脉冲电源电路、脉冲电源、电磁发射装置和脉冲电源电路的控制方法

摘要

本发明公开了一种脉冲电源电路、脉冲电源、电磁发射装置和脉冲电源电路的控制方法。电源的正极与第一晶闸管的阳极相连接，负极与接地极连接。第二晶闸管与能量转换电容依次串联在第一晶闸管的阴极和接地极之间。第二晶闸管的阴极与第一晶闸管的阴极相连。第一电感和第二电感异名端相接并连接在第一晶闸管的阴极和接地极之间。第三电感的一端连接在第一电感和第二电感之间，另一端与第三晶闸管的阳极相连。第三晶闸管的阴极与第二晶闸管的阳极相连。二极管的阴极连接在第一电感和第二电感之间。第四晶闸管的阴极连接在第一电感和第二电感之间。阳极与第二晶闸管的阳极连接。能量转换电容能够后收集所述第二电感的余能，提高了能源利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及能源领域，特别是涉及一种脉冲电源电路、脉冲电源、电磁发射装置和脉冲电源电路的控制方法。

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电源、中间储能环节和脉冲形成网络三部分构成。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。

就电感储能型脉冲电源的主要缺点而言，被发射组件出膛之后，电感线圈中仍残存较多能量。这部分能量在总预充能量中的占比较高，使得系统整体的能量利用效率较低。目前对余能的主要处理方式是通过熄弧电阻为电感线圈提供续流路径，使余能以热量的形式耗散在电感线圈内阻和熄弧电阻上，造成了能源的浪费。

发明内容

基于此，有必要针对传统的电感储能型脉冲电源在发射组件出膛后电感线圈中仍残存较多能量被浪费的问题，提供一种能够重新储存利用电感线圈中留存的多余能量的脉冲电源电路。

一种脉冲电源电路，包括电源、第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第一电感、第二电感、第三电感，能量转换电容、二极管；

