一種用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源，屬于電磁發(fā)射【技術(shù)領(lǐng)域】。包括脈沖電容、第一開關(guān)、負載、第一二極管和n個級聯(lián)的開關(guān)組，脈沖電容正極與第一開關(guān)的陽極連接，使其與第一開關(guān)構(gòu)成串聯(lián)，其負極與第一二極管陽極連接，第一開關(guān)的陰極與第一二極管的陰極連接，使脈沖電容和第一開關(guān)串聯(lián)后與第一二極管構(gòu)成并聯(lián)，第一二極管陰極與n個級聯(lián)開關(guān)組的入流端連接，n個級聯(lián)開關(guān)組的出流端并聯(lián)連接后與負載的入流端連接，其接地端并聯(lián)后與負載的接地端連接。本發(fā)明脈沖電源使得系統(tǒng)余能不用直接在炮口熄弧上以熱能形式消耗，從而降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)效率，并縮短了整個系統(tǒng)的發(fā)射周期，為系統(tǒng)實現(xiàn)短時多發(fā)目標提供了有效途徑。
【專利說明】-種用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源，屬于電磁發(fā)射技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 電磁發(fā)射的研究已經(jīng)有了一百多年的歷史，隨著能源危機的加劇以及電力技術(shù)、 控制技術(shù)的發(fā)展，電磁發(fā)射技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，特別是計算機技術(shù)和電力電子技術(shù) 的進一步發(fā)展，加速了電磁發(fā)射技術(shù)走向了實用化的進程。
[0003] 脈沖電源技術(shù)作為電磁發(fā)射的核心技術(shù)，其電源系統(tǒng)一般由初級電源、中間儲能 環(huán)節(jié)及脈沖形成系統(tǒng)3部分組成。對于中間儲能環(huán)節(jié)，比較常見的3種儲能形式為機械儲 能、電感儲能和電容儲能。機械儲能的典型代表有旋轉(zhuǎn)動能儲能及重力勢能儲能等。由于 機械儲能方式的儲能密度較大，曾一度引發(fā)不少的關(guān)注及研究。但是，機械儲能受到諸多因 素制約，例如電壓低、電感充電時間長、能量需即時存儲等等，進而限制了它在實戰(zhàn)系統(tǒng)中 的發(fā)展應(yīng)用。電感儲能與機械儲能相比，裝置輕小且控制手段靈活。但是電感在常溫下有 電阻，為降低系統(tǒng)能量損耗，通常需要利用冷卻裝置來降低電感電阻；電感能量不易儲存， 對使用時效性要求較高。這使得電感儲能應(yīng)用于實戰(zhàn)系統(tǒng)中時的控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，可靠 性較低。電容儲能的研究發(fā)展起步較早，它的儲能密度雖不及上述兩種儲能方式，但其技術(shù) 成熟、控制簡單，并且充電功率較低，只需通過恒定電流充電，即可滿足電容電壓線性上升 的要求。這使得電容儲能在實戰(zhàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用簡便可靠，因而成為了目前使用最廣泛的中 間儲能方式。
[0004] 隨著各國國防建設(shè)腳步的加快，電磁發(fā)射在軍事領(lǐng)域的重要性逐漸顯現(xiàn)，尤其是 近幾年提出的連續(xù)發(fā)射戰(zhàn)略目標，要求發(fā)射系統(tǒng)的整體性能必須有所提升。但就現(xiàn)有實際 系統(tǒng)的發(fā)射效率而言，電樞出膛動能占當次發(fā)射提供的系統(tǒng)總能量的比例通常不到20%。 同時，由于受到電容器充電時間的限制，電容儲能型電磁軌道炮系統(tǒng)的發(fā)射間隔時間長達 分鐘量級，與發(fā)射過程的暈秒量級時長相比，系統(tǒng)兩次發(fā)射間隔時間未免有些太長。因此， 電容儲能型電磁軌道炮系統(tǒng)發(fā)射間隔時間過長、系統(tǒng)效率低下是亟待解決的兩大現(xiàn)實問 題。
