一种带有高耦合分裂电抗器的脉冲功率放电电路的制作方法

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种带有高耦合分裂电抗器的脉冲功率放电电路。

背景技术：

脉冲功率技术是一种研究强电脉冲功率放大的技术。它以较低功率在较长的时间内储存电场或磁场能量，然后借助于各种开关进行快速能量切换、脉冲压缩、功率放大，在很短时间内将脉冲电能释放到特定的负载上。

脉冲功率技术广泛应用于生物医学、加速器物理、激光等领域，为其提供能量的驱动电源是脉冲功率技术研究的一个重要方向。脉冲功率电源具有存储能量高、放电时间短、瞬时功率大的特点，一般利用电容器存储电能，电源连接的负载端将电能转化为其他形式的能量，如强激光系统中的泵浦源将电能转换成光能，电磁发射系统中的炮体将电能转换成动能。

典型的多负载并联高功率放电电路如图1所示，此放电电路包括：20只脉冲电容器C1～C20，脉冲电容器C1～C20各自连接的保护电感BL1～BL20，保护电感BL1～BL20的另一端通过汇流排，连接至晶闸管开关SCR1阳极，SCR1阴极分别接20路调波电感TL1～TL20，调波电感TL1～TL20后连接负载Load1～Load20，此负载指能量转换装置，将脉冲电容器存储的能量转化为其他形式的能量。当晶闸管开关SCR1开通时，脉冲电容器的储能，经保护电感BL1～BL20，晶闸管开关SCR1，调波电感TL1～TL20，形成强脉冲大电流加载至20路负载，20路负载产生的瞬时功率极大的光能、热能、动能等，用于科学试验。

随着脉冲功率技术向更高功率的方向发展，放电的瞬时电流不断提高，对开关提出了越来越高的要求，目前国内某重大工程对脉冲电流提出的指标参数，单一只晶闸管开关已经不能满足实际工程的需要，主要体现在通过开关管的脉冲电流峰值和di/dt值，超过目前市面上晶闸管所能承受的参数范围，从而存在较大的失效风险。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种带有高耦合分裂电抗器的脉冲功率放电电路，旨在解决现有技术中单一晶闸管通流能力不足的技术瓶颈，降低两个晶闸管简单并联使用时开通不一致的风险，消除两并联支路晶闸管电流不平衡问题，以及预防晶闸管开通不一致的隐患，限制单路晶闸管导通时刻电流陡度过大对晶闸管造成损坏。

为实现上述目的，本发明提供了一种带有高耦合分裂电抗器的脉冲功率放电电路，包括：两路放电支路、高耦合分裂电抗器以及多个调波电感；

两路放电支路的低压端连接在一起，并且与安全接地点可靠紧密连接；两路放电支路的高压端相互独立，并分别通过一个晶闸管连接到高耦合分裂电抗器的两组绕组上，其中一条放电支路连接到高耦合分裂电抗器的一组绕组的同名端，另一条放电支路连接到高耦合分裂电抗器的另一组绕组的异名端；高耦合分裂电抗器的两组绕组的输出端连接在一起，并且与所有的调波电感的一端相连接；每个调波电感的另一端通过同轴放电电缆与对应的负载相连接。

具体地，所述负载可以为氙灯负载。

可选地，所述高耦合分裂电抗器具有两组物理隔离的绕组，两组绕组之间没有电气连接；

高耦合分裂电抗器的两组绕组是紧密绕制的，具有高的耦合系数；

高耦合分裂电抗器的两组绕组之间需绝缘，每一组绕组的匝间需绝缘；

高耦合分裂电抗器的两组绕组的导流截面积相对较大，使得可以满足强脉冲电流通过；

高耦合分裂电抗器的两组绕组的机械强度相对较大，使得能抵抗强脉冲电流产生的电动力。

可选地，每路放电支路由N(N>＝1)台自愈式金属膜高压脉冲电容器，N个保护电感，一个晶闸管开关组成；

所有自愈式金属膜高压脉冲电容器的低压端连接在一起，并且与安全接地点可靠紧密连接；第一台自愈式金属膜高压脉冲电容器的高压端与第一个保护电感的一端相连接；第二台自愈式金属膜高压脉冲电容器的高压端与第二个保护电感的一端相连接；依次类推，第N台自愈式金属膜高压脉冲电容器的高压端与第N个保护电感的一端相连接；所有保护电感的另一端连接在一起，并且连接到晶闸管开关的阳极，晶闸管开关的阴极是该放电支路的输出端。

