一种提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源

1.本发明属于电磁发射技术领域，更具体的，涉及一种提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源。


背景技术：

2.脉冲功率电源技术产生于20世纪40年代，60年代后得到迅速发展。脉冲功率电源(pulse power supplies,ppss)指的是可以在几毫秒内向负载输出兆安级别脉冲电流的电源。脉冲功率电源与常规电源不同，其通过功率压缩产生数值巨大的脉冲电流。
3.脉冲功率电源最主要的应用是电磁发射。传统化学燃料推进物体，由于存在“制止声速”限制，在单极发射时难以突破2km/s的限制。理论上，电磁发射的弹丸初速度只受本身和电源能量影响。理想情况下，可以将弹丸速度提高数倍。另外，相较于传统化学火炮发射的不稳定性，可控的电能使得弹丸在膛内精准的加速。与传统化学发射方式相比，电磁轨道炮具有较高的出口速度以及无烟雾无噪声、精度高等优点。
4.脉冲功率电源一般可分为初级电源、中间储能以及脉冲形成三大部分。其中中间储能设备体积占比最高。对于储能元件的小型化成为了脉冲功率电源小型化的关键。脉冲功率电源根据储能方式不同，一般可分电容储能型脉冲电源、旋转机械储能型脉冲电源和电感储能型脉冲电源。
5.三者的储能密度以电容型储能密度最低，电感型储能其次，旋转机械储能密度最高，其储能密度之比约为数量级增大。然而旋转机械储能需要用到旋转元件，冷却困难且需要一次性存储多次发射的能量。电容储能型脉冲功率电源技术成熟度最高。在很长时间内，许多学者对于电容储能型脉冲电源做了大量研究，但是由于其较低的能量密度，这种电源的发展前景有限。相较于目前广泛应用的电容储能型脉冲功率电源，电感储能型脉冲功率电源以储能密度高、结构简单等优势，逐渐成为电磁发射技术的研究热点。电感型储能相较于电容型储能其储能密度高出一个数量级。与旋转机械储能相比，电感储能元件作为一种静态储能元件，更加容易冷却。三种方式比较来看，电感型储能方式是一种综合性能较优的方式。
6.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，iat)和欧洲圣路易斯法德联合研究所(french-german research institute of saint-louis，isl)的主要研究对象。其中meat grinder拓扑是通过磁通压缩原理，利用两个电感的互感来实现电流的倍增。在1987年，美国能量压缩研究公司(energy compression research corporation,ecr)通过meat grinder拓扑搭建了电感储能19.1kj的轨道炮装置。但传统的meat grinder拓扑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，充电回路的漏磁能量会使主开关承受很高的电压。因此，美国先进技术研究所提出了meat grinder with stretch拓扑，对漏磁通能量进行了利用。并在2007年，使用锂电池作为初级电源，gto作为换流器件，搭建了30kj电感储能的轨道炮装置。2013年，东南大学使用igbt作为换流元件，
装置体积进一步减小。最终装置体积大约3dm3，可以对电阻负载输出峰值为4.29ka的电流。
7.但上述电感储能型脉冲功率电源应用于电磁发射时，由于电枢出膛时，电源及轨道上存在大量的剩余能量，剩余电流过大将会导致炮口产生电弧。电弧产生的热量可能导致炮口烧灼，危害整个电磁发射系统。并且剩余能量的浪费也使得装置的发射效率大大降低。因此，减小剩余电流、提升电源的能量利用效率，能有效推动电感型电源在电磁发射系统中的实际应用。


技术实现要素：

8.针对现有技术的缺陷以及实际应用的需求，本发明提出一种提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源，其目的在于回收利用发射后电感的剩余能量来提高电源的能量利用效率。
9.本发明提出的一种提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源可以将发射后电感的剩余能量回收利用，提高了预充电电容的电压自恢复率，从而提高了电源重复发射的能力，同时具有迅速减小负载尾波的能力，减小了炮口灼烧的概率。同时，电路元件较少，控制相对简单，电路形式比较简洁，有利于多模块级联式扩展。
