一种模块式高压大电流脉冲电源装置

摘要

本发明涉及一种模块式高压大电流脉冲电源装置，其特征在于，包括设置在柜体内的1个或1个以上储能电源模块，每个储能电源模块由储能电容单元、快速固体开关单元、换热系统组成，储能电容单元与快速固体开关单元连接，换热系统为储能电源模块散热。优点是：采用全模块优化结构设计，方便制造、装配、使用和维护；储能电容单元为抽屉式模块结构，其同一储能电容单元中的单体电容，结构功能可方便实现串接和并接，适合输出电压、电流的结线调整；储能电容单元和快速固体开关单元之间采用导电插头和多排弹性栅导电插座相插接，满足了高压大电流的可靠传输，确保接触可靠，不过热，寿命长。

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率电源技术领域，尤其涉及一种适用于感性负载的高压大电流重复 脉冲功率系统的模块式高压大电流脉冲电源装置。

背景技术

高压大电流脉冲电源装置，称脉冲功率电源装置，连续产生脉冲功率电源装置，也称 重复脉冲功率电源装置。高压大电流脉冲电源装置是将储存的能量以电能的形式，用单脉 冲或重复频率的短脉冲方式加到负载上。脉冲功率技术之所以能出现并得以快速发展，是 缘于诸多新兴科学技术领域对它的需求。

重复脉冲功率技术在科学研究和国防军工中都有着重要应用，是脉冲功率技术发展的 重要方向。产生重复脉冲功率需要配套的高压大电流重复脉冲功率电源，而且该电源的电 压、电流、重复频率、脉冲的前沿、脉宽和可靠性等方面都需要达到一定的要求。

重复脉冲功率电源的负载主要分为阻性负载、容性负载和感性负载三类。其中感性负 载型重复脉冲功率技术的负载电流大、时间常数大，可用于产生脉冲强磁场等领域。本发 明主要针对感性负载型重复脉冲功率电源。

由于高压大电流重复脉冲电源装置技术要求高，仅从原理电路设计满足要求还远远不 够，还必须在结构设计方面予以保证。现有电感负载型高压大电流脉冲电源装置的体积庞 大、产品的可移动性差、防护等级低、抗震性能差、抗电磁干扰能力弱、不便于产品的重 组和扩展、耐压绝缘低、散热不好、寿命低、系统重复频率受限等缺点。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种模块式高压大电流脉冲电源装置， 实现全模块化、全防护、高功率密度、高耐压绝缘性、高散热效率、高可靠性，便于产品 的扩容。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种模块式高压大电流脉冲电源装置，包括设置在柜体内的1个或1个以上储能电源 模块，每个储能电源模块由储能电容单元、快速固体开关单元、换热系统组成，储能电容 单元与快速固体开关单元连接，换热系统实现储能电源模块散热；

储能电容单元为抽屉式单元，包括若干支单体储能电容、支撑导电散热排、前面板、 两个导电插头，储能电容分两排且上下层放置，并通过导电板连接，导电板与支撑导电散 热排连接，支撑导电散热排一端与前面板连接，另一端与两个导电插头连接。

所述的储能电容单元的电路原理结构（快速固体开关单元直接与负载相连）如下：

储能电容一端分别与充电电源正极、续流电阻一端、快速固体开关单元一端连接，储 能电容另一端分别与充电电源负极、续流电感一端相连，续流电阻另一端与续流二极管负 极连接，续流二极管正极与续流电感另一端连接，续流电感一端接地，快速固体开关单元 另一端与负载一端相连，负载另一端与电源负极连接并接地。

所述的储能电容单元的电路原理结构（快速固体开关单元与续流电阻、负载相连）如 下：

储能电容一端分别与充电电源正极、快速固体开关单元一端连接，储能电容另一端分 别与充电电源负极、续流电感一端相连，快速固体开关单元另一端与续流电阻一端、负载 一端相连，续流电阻另一端与续流二极管负极连接，续流二极管正极与续流电感另一端连 接，续流电感一端接地，负载另一端与电源负极连接并接地。

所述的快速固体开关单元包括固体开关单元控制器、快速固体开关单元功率器件、导 电支撑架、多排弹性栅导电插座，固体开关单元控制器控制快速固体开关单元功率器件， 导电支撑架上设有多排弹性栅导电插座，多排弹性栅导电插座与储能电容单元的导电插头 插接。

所述的多排弹性栅导电插头座包括导电支撑架、弹性栅导电片，导电支撑架内固定有 两排或两排以上弹性栅导电片，弹性栅导电片呈鱼鳞状排列。

所述的换热系统包括外部风式换热器、内部风式换热器，内部风式换热器上设有内部 风机，外部风式换热器与外部风机相通，在内部风机驱动下，经快速固体开关单元、储能 电容单元、内部风式换热器进行内部风循环，将内部热量通过内部风式换热器与外部风式 换热器进行热交换，外部风机将外部空气引入外部风式换热器，外部风式换热器将外部空 气吹到内部风式换热器外表面。