[0005] 圖1是現(xiàn)在廣泛采用的電容儲能型傳統(tǒng)脈沖形成單元（Pulse Forming Unit，以下 簡稱PFU)電路結(jié)構(gòu)圖。PFU是電容儲能型脈沖電源系統(tǒng)的基本組成單元，盡管在不同需求 條件下其外形、體積和容量都不相同，但是其組成形式以及工作原理卻是大同小異。PFU中 的儲能電容C可以根據(jù)實際實驗儲能需求，選用單個電容器或由多個串并聯(lián)形成的電容器 組；脈沖調(diào)整電感L PFU又稱脈沖形成電感，可以通過調(diào)節(jié)它的電感值大小來控制輸出脈沖 電流的波形、幅值，并隔離不同PFU之間故障的蔓延；反并聯(lián)續(xù)流二極管D在儲能電容C上 的電壓隊放電至零時導(dǎo)通，起到引流續(xù)流的作用，不僅可以提高放電傳輸?shù)男?，同時也避 免了脈沖電流對儲能電容的反向充電，從而使電容器不必承受過高反壓，延長了電容器的 使用壽命。若干個的PFU按照實際需求分成許多分段（segment)，同分段內(nèi)PFU同一時刻觸 發(fā)，不同分段間有觸發(fā)延時，所有PFU間均以并聯(lián)的方式通過電纜連接，這樣就構(gòu)成了整個 脈沖電源系統(tǒng)。
[0006] 電磁發(fā)射過程中，軌道炮負載可以由一個小電阻與小電感的串聯(lián)近似，則脈沖電 源系統(tǒng)中PFU的主體是電容與電感。此時，PFU電路的放電過程分為兩個階段，首先是由儲 能電容C、脈沖調(diào)整電感LPFU以及小阻感負載構(gòu)成的RLC二階電路，此時反并聯(lián)二極管D可 視為斷路。當儲能電容C上的電壓U c放電至零時，反并聯(lián)二極管導(dǎo)通續(xù)流，形成由反并聯(lián) 二極管D、脈沖調(diào)整電感LPFU以及小阻感負載構(gòu)成的RC -階電路。
[0007] 傳統(tǒng)PFU存在著放電電流拖尾過長的弊端，這使PFU中的能量難以在短時間內(nèi)完 全釋放。因此，對于電磁發(fā)射中電樞有效電流ms量級的脈寬限制條件，傳統(tǒng)PFU的尾部電 流能量通常得不到充分利用而直接在炮口熄弧上以熱能形式消耗，成為系統(tǒng)損耗。傳統(tǒng) PFU結(jié)構(gòu)帶來的拖尾電流不僅使系統(tǒng)損耗能量增加從而降低了系統(tǒng)發(fā)射效率，同時，電流拖 尾及相應(yīng)的熄弧過程延長了整個系統(tǒng)的發(fā)射周期，是阻礙系統(tǒng)實現(xiàn)短時多發(fā)目標的因素之 〇


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提出一種用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源，針對已有電 容儲能型電磁軌道炮系統(tǒng)效率低下、發(fā)射間隔時間過長等問題，對傳統(tǒng)PFU的結(jié)構(gòu)進行改 進，，由單個或多個CMC-PFU模塊分段并聯(lián)對負載放電，即構(gòu)成了用于電磁發(fā)射的時序倍增 電流型脈沖電源，以提高系統(tǒng)效率、縮短發(fā)射間隔。
