阅读说明：本技术 一种新型n级电感储能型大电流源电路拓扑结构 (Novel n-level inductance energy storage type large-current power supply circuit topological structure ) 是由 张东东 王志强 李国锋 李劲松 孙英伦 于 2020-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明属于电磁发射技术领域,提供了一种新型n级电感储能型大电流源电路拓扑结构,包括初级电源、n级电感串联充电并联放电基本回路拓扑结构和电磁轨道炮负载结构三个部分。本发明提出的新型电感储能型大电流源电路结构开关部分采用晶闸管作为开关器件,通过与其并联反向二极管,对其施加反向电压,从而可以实现晶闸管的可靠关断,有效地提高系统的可控性能。本电路拓扑结构中的控制部分添加优化反向二极管对充电回路进行充分的隔离,保证在充电过程中电感电流的线性上升和电容电压稳定。避免了电容和电感的纹波,提高电源的充电效率。此外,本电路提出的n级电路拓扑结构,结构较为简单,具有较好的拓展性能。(The invention belongs to the technical field of electromagnetic emission, and provides a novel n-level inductance energy storage type heavy current power supply circuit topological structure which comprises a primary power supply, an n-level inductance series charging parallel discharging basic loop topological structure and an electromagnetic rail gun load structure. The novel inductive energy storage type large-current power supply circuit structure switch part provided by the invention adopts the thyristor as a switch device, and applies reverse voltage to the thyristor by connecting the reverse diode in parallel with the thyristor, so that the thyristor can be reliably turned off, and the controllability of a system is effectively improved. The control part in the topological structure of the circuit is added with the optimized backward diode to fully isolate the charging loop, so that the linear rising of the inductive current and the stable voltage of the capacitor are ensured in the charging process. The ripple waves of the capacitor and the inductor are avoided, and the charging efficiency of the power supply is improved. In addition, the n-level circuit topological structure provided by the circuit is simple in structure and has good expansion performance.)

一种新型n级电感储能型大电流源电路拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种新型n级电感储能型大电流源电路拓扑结构，用于电磁轨道炮的发射，属于电磁发射技术领域。

背景技术

电磁发射技术在现代战争中起着非常重要的作用，而为电磁发射提供能量的脉冲功率源是电磁发射系统的重要组成成分，向负载提供能量，同时也是电磁发射技术的基础和研究的重点，其特点是输出功率高、工作电压大、输出脉冲电流大，在国防领域和基础学科领域都有着广泛的应用，如雷达、受控核聚变、强磁场、大功率激光等。

脉冲电源系统一般分为初级电源、中间储能和脉冲形成系统、转换系统三部分。然而初级电源的储能密度低无法满足电磁发射的能量需求，所以通常有中间储能部分，常见的形式有电容储能、电感储能和机械储能。在相同功率密度条件下，电感的储能密度比电容高一个数量级，与机械储能相比，电感储能方式灵活，存储的为静态能量，冷却装置简单，在日常研究和应钟更容易实现配置，此外维护方便，使用寿命较长。因此电感储能在脉冲电源领域有较大的应用潜力。

基于串充并放原理，串冲并放型电感储能脉冲电源的结构紧凑，成本低，在成本和可扩展性等方面相比其他拓扑结构有着明显的优势。有着良好的研究和应用前景。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型n级电感储能型大电流源电路拓扑结构。该电路结构包括初级电源、n级电感串联充电并联放电基本回路拓扑和电磁轨道炮负载三个部分。其中初级电源为恒压直流源；基本回路拓扑结构都是由三个部分构成：开关部分、控制部分和储能部分。其中，开关部分由晶闸管和二极管构成，晶闸管的阳极与二极管的阴极相连接，形成端口A，晶闸管的阴极与二极管的阳极相连接形成端口B；控制部分由电容和两个二极管构成，两个二极管采用共阳极接法，形成端口C，一个二极管的阴极接电容一侧，电容另一侧与另外一个二极管阴极连接形成端口D；储能部分由储能电感构成，电感的一端与端口B连接，另一端连接下一级的A端口，同时端口B连接二极管的阳极，二极管的阴极与电磁轨道炮负载的一端连接，另一端与每一级的C端口连接。第一级端口A与初级电源的正极连接，初级电源负极接地，并与最后一级的电感连接。从而构成了完整电路的拓扑结构。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出的新型电感储能型大电流源电路结构开关部分采用晶闸管作为开关器件，通过与其并联反向二极管，对其施加反向电压，从而可以实现晶闸管的可靠关断，有效地提高系统的可控性能。

(2)本电路拓扑结构中的控制部分添加优化反向二极管对充电回路进行充分的隔离，保证在充电过程中电感电流的线性上升和电容电压稳定。避免了电容和电感的纹波，提高电源的充电效率。

(3)此外本电路提出的n级电路拓扑结构，结构较为简单，具有较好的拓展性能。

附图说明

图1为新型n级电感储能型大电流源电路拓扑结构图。

其中：D₁、D₂、D₃、D₄……D_n是用于保障晶闸管可靠关断的二极管。D₁₁、D₂₁、D₃₁、D₄₁……D_n1为二极管。D₁₂、D₂₂、D₃₂、D₄₂……D_n2是构成换流回路的二极管。D₁₃、D₂₃、D₃₃、D₄₃……D_n3为隔离二极管，L₁、L₂、L₃、L₄……L_n是用于充放电的电感，C₁、C₂、C₃、C₄……C_n为电容，Th₁，Th₂，Th₃，Th₄……Th_n是用作开关的晶闸管，S_L是开关，U_s是恒压电源，G是电磁轨道炮负载。

