一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源

1.本发明属于电磁发射技术领域，更具体地，涉及一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源。


背景技术：

2.电磁发射技术利用物理学中载流导体或运动电荷在磁场中受到洛伦兹力作用的基本原理来加速弹丸，具有发射速度快、打击精度高、隐蔽性好、可控性强等优点，一般由脉冲功率电源、发射器和被发射体组成。由于电磁发射是采用脉冲动力方式，其推动力一般比火药的推动力大一个数量级，可将弹丸加速度到每秒几千到几十千米。在军事领域中，依靠电磁炮的高射速和高精度等性能，可将其应用于反装甲及防空，同时电磁炮适合安装于水面舰艇，作为战略防御对付反舰导弹的利器。在民用和科研方面，电磁发射技术可应用于高压物理实验，研究材料的状态方程，以及金属成型与焊接；除此之外，可以使用电磁发射器射出特高速小弹丸撞击热核燃料靶进行核聚变碰撞研究。
3.脉冲功率电源可借助不同形式的能量在毫秒级别内产生几十千安至几百千安的脉冲大电流。脉冲功率电源一般由初级能源，中间储能环节和脉冲成形网络三部分构成。初级能源在相对较长时间内将能量传递至中间储能环节进行储存，中间储能环节在较短时间内将能量传递至脉冲成形网络，脉冲成形网络将这些能量在时间或空间上压缩转换并快速释放给负载。现阶段，脉冲功率电源在国防科研中的应用日益显著，可为国防武器系统提供稳定可靠的脉冲大电流，越来越适应未来军事发展的需求。
4.脉冲功率电源的初级储能通常有电网供电、蓄电池组、柴油发电机等。电网供电的功率受限于输电线路，无法直接用于脉冲功率。蓄电池组储能是将能量储存在化合物中，储能相对稳定且损耗较小，但其能量转换效率较低，难以满足大功率系统的需求。柴油发电机输出功率也不高。因此，必须使用中间储能环节，才能大幅提升输出功率。按照中间储能环节的储能方式，脉冲功率电源可分为电容储能型，电感储能型，旋转机械储能型等。电容储能型是将能量储存在电场中，其形式相对简单，且对充电装置要求不高。但其储能密度不高，体积和重量往往过于庞大，增加了脉冲功率装置的造价。电感储能型是将能量储存在磁场中，相对于电容储能具有高储能密度的特点，但其受到开关和换流技术的限制，仍处于发展阶段。旋转机械储能是将能量储存在运动中的物体，通过使其急剧减速进而释放能量，具有建设周期短、有效寿命较长、充电快速、环保等优势，但系统运维成本高，且不易控制。一般大规模的储能系统通常会综合以上几种储能方法，合理搭配不同储能形式，以满足不同系统的性能需求。
5.电感储能型脉冲功率电源因较高的储能密度、静止储能相对安全，操控性好等优点，是脉冲功率电源系统的研究热点之一。电感储能型电源的电路拓扑结构主要分为meat grinder和xram两种类型，分别为美国德克萨斯大学高技术研究所(institute for advanced technology，简称iat)和欧洲圣路易斯法德联合研究所(french-german research institute of saint-louis，简称isl)的主要研究对象。
6.传统的meat grinder电路在主开关断开时，由于初级电感和次级电感无法做到完全耦合，充电回路的漏磁通能量会使主开关承受很高的电压。为了改善主开关的工作条件，美国的iat于2005年提出一种the slow transfer of energy through capacitive hybrid(stretch)meat grinder拓扑，其电路原理图如图1所示。电路工作过程如下：触发igct导通，初级直流电源us给强耦合电感l1l2充电，当充电电流达到指定水平关断igct。根据磁链守恒原理，l1上的磁场能量会耦合到l2上，漏磁通能量转移至电容c上，同时二极管d2导通，负载电流迅速上升，出现一次电流峰值。当电容c的电压达到反向最大值，触发t1导通，储存在电容c中的能量沿着c-load-d
2-l
1-t