[0009] 本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源，包括脈沖電容C、第一開 關(guān)S、負載R^ d、第一二極管Di和η個級聯(lián)的開關(guān)組，所述的脈沖電容的正極與第一開關(guān)的 陽極連接，使脈沖電容與第一開關(guān)構(gòu)成串聯(lián)，脈沖電容的負極與第一二極管的陽極連接，第 一開關(guān)的陰極與第一二極管的陰極連接，使脈沖電容和第一開關(guān)串聯(lián)后與第一二極管構(gòu)成 并聯(lián)，第一二極管的陰極與所述的η個級聯(lián)開關(guān)組的入流端連接，η個級聯(lián)開關(guān)組的出流端 并聯(lián)連接后與負載的入流端連接，η個級聯(lián)開關(guān)組的接地端并聯(lián)后與負載的接地端連接； 所述的開關(guān)組包括第一電感L PFU1、第二二極管D2、雙向開關(guān)Si和第四開關(guān)S2，所述的雙向開 關(guān)Si的14"方向為第二開關(guān)，雙向開關(guān)&的13"方向為第三開關(guān)，所述的第一電感的 一端作為開關(guān)組的入流端，第一電感的另一端同時與第二開關(guān)的陽極和第三開關(guān)的陽極連 接，第三開關(guān)的陰極作為開關(guān)組的出流端，第二開關(guān)的陰極與第二二極管的陰極連接，作為 η個開關(guān)組之間的級聯(lián)端，第二二極管的陽極與第四開關(guān)的陰極連接，使第二二極管與第四 開關(guān)串聯(lián)，第四開關(guān)的陽極作為開關(guān)組的接地端。
[0010] 本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源，其優(yōu)點是，解決了傳統(tǒng) PFU存在的放電電流拖尾過長的弊端，使得PFU中的能量可以在短時間內(nèi)基本全部釋放。因 此，對于電磁發(fā)射中電樞有效電流ms量級的脈寬限制條件，本發(fā)明提出的時序倍增電流型 脈沖電源解決了傳統(tǒng)脈沖電源尾部電流能量得不到充分利用的問題，使得系統(tǒng)余能不用直 接在炮口熄弧上以熱能形式消耗，從而降低了系統(tǒng)損耗，提高了系統(tǒng)效率，并縮短了整個系 統(tǒng)的發(fā)射周期，為系統(tǒng)實現(xiàn)短時多發(fā)目標提供了有效途徑。

【專利附圖】

【附圖說明】 toon] 圖1為現(xiàn)有廣泛采用的電容儲能型傳統(tǒng)脈沖電源電路結(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明提出的時序倍增電流型脈沖電源的電路原理圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明提出的時序倍增電流型脈沖電源構(gòu)成的750kJ電容儲能型軌道炮連 續(xù)發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖3中，1是脈沖電源系統(tǒng)，2是控制系統(tǒng)，3是軌道發(fā)射系統(tǒng)。
[0014] 圖4為本發(fā)明的具有5級開關(guān)組的脈沖電源的電路圖。
[0015] 圖5是現(xiàn)有電容儲能型傳統(tǒng)脈沖電源構(gòu)成的單發(fā)系統(tǒng)導(dǎo)軌電流波形。
[0016] 圖6是本發(fā)明提出的時序倍增電流型脈沖電源構(gòu)成的雙發(fā)系統(tǒng)導(dǎo)軌電流波形。
[0017] 圖7是現(xiàn)有電容儲能型傳統(tǒng)脈沖電源構(gòu)成的單發(fā)系統(tǒng)電樞速度波形。
[0018] 圖8是本發(fā)明提出的時序倍增電流型脈沖電源構(gòu)成的雙發(fā)系統(tǒng)電樞速度波形。

【具體實施方式】
