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(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)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(chǔ)能電容器、可控開(kāi)關(guān)、二極管、非線(xiàn)性電阻、三繞組脈沖變壓器和負(fù)載。采用本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)可以使原邊繞組電流的任意變化都會(huì)在負(fù)載上產(chǎn)生相同方向的電流，并且利用非線(xiàn)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(shí)間，提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。
【專(zhuān)利說(shuō)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]本實(shí)用新型屬于脈沖功率【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(shí)間。

【背景技術(shù)】
[0002]脈沖功率技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展迅速的一門(mén)新興學(xué)科，它通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能器件緩慢充電，然后在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)能量進(jìn)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(qiáng)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(guó)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(jìn)、強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)等研究方面，還包括民用工業(yè)領(lǐng)域中的機(jī)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(chǔ)能方式主要有電感儲(chǔ)能和電容儲(chǔ)能兩種方式。
[0004]電感儲(chǔ)能是以磁場(chǎng)形式儲(chǔ)存的，具有儲(chǔ)能密度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但是至今還缺少類(lèi)似電容器之類(lèi)的電感器作為初級(jí)儲(chǔ)能，并且能量釋放過(guò)程中用到的斷路開(kāi)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(chǔ)能的應(yīng)用范圍。目前，大部分脈沖功率的應(yīng)用場(chǎng)合都是采用電容儲(chǔ)能。
[0005]電容儲(chǔ)能是以電場(chǎng)形式儲(chǔ)存的，具有充放電時(shí)間短、可長(zhǎng)期儲(chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)，因此，電容儲(chǔ)能具有廣闊的應(yīng)用空間。當(dāng)前，研究適合電容放電的脈沖成型裝置是研究的熱點(diǎn)。
[0006]目前，在需要脈沖大電流的場(chǎng)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(dāng)脈沖變壓器原邊的電流達(dá)到最大時(shí)，負(fù)載上的電流脈沖達(dá)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(guò)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(huì)在原邊繞組中緩慢消耗掉，不會(huì)傳遞到負(fù)載側(cè)。因此，由于變壓器的插入使電容向負(fù)載傳遞的效率降低，脈沖放電的時(shí)間變長(zhǎng)。另外，傳統(tǒng)的降壓升流型脈沖變壓器常采用銅線(xiàn)繞制，但是隨著繞組電流的增加，該模式還會(huì)存在以下問(wèn)題。第一，脈沖輸出時(shí)銅繞組上的電阻會(huì)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(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)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，本實(shí)用新型的目的是，從脈沖變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外圍電路方向予以改善來(lái)提高裝置的能量轉(zhuǎn)換效率并減少脈沖輸出的時(shí)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]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的。
[0009]一種利用三繞組脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，包括初始充電電源、儲(chǔ)能電容器、非線(xiàn)性電阻、三繞組脈沖變壓器和負(fù)載；其中，充電電源與由儲(chǔ)能電容器、非線(xiàn)性電阻、三繞組脈沖變壓器的原邊分別構(gòu)成的三個(gè)支路并聯(lián)，儲(chǔ)能電容器的充電回路和放電回路分別設(shè)置有控制開(kāi)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(fù)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(xiàn)性電阻支路串聯(lián)有續(xù)流二極管，脈沖變壓器的兩個(gè)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(chǔ)能密度大、損耗低的優(yōu)點(diǎn)，并且在ms時(shí)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(gè)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(xiàn)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(kāi)關(guān)可以承受的最大電壓。
