一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，脉冲强磁场作为一种极端的实验环境，已经成为基础前沿科学研究必不可少的研究条件。比热测量、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）、大功率回旋管太赫兹源等众多科学实验和前沿技术不但对磁场强度和磁场稳定度有极高要求，同时磁场持续时间越长越有利于科学研究的实现。例如：在NMR和比热测量中磁场持续时间需分别大于10倍的分子持续时间和样品热弛豫时间，因此，磁场持续时间直接决定了NMR技术可研究的分子种类和比热测量技术可研究的物质；在大功率回旋管太赫兹源中，磁场持续时间直接决定了太赫兹波的发射持续时间，对于其应用场景有着决定性作用，目前，受脉冲磁场波形限制，现有基于脉冲磁场的回旋管太赫兹源的辐射时间小于0.5ms，且稳定性较差，严重制约了其应用。

综上，提升平顶脉冲强磁场的平顶持续时间，并保证其高稳定度和高场强对于基础前沿科学研究和大功率回旋管太赫兹源技术的发展具有重要意义。

现有平顶脉冲磁场参数如表1所示。产生脉冲强磁场的电源主要包括：飞轮储能交流脉冲发电机，电容器组和铅酸蓄电池组。飞轮储能交流脉冲发电机输出电压可控，在储能足够的情况下，可以通过调控输出电压产生多种脉冲波形。但是交流脉冲发电机本质上纹波是不可避免的，所以难以获得高稳定度平顶脉冲磁场，目前该方式产生的平顶脉冲磁场稳定度大约为5000ppm，稳定度不能满足回旋管、NMR等的应用需求。

表1现有平顶脉冲磁场类型及参数

高压电容器组的优点是输出功率没有限制，可以利用其高电压的优势使磁体电流快速上升。但是，其储能较低，输出电压不可控，放电过程输出电压迅速跌落，所以难以在放电过程中保持平顶。中国强磁场和日本固体物理研究所提出了利用高压电容器供电产生平顶脉冲磁场的方法，分别产生了64T/2000ppm/6ms和60.64T/82ppm/2ms的平顶脉冲磁场，但是难以解决平顶持续时间较短的问题，分别见中国专利ZL201310728223.5和英文论文“Generation of flat-top pulsed magnetic fields with feedback controlapproach”，中文名称为：采用反馈控制产生平顶脉冲磁场。

蓄电池电源兼具脉冲发电机电源储能高和电容器电源无纹波的优点，较为适合产生长脉冲磁场。但是，蓄电池输出功率低，磁场上升时间长，大电流作用下磁体产生焦耳热，热效应使磁体电阻逐渐增大，从而使磁场达到最大值后缓慢下降。为此，武汉国家脉冲强磁场中心的科研人员提出了采用并联PWM调节旁路，参见英文论文：“Development of aHigh-Stability Flat-Top Pulsed Magnetic Field Facility”中文名称为：一种高稳定度平顶脉冲磁场设备的研制和中国专利：ZL201810411004.7基于IGBT有源区的线性调节旁路，以产生平顶脉冲强磁场。通过旁路调控改变磁体与磁体串联阻抗的分压比，可以在磁场峰值处产生一定时间的平顶，但是调节能力有限，实现大范围调控难度大。

另外，现有平顶脉冲磁场普遍存在平顶时间相对于脉宽时间占比较小，即平顶占比较小，效率低下的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法，旨在解决现有平顶脉冲磁场在稳定度和平顶持续时间难以兼顾和平顶占比较小、效率低下的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置，包括：蓄电池电源、超级电容器电源、高压电容器电源、续流支路以及磁体；

所述蓄电池电源输出端的正极与超级电容器电源的正极均与高压电容器电源正极的第一输出端连接；

所述高压电容器电源正极的第二输出端分别连接续流支路的一端和磁体的一端；所述蓄电池电源的负极、超级电容器电源的负极、高压电容器电源的负极、续流支路的另一端以及磁体的另一端共同接地；

对磁体放电前，对蓄电池电源、超级电容器电源和高压电容器电源充电储能；

对磁体放电时，首先控制高压电容器电源对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段，当高压电容器电源内高压电容器组的电压低于蓄电池电源内蓄电池组的电压时，蓄电池电源开始对磁体放电，高压电容器电源和蓄电池电源进行换流，换流结束后由蓄电池电源单独对磁体放电；当换流结束后检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始工作，以高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，通过改变超级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压，对磁体端电压形成钳位，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，先断开超级电容器电源，继而断开蓄电池电源，进入磁体电流下降阶段，磁体通过续流支路释放磁场能量；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。