储能电容单元的支撑导电散热排上设有起支撑作用的散热片，散热片由导电材料制 成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）采用全模块优化结构设计，方便制造、装配、使用和维护；

2）储能电容单元为抽屉式模块结构，其同一储能电容单元中的单体电容，结构功能 可方便实现串接和并接，适合输出电压、电流的结线调整；

3）储能电容单元和快速固体开关单元之间采用导电插头和多排弹性栅导电插座相插 接，满足了高压大电流的可靠传输，确保接触可靠，不过热，寿命长；

4）本电源采用全防护结构，柜体内外隔绝密封，向外部传热通过内部风式换热器传 热，能够有效地抵御沙尘、雨雪、盐雾及其他腐蚀性气体和液体的侵蚀；

5）支撑导电散热排上的散热片，同时实现了储能电容单元的安装固定、电容单元导 电输出、电容单元散热三种功能。

6）本电源系统，电路原理设计和经参数的合理选择，特别是在结构优化设计条件下， 以四组储能电源模块组成的脉冲电源为例，整机达到了如下技术指标：

（1）输出总电压：3kV～30kV

（2）单体脉冲电容可输出的电流：

10kA～150kA，

总电流=（10kA～150kA）×n

n―脉冲电容个数

（3）重复脉冲频率：12次/min

（4）脉冲前沿：10μs～5ms可调

（5）脉冲宽渡：50μs～10ms可调。

附图说明

图1是模块式高压大电流脉冲电源装置原理图。

图2是模块式高压大电流脉冲电源装置原理图。

图3是储能电源模块与电源连接原理图。

图4是储能电源模块与电源连接原理图。

图5是模块式高压大电流脉冲电源装置柜体外形图。

图6是储能电容单元布置图。

图7是储能电源模块结构图。

图8是图4的A部放大图。

图9是储能电容单元结构图。

图10是多排弹性栅导电插头座工作状态图。

图11是快速固体开关单元结构图。

图12是换热系统结构图。

图13是内部风式换热器的蜂窝结构图。

图中：100-柜体 200-外部风式换热器 210-内部风式换热器 211-蜂窝式结构 212- 内部热量 213-外部空气 214-外部风机 300-储能电容单元 311-储能电容 312-支撑 导电散热排 313-前面板 314-导电插头 320-快速固体开关单元 330-功率模块框架  321-固体开关单元控制器 322-快速固体开关单元功率器件 323-多排弹性栅导电插座  324-弹性栅导电片 325-导电支撑架。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以 下的实施方式。

见图1-图13，模块式高压大电流脉冲电源装置，包括设置在柜体100内的1个或1个 以上储能电源模块，每个储能电源模块由储能电容单元300、快速固体开关单元320、换 热系统组成，储能电容单元300与快速固体开关单元320连接，换热系统实现储能电源模 块散热；充电电源可以为一个，同时给多个储能电源模块充电，也可以是每个储能电源模 块单独配一个充电电源，见图3、图4。

储能电容单元300为抽屉式单元，包括若干支单体储能电容311、支撑导电散热排312、 前面板313、两个导电插头314，储能电容311分两排且上下层放置，并通过导电板连接， 导电板与支撑导电散热排312连接，支撑导电散热排312一端与前面板313连接，另一端 与两个导电插头314连接。储能电容单元300的支撑导电散热排312上设有能够支撑储能 电容单元300的散热片，散热片由导电材料制成，散热片实现了支撑储能电容单元300的 散热、导电、安装固定三种功能。

见图1，储能电容单元300的电路原理结构（快速固体开关单元S直接与负载Rload 相连）如下：

储能电容C一端分别与充电电源正极、续流电阻Rd一端、快速固体开关单元S一端 连接，储能电容C另一端分别与充电电源负极、续流电感Ld一端相连，续流电阻Rd另一 端与续流二极管D负极连接，续流二极管D正极与续流电感Ld另一端连接，续流电感Ld 一端接地，快速固体开关单元S另一端与负载Rload一端相连，负载Rload另一端与电源 负极连接并接地。

见图2，储能电容单元的电路原理结构（快速固体开关单元与续流电阻、负载相连） 如下：

储能电容C一端分别与充电电源正极、快速固体开关单元S一端连接，储能电容C另 一端分别与充电电源负极、续流电感Ld一端相连，快速固体开关单元S另一端与续流电 阻Rd一端、负载Rload一端相连，续流电阻Rd另一端与续流二极管D负极连接，续流二 极管D正极与续流电感Ld另一端连接，续流电感Ld一端接地，负载Rload另一端与电源 负极连接并接地。

