[发明专利]一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率科学技术领域中的脉冲电流发生装置，特别涉及一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源。

背景技术

脉冲功率技术是当前国际上很活跃的前沿高科技技术之一，它通过对储能器件缓慢充电，然后在短时间内对能量完成压缩、整形和传输，从而得到高幅值、大功率、陡前沿的脉冲。脉冲功率技术作为一门新兴学科，在国防科研和民用工业等领域中有着广泛的应用潜力。在国防科研领域，它可以为核聚变、强流粒子束加速器、电磁推进以及微波武器等装置提供大功率脉冲电源；在民用工业领域，既可以运用微波功率雷达高速脉冲技术对地下资源的性质和分布状况进行勘查，又可以应用脉冲电场产生的静电场除尘和分解有毒化合物，还可以采用体外冲击波技术治疗尿路结石和胆结石，应用十分广泛。早期的核聚变研究给脉冲功率技术创造了良好的成长环境，国防基础科研的需求为它提供了充足的发展动力，同时随着其在民用领域的发展，人们对脉冲功率技术提出了许多新的挑战，也促进了它向更广、更深的层次发展。

现有脉冲功率装置中的储能方式主要有电感储能和电容储能两种，根据不同的特点应用在不同场合。

电感储能是以磁场方式进行储能，具有储能密度高和传输功率大的特点，有利于缩小储能装置的体积。但其最大的缺点在于充放电速度受电感值制约，能量释放环节采用的断路开关不仅会在切断大电流瞬间发生电弧现象，还会在储能电感上产生高峰值的过电压脉冲，影响储能电感的正常工作，因此，目前大功率装置中，多采用电容储能方式。

电容储能是以电场方式在两极板上积蓄异种电荷的结果，具有充放电时间短、重复频率高、使用寿命长的特点。与电感储能脉冲发生器使用的断路开关相比，稳定而可重复的快速闭合开关应用更加成熟，既能避免电弧现象，又可实现大电流、高功率的脉冲输出。

传统的电容器放电模式，主要是以一个电容器作为初始储能元件，通过控制开关，将电容器中的能量转移至升流降压式脉冲变压器的原边绕组，随着原边绕组中的电流快速增加，副边绕组向负载感应输出脉冲电流。它存在的问题是：1、由于电感电流不能突变，该放电模式下的原边绕组电流变化率小，导致输出脉冲电流的幅值小；2、电容器向脉冲变压器原边绕组放电后会产生残余电流，这部分电流会停滞在电感中，因此能量有效利用率低；3、脉冲变压器的原副边绕组均由铜线绕制，电阻不可忽略，伴随的焦耳热损耗大；4、该模式只能输出单次脉冲电流，不具备连续输出多脉冲的应用潜力。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源电路模式，与同类电路模式相比既能提高脉冲电流幅值，又能消除电路中的残余电流，具有体积小、损耗低、能量转换效率高、控制系统简单等特点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种利用双电容器转换放电的脉冲功率电源，其特征在于，包括初始充电电源、储能电容器、转换电容器、脉冲变压器、可控开关、二极管和负载；所述可控开关包括一个电源开关和两个放电开关，两个放电开关分别串联在储能电容器和转换电容器回路中，所述二极管串联在脉冲变压器的原副边回路中。

所述脉冲变压器的原边绕组采用高温超导带材Bi-2223/Ag绕制，具有储能密度大、损耗低、储存能量时间长的优点；但由于高温超导带材的临界电流只有几百安，不具备输出脉冲大电流的能力，因此副边绕组采用导电好、载流能力强的铜带作为材料；整个脉冲变压器放置在低温容器中，利用液氮冷却，既能保证高温超导带材处于超导态，又能降低铜带的电阻率，从而减小焦耳热损耗，提高整个系统的能量转换效率。

采用本发明的实质是：储能电容器在能量存储完毕后，通过放电开关将能量以LC二阶振荡方式传输至脉冲变压器的原边超导绕组，原边超导绕组中的电流快速增加；原边超导绕组中的电流达到最大值后，通过二极管和放电开关，与转换电容器交替传递能量，直至能量耗尽，能量传递过程中副边常导绕组在二极管的单向导通作用下感应输出脉冲电流。