[发明专利]一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，特别涉及一种利用超导电感电容混合储能的大电流脉冲发生装置。

背景技术

脉冲功率技术是目前国际上热门的高科技技术之一，它将相对较长时间内存储的能量在短时间内完成压缩和整形，以期在负载上得到各种高幅值、陡前沿、短时间的电脉冲。近年来，随着脉冲功率技术的蓬勃发展，它已经渗透到我们日常生活的方方面面。在军事方面，它可以应用在电磁发射、大功率微波、卫星推进和受控激光核聚变等装置中；在工业领域，它可以用于驱动激光器完成切割与焊接等工作、处理废气废水以及食品保鲜；在医用领域，脉冲功率技术可以驱动加速器以产生X射线治疗癌症患者，用作心脏起搏器，用NO吸入疗法治疗呼吸系统疾病以及粉碎结实等。总之，它在国防科研、高新技术研究和民用工业等领域中有着越来越广泛的重要应用。

根据不同的储能类型，脉冲功率装置主要分为电感储能型和电容储能型两种方式。

电感储能是以磁场形式储存的，具有储能密度高、体积小等优点，但是能量释放过程中用到的断路开关的技术困难较大，能量转换的效率较低。但是，随着超导技术的发展，其具有储能密度高、损耗小、效率高等优势，将在脉冲功率领域中具有重要的应用前景。电容储能是以电场形式储存的，具有结构简单、技术成熟等优点，但是其储能密度低、漏电流大，不适合长期储存。

目前，在需要脉冲强电流的场合中，有两种主要的放电模式。第一种是电容对降压升流型脉冲变压器放电模式(如附图1所示)；第二种是电感储能型MEATGRINDER电路(如附图2所示)。但是，这两种传统电路都有其固有缺点：第一种电路中负载上为了防止产生反向电流，原边绕组中的电流下降率不能过大，由于变压器的隔直通交特性，导致原边绕组回路中的较多的剩余能量不能传递到负载侧；第二种电路是借助级间互感向负载传递能量，为了限制断路开关上的过电压引入了电容，但是，随着系统储能等级的增加，必须选用大电容以限制开关电压，这不仅降低了能量向负载侧传递的速率还增加了装置体积和重量。另外，上述两种电路电感绕组由于采用铜材料绕制，不可避免的存在发热损耗和载流能力低的问题，不利于系统的小型化、轻量化和高效化。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源，将上述两种电路有效结合在一起，并设计了新型的脉冲变压器结构和外围电路，增加了装置的储能密度和能量传递的速率和效率。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源，其特征在于，包括初始充电电源、可控开关、储能电容器、压敏电阻、三绕组脉冲变压器、二极管和负载；其中，初始充电电源1由直流电流源和保护电阻构成；可控开关包括电感充电开关2、电容放电开关4和负载侧开关14；具有原边绕组和采用自耦方式与负载连接的两副边绕组变压器8的原边绕组分别与初始充电电源1、储能电容器3和压敏电阻6构成三个并联回路；电容放电开关4串联在储能电容器3上；互为反向的充电二极管5和续流二极管7分别串联在储能电容器3和压敏电阻6的支路上，电容放电开关4与充电二极管5并联；变压器两副边支路分别串联有方向相反的整流二极管(12和13)和一个负载侧开关14。。

所述三绕组脉冲变压器的原副边绕组紧密耦合，耦合系数在0.85以上，原边绕组采用高温超导带材绕制，副边绕组可以采用铜带或超导带材绕制；所述脉冲变压器整体置于可以使超导线圈处于超导态的低温容器中。

所述储能电容器采用自愈式高压脉冲电容器。

所述可控开关中，电感充电开关和电容放电开关采用全控开关，可以为IGBT、IGCT、MOSFET等全控型半导体开关；负载开关采用半控开关，可以为GTO等半控型半导体开关。

所述压敏电阻采用ZnO电阻，应根据通流水平和超导绕组承受的最高电压进行选择。

本发明的有益结果在于：1.电源采用超导电感电容混合储能，并且两储能模块共用一个充电电源，其中，电容的能量由超导电感提供，大大节省了装置的体积和重量，降低了装置的损耗；2.电容集储能和整形双重作用，开始放电时，原边超导绕组在电容预充电电压下放电，加速了原边绕组能量向负载传递的效率和速率，限制了放电开关上的电压；3.脉冲变压器副边采用耦合双次边绕组结构，并且通过在负载端串联整流二极管和负载开关，使得原边绕组电流的任意变化都能在负载上产生相同方向的电流；4.由于压敏电阻的加入，使得原边超导绕组中的剩余电流迅速衰减，进一步提高了装置的效率并且节省了放电的时间。

附图说明：

图1是电容对降压升流型脉冲变压器放电模式原理图。