感级数得以实现。这种结构上的可扩展性为构建特定能级的电源模块提供了便利。采用半导体器件逆向电流换路关断的晶闸管为主管，可通过关断更大的电流而增加电路初始储能，从而获得更大的负载电流和炮口动能。
[0012]但是图1所示的电路主要存在着以下两个方面的不足:
[0013]I)较大的电流放大倍数获取只能是通过不断增加电路级数而实现，且每增加一级电路，电流放大倍数只能增一；
[0014]2)采用半导体器件逆向电流换路关断的晶闸管为主管时，负载电流波形有尖峰，且无二次峰，不利于波形调整，见图3波形对比图。
【发明内容】
[0015]本发明的目的是提出一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，对已有的脉冲电源的电路进行改进，使其具有高电流倍增、低主管耐受电压、高储能密度、结构可扩展性强以及具有适于电磁发射电流波形等优点。
[0016]本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，包括初级电源Us、第一电感L1、第二电感L2、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1、第二电容(:2和η个电感模块；所述的初级电源Us的阳极与第一晶闸管T1的阳极连接；第一电感L i的一端和第二电感L 2顺串连接后的中间连接点与第二二极管D2的阴极连接，第一电感1^的另一端与第一晶闸管T1的阴极、第二晶闸管T 2的阳极、第一二极管D i的阴极和第三晶闸管T 3的阴极连接，第三晶闸管T3的阳极与第二电容C2的阳极连接；第二电容(:2的阴极与第二二极管D2的阳极、第三队二极管的阴极连接；第二电感1^2的另一端与第四二极管D4的阳极、第一电感模块的第一连接端连接，第一电感模块的第二连接端与第二电感模块的第一连接端连接；以此类推，直到第(η-l)电感模块的第二连接端与第η电感模块的第一连接端连接；第11电感模块的第二连接端与第一电容C1的阴极、初级电源Us的阴极以及大地连接；第一电容C i的阳极与第二晶闸管T2的阴极和第一二极管D i的阳极连接；n个电感模块的第三连接端与第三二极管队的阳极和第四晶闸管T4的阴极连接；η个电感模块的第四连接端与第四二极管D4的阴极和电感储能型脉冲电源负载的一端连接；电感储能型脉冲电源负载的另一端与第四晶闸管T4的阳极连接。
[0017]上述脉冲电源的η个电感模块，其中每个电感模块，包括第三电感L3、第五晶闸管T5、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8和第三电容C 3;所述的第三电感L3的一端、第五晶闸管T 5的阴极、第三电容C 3的阳极、第五二极管D 5的阳极和第六二极管队的阴极相互连接；第五晶闸管T 5阳极与第五二极管D 5的阴极连接，该连接点作为电感模块的第一连接端；第三电感1^的另一端与第八二极管D 8的阳极连接，该连接点作为电感模块的第二连接端；第三电容C3的阴极与第六二极管D 6的阳极、第七二极管D 7的阴极连接；第七二极管叫的阳极引出电缆作为电感模块的第三连接端；第八二极管D8的阴极的引出电缆作为电感模块的第四连接端。
[0018]本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其优点是:
[0019]1、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源拓扑，具有很强的电流放大能力，既有电感串充并放的电流放大作用，又有耦合电感间由于磁通守恒原理产生的电流放大作用。即本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源拓扑，如果要得到更大的负载电流，可以通过增加串充并放的电感级数实现，也可以通过增大第一电感与其他电感的电感比值获得，还可以通过提高初级电源的电流水平，提升充电电流(几十千安)获得。
[0020]2、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，用漏感收集电容，即第一电容收集第一电感与其他电感之间的漏感能量，通过较小的电容储能比例使主管两端承受电压降低。
[0021 ] 3、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，相比于相同能级的电感串充并放电路，由于电感间的高耦合作用，互感储存和转换了一部分能量，故总体储能密度增大。
[0022]4、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，采用半导体器件逆向电流换路换流的晶闸管为关断主管，不仅可关断很大的(几十千安)充电电流，而且由于半导体器件逆向电流换路逆流电容(第二电容和各电感模块中的第三电容)支路的存在，换路瞬间不会出现纯电感元件构成的割集(节点)，各电感电流不会发生突变，各电感电流之间的相互影响也很小，故主管两端也不会出现冲击电压。
[0023]5、本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，负载电流不会出现电感串充并放拓扑电路负载电流所具有的尖峰电流，负载电流波形具有双重峰值，有利于波形调整，更适合电磁发射，可见图3波形对比图。
【附图说明】
[0024]图1为已有技术中德法圣路易斯联合实验室提出的电感串充并放的电感储能型脉冲电源电路结构图。
[0025]图2为本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源电路结构图。
[0026]图3是图2所示的脉冲电源中电感模块的电路结构图。
[0027]图4是本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源电路负载电流波形与已有的同能级的电感串充并放电路负载电流波形对比图。
【具体实施方式】
[0028]本发明提出的用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，其电路结构图如图2所示，包括初级电源Us、第一电感L1、第二电感L2、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、