所述电源的正极与所述第一晶闸管的阳极相连接，所述电源的负极与接地极连接；

所述第二晶闸管与所述能量转换电容依次串联在所述第一晶闸管的阴极和接地极之间，所述第二晶闸管的阴极与所述第一晶闸管的阴极相连；

所述第一电感和所述第二电感异名端相接并连接在所述第一晶闸管的阴极和接地极之间；

所述第三电感的一端连接在所述第一电感和所述第二电感之间，所述第三电感的另一端与所述第三晶闸管的阳极相连，所述第三晶闸管的阴极与所述第二晶闸管的阳极相连；

所述二极管的阴极连接在所述第一电感和所述第二电感之间，所述二极管的阳极用于接负载；

还包括第四晶闸管，所述第四晶闸管的阴极连接在所述第一电感和所述第二电感之间，所述第四晶闸管的阳极与所述第二晶闸管的阳极连接。

在其中一个实施例中，所述第一电感和所述第二电感耦合系数大于95％。

在其中一个实施例中，所述第一晶闸管为快速恢复型晶闸管。

在其中一个实施例中，所述能量转换电容为脉冲电容。

一种脉冲电源，包括所述的脉冲电源电路。

在其中一个实施例中，包括所述的脉冲电源，所述负载为轨道炮，所述轨道炮的一端与所述二极管的阳极连接，所述轨道炮的另一端与接地极连接。

一种脉冲电源电路的控制方法，用于控制所述脉冲电源电路，包括以下步骤：

所述能量转换电容预充电；

所述电源为所述第一电感和所述第二电感充电，所述第二电感、所述能量转换电容向负载放电；

所述能量转换电容通过所述第四晶闸管收集所述第二电感的余能。

在其中一个实施例中，所述能量转换电容预充电的形式为：

所述能量转换电容与所述第二晶闸管连接的一端预充负压，所述能量转换电容与接地极连接的一端预充正压。

在其中一个实施例中，所述电源为所述第一电感和所述第二电感充电，所述第二电感、所述能量转换电容向负载放电的步骤包括：

触发导通所述第一晶闸管，以使所述电源为所述第一电感和所述第二电感充电至预设值；

触发导通所述第三晶闸管，以使所述能量转换电容向负载放电，通过所述第三晶闸管的电流为零时所述第三晶闸管关断；

触发导通所述第二晶闸管使所述能量转换电容收集所述第一电感、所述第二电感之间的漏感能量；

触发导通所述第三晶闸管，所述能量转换电容将所收集的漏感能量向负载放电，直至经过所述第三晶闸管的电流为零使所述第三晶闸管关断；

所述第二电感直接向负载放电，直至负载断开或经过所述二极管电流降至零。

在其中一个实施例中，所述能量转换电容通过所述第四晶闸管收集所述第二电感的余能的为：

在负载断开或经过所述二极管的电流降至零之前触发所述第四晶闸管，所述能量转换电容收集所述第二电感的余能。

本发明提供的脉冲电源电路中，所述第四晶闸管的阴极连接在所述第一电感和所述第二电感之间。所述第四晶闸管的阳极与所述第二晶闸管的阳极连接。所述能量转换电容能够通过所述第四晶闸管在负载断开或经过所述二极管的电流为零后收集所述第二电感的余能以备下次使用，提高了能源利用率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的脉冲电源电路的电路图；

图2为本发明实施例提供的脉冲电源电路的第一电感电流和第二电感电流示意图；

图3为本发明实施例提供的脉冲电源电路的附在电流和电枢速度示意图；

图4为本发明实施例提供的脉冲电源电路的能量转换电容的电流和电压示意图；

图5为本发明实施例提供的脉冲电源电路的加速装置的示意图。

主要元件符号说明

脉冲电源电路10、电源110、第一晶闸管120、第二晶闸管130、第三晶闸管140、第三电感150、第一电感160、第二电感170、能量转换电容180、二极管190、第四晶闸管200、负载210、加速装置300、导轨310、电枢320、弹丸330。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明提供一种脉冲电源电路10。所述脉冲电源电路包括电源110、第一晶闸管120、第二晶闸管130、第三晶闸管140、第一电感160、第二电感170、第三电感150、能量转换电容180、以及二极管190。所述电源110的正极与所述第一晶闸管120的阳极相连接。所述电源110的负极与接地极连接。所述第二晶闸管130与所述能量转换电容180依次串联在所述第一晶闸管120的阴极和接地极之间。所述第二晶闸管130的阴极与所述第一晶闸管120的阴极相连。所述第一电感160和所述第二电感170异名端相接并连接在所述第一晶闸管120的阴极和接地极之间。所述第三电感150的一端连接在所述第一电感160和所述第二电感170之间，所述第三电感150的另一端与所述第三晶闸管140的阳极相连。所述第三晶闸管140的阴极与所述第二晶闸管130的阳极相连。所述二极管190的阴极连接在所述第一电感160和所述第二电感170之间。所述二极管190的阳极用于接负载210。所述脉冲电源电路10还包括第四晶闸管200。所述第四晶闸管200的阴极连接在所述第一电感160和所述第二电感170之间。所述第四晶闸管200的阳极与所述第二晶闸管130的阳极连接。

所述第一晶闸管120、所述第二晶闸管130、所述第三晶闸管140、所述第四晶闸管200均可以包括阴极、阳极和门极。所述第一晶闸管120、所述第二晶闸管130、所述第三晶闸管140、所述第四晶闸管200的工作原理如下：

在受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态；

在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用；

在导通情况下，当主回路电压或电流减小到接近于零时，晶闸管关断。

所述电源可以为任意直流电源，比如干电池、蓄电池、直流发电机等。所述二极管190可以为锗二极管Ge管和硅二极管Si管，只要所述二极管190具有单向导通的功能即可。

所述第一电感160和所述第二电感170异名端相接并且依次串联在所述第一晶闸管120的阴极和接地极之间可以使得所述第一电感160和所述第二电感170具有相互耦合增强的作用，增强电感强度。

所述脉冲电源电路10中，所述第四晶闸管200的阴极连接在所述第一电感160和所述第二电感170之间。所述第四晶闸管200的阳极与所述第二晶闸管130的阳极连接。所述能量转换电容180能够通过所述第四晶闸管200在负载210断开或经过所述二极管190的电流为零后收集所述第二电感的余能以备下次使用，提高了能源利用率。所述第二电感170的设置改变了所述脉冲电源电路10的工作状态，大大提高提高了所述脉冲电源电路10的实用性能。