可选地，高耦合分裂电抗器的两个电抗器之间的高耦合效应以及电抗器本身的电感作用，能够使单个电抗器通过大电流时，另一电抗器产生感应电压，能够加快其并联支路晶闸管的开通。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

本发明提供的带有高耦合分裂电抗器的脉冲功率放电电路，由于结构设计中分裂的两个电抗器之间的高耦合效应以及电抗器本身的电感作用，能够使单个电抗器通过大电流时，另一电抗器产生感应电压，能够取得加快并联支路晶闸管开通的有益效果，同时，由于分裂电抗器自身具有的电感作用，初始通流时限制晶闸管di/dt值，能够取得保护晶闸管器件的有益效果，另外，本发明采用两个并联的晶闸管还可以降低安全裕度，防止过电流毁坏晶闸管开关。

附图说明

图1为现有技术提供的典型的脉冲功率放电电路的结构图；

图2为本发明实施例提供的带有高耦合分裂电抗器的脉冲功率放电电路的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种带有高耦合分裂电抗器的脉冲功率放电电路，具体涉及一种高功率脉冲放电装置的主放电电路，具体是一种基于以脉冲电容器作为储能单元，以晶闸管作为放电开关，给负载提供电能的强电流脉冲放电电路。

本发明有效解决单一晶闸管通流能力不足的缺陷，解决了晶闸管简单并联使用时，开通不一致的风险问题，并且本发明的电路在各种故障情况下，高耦合分裂电抗器能有效控制晶闸管电流峰值和di/dt值，使其均在晶闸管手册参数允许范围内，满足国内某重大工程的应用需求。

如图2所示，本发明提供的带有高耦合分裂电抗器的脉冲放电电路包括：第一放电支路1，第二放电支路2，高耦合分裂电抗器FL 1。

其中，两个同轴的线圈能够准确的发生相互的电磁感应，且感应电压有效加在晶闸管上，耦合系数至少为k＝0.1，调波电感TL 1～TL m和负载Load 1～Load m。n和m均为正整数。

第一放电支路1包括：自愈式金属膜高压脉冲电容器C 1～C n，保护电感BL 1～BL n和晶闸管开关SCR1；第二放电支路2包括：自愈式金属膜高压脉冲电容器C n+1～C 2n，保护电感BL n+1～BL 2n和晶闸管开关SCR2。

其中，自愈式金属膜高压脉冲电容器C 1～C 2n的低压端连接在一起，并且与安全接地点可靠紧密连接。电容器C1的高压端与对应的保护电感BL1一端相连接，电容器C2的高压端与对应的保护电感BL2一端相连接，依次类推，电容器C 2n的高压端与对应的保护电感BL 2n一端相连接；保护电感BL 1～BL n的另一端连接在一起，并且连接至晶闸管开关SCR1的阳极；电容器C 1～C n，保护电感BL 1～BL n，晶闸管开关SCR1组成第一放电支路1；保护电感BL n+1～BL 2n的另一端连接在一起，并且连接至晶闸管开关SCR2的阳极；电容器C n+1～C 2n，保护电感BL n+1～BL 2n，晶闸管开关SCR2组成另一条放电支路；放电支路1的晶闸管开关SCR1的阴极连接至高耦合分裂电抗器FL1的其中一个绕组的同名端；第二放电支路2的晶闸管开关SCR2的阴极连接至高耦合分裂电抗器FL1的另一个绕组的异名端；高耦合分裂电抗器FL1两组绕组的输出端连接在一起，并且与调波电感TL 1～TL m的一端相连；调波电感TL1的另一端通过同轴放电电缆与负载Load 1相连接，依次类推，调波电感TL m的另一端通过同轴放电电缆与负载Load m相连接。

自愈式金属膜高压脉冲电容器C 1～C 2n是储能元件。

保护电感BL 1～BL 2n是保护性器件，当C 1～C 2n中任一电容器发生短路故障时，其所在支路其余并联的电容器能量将向该电容器灌入，保护电感起限制短路电流，吸收能量的作用，保证短路电容器不发生爆炸；同时保护电感本身能承受故障电流不发生爆裂，避免产生二次破坏。

晶闸管开关SCR1，晶闸管开关SCR2是大电流开关器件。具有开通电感，电阻小；开通时延短，分散性小；电压高电流大寿命长；体积小等优点，是脉冲形成单元电路中应用最为广泛的开关。