在一个可选的示例中，所述蓄电池电源包括：蓄电池组、第一直流断路器以及换流开关；

所述蓄电池组的正极通过第一直流断路器和换流开关的正极相连，换流开关的负极和蓄电池的负极为蓄电池电源的输出端，其中换流开关的负极为蓄电池电源输出端的正极；

所述蓄电池组的负极作为蓄电池电源的负极；

所述蓄电池组为蓄电池电源的储能部件，第一直流断路器为蓄电池电源的保护开关，换流开关用于控制蓄电池电源的开通和关断。

在一个可选的示例中，所述超级电容器电源包括：超级电容器组、第二直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器；

所述超级电容器组的正极通过第二直流断路器连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端，多相交错并联DC/DC变换器的输出端即为超级电容器电源的输出端；

所述超级电容器组的负极作为超级电容器电源的负极；

所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，第二直流断路器为超级电容器电源的保护开关，多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压；

所述超级电容器的输出端与蓄电池电源的输出端并联。

在一个可选的示例中，所述高压电容器电源包括：高压电容器组和晶闸管；

所述高压电容器组的正极连接晶闸管的阳极；所述高压电容器组的正极为高压电容器电源正极的第一输出端，所述晶闸管的阴极为高压电容器电源正极的第二输出端；所述高压电容器组的负极作为高压电容器电源的负极；

所述高压电容器组为高压电容器电源的储能部件，晶闸管为高压电容器电源的控制开关。

在一个可选的示例中，该装置还包括：高压隔离单元；

所述高压隔离单元的阳极连接蓄电池电源输出端的正极；

所述高压隔离单元的阴极连接高压电容器电源正极的第一输出端；

所述高压隔离单元用于隔离高压电容器电源的高电压，以免蓄电池电源和超级电容器电源被所述高电压击穿损坏。

在一个可选的示例中，该装置还包括：控制器、电压传感器以及电流传感器；

所述电流传感器采集磁体的电流值；

所述电压传感器采集高压电容器组的端电压；

所述控制器结合电流传感器和电压传感器采集的数据控制整个装置的工作过程，以实现多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场。

在一个可选的示例中，所述控制器分别控制第一直流断路器、第二直流断路器以及换流开关的开通和关断；

且所述控制器输出多路PWM控制信号从控制多相交错并联DC/DC变换器的输出。

第二方面，本发明提供了一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的方法，包括如下步骤：

利用充电后的高压电容器电源对磁体放电，高压电容器电源的高压大功率输出使磁体电流快速上升，此时处于磁体电流上升阶段，当高压电容器电源内高压电容器组的电压低于蓄电池电源内蓄电池组的电压时，蓄电池电源开始对磁体放电，高压电容器电源和蓄电池电源进行换流，换流结束后由蓄电池电源单独对磁体放电；

当换流结束后检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始工作，以高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，通过改变超级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压，对磁体端电压形成钳位，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；

当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，先断开超级电容器电源，继而断开蓄电池电源，进入磁体电流下降阶段，磁体通过续流支路释放磁场能量；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。

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，具有以下有益效果：

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明由于采用了高压电容器组、蓄电池组和超级电容器组协同通电，并通过多相交错并联DC/DC变换器对超级电容器进行电能变换，使得本发明装置具备以下突出性能：

（1）本发明装置相对于现有平顶脉冲磁场装置，兼具高能量和高瞬时功率，使得磁体电流升降时间短，大大减小了平顶时间以外的磁体通流时间，同等磁体发热量下，平顶持续时间更长，提高了平顶占比，效率显著提高；

（2）平顶期间，蓄电池组输出90%以上磁体电流，故超级电容器和多相交错并联DC/DC变换器功率等级相对较低，降低开发难度和成本，多相交错并联DC/DC变换器的调节范围大，能适应磁体内阻的大范围变化，使得平顶持续时间长，可达百毫秒级以上；

（3）多相交错并联技术可大大减小电流输出纹波，同时，利用高压电容器组的大容值进一步滤波，可实现平顶期间磁体电流的高稳定度。

综上，本发明可产生高稳定度、长持续时间、高平顶占比平顶脉冲磁场。

附图说明

图1为本发明实施例提供的平顶脉冲磁场发生装置结构图；

图2为本发明实施例提供的平顶脉冲磁场发生装置产生的平顶脉冲电流波形图；

图3为本发明实施例提供的磁体电阻变化波形、磁体温度波形及多项交错并联DC/DC变换器输出电流波形；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

具体实施方式

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种产生高效率、高稳定度、长持续时间的平顶脉冲强磁场装置及方法，旨在解决现有平顶脉冲磁场在稳定度和平顶持续时间难以兼顾和平顶占比较小、效率低下的问题，提高现有平顶磁场的平顶持续时间、平顶占比，为NMR、比热测量、太赫兹回旋管等提供必要的磁场环境。

