[发明专利]一种平顶磁场拓扑电路及其控制方法

说明书

本发明公开了一种平顶磁场拓扑电路，采用主供电单元配合有源滤波器协同供电的方式来维持负载电流的平顶，与传统的电路中存在着多个大功率电感元件和变压器元件相比，本发明中仅采用了一个滤波电感，减小了装置的体积；并且本发明中的补偿电路采用的是直流buck电路，只需要控制一个开关器件，而传统平定电路采用的是桥式buck电路，由于需要控制四个开关器件，结构和控制都较为复杂。因此，本发明克服了传统电路中普遍存在的传输线型PFN无法适应负载变化、且会引入多个大功率电感、有源滤波器结构和控制过于复杂、有源滤波器多通过耦合互感接入主回路引起体积过大的缺点，电路结构简单可靠，控制过程简单，能够产生稳定的脉冲平顶磁场。

技术领域

本发明属于脉冲功率领域，更具体地，涉及一种平顶磁场拓扑电路及其控制方法。

背景技术

强磁场作为一种极端环境，为物理、化学、生物等领域的科学研究提供了许多发现物质新特性和新现象的机会。强磁场分为稳态强磁场和脉冲强磁场两类。稳态强磁场具有持续时间长，稳定度高的优点，保证了科学实验的稳定性并提供了足够的观测时间，但是场强较低，维持大场强对于电源的要求很高且会消耗大量能量。脉冲强磁场相比于稳态强磁场，具有磁场峰值强度较高的优点，但是成本高且可重复性差，一般只应用于对磁场峰值强度要求高的场合。

相较于稳态磁场，脉冲平顶强磁场兼具稳态强磁场的高稳定度和脉冲强磁场的低能耗优势，能够在平顶阶段保持较高的稳定度，提供纹波系数小、电磁干扰小，功耗小的强磁场来为相应的科学实验提供条件，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。

脉冲平顶强磁场可广泛应用于核磁共振、中子衍射、磁制冷、电磁成型、电磁焊接、太赫兹、电磁发射、等离子体压缩等多个科研领域及工业生产领域。是未来磁场研究和发展的重要方向，主要的研究方向是追求更大的磁场强度、更长的平顶脉冲宽度以及更高的稳定度。

针对大功率脉冲平顶磁场拓扑电路，目前主流方案主要存在以下问题：1、传统脉冲平顶磁场电路拓扑用来作为主供电的PFN(Pulses Generated Net，脉冲产生网络)为模拟传输线模型的LC级联网络，需要根据负载设计网络参数，负载改变后无法适应负载，且会引入多个大功率电感，体积较大；2、传统电路多采用复杂的全桥移相有源滤波器来进行纹波补偿，控制复杂，且需要多个开关器件和变压器；3、有源滤波器多通过耦合互感接入主回路，体积庞大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种平顶磁场拓扑电路及其控制方法，由此解决现有的脉冲平顶磁场拓扑电路体积大、控制复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种由上升沿电容、第一开关、滤波电感、滤波电阻、感性负载依次串联构成的第一放电回路；由主供电单元、第二开关、滤波电感、滤波电阻、感性负载依次串联构成的第二放电回路；由有源滤波器、第三开关、感性负载依次串联构成的补偿放电回路；

所述第一放电回路用于对滤波电感和感性负载放电，使感性负载电流达到平顶值；所述第二放电回路和补偿放电回路用于在感性负载电流达到平顶值后，同时对感性负载供电，以产生平顶磁场。

优选地，所述主供电单元为带放电开关的电容器组、三相不控整流发电机或脉冲发电机中的任意一种；

所述有源滤波器为单相buck变换器、三相buck变换器、三相boost变换器、三相boos变换器、单相buck-boost变换器、三相buck-boost变换器或直流蓄电池组中的任意一种。

优选地，所述主供电单元为电容器组、所述第二开关为电容器组的放电开关，且所述有源滤波器为单相buck变换器时，上升沿电容与感性负载满足以下关系式：

U_cf＝I_maxR_m；