1-c回路释放给负载，负载电流出现二次电流峰值。和meat grinder电流相比，stretch meat grinder增加了一个能量转换电容，目的是回收漏磁通的能量，并使电感中的电流下降速度变慢，从而降低主开关两端电压。由于该拓扑受到全控制器件igct通流能力和耐压能力弱的限制，且开关成本较高，制约了其在更高能级系统中的应用。
7.法德研究所isl在2013年研制出4级xram发生器驱动小口径电磁轨道炮系统，其电路原理图如图2所示。其由初级电源us、充电回路晶闸管t
1-t4、放电回路晶闸管t
l
、储能电感l
1-l4、续流二极管d
10-d
40
，d
11-d
41
、旁路二极管d
12-d
42
、逆流电容c
1-c4组成，电路工作过程如下：出发晶闸管t
1-t4导通，初级电源给储能电感l
1-l4串联充电，电感电流上升到预期值后，触发t
l
导通进行换流过程。逆流电容c
1-c4放电，充电回路电流迅速降为零，晶闸管t
1-t4关断，ln、d
n2
、load、t
l
、cn构成4个并联放电回路。当逆流电容电压降为零后，放电回路可通过续流二极管d
11-d
41
构成一阶rl回路直至负载电流为零。xram发生器通过电感串联充电并联放电实现电流成倍增加，这种类型的拓扑面临换向电流高的技术挑战，基于iccos换流原理施加预充电电容器产生的逆流脉冲使充电电流降低至晶闸管擎住电流以下并保持一定反压时间从而使晶闸管可靠关断。4级xram电路拓扑的主要优点在于采用逆流回路关断晶闸管，成本低廉、充放电迅速、电流放大能力强、可控性高、结构易调整等优点；主要缺点在于负载电流脉宽较长，应用于电磁发射场合中电枢出膛后剩余电流较大，能量利用率低。
8.上述拓扑运用在电磁发射中时，由于脉冲电流波尾时间过长，电枢出膛时仍有较大残余电流，将在膛口形成膛口电弧。产生的膛口电弧在一定程度上会影响电枢出膛速度，降低初速精度。剩余能量可能会造成炮口烧蚀，大大降低能量利用率和发射效率。因此，限制膛口电弧对于整个电磁发射系统具有积极作用。


技术实现要素：

9.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源，其目的在于通过逆流回路模块对中间储能模块施加逆流脉冲进一步提高中间储能模块对负载放电时的电流峰值，具有很强的带负载能力。
10.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源，包括初级储能模块、中间储能模块和逆流回路模块；所述中间储能模块与所述逆流回路模块并联后与所述初级储能模块串联以构成回路；
11.所述初级储能模块用于对所述中间储能模块充电，并在充电电流达到预设值时关断充电回路；
12.所述逆流回路模块用于当所述充电电流达到预设值时对所述中间储能模块施加
逆流脉冲以提高所述中间储能模块对负载放电时的电流峰值。
13.优选地，所述中间储能模块为储能电感l。
14.优选地，所述逆流回路模块包括第一逆流电容c1、第二晶闸管t2和二极管d；
15.所述第二晶闸管t2的阴极与储能电感l的一端相连接，所述第二晶闸管t2的阳极和所述二极管d的阴极与所述第一逆流电容c1的阳极相连接；所述的第一逆流电容c1的阴极和所述二极管的阳极与负载的一端相连接。
16.优选地，通过增大所述第一逆流电容c1的电容值和电压参数从而使负载获得更高的电流峰值。
17.优选地，所述初级储能模块包括初级电源us和第一晶闸管t1；
18.所述初级电源us的正极与所述第一晶闸管t1的阳极相连接，所述初级电源us的负极分别与所述储能电感l的一端、负载相连接；
19.所述第一晶闸管t1的阴极分别与所述储能电感l的一端和所述第二晶闸管t2的阴极相连接。
20.优选地，所述初级电源us为脉冲电容器。
21.优选地，还包括负载电流关断模块，所述负载电流关断模块并联于所述储能电感l的两端，用于在负载电流脉宽达到预期值时施加逆流脉冲以关断负载电流一阶放电回路，从而使负载电流迅速关断。
22.优选地，所述负载电流关断模块包括第二逆流电容c2和第三晶闸管t3；