为产生高稳定度、长持续时间、高平顶占比的平顶脉冲强磁场，本发明采用以下技术方案：本装置采用高压电容器电源、蓄电池电源和超级电容器电源对磁体协同供电，利用高压电容器电源的高压大功率使磁体电流快速上升，相比于蓄电池型长脉冲磁场可将电流上升时间从500ms缩减至10ms以内；平顶期间，蓄电池电源和超级电容器电源同时供电，蓄电池电源的优点在于输出电压恒定，超级电容器电源的优点在于功率密度大（蓄电池电源的15倍~20倍）、内阻小（蓄电池电源的三分之二），本发明充分利用二者的优点，蓄电池电源作为主要输出，提供90%以上的磁体电流，超级电容器电源输出小部分电流，故超级电容器电源功率等级相对较小，制作相对难度小、成本低；超级电容器电源采用多相交错并联DC/DC变换器进行功率输出，平顶期间，通过负反馈改变所述多相交错并联DC/DC变换器的占空比对磁体端电压进行调节，弥补因为磁体内阻受热增加而导致的蓄电池电源输出电流下降，蓄电池电源和超级电容器电源的输出电流之和为磁体电流，其保持不变；平顶期间，高压电容器电源中的高压电容器组作为所述多相交错并联DC/DC变换器的输出滤波电容。综上，可产生高稳定度、长持续时间、高平顶占比平顶脉冲磁场。

本发明提供了一种平顶脉冲强磁场发生装置，如图1所示，主要包括：蓄电池电源，其由蓄电池组（

图1所示，本发明中各部件连接关系如下。

蓄电池组正极通过第一直流断路器S

进一步地，蓄电池组为蓄电池电源的储能部件，第一直流断路器S

超级电容器组通过第二直流断路器S

进一步地，超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，第二直流断路器S

更进一步地，超级电容器的输出端与蓄电池电源的输出端并联；

高压电容器组

高压隔离单元

续流支路由续流二极管

更进一步地，磁体的一端、晶闸管T

更进一步地，续流二极管

精密电流传感器CT和电压传感器VT分别采集磁体电流

所发明装置的工作原理及控制方法如下。

将放电过程划分磁体电流上升阶段、磁体电流平顶阶段和磁体电流下降阶段，通过设置状态标志位分阶段控制。

放电前，对蓄电池组、超级电容器组和高压电容器组

放电时，首先同时触发晶闸管T

换流结束后，蓄电池电源对磁体进行供电，维持磁体电流。虽然蓄电池电源输出电压保持不变，但是由于磁体内阻受焦耳热而变大，磁体电流不能保持稳定。故，当精密电流传感器CT检测到磁体电流达到设定值

更进一步地，蓄电池电源和超级电容器电源的输出电流分别为：

其中，

当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，控制器先关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，断开超级电容器电源，继而关闭换流开关S

进一步地，电流的上升时间可通过磁体电感值和高压电容器组容值进行配置，其计算方法为常规的LC振荡电路。

本实施例选择的超级电容器模块可以为56V/130F，其它型号亦可，无固定要求。本实施例的超级电容器组可以由40个超级电容器模块8串5并组成，其内阻

蓄电池模块型号额定电压可以为12.8V，内阻3mΩ，额定电流2kA，其它型号亦可，无固定要求。本实施例的蓄电池组可以由126个蓄电池模块21串6并组成，内阻为10.5mΩ，端电压为269V。

进一步地，高压电容器组

多相交错并联DC/DC变换器可以采用4相交错并联BUCK电路拓扑结构，即n=4，其中开关器件

高压隔离单元

第一直流断路器S

磁体用于将电路电流转换为磁场。本发明选用磁体的电参数可以为：电感值8mH，77k温度下电阻值为6mΩ。线圈磁场电流比常数为1.4T/kA，即每1kA电流产生1.4T磁场。磁体参数无固定要求，通过仿真和实验能满足要求即可。

精密电流传感器CT可以为量程20kA精密霍尔电流传感器，采集磁体电流信号；电压传感器VT可以采用高压隔离探头，采集高压电容器组端电压；并将所采集的电流和电压值送至控制器，以进行实时控制。

控制器的作用为：控制第一直流断路器S

采用上述配置参数，可以设定磁体参考电流I

相应的磁体电阻变化波形、磁体温度波形和多项交错并联DC/DC变换器输出电流波形如图3所示，磁体电阻从6mΩ增加至10mΩ（即平顶期间磁体电压从60V上升至100V），磁体温度从77K上升至97K，多项交错并联DC/DC变换器输出电流波形从500A增加到2600A，电流波形变化与上述估算公式一致。由此可见，本发明可以实现平顶磁体端电压的大范围调控，抵消超级电容电压和磁体电阻变化的影响，实现高效率（平顶占比大于90%）、高稳定度（优于10ppm）、长持续时间（可达秒级，具体取决于磁体温升，磁体温度不超过270K）的平顶脉冲磁场。

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。