[发明专利]一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电磁发射的电感储能型脉冲电源，属于电磁发射技术领域。

背景技术

电磁发射的研究也已经有了一百多年的历史，随着能源危机的加剧以及电力技术、控制技术的发展，电磁发射技术受到越来越多的关注，特别是计算机技术和电力电子技术的进一步发展，加速了电磁发射技术走向了实用化的进程。

脉冲电源系统一般可以分为初级电源、中间储能和脉冲形成系统、转换系统三部分。由于初级电源功率密度较低，满足不了电磁发射的要求，因此要引入中间储能部分。对于中间储能系统，常见的形式有电容储能、电感储能、机械储能等。

电容型储能系统起步较早，也是目前最常用的中间储能方式。其优点在于所需要的充电功率低，只要由直流初级电源充电，就可以保证电容电压的线性上升，。主要缺点是能量密度低，相同条件功率密度下，其储能比电感型储能方式低一个数量级，这也限制了其在实战系统中的应用。

对于机械式储能方式，由于其储能密度大，很早就引起了不少的关注，典型的代表是旋转动能储能方式，但是考虑到体积、重量、可靠性等因素的制约，这种方式的致命缺陷是难以移植到实战系统中。在理论上(有报道称)电容、电感、脉冲发电机组的能量密度比为1∶10∶1000。

与以上两种储能方式相比，电感储能更有点折衷的意味。对于储能密度，它虽然不及机械式储能方式，但是又比电容式储能方式优越；针对控制手段而言，它比机械式储能方式更加灵活，且由于其存储的是静态能量，冷却装置简单，更加容易配置应用到实战系统中去。另外，对它维护更方便，使用寿命更长。

随着超导技术的进一步发展，如果能够被应用到电感型储能脉冲电源中，那么电感型储能的储能密度和装置体积、重量等指标均会有极大程度的改善，必将引起电磁发射脉冲电源的一次革命，可见电感型储能脉冲电源有着良好的研究和应用前景。

目前用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的拓扑主要有两种：美国的先进技术联盟IAT(Institute for Advanced Technology)采用的电容辅助慢速能量转换绞肉机型电感储能脉冲电源(以下简称STRETCH meat grinder)和德法联合实验室ISL(German-French Research Institute of Saint Louis)采用的串充并放型脉冲电源(以下简称XRAM)。

上述已有的STRETCH meat grinder的电路图如图1所示。其中u_S是初级充电电源，主开关S_op是全控开关，采用集成门极换流晶闸管(以下简称IGCT)或者门级可关断晶闸管(以下简称GTO)。T₁为晶闸管，D₁、D₂为二极管，L₁与L₂是存在高耦合互感的电感(即次级电源，一般要求二者之间的耦合系数k大于0.9)，C是电容，Load则为负载。

STRRTCH meat grinder实现负载电流倍增的手段是通过强耦合的电感L₁和L₂来实现的。在电感设计上通常保持L₁的电感值是L₂的十几倍。这样通过全控开关S_op主动切断充电电流时，L₁和L₂总磁链守恒，很大部分磁链转移到较小的电感L₂中，从而实现电流倍增。电容C可以限制因切断充电电流而在主管S_op上产生的电压。

上述已有的XRAM的电路图如图2所示。其中u_S是初级充电电源，二极管D_n、晶闸管Th_n、换流电容C_n、二极管D_n1、二极管D_n2、电感L_n为构成XRAM的一个基本单元(一级)，有多少个这样的基本单位，就是多少级的XRAM。晶闸管Th_n+1是负载侧主管。

XRAM的基本原理是串充并放。具体而言，触发Th_1-n导通，由初级电源u_S给n个电感串联(次级电源)充电，通过换流回路辅助关断Th_1-n，最后通过n个电感的并联放电，从而实现负载电流倍增。