在其中一个实施例中，所述第一电感160和所述第二电感170耦合系数大于95％。耦合系数大于95％可以更好传递功率，增强等效电感，为向负载210放大储存更多能量，提高能源利用率。

在其中一个实施例中，所述第一晶闸管120为快速恢复型晶闸管。快速恢复型晶闸管可以用于较高频率的整流、斩波、逆变和变频电路。所述快速恢复型晶闸管导通和关断的速度更快，对晶闸管的的损坏程度低，更为耐用。所述第一晶闸管120直接控制所述电源110的电流输出、因此具有更好的灵活性，可以提高电路的工作效率。

在其中一个实施例中，所述能量转换电容180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。

本发明实施例还提供一种脉冲电源，包括所述的脉冲电源电路10。所述脉冲电源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。并可以在工作完成后回收所述脉冲电源中所述第二电感170中的能量，具有节约能源的优点。

本发明实施例还提供一种电磁发射装置，所述电磁发射装置包括所述的脉冲电源。所述负载210可以为加速装置。所述加速装置300中可以设置有电枢320、轨道310和弹丸330。所述轨道310的两端可以连接在所述脉冲电源的输入输出端。所述脉冲电源输出的电流经过所述轨道310输送给所述电枢320。所述电枢320带动所述弹丸330加速，最终将所述弹丸330高速发射。所述加速装置的一端与所述二极管190的阳极连接，所述加速装置的另一端与接地极连接。所述加速装置中设置有电枢，所述电磁发射装置可以为电枢提供瞬时高能量，使得所述电枢加速向外运动。所述电磁发射装置工作完成后能够回收所述第二电感170中的能量。

本发明实施例还提供一种脉冲电源电路的控制方法，用于控制所述脉冲电源电路，所述脉冲电源电路的控制方法包括以下步骤：

S100，所述能量转换电容180预充电；

S200，所述电源110为所述第一电感160和所述第二电感170充电，所述第二电感170、所述能量转换电容180向负载210放电；

S300，所述能量转换电容180通过所述第四晶闸管200收集所述第二电感170的余能。

通过对所述能量转换电容180预充电能够在所述能量转换电容180与所述负载210导通后为所述负载210放电，提高能量利用率。所述电源110可以为所述第一电感160和所述第二电感170提供能量，所述第一电感160和所述第二电感170通电后能够具有强耦合效应，增强等效电感。为向所述负载210放电做准备。在对所述负载210放电后所述能量转换电容180可以将所述第二电感170中剩余的能量回收，并可以在下次向所述负载210放电的时候使用，能够提高能源的利用率。

在其中一个实施例中，所述能量转换电容180预充电的步骤包括：

所述能量转换电容180与所述第二晶闸管130连接的一端预充负压，所述能量转换电容180与接地极连接的一端预充正压。所述能量转换电容180与所述第二晶闸管130连接的一端预充负压，所述能量转换电容180与接地极连接的一端预充正压的充电方式可在所述第三晶闸管140导通后使得所述能量转换电容180与所述负载210形成回路。所述能量转换电容180可以为所述负载210充电。

在其中一个实施例中，所述电源110为所述第一电感160和所述第二电感170充电，所述第二电感170、所述能量转换电容180向负载210放电的步骤S200包括：

S210，触发导通所述第一晶闸管120，以使所述电源110为所述第一电感160和所述第二电感170充电至预设值；

S220，触发导通所述第三晶闸管140，以使所述能量转换电容180向负载210放电，通过所述第三晶闸管140的电流为零时所述第三晶闸管140关断；

S230，触发导通所述第三晶闸管140，所述能量转换电容180将所收集的漏感能量向负载210放电，直至经过所述第三晶闸管140的电流为零使所述第三晶闸管140关断；

S240，触发导通所述第三晶闸管140，所述能量转换电容180将所收集的漏感能量向负载210放电，直至经过所述第三晶闸管140的电流为零使所述第三晶闸管140关断；