图2是为新型电感储能型大电流源充电电路图。

其中：D₁、D₂、D₃、D₄……D_n是用于保障晶闸管可靠关断的二极管。D₁₂、D₂₂、D₃₂、D₄₂……D_n2是构成换流回路的二极管。L₁，L₂，L₃，L₄……L_n是用于充放电的电感，Th₁、Th₂、Th₃、Th₄……Th_n是用作开关的晶闸管，S_L是开关，U_s是恒压电源，G是电磁轨道炮负载。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明。

本发明是n级电路拓扑结构，其中D₁、Th₁、C₁、D₁₁、D₁₂、D₁₃、L₁是该电路的第一级，也是该拓扑结构的一个基本回路。开关部分101由晶闸管Th₁和二极管D₁组成，晶闸管Th₁的阳极与二极管D₁的阴极相连接，形成端口101A，晶闸管Th₁的阴极与二极管D₁的阳极相连接形成端口101B；控制部分102由电容C₁、反向二极管D₁₃和二极管D₁₁组成。二极管D₁₃、D₁₁采用共阳极接法，形成端口102C，二极管的D₁₃阴极接电容一侧，电容另一侧与另外一个二极管D₁₁阴极连接形成端口102D；储能部分103由储能电感L₁组成，电感L₁的一端与下一级开关部分201A端口连接，二极管D₁₂阳极连接端口201A，同时阴极与开关S_L连接，然后连接负载的另一端口N。控制部分102通过端口102C接负载的M端口，开关部分101通过端口101A与电源Us的正极连接。开关部分101、控制部分102、和储能部分103构成拓扑结构的第一级，也是整个电路拓扑结构的一个基本回路。每个基本拓扑都包含开关部分、控制部分和储能部分三部分。整个拓扑结构由n个基本拓扑连接形成。电源的负极接地并与第n级的储能部分的端口n03A连接，从而整个拓扑结构由初级电源U_s、n级基本电路拓扑和负载G构成完整回路，可以进行工作，实现其功能。

本电路的工作过程分成三个阶段。在电路工作前，电容C₁～C_n上预先充有电压。

第一阶段，恒压电源向电感L₁～L_n串联充电。充电过程电路如图2所示，触发晶闸管Th₁～Th_n导通,恒压源Us给电感L₁～L_n串联充电，当电感中电流达到一定值后，开关S_L闭合。进入下一个阶段。分析可知，在充电过程中，每个回路中任意两电容回路都有反向串联的二极管D₁₃～D_n3存在，使得C₁～C_n完全与充电回路隔离，从而可以使电感电流线性上升,无纹波。与不添加隔离二极管相比较，优势主要体现在有效的控制电感电流和电容电压的纹波，以及电感和晶闸管中长时间大幅高频振荡。

第二阶段，换流过程，通过关断充电回路中晶闸管和与之并联的二极管，将充电回路从主电路移除，向放电回路转换。因为换流过程持续时间短，可以认为储能电感中的电流基本保持不变。换流回路包括：(1)电容C₁,开关S_L，负载G，二极管D_n2，恒压源U_s，晶闸管Th₁构成换流回路；(2)电容C_k，晶闸管Th_k，二极管D_(k-1)2(其中k＝2，3……n),负载G，开关S_L构成换流回路。

首先说明关断晶闸管过程。在上面两个换流回路中(其中i＝1，2，3……n)，流过电容器C_i上的电流从零开始上升，直至与晶闸管Th_i电流相同时，晶闸管自然关断。由于C_i上留有电压，继续有电流流过，与晶闸管Th_i并联的二极管D_i导通，对晶闸管Th_i施加反向电压，当这段时间大于晶闸管关断时间就可以保证晶闸管Th_i可靠关断。

然后说明关断与晶闸管并联二极管的过程。由于二极管承受电压不同，将二极管分成D₁和D_k(其中k＝2，3……n)两类说明。(1)二极管D₁的关断。电容C₁上的电压U_C1逐渐减小，电源U_s电压不变，负载G上电压U_G为正值，二极管D₁上的电压U_D1＝U_C1-U_G-U_s。从而二极管D₁上的电压逐渐减小至负值，二极管D₁由于承受负压而关断。(2)二极管D_k(其中k＝2，3……n)的关断。二极管D_k上的电压U_Dk＝U_Ck-U_G。同理，当二极管D_k上的电压逐渐减小至负值，二极管D₁由于承受负压而关断。

D₁～D_n关断后，当电容C_i上的电压U_Ci逐渐减小至零，与电容C_i反并联的二极管D_i1导通，从而进入下一个阶段。

第三阶段，电感L₁～L_n并联放电过程。电感L_i，二极管D_i2，电容C_i(其中i＝1，2，3……n)，负载G，开关S_L构成n个放电回路。这n个回路并联对负载G放电。

通过上述过程，可以将初级电源的能量转换为满足电磁发射要求的脉冲电源，实现其基本功能。