[0019] 本發(fā)明提出的用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源，其電路原理圖如圖2所 示，包括脈沖電容C、第一開關(guān)S、負載Rb ad、第一二極管Di和η個級聯(lián)的開關(guān)組，所述的脈沖 電容的正極與第一開關(guān)的陽極連接，使脈沖電容與第一開關(guān)構(gòu)成串聯(lián)，脈沖電容的負極與 第一二極管的陽極連接，第一開關(guān)的陰極與第一二極管的陰極連接，使脈沖電容和第一開 關(guān)串聯(lián)后與第一二極管構(gòu)成并聯(lián)，第一二極管的陰極與所述的η個級聯(lián)開關(guān)組的入流端連 接，η個級聯(lián)開關(guān)組的出流端并聯(lián)連接后與負載的入流端連接，η個級聯(lián)開關(guān)組的接地端并 聯(lián)后與負載的接地端連接；所述的開關(guān)組包括第一電感Lp FU1、第二二極管D2、雙向開關(guān)Si和 第四開關(guān)&，所述的雙向開關(guān)Si的14"方向為第二開關(guān)，雙向開關(guān)Si的13"方向為第 三開關(guān)，所述的第一電感的一端作為開關(guān)組的入流端，第一電感的另一端同時與第二開關(guān) 的陽極和第三開關(guān)的陽極連接，第三開關(guān)的陰極作為開關(guān)組的出流端，第二開關(guān)的陰極與 第二二極管的陰極連接，作為η個開關(guān)組之間的級聯(lián)端，第二二極管的陽極與第四開關(guān)的 陰極連接，使第二二極管與第四開關(guān)串聯(lián)，第四開關(guān)的陽極作為開關(guān)組的接地端。
[0020] 在電容儲能型電磁軌道炮系統(tǒng)中，電樞出膛時刻脈沖電源系統(tǒng)PFU中儲能電容已 經(jīng)放電完畢，此時系統(tǒng)的剩余能量主要殘存在電源、電纜以及負載中的等效電感中。由于電 感具有電流不可突變的性質(zhì)，很容易聯(lián)想到，可以對這部分余能進行利用。此外，在軌道炮 負載的發(fā)射過程中，通常對負載電流波形包括幅值、脈寬等因素要求較高，而對于炮口兩端 的電壓卻考慮較少。從軌道炮負載的加速度公式可以看出，電樞加速度與脈沖電源系統(tǒng)出 流的平方成正比，如式（1)所示。

【權(quán)利要求】
1. 一種用于電磁發(fā)射的時序倍增電流型脈沖電源，其特征在于該脈沖電源包括脈沖電 容C、第一開關(guān)S、負載RkM、第一二極管Di和η個級聯(lián)的開關(guān)組，所述的脈沖電容的正極與 第一開關(guān)的陽極連接，使脈沖電容與第一開關(guān)構(gòu)成串聯(lián)，脈沖電容的負極與第一二極管的 陽極連接，第一開關(guān)的陰極與第一二極管的陰極連接，使脈沖電容和第一開關(guān)串聯(lián)后與第 一二極管構(gòu)成并聯(lián)，第一二極管的陰極與所述的η個級聯(lián)開關(guān)組的入流端連接，η個級聯(lián)開 關(guān)組的出流端并聯(lián)連接后與負載的入流端連接，η個級聯(lián)開關(guān)組的接地端并聯(lián)后與負載的 接地端連接；所述的開關(guān)組包括第一電感Lp FU1、第二二極管D2、雙向開關(guān)Si和第四開關(guān)S2， 所述的雙向開關(guān)Si的'、4"方向為第二開關(guān)，雙向開關(guān)Si的'、-8"方向為第三開關(guān)，所述 的第一電感的一端作為開關(guān)組的入流端，第一電感的另一端同時與第二開關(guān)的陽極和第三 開關(guān)的陽極連接，第三開關(guān)的陰極作為開關(guān)組的出流端，第二開關(guān)的陰極與第二二極管的 陰極連接，作為η個開關(guān)組之間的級聯(lián)端，第二二極管的陽極與第四開關(guān)的陰極連接，使第 二二極管與第四開關(guān)串聯(lián)，第四開關(guān)的陽極作為開關(guān)組的接地端。
【文檔編號】H02M9/04GK104124886SQ201410317730
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】龔晨, 于歆杰, 劉秀成 申請人:清華大學(xué)