一種利用三繞組脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用三繞組脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，包括高壓直流電源、儲能電容器、可控開關(guān)、二極管、非線性電阻、三繞組脈沖變壓器和負載。采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以使原邊繞組電流的任意變化都會在負載上產(chǎn)生相同方向的電流，并且利用非線性電阻的穩(wěn)壓功能可以快速減少繞組中的剩余電流，從而可以大幅減少脈沖輸出的時間，提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】-種利用三繞組脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于脈沖功率【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種利用三繞組脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的 大電流發(fā)生裝置，以提高電容能量的轉(zhuǎn)換效率并減少脈沖放電的時間。

【背景技術(shù)】
[0002] 脈沖功率技術(shù)是近些年來發(fā)展迅速的一門新興學(xué)科，它通過對儲能器件緩慢充 電，然后在很短的時間內(nèi)對能量進行快速壓縮、轉(zhuǎn)換等功率調(diào)節(jié)處理，以得到各種理想的高 峰值、陡前沿的電脈沖輸出，為各種應(yīng)用裝置提供強電流脈沖電源。目前，脈沖功率技術(shù)的 應(yīng)用領(lǐng)域既包括國防科研研究領(lǐng)域中的粒子束武器、脈沖激光武器、電磁推進、強脈沖磁場 等研究方面，還包括民用工業(yè)領(lǐng)域中的機械加工、環(huán)境治理、材料處理、生物醫(yī)療等應(yīng)用方 面。
[0003] 目前，脈沖功率裝置中的儲能方式主要有電感儲能和電容儲能兩種方式。
[0004] 電感儲能是以磁場形式儲存的，具有儲能密度高、體積小等優(yōu)點，但是至今還缺少 類似電容器之類的電感器作為初級儲能，并且能量釋放過程中用到的斷路開關(guān)的技術(shù)困難 較大，能量轉(zhuǎn)換的效率較低，制約著電感儲能的應(yīng)用范圍。目前，大部分脈沖功率的應(yīng)用場 合都是采用電容儲能。
[0005] 電容儲能是以電場形式儲存的，具有充放電時間短、可長期儲存的優(yōu)點，因此，電 容儲能具有廣闊的應(yīng)用空間。當前，研究適合電容放電的脈沖成型裝置是研究的熱點。
[0006] 目前，在需要脈沖大電流的場合中，常應(yīng)用降壓升流型脈沖變壓器作為脈沖成型 裝置，起到了很好的升流效果。但是，傳統(tǒng)的脈沖變壓器為雙繞組脈沖變壓器，當脈沖變壓 器原邊的電流達到最大時，負載上的電流脈沖達到最大。但是，為了防止副邊產(chǎn)生反向電 流，原邊繞組電流下降過程中，其電流變化率很小，由于變壓器的隔直通交特性，導(dǎo)致原邊 繞組中有很大的殘余電流，這部分能量會在原邊繞組中緩慢消耗掉，不會傳遞到負載側(cè)。因 此，由于變壓器的插入使電容向負載傳遞的效率降低，脈沖放電的時間變長。另外，傳統(tǒng)的 降壓升流型脈沖變壓器常采用銅線繞制，但是隨著繞組電流的增加，該模式還會存在以下 問題。第一，脈沖輸出時銅繞組上的電阻會產(chǎn)生一定的熱損耗，降低系統(tǒng)的能量傳遞效率； 第二，銅繞組的載流能力有限，為了提高系統(tǒng)的脈沖輸出能力就必須增大銅繞組的體積，進 而導(dǎo)致整個裝置的體積和重量增加。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明的目的是，從脈沖變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計和外圍電路 方向予以改善來提高裝置的能量轉(zhuǎn)換效率并減少脈沖輸出的時間，獲得一種利用三繞組脈 沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的。