23.所述第二逆流电容c2的阴极与所述储能电感l的一端相连接，第二逆流电容c2的阳极与所述第三晶闸管t3的阳极相连接，所述第三晶闸管t3的阴极与所述第一晶闸管t1的阴极相连接。
24.优选地，还包括能量自恢复模块，所述能量自恢复模块包括第四晶闸管t4和辅助电感lf；
25.所述辅助电感lf的一端与所述第三晶闸管t3的阳极相连，其另一端与所述第四晶闸管t4的阴极相连接；所述第四晶闸管t4的阳极与所述第二逆流电容c2的阴极相连接。
26.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
27.1、本发明提出的一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源，利用逆流回路关断负载电流并进一步提高负载电流峰值，具有很强的带负载能力。如果要获得更高的电流峰值，可以通过增大第一逆流电容的电容值和电压参数来实现，也可以通过多个电源模块级联通过电感串联充电并联放电实现电流叠加。
28.2、本发明提出的一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源，负载电流波形脉宽可通过改变第三晶闸管的触发时刻进行调整，在合适的参数设置下可达到预期电流波形，电路运行的灵活性和可控性较强，有利于电路的重复频率运行。
29.3、本发明提出的一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源相比于已有的stretch meat grinder和xram电路拓扑，通过合适的电路设计和运行步骤，可使负载电流无缓慢下降的电流波尾，电路运行时间更短，有利于提高操作人员的安全保障。
30.4、本发明提出的一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源，在储能电感两端引入一条逆流支路，通过恰当的触发时序触发第三晶闸管可使负载脉冲大电流在短时间
内快速关断。对于轨道炮负载而言，可有效限制炮口残余电流过大带来的膛口电弧，适用于更高能级的电源装置。
附图说明
31.图1是现有技术中美国先进技术研究所提出的stretch meat grinder电源的电路原理图；
32.图2是现有技术中德法联合实验室提出的4级xram电源的电路原理图；
33.图3是本发明提出的具备炮口消弧功能的新型电感储能脉冲功率电源的电路原理图；
34.图4是本发明提出的具备炮口消弧功能的新型电感储能脉冲功率电源的充放电过程中储能电感电流和负载电流的波形示意图；
35.图5是本发明提出的具备炮口消弧功能的新型电感储能脉冲功率电源的充放电过程中第一晶闸管两端电压的波形示意图；
36.图6是本发明提出的具备炮口消弧功能的新型电感储能脉冲功率电源的充放电过程中第一和第二逆流电容电压的波形示意图。
具体实施方式
37.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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.如图3所示，本发明提出一种用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源，包括初级储能模块、中间储能模块、逆流回路模块、负载电流关断模块和能量自恢复模块；所述初级储能模块用于对所述中间储能模块充电，并在充电电流达到预设值时关断充电回路；所述逆流回路模块用于当所述充电电流达到预设值时对所述中间储能模块施加逆流脉冲以提高所述中间储能模块对负载放电时的电流峰值；所述负载电流关断模块用于在负载电流脉宽达到预期值时施加逆流脉冲以关断负载电流一阶放电回路，从而使负载电流迅速关断；所述能量自恢复模块利用第四晶闸管t4导通，第二逆流电容c2通过晶闸管向辅助电感lf放电，如果参数设置合理，电容电压可恢复至预充电压。
