电容自充电脉冲电源电路及脉冲电源

技术领域

本申请涉及能源技术领域，特别是涉及电容自充电脉冲电源电路及脉冲电源。

背景技术

电磁发射是以电磁力加速物体的新兴技术。与传统发射技术相比，电磁发射具有能量效率高、控制精度高和响应速度快等优势。随着科学技术(特别是材料科学、计算机控制技术和电力电子技术)的不断发展，电磁发射技术的实用化进程不断加速。电磁发射装置一般由发射器、被发射组件和脉冲电源构成。脉冲电源一般需要在毫秒级时间内提供兆安级脉冲电流和兆焦级脉冲能量。用于电磁发射的脉冲电源一般由初级电源、中间储能环节和脉冲形成网络三部分构成。初级电源在较长时间内为中间储能环节充电，充电完成之后，中间储能环节在较短时间内将能量传递给脉冲形成网络，脉冲形成网络通过快速压缩转换向负载输出高功率脉冲电流。

对于中间储能环节而言，常见的储能形式有电容储能、电感储能和机械储能。电感储能型脉冲电源的基本拓扑分为两大类：其一是XRAM电路，最早由Werner Koch等人于1967年提出，利用电流串充并放的方式实现电流倍增。另一种是Meat Grinder类电路，其利用的电流倍增原理是磁通压缩效应。

以Meat Grinder with SECT为代表的Meat Grinder类电路实现了良好的性能。早期Meat Grinder、STRETCH Meat Grinder使用IGCT等全控器件作为主开关，体积大，且开通瞬间开关两端电压极高。近期STRETCH Meat Grinder with ICCOS、Meat Grinder withSECT、Meat Grinder with CPFU等电路靠辅助关断电容提供反压来辅助主开关关断，并大幅降低了其开通电压，但仍存在以下严缺陷：在每次触发放电之前，需要花费较长时间对辅助关断电容进行预充电，严重制约了电源的重复触发频率。

发明内容

基于此，有必要针对现有电感储能型脉冲电源因预充电导致的重复触发受限问题，提供一种电容自充电脉冲电源电路及脉冲电源。

一种电容自充电脉冲电源电路，包括：初级电源、第一可控单向导通电路、第一电感、第二电感、第二可控单向导通电路、能量转换电容、第一单向导通电路和第二单向导通电路；

所述第一可控单向导通电路的阳极与所述初级电源的正极电连接，所述第一可控单向导通电路的阴极分别与所述第一电感的第一端、所述第二可控单向导通电路的阴极和所述第一单向导通电路的第一端电连接；

所述能量转换电容的第一端分别与所述第二可控单向导通电路的阳极和所述第一单向导通电路的第二端电连接，所述能量转换电容的第二端分别与所述第一电感的第二端、所述第二电感的第一端和所述第二单向导通电路的第一端电连接，所述第二单向导通电路的第二端用于连接负载；

所述第二电感的第二端与所述初级电源的负极电连接，且所述第二电感与所述第一电感的异名端相连；

所述第一单向导通电路用于控制电流沿所述第一单向导通电路的第一端流向所述第一单向导通电路的第二端，所述第二单向导通电路用于控制所述电流沿所述第二单向导通电路的第二端流向所述第二单向导通电路的第一端。

在其中一个实施例中，触发导通所述第一可控单向导通电路，所述初级电源为所述能量转换电容充电；

在所述能量转换电容充电结束后，所述能量转换电容两端的电压大于所述初级电源两端的电压，此时所述初级电源继续为所述第一电感和所述第二电感充电。

在其中一个实施例中，触发导通所述第二可控单向导通电路，所述能量转换电容沿所述第二可控单向导通电路、所述第一可控单向导通电路、所述初级电源、所述第二电感和所述能量转换电容形成的回路进行放电；

在流经所述第一可控单向导通电路的电流为零时，所述第一可控单向导通电路关断，所述能量转换电容继续沿所述第二可控单向导通电路、所述第一电感和所述能量转换电容形成的回路进行放电；