S250，所述第二电感170直接向负载210放电，直至负载210断开或经过所述二极管190电流降至零。

在步骤S210中，所述电源110为所述第一电感160和所述第二电感170充电至预设值，所述预设值根据工程实际需要的电流和功率设置。

在步骤S220中，所述第三晶闸管140关断后，所述电源110继续为所述第一电感160、所述第二电感170充电。

在步骤S230中，触发导通所述第二晶闸管130时，所述能量转换电容180电流增大至所述第一电感160的充电电流，所述第一晶闸管120受反压关断；所述能量转换电容180继续为所述第一电感160和所述第二电感170充电，直至其预充能量完全耗尽；所述二极管190导通，负载210电流增大；所述能量转换电容180收集所述第一电感160、所述第二电感170之间的漏感能量；经过所述第二晶闸管130的电流为零，所述第二晶闸管130关断，所述第二电感170直接向负载210放电。

其中，所述第一晶闸管120受反压时电流会减小到零而关断。所述二极管190导通后，所述第一电感160的电流迅速减小到零，所述第二电感的电流迅速增大。所述能量转换电容180可以收集所述第一电感160、所述第二电感170之间的漏感能量。

在其中一个实施例中，所述能量转换电容180通过所述第四晶闸管200收集所述第二电感170的余能的步骤S300为：

在负载210断开或经过所述二极管190的电流降至零之前触发所述第四晶闸管200，所述能量转换电容180收集所述第二电感170的余能。可以理解，在所述负载210断开的前的瞬间所述第二电感170中的电流能量很大，在所述第二电感170中能量即将释放时开启所述第四晶闸管200可以将所述第二电感170中的能量快速回收到所述能量转换电容180。

所述脉冲电源电路的控制方法通过控制不同晶闸管的开闭时间来控制电路的工作状态。其中，晶闸管开闭的时间可以通过设置在单片机中的程序控制。单片机可以集成在电路板中。

在其中一个实施例中，对各个元件的物理参数和触发参数进行设置：

电源110电压 500V

第一电感160感值 1mH

第二电感170感值 0.25mH

电感耦合系数 97.5％

第一电感160阻值 50mΩ

第二电感170阻值 10mΩ

能量转换电容180容值 1mF

能量转换电容180预充电压 -4000V

能量转换电容180阻值 2mΩ

第四电感150感值 50μH

第一晶闸管120触发时刻 0ms

第三晶闸管140第一次触发时刻 28ms

第二晶闸管130触发时刻 30ms

第三晶闸管140第二次触发时刻 33ms

第四晶闸管200触发时刻 38.5ms

负载引线电阻 5mΩ

电枢质量 3g

电枢初始位置 0.1m

轨道长度 0.5m

轨道电感梯度 0.45μH/m

轨道电阻梯度 0.5mΩ/m

炮尾引线电阻 2mΩ

请参见图2，在所述第三晶闸管140第一次触发时刻，所述第二电感170的电流迅速减小，所述第一电感160的电流迅速增加。在所述第三晶闸管140第二次触发后所述第二电感170的电流迅速增大，所述第一电感160的电流迅速减小。在第四晶闸管200触发后，所述第一电感160的电流、所述第二电感170的电流迅速降为零。

请参见图3，在所述第三晶闸管140第一次触发后，所述电枢开始缓慢启动，所述负载210电流迅速增大，在所述第三晶闸管140第二次触发后所述负载210电流再次迅速增大，所述电枢速度快速增加，并在所述第四晶闸管200触发前可以使得电枢出膛。

请参见图4，所述能量转换电容180可以在在所述第三晶闸管140第一次触发后电流迅速大，电压由负变正。在所述第二晶闸管130触发时，所述能量转换电容180负向电流增大，电压由正变负。在所述第三晶闸管140触发时，所述能量转换电容180的电流由零变为正向电流，电压由负变正。在所述第四晶闸管200触发时，所述能量转换电容180的电流由零变为负向电流并逐渐归零，电压由正向电压变为负向电压。恢复到初始储能状态，准备下次使用。

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。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。