39.具体的，本发明用于炮口消弧的新型电感储能脉冲功率电源包括初级电源us、储能电感l、辅助电感lf、第一逆流电容c1、第二逆流电容c2、第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4、二极管d；其特征在于：所述的初级电源us的正极与第一晶闸管t1的阳极相连接；所述的第一晶闸管t1的阴极、第二晶闸管t2的阴极和第三晶闸管t3的阴极与储能电感l的一端相连接；所述的储能电感l的另一端、初级电源us的负极、第二逆流电容c2的负极与第四晶闸管t4的阳极和负载的一端相连接；所述的辅助电感lf的一端、第二逆流电容c2的正极与第三晶闸管t3的阳极相连；所述的辅助电感lf的另一端与第四晶闸管t4的阴极相连接；所述的第二晶闸管t2的阳极、二极管d的阴极与第一逆流电容c1的正极相连接；所述的第一逆流电容c1的负极、二极管d的阳极与负载的另一端相连接。特别的，二极管d与第二逆流电容构成并联支路，储能电感l与第二逆流电容c2、第三晶闸管t3构成并联支路，辅助
电感lf、第四晶闸管与第二逆流电容c2构成并联支路。
40.本发明提出的一种具备炮口消弧功能的新型电感储能脉冲功率电源拓扑参数中，初级电感的电感值可根据系统能级和充电电流预期值进行计算；初级电感与辅助电感的自身内阻应尽量小，可减小电感线圈的热损耗从而提高能量传输效率；第一逆流电容的逆流回路参数直接受充电电流的影响，可根据充电回路参数确定最小逆流能量；第二逆流电容的主要作用是关断负载电流，该逆流回路参数在保证负载电流关断的前提下可取尽量小，有助于减小电容储能比例从而最大程度发挥电感储能的优势；第三晶闸管的触发时刻可根据所需电流波形的脉宽进行调整，以确保负载电流短时间内截止为零；辅助支路的辅助电感和第四晶闸管可恢复第二逆流电容的电压极性，在合适的参数配置下可实现第二逆流电容电压的完全自恢复。
41.本发明提出的一种具备炮口消弧功能的新型电感储能脉冲功率电源，第一逆流电容c1需预先充电，理论上预充电压应高于充电电流达到指定水平时初级电源us的电压，保证主开关t1承受反压时间大于其反向恢复时间而可靠关断；第二逆流电容逆流参数可根据关断负载电流大小确定，负载电流的脉宽主要取决于第三晶闸管t3的触发时刻；与第一逆流电容反并联的二极管在c1电压降为零后，与储能电感l和负载构成rl一阶续流回路，与第二逆流电容并联的辅助电感lf和第四晶闸管t4可使第二逆流电容电压自恢复；第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4和二极管d应具有较强的通流能力和耐压能力，可在系统额定能级下的工况正常工作，建议通过电路仿真确定各器件的选型。
42.以下结合图3、图4、图5和图6详细介绍本发明提出的具备炮口消弧功能的新型电感储能脉冲功率电源电路的工作过程，可以分为以下六个工作阶段。
43.第一阶段，充电阶段。
44.触发晶闸管t1导通，初级电源us向储能电感l充电，当充电电流达到指定值时，触发t2导通，充电阶段结束。
45.第二阶段，充电电流关断阶段。
46.触发t2导通后，此时u
c1
＞us，逆流回路等效阻抗很小，第一晶闸管t1电流急剧下降至零。若晶闸管反向恢复时间低于t1反向电压持续时间则其可靠关断。第一逆流电容c1继续给电感充电，uc降低,电感电流继续增大。
47.第三阶段，电感放电阶段。
48.当u
c1
降为零时，储能电感l通过续流二极管d向负载放电，回路电流逐渐减小，此时电路为一简单的一阶rl回路。
49.第四阶段，负载电流关断阶段。
50.由于储能电感向负载放电回路时间常数相对较大，造成负载电流下降缓慢，根据所需的电流脉宽选定第三晶闸管t3的合适触发时刻，第二逆流电容释放逆流脉冲使第二晶闸管t2电流迅速减小并承受反压而关断。
51.第五阶段，电容放电阶段。
52.负载电流关断后，第二逆流电容通过第三晶闸管t3向储能电感放电，经过半个放电周期后回路电流为零，第二逆流电容电压为反向最大值。
53.第六阶段，电容电压自恢复阶段。
54.触发第四晶闸管t4导通，第二逆流电容c2通过晶闸管向辅助电感lf放电，半周期后
uc为一正值，晶闸管t4承受反压关断，如果参数设置合理，电容电压可恢复至预充电压。
55.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。