[0012]本實(shí)用新型的有益結(jié)果在于:1.脈沖電源的放電過(guò)程包含LC振蕩過(guò)程和非線(xiàn)性電阻恒壓放電過(guò)程，轉(zhuǎn)換時(shí)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(fù)載中產(chǎn)生相同方向的電流，顯著減少了脈沖輸出的時(shí)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(jìn)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(lái)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(mǎn)足負(fù)載的不同需要；4.由于非線(xiàn)性電阻的加入使每次放電的時(shí)間減少，同時(shí)可以通過(guò)合理控制充放電開(kāi)關(guān)達(dá)到快速輸出多次脈沖的能力，提升了裝置的放電頻率。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
:
[0013]圖1是本實(shí)用新型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(kāi)關(guān)Sl，3.儲(chǔ)能電容器C，4.放電側(cè)開(kāi)關(guān)S2，
5.非線(xiàn)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LsLl0.副邊繞組Ls2，ll.整流二極管D2，12.整流二極管D3，13.負(fù)載Load。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)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(kāi)關(guān)SI, 3.儲(chǔ)能電容器C，4.放電側(cè)開(kāi)關(guān)S2，5.非線(xiàn)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(fù)載Load。
[0017]圖1中開(kāi)關(guān)S1、S2為可控開(kāi)關(guān)，可以采用IGBT、IGCT、MOSFET、IECT、GTO等全控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，也可采用具有輔助關(guān)斷功能的SCR等半控開(kāi)關(guān)；非線(xiàn)性電阻R可以選擇ZnO或SiC壓敏電阻，應(yīng)當(dāng)選擇非線(xiàn)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(xì)介紹本實(shí)用新型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(guò)程，可以分為以下四個(gè)階段。
[0019]第一階段，充電開(kāi)關(guān)SI導(dǎo)通，放電開(kāi)關(guān)S2關(guān)閉，高壓直流電源對(duì)電容器充電，當(dāng)電容上的電壓達(dá)到最大電壓時(shí)，關(guān)斷充電開(kāi)關(guān)SI。當(dāng)負(fù)載需要電流脈沖時(shí)，進(jìn)入第二階段。
[0020]第二階段，導(dǎo)通放電開(kāi)關(guān)S2，儲(chǔ)能電容器C對(duì)三繞組脈沖變壓器TX的原邊超導(dǎo)繞組Lp進(jìn)行放電，原邊繞組電壓突變會(huì)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(guò)整流二極管D2向負(fù)載供電，由于整流二極管D3的存在，使副邊繞組Ls2沒(méi)有感應(yīng)電流存在。當(dāng)儲(chǔ)能但容器C上的電壓下降到零時(shí)，進(jìn)入第三階段。
[0021]第三階段，放電開(kāi)關(guān)S2的觸發(fā)關(guān)斷信號(hào)是通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)能電容器C上的電壓獲得的，當(dāng)儲(chǔ)能電容器C上的電壓下降到零時(shí)，觸發(fā)放電開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷。原邊超導(dǎo)繞組Lp中的剩余電流全部通過(guò)非線(xiàn)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(fù)載輸出，由于整流二極管D2的存在，副邊繞組Lsl沒(méi)有感應(yīng)電流存在。最后，原邊繞組中的電流在非線(xiàn)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(shí)間很短，可以在第二階段后同時(shí)導(dǎo)通充電開(kāi)關(guān)SI，高壓直流電源DC向儲(chǔ)能電容器C充電，重復(fù)二三四階段，達(dá)到多脈沖輸出的效果。
[0023]采用本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)，在實(shí)際實(shí)施中可有多種等同的變化，但凡是根據(jù)實(shí)用新型的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思，加以等同替換與改變，均被認(rèn)為屬于本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)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(chǔ)能電容器、非線(xiàn)性電阻、三繞組脈沖變壓器和負(fù)載；其中，充電電源與由儲(chǔ)能電容器、非線(xiàn)性電阻、三繞組脈沖變壓器的原邊分別構(gòu)成的三個(gè)支路并聯(lián)，儲(chǔ)能電容器的充電回路和放電回路分別設(shè)置有控制開(kāi)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(fù)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(xiàn)性電阻支路串聯(lián)有續(xù)流二極管，脈沖變壓器的兩個(gè)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(xiàn)性電阻采用ZnO或SiC壓敏電阻。
【文檔編號(hào)】H02M9/04GK204131425SQ201420550119
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)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(yán)仲明, 劉漢軍, 汪治全, 付曉 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)