在所述能量转换电容两端的电压降为零后，所述第一电感开始放电，并对所述能量转换电容进行反向充电；

在流经所述第二可控单向导通电路的电流为零时，所述第二可控单向导通电路关断，所述第二电感向所述负载进行放电。

在其中一个实施例中，所述能量转换电容经反向充电后，沿所述第一电感、所述第一单向导通电路和所述能量转换电容形成的回路进行电压泄放，此时所述第二电感继续沿所述负载、所述第二单向导通电路和所述第二电感形成的回路放电，直到该回路中电流降为零。

在其中一个实施例中，所述第一单向导通电路包括第一二极管；

所述第一二极管的正极与所述第一晶闸管的阴极电连接，所述第一二极管的负极与所述能量转换电容的第一端电连接。

在其中一个实施例中，所述第二单向导通电路包括第二二极管；

所述第二二极管的正极与所述负载电连接，所述第二二极管的负极与所述能量转换电容的第二端电连接。

在其中一个实施例中，所述电容自充电脉冲电源电路还包括：第三电感；

所述第三电感的第一端与所述初级电源的负极电连接，所述第三电感的第二端与所述第二电感的第二端电连接。

在其中一个实施例中，所述能量转换电容为脉冲电容。

在其中一个实施例中，所述第一可控单向导通电路包括：第一晶闸管；

所述第一晶闸管的阳极与所述初级电源的正极电连接，所述第一晶闸管的阴极与所述第一电感的第一端电连接。

在其中一个实施例中，所述第二可控单向导通电路包括：第二晶闸管；

所述第二晶闸管的阳极与所述能量转换电容的第一端电连接，所述第二晶闸管的阴极与所述第一可控单向导通电路的阳极电连接。

一种脉冲电源，包括上述任一项实施例所述的电容自充电脉冲电源电路。

与现有技术相比，上述电容自充电脉冲电源电路及脉冲电源，通过所述第一可控单向导通电路、所述第二可控单向导通电路和所述第一单向导通电路的配合，可使得所述初级电源先给所述能量转换电容充电，然后在给所述第一电感和所述第二电感进行充电，并与所述第二单向导通电路配合，可使得本申请能够在无预充电的情况下实现主开关(即所述第一可控单向导通电路)的关断和电流脉冲输出，从而可以简化电源模块的设计复杂度、减短触发的准备时间。同时本申请在每次放电结束后，所述能量转换电容的电压都会降到零，使得电容自充电脉冲电源电路恢复初始状态，无需调整就可以进行下一次触发，提高了电源的重复触发频率。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的电容自充电脉冲电源电路的电路原理图；

图2为本申请一实施例提供的电容自充电脉冲电源电路的电压电流仿真波形；

图3为本申请一实施例提供的电容自充电脉冲电源电路的电路示意图；

图4为本申请一实施例提供的初级电源的电流仿真波形图；

图5为本申请一实施例提供的第一电感的电流仿真波形图；

图6为本申请一实施例提供的负载的电流仿真波形图；

图7为本申请一实施例提供的第一可控单向导通电路的电压仿真波形图；

图8为本申请一实施例提供的初级电源的电压仿真波形图；

图9为本申请一实施例提供的能量转换电容的电压仿真波形图；

图10为本申请一实施例提供的脉冲电源的电路框图。

10 电容自充电脉冲电源电路

20 脉冲电源

101 负载

110 初级电源

120 第一可控单向导通电路

121 第一晶闸管

130 第一电感

140 第二电感

150 第二可控单向导通电路

151 第二晶闸管

160 能量转换电容

170 第一单向导通电路

171 第一二极管

180 第二单向导通电路

181 第二二极管

190 第三电感

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本申请一实施例提供一种电容自充电脉冲电源电路10，包括：初级电源110、第一可控单向导通电路120、第一电感130、第二电感140、第二可控单向导通电路150、能量转换电容160、第一单向导通电路170和第二单向导通电路180。所述第一可控单向导通电路120的阳极与所述初级电源110的正极电连接。所述第一可控单向导通电路120的阴极分别与所述第一电感130的第一端、所述第二可控单向导通电路150的阴极和所述第一单向导通电路170的第一端电连接。所述能量转换电容160的第一端分别与所述第二可控单向导通电路150的阳极和所述第一单向导通电路170的第二端电连接。所述能量转换电容160的第二端分别与所述第一电感130的第二端、所述第二电感140的第一端和所述第二单向导通电路180的第一端电连接。