[0009] -種利用三繞組脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，包括初始充電電源、儲能 電容器、非線性電阻、三繞組脈沖變壓器和負載；其中，充電電源與由儲能電容器、非線性電 阻、三繞組脈沖變壓器的原邊分別構(gòu)成的三個支路并聯(lián)，儲能電容器的充電回路和放電回 路分別設(shè)置有控制開關(guān)；所述變壓器為三繞組脈沖變壓器，具有原邊和采用自耦方式與負 載連接的兩副邊，副邊和原邊繞組采用高溫超導(dǎo)帶材繞制；三繞組脈沖變壓器置于可以使 高溫超導(dǎo)帶材處于超導(dǎo)態(tài)的低溫容器中；非線性電阻支路串聯(lián)有續(xù)流二極管，脈沖變壓器 的兩個副邊支路分別串聯(lián)有方向相反的整流二極管。
[0010] 高溫超導(dǎo)帶材具有儲能密度大、損耗低的優(yōu)點，并且在ms時間內(nèi)可以承受幾倍甚 至十幾倍的脈沖電流沖擊，但是高溫超導(dǎo)帶材不具備輸出幾十千安大電流的能力，因此兩 副邊繞組采用銅帶繞制，并且采用自耦方式連接，兩副邊繞組各串聯(lián)一個二極管并且方向 相反；所述三繞組脈沖變壓器放置在低溫容器中，利用液氮冷卻，可以使高溫超導(dǎo)帶材處于 超導(dǎo)態(tài)，并且可以使銅帶的電阻率降低，減小整體裝置的損耗和體積。
[0011] 所述非線性電阻采用ZnO或SiC壓敏電阻，轉(zhuǎn)變電壓的選擇依據(jù)需要輸出的電流 波形，但是其最大電壓小于原邊超導(dǎo)繞組和放電開關(guān)可以承受的最大電壓。
[0012] 本發(fā)明的有益結(jié)果在于：1.脈沖電源的放電過程包含LC振蕩過程和非線性電阻 恒壓放電過程，轉(zhuǎn)換時間非常短，原邊繞組電流的上升速率和下降速率都很大，并且由于采 用雙次繞組結(jié)構(gòu)的脈沖變壓器，使原邊繞組電流的任意變化都能在負載中產(chǎn)生相同方向 的電流，顯著減少了脈沖輸出的時間，提升了裝置的能量轉(zhuǎn)換效率；2.超導(dǎo)脈沖變壓器的 加入可以減少裝置的體積和重量，并進一步降低裝置的損耗；3.可以采用不同轉(zhuǎn)變電壓的 ZnO或SiC壓敏電阻來一定程度上改變輸出電流波形，克服了傳統(tǒng)放電模式下波形不易改 變的弊端，以滿足負載的不同需要；4.由于非線性電阻的加入使每次放電的時間減少，同 時可以通過合理控制充放電開關(guān)達到快速輸出多次脈沖的能力，提升了裝置的放電頻率。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0013] 圖1是本發(fā)明提出的脈沖功率電源的電路原理圖。
[0014] 圖中1.高壓直流電源DC，2.充電側(cè)開關(guān)Sl，3.儲能電容器C，4.放電側(cè)開關(guān)S2， 5.非線性電阻R，6.續(xù)流二極管D1，7.三繞組脈沖變壓器TX，8.原邊繞組Lp，9.副邊繞組 Lsl，10.副邊繞組Ls2，ll.整流二極管D2，12.整流二極管D3，13.負載Load。

【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和具體實施對本發(fā)明作進一步描述。
[0016] 圖1是三繞組轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，包括1.高壓直流電源DC，2.充電側(cè)開關(guān) Sl，3.儲能電容器C，4.放電側(cè)開關(guān)S2,5.非線性電阻R，6.續(xù)流二極管Dl，7.三繞組脈沖 變壓器ΤΧ，8·原邊繞組Lp，9.副邊繞組Lsl，10.副邊繞組Ls2，ll.整流二極管D2，12.整 流二極管D3,13.負載Load。
[0017] 圖1中開關(guān)S1、S2為可控開關(guān)，可以采用IGBT、IGCT、M0SFET、IECT、GT0等全控半 導(dǎo)體開關(guān)，也可采用具有輔助關(guān)斷功能的SCR等半控開關(guān)；非線性電阻R可以選擇ZnO或 SiC壓敏電阻，應(yīng)當選擇非線性系數(shù)大、通流能力大、殘壓低的產(chǎn)品。
