一种高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法

本发明属于脉冲功率，更具体地，涉及一种高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法。

背景技术：

1、脉冲功率电源广泛应用在国防科研、高新技术研究和民用工业等诸多领域中，在核物理、加速器、激光、电磁发射等技术中发挥重要作用，在化工、环境工程、医疗等领域也有着巨大的潜力。

2、脉冲功率电源组成具体包括脉冲电容、脉冲电感、晶闸管、二极管、晶闸管触发与保护装置、输出电缆等。现有脉冲功率电源多采用单元模块化设计，每个脉冲功率电源模块为一个独立电源，包括上述脉冲电源的所有组成部分，且只能带单负载运行。但在某些应用领域如电磁发射以及脉冲功率破岩时，脉冲功率电源充放电可以在数秒内完成，而负载更换需要较长时间，采用现有脉冲功率电源，单电源带单负载运行的元件利用效率低。同时，随着放电负载重复工作频率的提高，脉冲功率电源中脉冲电感与晶闸管的电、热负荷显著提高，系统失效风险大大增加。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，旨在解决现有脉冲功率电源，单电源带单负载运行的元件利用效率低，且随着放电负载重复工作频率的提高系统失效风险大的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，所述脉冲功率电源包括一个脉冲电容、一个脉冲电感和多个晶闸管，所述设计方法包括：

3、确定负载工况，包括各个负载的脉冲电流需求与重复工作频率；

4、脉冲电感设计，根据各个负载的脉冲电流需求与重复工作频率，计算脉冲电感等效工作频率与热负荷，并进行脉冲电感优化使其满足温升要求；

5、晶闸管设计，确定单个晶闸管的最高重复工作频率fs，设计第i个负载所需晶闸管数量为ni＝fi/fs，其中，fi为第i个负载的重复工作频率，i＝1、…、n，n为负载总数；

6、放电时序控制，设置各晶闸管放电时序，以满足各个负载的重复工作频率需求。

7、进一步地，所述各个负载顺序放电，且顺序放电间隔大于所述脉冲电容充电时间。

8、进一步地，所述脉冲电感的等效工作频率为各个负载的重复工作频率之和，所述脉冲电感的热负荷根据脉冲电感电阻值与各个负载的脉冲电流需求值确定。

9、进一步地，所述脉冲电感采用水冷电感，通过调节冷却液流速控制脉冲电感温升。

10、进一步地，所述晶闸管由晶闸管阀片、二极管阀片、引出铜排与绝缘垫块串联压接而成，其中，所述引出铜排与脉冲电感或输出电缆连接，所述绝缘垫块用于晶闸管阀片、二极管阀片绝缘，以保护晶闸管阀片、二极管阀片与负载的安全。

11、进一步地，所述放电时序控制根据各个负载要求产生控制信号，针对不同负载，控制晶闸管导通满足负载重复工作频率需求，针对同一负载控制晶闸管的依次导通，实现分时复用。

12、进一步地，所述放电时序控制中的弱电装置采取铁磁材料封装、光纤传输、外部供电隔离以及内部锂电池供电。

13、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

14、1、本发明对现有脉冲功率电源拓扑与设计进行改进，通过时序控制晶闸管的开通与关断，能够实现一台脉冲功率电源带多负载运行，提高脉冲功率电源的元件利用率，减小脉冲功率电源的体积，提高脉冲功率电源能量密度。

15、2、本发明通过水冷技术实现脉冲电感的冷却，提高脉冲电感的热负荷能力。

16、3、本发明通过同时通过多个晶闸管的依次导通，实现晶闸管的分时复用，降低每个晶闸管的等效工作频率，提高晶闸管使用寿命与系统可靠性。

17、4、本发明通过晶闸管的分时复用，可以利用单个脉冲功率电源实现多个负载重频运行。

18、5、本发明通过将多个晶闸管与二极管进行压接，进一步减小设备体积。

技术特征：

1.一种高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，其特征在于，所述脉冲功率电源包括一个脉冲电容、一个脉冲电感和多个晶闸管，所述设计方法包括：

2.根据权利要求1所述的高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，其特征在于，所述各个负载顺序放电，且顺序放电间隔大于所述脉冲电容充电时间。

3.根据权利要求1所述的高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，其特征在于，所述脉冲电感的等效工作频率为各个负载的重复工作频率之和，所述脉冲电感的热负荷根据脉冲电感电阻值与各个负载的脉冲电流需求值确定。

4.根据权利要求3所述的高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，其特征在于，所述脉冲电感采用水冷电感，通过调节冷却液流速控制脉冲电感温升。

5.根据权利要求1所述的高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，其特征在于，所述晶闸管由晶闸管阀片、二极管阀片、引出铜排与绝缘垫块串联压接而成，其中，所述引出铜排与脉冲电感或输出电缆连接，所述绝缘垫块用于晶闸管阀片、二极管阀片绝缘，以保护晶闸管阀片、二极管阀片与负载的安全。

6.根据权利要求1所述的高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，其特征在于，所述放电时序控制根据各个负载要求产生控制信号，针对不同负载，控制晶闸管导通满足负载重复工作频率需求，针对同一负载控制晶闸管的依次导通，实现分时复用。

7.根据权利要求1所述的高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，其特征在于，所述放电时序控制中的弱电装置采取铁磁材料封装、光纤传输、外部供电隔离以及内部锂电池供电。

技术总结
本发明公开了一种高重复工作频率脉冲功率电源的设计方法，脉冲功率技术领域。设计方法包括：确定负载工况，包括各个负载的脉冲电流需求与重复工作频率；脉冲电感设计，根据各个负载的脉冲电流需求与重复工作频率，计算脉冲电感等效工作频率与热负荷，并进行脉冲电感优化使其满足温升要求；晶闸管设计，确定单个晶闸管的最高重复工作频率，针对各个负载确定所需晶闸管数量；放电时序控制，设置各晶闸管放电时序，以满足各个负载的重复工作频率需求。本发明通过控制多组晶闸管的开断，能够实现脉冲电源带多负载重频运行，提高元件利用率，减小脉冲电源体积，同时通过晶闸管的分时复用，降低单个晶闸管热负荷，提高晶闸管寿命与系统可靠性。

技术研发人员：刘毅,徐尤来,张钦,李化,林福昌
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15