所述第二单向导通电路180的第二端用于连接负载101。所述第二电感140的第二端与所述初级电源110的负极电连接，且所述第二电感140与所述第一电感130的异名端相连。所述第一单向导通电路170用于控制电流沿所述第一单向导通电路170的第一端流向所述第一单向导通电路170的第二端。所述第二单向导通电路180用于控制所述电流沿所述第二单向导通电路180的第二端流向所述第二单向导通电路180的第一端。

在一个实施例中，所述初级电源110可以是任意直流电源。例如干电池、蓄电池、直流发电机等。在一个实施例中，所述第一可控单向导通电路120的具体电路结构不做具体的限制，只要具有可控的特性即可。在一个实施例中，所述第一可控单向导通电路120可由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)构成。在一个实施例中，所述第一可控单向导通电路120也可由晶闸管构成。

在一个实施例中，所述第二可控单向导通电路150的具体电路结构不做具体的限制，只要具有可控的特性即可。在一个实施例中，所述第二可控单向导通电路150可由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)构成。在一个实施例中，所述第二可控单向导通电路150也可由晶闸管构成。在一个实施例中，所述第一可控单向导通电路120和所述第二可控单向导通电路150均可包括阴极、阳极和门极。

在一个实施例中，所述第一可控单向导通电路120可通过传统的触发电路进行触发。所述第一可控单向导通电路120也可通过传统的控制电路进行触发。在一个实施例中，所述第二可控单向导通电路150可通过传统的触发电路进行触发。所述第二可控单向导通电路150也可通过传统的控制电路进行触发。

在一个实施例中，所述第二电感140与所述第一电感130的异名端相连，可以使得所述第一电感130与所述第二电感140之间具有相互耦合增加的左右，能够增强电感强度。在一个实施例中，所述第一电感130和所述第二电感140可采用强耦合的电感。在一个实施例中，所述第一电感130和所述第二电感140之间的耦合系数越大越好，例如所述耦合系数可大于90％。所述耦合系数越大，就可以更好传递功率，增强等效电感，为向所述负载101放大储存更多能量，提高能源利用率。

在一个实施例中，所述第一单向导通电路170的具体电路可以不做限定，只要具有控制电流沿所述第一单向导通电路170的第一端流向所述第一单向导通电路170的第二端的功能即可。在一个实施例中，所述第一单向导通电路170可以是单向导通的二极管。具体的，该二极管可采用锗二极管Ge管或硅二极管Si管。

在一个实施例中，所述第二单向导通电路180的具体电路可以不做限定，只要具有控制所述电流沿所述第二单向导通电路180的第二端流向所述第二单向导通电路180的第一端的功能即可。在一个实施例中，所述第二单向导通电路180可以是单向导通的二极管。具体的，该二极管可采用锗二极管Ge管或硅二极管Si管。

在一个实施例中，所述电容自充电脉冲电源电路10在工作时，首先可通过传统的触发电路或控制电路触发所述第一可控单向导通电路120导通，此时所述电容自充电脉冲电源电路10中的电流沿所述初级电源110—所述第一可控单向导通电路120—所述第一单向导通电路170—所述能量转换电容160—所述第二电感140—所述初级电源110形成的第一回路流动。即所述初级电源110给所述能量转换电容160充电(如图2中第Ⅰ阶段，其中，u

在此阶段，所述第一电感130上的电流由两部分组成：其一是上正下负的电压导致电流有向下流动(即由所述第一电感130的第一端向第二端流动)的趋势；其二是所述第二电感140中电流增加，其通过互感导致所述第一电感130电流有向上流动(即由所述第一电感130的第二端向第一端流动)的趋势。互感的效应大于电压的效应，因此所述第一电感130的电流的方向是自下而上的。同时，由于所述第二单向导通电路180的存在，可使得所述负载101中的电流为零。