[0018] 以下結(jié)合附圖，詳細介紹本發(fā)明提出的三繞組脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電 源的工作過程，可以分為以下四個階段。
[0019] 第一階段，充電開關(guān)S1導(dǎo)通，放電開關(guān)S2關(guān)閉，高壓直流電源對電容器充電，當電 容上的電壓達到最大電壓時，關(guān)斷充電開關(guān)S1。當負載需要電流脈沖時，進入第二階段。
[0020] 第二階段，導(dǎo)通放電開關(guān)S2,儲能電容器C對三繞組脈沖變壓器TX的原邊超導(dǎo)繞 組Lp進行放電，原邊繞組電壓突變會在副邊繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，副邊繞組Lsl中產(chǎn)生的 感應(yīng)電流通過整流二極管D2向負載供電，由于整流二極管D3的存在，使副邊繞組Ls2沒有 感應(yīng)電流存在。當儲能但容器C上的電壓下降到零時，進入第三階段。
[0021] 第三階段，放電開關(guān)S2的觸發(fā)關(guān)斷信號是通過檢測儲能電容器C上的電壓獲得 的，當儲能電容器C上的電壓下降到零時，觸發(fā)放電開關(guān)S2關(guān)斷。原邊超導(dǎo)繞組Lp中的剩 余電流全部通過非線性電阻R，由于R的穩(wěn)壓特性使超導(dǎo)繞組在接近恒壓下放電，副邊繞組 Ls2產(chǎn)生感應(yīng)電流向負載輸出，由于整流二極管D2的存在，副邊繞組Lsl沒有感應(yīng)電流存 在。最后，原邊繞組中的電流在非線性電阻的作用下迅速衰減到零。
[0022] 第四階段，本裝置的放電時間很短，可以在第二階段后同時導(dǎo)通充電開關(guān)S1，高壓 直流電源DC向儲能電容器C充電，重復(fù)二三四階段，達到多脈沖輸出的效果。
[0023] 采用本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，在實際實施中可有多種等同的變化，但凡是根據(jù)發(fā)明的 技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思，加以等同替換與改變，均被認為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范 圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種利用三繞組脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，其特征在于，包括初始充電 電源、儲能電容器、非線性電阻、三繞組脈沖變壓器和負載；其中，充電電源與由儲能電容 器、非線性電阻、三繞組脈沖變壓器的原邊分別構(gòu)成的三個支路并聯(lián)，儲能電容器的充電回 路和放電回路分別設(shè)置有控制開關(guān)；所述變壓器為三繞組脈沖變壓器，具有原邊和采用自 耦方式與負載連接的兩副邊；三繞組脈沖變壓器置于可以使高溫超導(dǎo)帶材處于超導(dǎo)態(tài)的低 溫容器中；非線性電阻支路串聯(lián)有續(xù)流二極管，脈沖變壓器的兩個副邊支路分別串聯(lián)有方 向相反的整流二極管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖功率電源，其特征在于，三繞組脈沖變壓器的原副邊繞 組緊密耦合，原邊繞組采用高溫超導(dǎo)帶材繞制，兩副邊繞組采用銅帶繞制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖的脈沖功率電源，其特征在于，所述非線性電阻采用ZnO 或SiC壓敏電阻。
【文檔編號】H02M9/04GK104218841SQ201410485983
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】王豫, 張培星, 嚴仲明, 劉漢軍, 汪治全, 付曉 申請人:西南交通大學(xué)