10.本发明的技术方案如下：
11.本脉冲电源包括初级电源模块、中间储能模块、逆流回路模块、能量自恢复模块、负载电流开启及关断模块和电压极性恢复模块；电压极性恢复模块、初级电源模块、逆流回路模块、中间储能模块相互并联连接构成回路，能量自恢复模块连接在逆流回路模块与中间储能模块之间，负载电流开启及关断模块与负载串联再与中间储能模块并联。初级电源模块为中间储能模块充电提供能量；逆流回路用于当中间模块的电流达到预设值时断开初级电源模块；能量自恢复模块用于转换电容的能量自恢复；负载电流开启及关断模块用于负载电流导通及关断；电压极性恢复模块用于电压极性的恢复。
12.具体的，本发明能够提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源包括第一电感l1、第二电感l2、调整电感lc、转换电感l
t
、作为初级电源的电容cs、转换电容c
t
、第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4和第五晶闸管t5。其中第一电感l1与第二电感l2强耦合。
13.所述初级储能电容cs与第一晶闸管t1的阳极、转换电感l
t
的一端相连接；所述第一晶闸管t1的阴极、第二晶闸管t2的阴极与第一电感l1的一端相连接；所述第一电感l1的另一端与第二电感l2的一端、调整电感lc的一端、第四晶闸管t4的阴极相连接，第一电感l1与第二电感l2的连接关系为同名端顺串连接；所述第二电感l2的另一端与作为初级电源的电容cs另一端、第五晶闸管t5的阳极、负载的一端以及转换电容c
t
的一端相连接；所述转换电容c
t
的另一端与第二晶闸管t2的阳极、第三晶闸管t3的阴极相连接；所述转换电感l
t
的另一端与第五晶闸管t5的阴极相连接；所述调整电感lc的另一端与第三晶闸管t3的阳极相连接；所述负载的另一端与第四晶闸管t4的阳极相连接。
14.本发明提出的能够提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源，具有以下优点及突出性的技术效果：
15.1、本发明提出的电感储能型脉冲功率电源，可以有效的利用放电结束时第二电感l2的电流，将上一次发射剩余能量回收并用于下一次发射，提高了能源的利用效率，节省了
发射成本。
16.2、本发明提出的电感储能型脉冲功率电源，通过电路设计以及控制，使得电路元件具有了较高的的电压自恢复率，减少了连续放电期间电容预充电的时间，有利于电磁发射的连续运行，同时提高了整体电路的放电效率。
17.3、本发明提出的电感储能型脉冲功率电源，电路元件较少，结构简单，电路成本低，电路的可拓展性好。
18.4、本发明提出的电感储能型脉冲功率电源，可以有效的减小放电结束时负载的尾波电流，减小了发生膛口电弧以及炮口烧灼的概率。
19.5、本发明提出的电感储能型脉冲功率电源，负载电流波形脉宽可以通过改变晶闸管的触发时刻进行调整，电路运行的灵活性和可控性较强。
附图说明
20.图1为本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源的电路拓扑图。
21.图2为本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源的充放电过程中第一电感电流、第二电感电流波形示意图。
22.图3为本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源的充放电过程负载电流的波形示意图。
23.图4为本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源的充放电过程中作为初级电源的电容电压、转换电容电压波形示意图。
24.图5为本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源的充放电过程中第一晶闸管两端的电压波形示意图。
具体实施方式
25.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案例，对本发明进行进一步详细说明。