在一个实施例中，在所述能量转换电容160充电结束后，因所述能量转换电容160两端的电压大于所述初级电源110两端的电压，所述第一单向导通电路170承受反压而关断，即所述能量转换电容160的支路电流降为零。此时电流沿所述初级电源110—所述第一可控单向导通电路120—所述第一电感130—所述第二电感140—所述初级电源110形成的第二回路流动。即此时所述初级电源110给所述第一电感130和所述第二电感140充电(如图2中第Ⅱ阶段)。

其次，可通过传统的触发电路或控制电路触发所述第二可控单向导通电路150导通。在导通瞬间，所述能量转换电容160沿所述能量转换电容160—所述第二可控单向导通电路150—所述第一可控单向导通电路120—所述初级电源110—所述第二电感140—所述能量转换电容160形成的第三回路进行放电。在放电的过程当中，将流经所述第一可控单向导通电路120的电流降为零乃至负值，从而迫使所述第一可控单向导通电路120关断。在所述第一可控单向导通电路120关断之后，所述能量转换电容160继续沿所述第二可控单向导通电路150—所述第一电感130—所述能量转换电容160形成的第四回路进行放电(如图2中第Ⅲ阶段)。在这个过程中，由于所述第二单向导通电路180的存在，可使得所述负载101中的电流为零。

再次，在所述能量转换电容160两端的电压降为零后，所述第一电感130开始放电，并对所述能量转换电容160进行反向充电。即所述第四回路中的电流仍按原方向继续流动，但其幅值开始迅速减小，直到所述第四回路中的电流降为零，此时所述第二可控单向导通电路150关断。同时由于流经所述第一电感130电流下降，根据磁通压缩效应，流经所述第二电感140的电流迅速增加，并沿所述第二电感140—所述负载101—第二单向导通电路180—所述第二电感140形成的第五回路向所述负载101输出脉冲电流。即此时所述第二电感140向所述负载101进行放电(如图2中第Ⅳ阶段)。

在一个实施例中，所述能量转换电容160经反向充电后，可沿所述第一电感130—所述第一单向导通电路170—所述能量转换电容160形成的第六回路进行电压泄放(如图2中第Ⅴ阶段)。在该电压降为零后，所述能量转换电容160恢复初始状态，等待下一次触发。在这个过程中，所述第二电感140继续沿所述第五回路进行放电，直到该回路中电流降为零。上述电路架构中所述初级电源110与所述能量转换电容160所在回路的阻抗较大，当短路发生时故障电流的幅值会被限制在合理范围内，电路的安全性大大提高。

本实施例中，通过所述第一可控单向导通电路120、所述第二可控单向导通电路150和所述第一单向导通电路170的配合，可使得所述初级电源110先给所述能量转换电容160充电，然后在给所述第一电感130和所述第二电感140进行充电，并与所述第二单向导通电路180配合，可使得本实施例能够在无预充电的情况下实现主开关(即所述第一可控单向导通电路120)的关断和电流脉冲输出，从而可以简化电源模块的设计复杂度、减短触发的准备时间。同时本实施例在每次放电结束后，所述能量转换电容160的电压都会降到零，使得所述电容自充电脉冲电源电路10恢复初始状态，无需调整就可以进行下一次触发，提高了电源的重复触发频率。

在一个实施例中，所述第一单向导通电路170包括第一二极管171。所述第一二极管171的正极与所述第一可控单向导通电路120的阴极电连接。所述第一二极管171的负极与所述能量转换电容160的第一端电连接。在一个实施例中，所述第一二极管171可采用锗二极管Ge管或硅二极管Si管，只要所述第一二极管171具有单向导通的功能即可。

在一个实施例中，所述第二单向导通电路180包括第二二极管181。所述第二二极管181的正极与所述负载101电连接。所述第二二极管181的负极与所述能量转换电容160的第二端电连接。在一个实施例中，所述第二二极管181可采用锗二极管Ge管或硅二极管Si管，只要所述第二二极管181具有单向导通的功能即可。