需要说明的是，按照高功率负载的电流要求，目前市场上的额定尺寸的晶闸管无法确保安全可靠，本发明采用两个并联的晶闸管可以降低安全裕度，防止过电流毁坏晶闸管开关。

高耦合分裂电抗器FL1是两组相互独立的线圈，高耦合分裂电抗器FL1具有两组物理隔离的绕组，两组绕组之间没有电气连接性质；高耦合分裂电抗器FL1的两组绕组采用同轴结构，紧密绕制使耦合系数k大于0.1，两个绕组之间能够准确发生电磁感应，感应电压有效加在到晶闸管开关上；高耦合分裂电抗器FL1的两组绕组之间需绝缘；每一组绕组的匝间需绝缘；高耦合分裂电抗器FL1的两组绕组的电抗器的截流面积足够大，整个电抗器的电阻保持微欧级，且通过大电流时可忽略电抗器温升的对回路电阻的影响，满足强脉冲电流通过能力；高耦合分裂电抗器FL1的两组绕组在环氧绝缘外壳的包裹下具有较大的机械强度，能抵抗强脉冲电流产生的电动力，适用于高压大电流场合。

调波电感TL 1～TL m，结合负载对电流脉宽和峰值的限定，确定调波电感的电感和电阻值，以满足高功率负载工作的需求。关键参数有脉冲宽度，脉冲峰值，反向峰值等，满足脉冲负载的放电技术指标要求。

负载Load 1～Load m，将高功率脉冲电能转换成高功率脉冲激光。

本发明提供的带有高耦合分裂电抗器的脉冲功率放电电路的具体工作过程如下：

自愈式金属膜高压脉冲电容器C 1～C 2n进行储能，电容器的容值范围从为百微法(uF)级，电容器的储能电压从十千伏(kV)级，典型的应用单个电容器约152微法(uF)，储能电压31千伏(kV)，整个系统储能达1.46兆焦(MJ)。

(1)正常工作时，晶闸管SCR1和SCR2同时开通，放电支路1的脉冲电流从电容器C 1～C n流出，经过其对应连接的保护电感BL 1～BL n，汇流经晶闸管SCR1，再经过高耦合分裂电抗器的一个绕组；放电支路2的脉冲电流从电容器C n+1～C 2n流出，经过其对应连接的保护电感BL n+1～BL 2n，汇流经晶闸管SCR2，再经过高耦合分裂电抗器的另一个绕组后，形成总的脉冲电流，典型值可达350千安(kA)，向负载提供能量。

(2)当出现异常工作情况时，典型的，驱动信号时间不一致时，导致晶闸管开关SCR1和SCR2开通有时延。为方便分析，假设SCR2的驱动信号超前，SCR1的驱动信号滞后。SCR2先导通，那么脉冲电流先从放电支路2流出，具体的从电容器C n+1～C 2n，经过其对应连接的保护电感BL n+1～BL 2n，汇流经晶闸管SCR2，加载到高耦合分裂电抗器的对应绕组的同名端(*)，因设计的电抗器两绕组具有高耦合效应，在另一绕组的对应同名端(*)产生感应电压，这一感应电压叠加在了晶闸管SCR1的两端，等效增加了晶闸管SCR1阳极的电压。根据晶闸管的开通特性是开通时间随阳极电压降低而急剧增加，随阳极电压增加而减小，从而加速放电支路1的滞后晶闸管SCR1的开通，使两条放电支路的峰值电流和di/dt值均衡一致，参数范围满足晶闸手册管要求且有较大安全裕量，有效解决晶闸管开关的开通不一致风险问题。

(3)当出现一些极端异常的故障，如一组晶闸管开关不动作故障，或负载短路且一组开关不动作时，高耦合分裂电抗器可起到限制晶闸管峰值电流和di/dt值的作用。为方便分析，假设晶闸管SCR2因故未能开通，仅晶闸管SCR1开通，那么脉冲电流从放电支路1流出，具体的，从电容器C1～C n流出，经过其对应连接的保护电感BL 1～BL n，汇流经晶闸管SCR1，再流经高耦合分裂电抗器的对应绕组，而此时晶闸管SCR2因故未能开通，对应的高耦合分裂电抗器的另一个绕组处于断开状态，因此高耦合分裂电抗器可等效看作单一的电感线圈，与放电支路1的保护电感功能叠加在一起，限制流经晶闸管的峰值电流和di/dt值，防止其超过晶闸管手册极限参数，确保晶闸管工作在安全的区间范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。