快速固体开关单元320包括固体开关单元控制器321、快速固体开关单元功率器件 322、导电支撑架325、多排弹性栅导电插座323，固体开关单元控制器321控制快速固体 开关单元功率器件322，导电支撑架325上设有多排弹性栅导电插座323，多排弹性栅导 电插座323与储能电容单元300的导电插头314插接。多排弹性栅导电插头314座包括导 电支撑架325、弹性栅导电片324，导电支撑架325内固定有两排或两排以上弹性栅导电 片324，弹性栅导电片324呈鱼鳞状排列。

换热系统包括外部风式换热器200、内部风式换热器210，内部风式换热器210上设 有内部风机，外部风式换热器200与外部风机214相通，在内部风机驱动下，经快速固体 开关单元320、储能电容单元300、内部风式换热器210进行内部风循环，将内部热量212 通过内部风式换热器210与外部风式换热器200进行热交换，外部风机214将外部空气213 引入外部风式换热器200，外部风式换热器200将外部空气213吹到内部风式换热器210 外表面。

实施例：

见图1-图13，模块式高压大电流脉冲电源装置，以4个储能电源模块为例，每个储能 电源模块包括4个储能电容单元300、1个快速固体开关单元320和1套换热系统，图3 中的一列的4个电容储能单元组成1个储能电源模块，4个储能电源模块安装在一个柜体 100。4个储能电源模块并联为负载供电，4个储能电源模块可由一个充电电源充电，见图 3，也可分别由4个充电电源充电，见图4。

4个储能电容单元300功率模块框架330固定，每个储能电容单元300，包括若干支 单体储能电容311，分两排且上下层放置，用导电板并联连接（也可方便实现串接），再与 上两块下两块支撑导电散热排312、前面板313和两个导电插头314组成抽屉式储能电容 单元300。支撑导电散热排312，即作为高压大电流导电体，又为抽屉单元的支撑连接件， 导电排上制有散热片，可同时为电容散热。支撑导电散热排312分别与两个板状导电插头 314相连，导电插头314将电容上的正负极与快速固态开关上的两个多排弹性栅导电插座 323相插接。

多排弹性栅导电插座323包括导电支撑架325、弹性栅导电片324，导电支撑架325 内固定有两排或两排以上弹性栅导电片324，弹性栅导电片324呈鱼鳞状排列，为了增加 导电接触面设计了多排多个弹性栅导电片324，多排数又可方便增加导电能力和可靠性。

快速固体开关单元320包括固体开关单元控制器321、快速固体开关单元功率器件322 和导电支撑架325，导电支撑架325上装有多排弹性栅导电插座323。

换热系统实现整机全防护“风-风”，其结构包括外部风式换热器200、内部风式换热 器210，内部风式换热器210内设有蜂窝式结构210，内部风式换热器210上设有内部风 机，外部风式换热器200与外部风机214相通，在内部风机驱动下，经快速固体开关单元 320、储能电容单元300、内部风式换热器210进行内部风循环，将内部热量212通过内部 风式换热器210与外部风式换热器200进行热交换，外部风机214将外部空气213引入外 部风式换热器200，外部风式换热器200将外部空气213吹到内部风式换热器210外表面， 完成二次热交换，因此称为“风-风”换热系统。

这种“风-风”换热系统下部的内部风循环与外部空气的热交换仅仅需要内部风式换热 器实现，因此其柜体内为密封式结构，与顶部的外部风机分离开，提高防护等级。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1）采用全模块优化结构设计，方便制造、装配、使用和维护；

2）储能电容单元为抽屉式模块结构，其同一储能电容单元中的单体电容，结构功能 可方便实现串接和并接，适合输出电压、电流的结线调整；

3）储能电容单元和快速固体开关单元之间采用导电插头和多排弹性栅导电插座相插 接，满足了高压大电流的可靠传输，确保接触可靠，不过热，寿命长；

4)采用快速固体开关单元，其功率器件可采用晶闸管（ETT或LTT）、IGBT、IEGT等， 使用压接方式连接，故障率低，体积小；

5)采用“风―风”式二级换热系统，实现电源内部封闭，防护等级可达IP65，防水、 防潮、防尘、防砂和防盐雾，适合陆地、砂漠和海上等多种恶劣环境下使用；

6）本电源采用全电磁密闭结构，能够有效地阻止大电流脉冲产生的电磁泄露，从而 降低该电源对周围其他设备的强电磁干扰；

7）支撑导电散热排上的散热片，同时实现了储能电容单元的安装固定、电容单元导 电输出、电容单元散热三种功能。

8）本电源系统，电路原理设计和经参数的合理选择，特别是在结构优化设计条件下， 以四组储能电源模块组成的脉冲电源为例，整机达到了如下技术指标：

（1）输出总电压：3kV～30kV

（2）单体脉冲电容可提的电流：

10kA～150kA，

总电流=（10kA～150kA）×n

n―脉冲电容个数

（3）重复脉冲频率：12次/min

（4）脉冲前沿：10μs～5ms可调

（5）脉冲宽渡：50μs～10ms可调。