请参见图3，在一个实施例中，所述电容自充电脉冲电源电路10还包括：第三电感190。所述第三电感190的第一端与所述初级电源110的负极电连接。所述第三电感190的第二端与所述第二电感140的第二端电连接。通过所述第三电感190可对所述初级电源110进行限流，避免电路的损坏。

在一个实施例中，所述能量转换电容160可为脉冲电容。所述脉冲电容能够在较长时间间隔内将对所述脉冲电容充电的能量储存起来。并可以在极短的时间间隔内将所储存的能量迅速释放出来，形成强大的冲击电流和强大的冲击功率。

在一个实施例中，所述第一可控单向导通电路120包括：第一晶闸管121。所述第一晶闸管121的阳极与所述初级电源110的正极电连接。所述第一晶闸管121的阴极与所述第一电感130的第一端电连接。在一个实施例中，所述第一晶闸管121可为快速恢复型晶闸管。所述快速恢复型晶闸管导通和关断的速度更快。

在一个实施例中，所述第二可控单向导通电路150包括：第二晶闸管151。所述第二晶闸管151的阳极与所述能量转换电容160的第一端电连接。所述第二晶闸管151的阴极与所述第一可控单向导通电路120的阳极电连接。在一个实施例中，所述第二晶闸管151可为快速恢复型晶闸管。所述快速恢复型晶闸管导通和关断的速度更快。

在一个实施例中，可将所述电容自充电脉冲电源电路10搭建成电路仿真模型，具体元件参数如表下表所示：

其中，所述初级电源110(Us)在仿真中可以用电容Cs替代，C1为所述能量转换电容160，L1为所述第一电感130，L2为所述第二电感140，k为耦合系数，Ls为所述第三电感190，L

将仿真与实验结果做比对，如图4至图9所示，可以看到试验结果与仿真波形拟合地非常好。在实验中，测量L1电流的罗氏线圈由于长时间测量正向大幅值的电流，在后期出现零点漂移，导致图5中两波形在30ms附近出现一定差异，这是可接受的。此外图7中主开关(即所述第一晶闸管121)关断时刻的负电压幅值仿真误差较大，是由于仿真模型中将晶闸管看作了理想元件导致的，理想化的晶闸管动态参数与实际元件存在误差，会导致该瞬间开关的承压计算不准确，但该误差对其它变量的计算精度影响很小，可以忽略。综上，可得出上述针对所述电容自充电脉冲电源电路10工作原理的分析和仿真计算都是合理的。

请参见图10，本申请一实施例提供一种脉冲电源20，包括上述任一项实施例所述的电容自充电脉冲电源电路10。所述脉冲电源20可以在毫秒级时间内提供兆安级脉冲电流和兆焦级脉冲能量。可以应用在电磁发射领域。本实施例所述的脉冲电源20，可通过所述第一可控单向导通电路120、所述第二可控单向导通电路150和所述第一单向导通电路170的配合，可使得所述初级电源110先给所述能量转换电容160充电，然后在给所述第一电感130和所述第二电感140进行充电，并与所述第二单向导通电路180配合，可使得本实施例能够在无预充电的情况下实现主开关(即所述第一可控单向导通电路120)的关断和电流脉冲输出，从而可以简化电源模块的设计复杂度、减短触发的准备时间。同时在每次放电结束后，所述能量转换电容160的电压都会降到零，使得所述电容自充电脉冲电源电路10恢复初始状态，无需调整就可以进行下一次触发，提高了电源的重复触发频率。

综上所述，本申请可通过所述第一可控单向导通电路120、所述第二可控单向导通电路150和所述第一单向导通电路170的配合，可使得所述初级电源110先给所述能量转换电容160充电，然后在给所述第一电感130和所述第二电感140进行充电，并与所述第二单向导通电路180配合，可使得本实施例能够在无预充电的情况下实现主开关(即所述第一可控单向导通电路120)的关断和电流脉冲输出，从而可以简化电源模块的设计复杂度、减短触发的准备时间。同时在每次放电结束后，所述能量转换电容160的电压都会降到零，使得所述电容自充电脉冲电源电路10恢复初始状态，无需调整就可以进行下一次触发，提高了电源的重复触发频率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。