26.如图1所示，本发明提出的一种提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源，属于电磁发射技术领域。本脉冲电源包括初级电源模块、中间储能模块、逆流回路模块、能量自恢复模块、负载电流开启及关断模块和电压极性恢复模块；初级电源模块为中间储能模块充电提供能量；逆流回路用于当中间模块的电流达到预设值时断开初级电源模块；能量自恢复模块用于转换电容的能量自恢复；负载电流开启及关断模块用于负载电流导通及关断；电压极性恢复模块用于电压极性的恢复。
27.本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源，属于电磁发射技术领域。本脉冲电源包括第一电感l1、第二电感l2、调整电感lc、转换电感l
t
、作为初级电源的电容cs、转换电容c
t
、第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4和第五晶闸管t5。其中第一电感l1与第二电感l2强耦合。
28.所述初级储能电容cs与第一晶闸管t1的阳极、转换电感l
t
的一端相连接；所述第一晶闸管t1的阴极、第二晶闸管t2的阴极与第一电感l1的一端相连接；所述第一电感l1的另一端与第二电感l2的一端、调整电感lc的一端、第四晶闸管t4的阴极相连接，第一电感l1与第二电感l2的连接关系为同名端顺串连接；所述第二电感l2的另一端与作为初级电源的电容cs
另一端、第五晶闸管t5的阳极、负载的一端以及转换电容c
t
的一端相连接；所述转换电容c
t
的另一端与第二晶闸管t2的阳极、第三晶闸管t3的阴极相连接；所述转换电感l
t
的另一端与第五晶闸管t5的阴极相连接；所述调整电感lc的另一端与第三晶闸管t3的阳极相连接；所述负载的另一端与第四晶闸管t4的阳极相连接。
29.本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源中，第一电感l1应当比第二电感l2电感值大，其具体倍数由实际需求决定。两电感的电感值可根据充电电流预期值进行计算。两耦合电感的耦合系数尽可能的大，同时电感的电阻值越小越好，这样有利于提高电源的能源利用效率。调整电感lc与转换电感l
t
的电阻值应尽可能的小，电感值应根据需求来确定。调整电感lc越小，电容放电阶段持续时间就越短，同时二次电流峰值就越大，但同时对第三晶闸管t3的关断电压随之增加，因此应适当选择电感值。转换电感l
t
越小，电容电压极性恢复阶段时间越短，同时流经转换电感l
t
电流越大，注意应不超过第三晶闸管t3的流通能力。作为初级电源的电容cs电容值选取应根据实际情况以及电路需求来确定。转换电容c
t
的电容值选取应综合整体电路的设定值来确定。
30.本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源中，作为初级电源的电容cs的预充电，预充电电压应保证能将中间储能模块电流充到预设值。转换电容c
t
需要进行预充电，其充电值应大于电感充电结束时刻的初级电源电压值。否则可能导致第一晶闸管t1的关断失败。为保证第一晶闸管t1可靠关断，第一晶闸管宜选用快速恢复型晶闸管。第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4以及第五晶闸管t5可选取脉冲晶闸管。各个晶闸管的通流能力以及耐压能力均应大于可能流过的最大电流以及可能承受的最大电压。可以通过仿真分析来确定具体数值。
31.以下结合附图，详细介绍本发明提出的提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源电路的工作过程，可以分为以下十个阶段。
32.(假设作为初级电源的电容cs与转换电容c
t
已完成预充电)
33.第一阶段，电感充电。
34.触发第一晶闸管t1导通后，初级电源的电容cs为第一电感l1、第二电感l2充电，当流经第一电感l1、第二电感l2的电流上升到某一数值时，触发第二晶闸管t2导通，第一阶段结束。
35.第二阶段，关断阶段。
36.转换电容c
t
具有预充电电压，此电压应大于第一阶段结束时初级电源的电压。因此，第二晶闸管t2导通后，转换电容c
t
的电流迅速增大到第一电感l1、第二电感l2充电电流，第一晶闸管t1电流过零关断，第二阶段结束。
37.第三阶段，电感继续充电。
