[发明专利]一种提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源

说明书

本发明公开了一种提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源，属于电磁发射技术领域。本脉冲电源包括初级电源模块、中间储能模块、逆流回路模块、能量自恢复模块、负载电流开启及关断模块和电压极性恢复模块；初级电源模块为中间储能模块充电提供能量；逆流回路模块用于当中间模块的电流达到预设值时断开初级电源模块；能量自恢复模块用于转换电容的能量自恢复；负载电流开启及关断模块用于负载电流导通及关断；电压极性恢复模块用于初级电源模块电压极性的恢复。本发明涉及的电感型脉冲电源具有能量效率高、可以回收利用电感以及负载电流尾波能量、具有尾波截断功能、电路元件少、电路可拓展性好、可重复性动作强等优点。

技术领域

本发明属于电磁发射技术领域，更具体的，涉及一种提高能量效率的电感储能型脉冲功率电源。

背景技术

脉冲功率电源技术产生于20世纪40年代，60年代后得到迅速发展。脉冲功率电源(Pulse Power Supplies,PPSs)指的是可以在几毫秒内向负载输出兆安级别脉冲电流的电源。脉冲功率电源与常规电源不同，其通过功率压缩产生数值巨大的脉冲电流。

脉冲功率电源最主要的应用是电磁发射。传统化学燃料推进物体，由于存在“制止声速”限制，在单极发射时难以突破2km/s的限制。理论上，电磁发射的弹丸初速度只受本身和电源能量影响。理想情况下，可以将弹丸速度提高数倍。另外，相较于传统化学火炮发射的不稳定性，可控的电能使得弹丸在膛内精准的加速。与传统化学发射方式相比，电磁轨道炮具有较高的出口速度以及无烟雾无噪声、精度高等优点。

脉冲功率电源一般可分为初级电源、中间储能以及脉冲形成三大部分。其中中间储能设备体积占比最高。对于储能元件的小型化成为了脉冲功率电源小型化的关键。脉冲功率电源根据储能方式不同，一般可分电容储能型脉冲电源、旋转机械储能型脉冲电源和电感储能型脉冲电源。

三者的储能密度以电容型储能密度最低，电感型储能其次，旋转机械储能密度最高，其储能密度之比约为数量级增大。然而旋转机械储能需要用到旋转元件，冷却困难且需要一次性存储多次发射的能量。电容储能型脉冲功率电源技术成熟度最高。在很长时间内，许多学者对于电容储能型脉冲电源做了大量研究，但是由于其较低的能量密度，这种电源的发展前景有限。相较于目前广泛应用的电容储能型脉冲功率电源，电感储能型脉冲功率电源以储能密度高、结构简单等优势，逐渐成为电磁发射技术的研究热点。电感型储能相较于电容型储能其储能密度高出一个数量级。与旋转机械储能相比，电感储能元件作为一种静态储能元件，更加容易冷却。三种方式比较来看，电感型储能方式是一种综合性能较优的方式。

电感储能型电源的电路拓扑结构主要分为Meat Grinder和XRAM两种类型，分别为美国德克萨斯大学高技术研究所(Institute for Advanced Technology，IAT)和欧洲圣路易斯法德联合研究所(French-German Research Institute of Saint-Louis，ISL)的主要研究对象。其中meat grinder拓扑是通过磁通压缩原理，利用两个电感的互感来实现电流的倍增。在1987年，美国能量压缩研究公司(Energy Compression Research Corporation,ECR)通过meat grinder拓扑搭建了电感储能19.1kJ的轨道炮装置。但传统的meat grinder拓扑电路在主开关断开时，由于初级电感和次级电感无法做到完全耦合，充电回路的漏磁能量会使主开关承受很高的电压。因此，美国先进技术研究所提出了meat grinder withSTRETCH拓扑，对漏磁通能量进行了利用。并在2007年，使用锂电池作为初级电源，GTO作为换流器件，搭建了30kJ电感储能的轨道炮装置。2013年，东南大学使用IGBT作为换流元件，装置体积进一步减小。最终装置体积大约3dm³，可以对电阻负载输出峰值为4.29kA的电流。