[发明专利]电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法

说明书

本发明公开了电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法，属于脉冲功率技术领域。本发明采用蓄电池型电路拓扑，利用储能电容对感性负载放电以产生脉冲磁场；相对现有技术，本发明采用外接高压充电机对储能电容充电，根据平顶脉冲磁场持续时间，蓄电池可外接充电设备，该充电设备可对蓄电池电量在线监测；在电源电路拓扑中，设计馈能支路，用于实现储能电容的能量回馈，减少系统的能量消耗；设计补偿支路，用于输出稳定的平顶电流，从而实现磁场平顶部分的稳定性；提高储能电容的放电电压，产生陡峭的输出电流上升沿以减少感性负载的发热，同时改善磁场的重复性和稳定性。该电路具有结构简单、控制稳定、可靠性高、便于实现等优点。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法。

背景技术

重复平顶脉冲磁场是一种连续重复提供可控波形强磁场的系统，兼具高稳定度平顶磁场的优势，其能够在平顶阶段保持较高的稳定度，故平顶纹波系数小、造成的电磁干扰相对较小，能较长时间运行，同时可以有效地减少磁场对实验设备环境及测控系统的影响。相比于普通平顶磁场系统，由于供电电源系统和磁体感性负载需要运行时间更长，对器件、电路要求更高，制造产生更加困难，因此开展的研究相对较少。但其应用范围却更加广泛，包括空气除尘、污水处理、中子衍射和磁制冷等多个科研领域及工业生产领域。因此，重复平顶脉冲磁场将是未来磁场研究和发展的新方向之一。电源系统作为重复平顶脉冲强磁场系统的核心组成部分，其需要在短时间内同时输出较大电流和较大电压，使磁体线圈流过较大电流，从而在磁体线圈中心处产生平顶稳定度、平顶持续时间和磁场峰值强度、重复度高、符合科学实验要求的平顶脉冲强磁场。

目前各大强磁场实验室主要运用储能电容型、蓄电池型、脉冲发电机型、蓄能电感型作为重复平顶磁场的电源电路。CN105162352A提出一种用于高感性负载的双极陡脉冲电流源，如图1所示，在电源电路的前级(逆变器)直流侧设计一个Boost(升压)模块来补充所需的能量，能量、电压全部由蓄电池源提供，同时通过配置Boost模块电感电容参数，得到预期的感性负载电流波形，同时改善感性负载电流的边缘陡度，减小电路的损耗。

针对重复平顶磁场拓扑电路，主要还存在有以下问题：(1)电路拓扑较为复杂，换流单元开关器件较多，电路成本较高，可靠性较低；(2)电路设计主要针对低功率场合，不适于产生高参数重复平顶磁场；(3)没有考虑蓄电池放电极化现象，磁场平顶稳定度较低。

发明内容

针对现有技术蓄电池电压下降快导致难以支撑较长时间的重复平顶磁场、产生平顶磁场稳定度低、难以产生高参数重复平顶磁场、电源系统能量利用率不高的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电源电路、重复平顶脉冲强磁场发生装置及其控制方法，其目的在于可靠地产生重复平顶磁场，同时更好地实现储能电容的能量回馈。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用于重复平顶脉冲强磁场的电源电路，所述电源电路包括：蓄电池、储能电容、放电支路、馈能支路与补偿支路；其中，蓄电池、放电支路、馈能支路、补偿支路分别接在储能电容正负极两端，放电支路、馈能支路、补偿支路互相间成并联关系。

优选地，放电支路包括：晶闸管与感性负载，两者串联，晶闸管的正向脉冲电流不小于为所述电源电路期望输出的电流最大值。

优选地，馈能支路包括：馈能电感与晶闸管，两者串联；所述晶闸管的正向脉冲电流不小于为所述电源电路期望输出的电流最大值，馈能电感L₂满足：馈能时间与充电时间之和小于电源电路期望输出电流波形的周期，C为储能电容的电容值；馈能电压可达储能电容工作电压的50％～80％。

优选地，补偿支路包括：受控电流源；受控电流源I_C满足：I_C与流过储能电容电流、流过蓄电池电流之和为电源电路期望输出的电流平顶值。