38.第二阶段结束后，转换电容c
t
仍具有的剩余电压继续给第一电感l1、第二电感l2充电，第一电感l1、第二电感l2电流继续上升，直到转换电容c
t
的能量全部放出。此时，流经第一电感l1的电流达到峰值。第三阶段结束。
39.第四阶段，换流阶段。
40.转换电容c
t
的极板电压uc降为零时，转换电容c
t
对第一电感l1、第二电感l2的充电也到此为止。此时第一电感l1、第二电感l2给转换电容c
t
反向充电。第二电感l2中的磁链减小导致在第四晶闸管t4承受导通电压，此时触发第四晶闸管t4导通，负载支路有电流流过。
根据磁链守恒原理，第一电感l1电流迅速减小，第二电感l2电流迅速增大。转换电容c
t
吸收第一电感l1的漏感能量，直到第二晶闸管t2电流过零关断，第四阶段结束。
41.第五阶段，电感放电阶段。
42.第二晶闸管t2关断后，第二电感l2继续向负载放电，此阶段遵循rl一阶放电规律。当负载电流下降到指定数值或达到指定时间后，触发第三晶闸管t3导通，第五阶段结束。
43.第六阶段，电容放电阶段。
44.第三晶闸管t3导通后，转换电容c
t
所收集的漏感能量通过第三晶闸管t3向负载放电。产生负载电流的二次波峰，当第三晶闸管t3电流过零时，晶闸管承受反压关断，第六阶段结束。
45.第七阶段，电感放电阶段。
46.第三晶闸管t3关断后，第二电感l2继续向负载放电。当负载电流下降到指定数值或达到指定时间后，触发第一晶闸管t1导通，第七阶段结束。
47.第八阶段，负载电流关断阶段。
48.第一晶闸管t1导通后，作为初级电源的电容cs向第一电感l1、第二电感l2充电，第二电感l2的磁链增加，根据电磁感应定律，将在负载支路产生反向电压。此电压作用在负载支路上使负载电流减小到零，第四晶闸管t4关断，第八阶段结束。
49.第九阶段，电感能量回收阶段。
50.第四晶闸管t4关断后，由于电感的续流作用，第一晶闸管t1持续导通。第一电感l1经过第二电感l2给电容cs充电。当第一电感l1电流下降到零时，第一晶闸管t1关断，此时电容cs具有与初始充电电压极性相反的电压，第九阶段结束。
51.第十阶段，电容电压极性恢复阶段。
52.触发第五晶闸管t5导通，作为初级电源的电容先给转换电感l
t
充电，再被转换电感l
t
反向充电。当转换电感l
t
电流下降到零时，第五晶闸管t5关断，第十阶段结束。
53.结合图2-图5，对上述工作过程中相关器件的电流和电压变化进行说明。
54.7.7ms之前，电路处于电感充电阶段，流经l1、l2的电流逐渐上升，如图2所示，同时，cs电压逐渐下降，如图4所示，其他部分由于晶闸管的存在而隔离出电路，参数没有变化。
55.7.7ms时，触发t2导通，电路进入关断阶段，此时，t1承受反压而关断，如图5所示。之后，l1、l2的电流仍旧上升，如图2所示，ct电压下降，如图4所示。
56.8.1ms时，l1、l2的电流上升到峰值开始下降，由于通过l2的磁通减少，因此t4承受正向电压，接收触发信号时导通，负载支路接入回路，如图3所示，电路进入换流阶段。由于磁通压缩原理，此时l2电流迅速上升，同时l1电流迅速下降，如图2所示，漏感能量进入ct使得电容具有反向电压，如图4所示。
57.8.75ms时，l1电流减小到0，如图2所示，t2关断，电路进入电感放电阶段。l2与负载电流达到最大值并逐渐减小，如图2、图3所示。
58.9.7ms时，触发t3导通，电路进入电容放电阶段，ct所收集的漏感能量通过t3向负载放电，ct由反向电压变为正向电压，如图4所示。同时负载电流产生二次波峰，如图3所示。
59.10.5ms时，t3电流降低到零关断，ct恢复到正向电压并保持稳定，如图4所示。电路恢复至电感放电阶段，l2与负载电流达到最大值并逐渐减小如图2、图3所示。
60.12.2ms时，触发t1导通，cs经过t1给l2充电，cs电压下降，如图4所示，l1、l2电流上升，如图2所示。通过l2的磁通增加，在负载支路承受反压关闭，负载电流减小到零，如图3所示。
61.上一阶段结束后，cs电压与初始充电电压极性相反，如图4所示，为了对下一次发射做准备，需要将电压反向。26ms时触发t5导通，cs电压先给lt充电，再被lt反向充电。最终cs电压反向，如图4所示。
62.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。