[發明專利]一種模塊化超導儲能連續脈沖功率電源

有效

• 申請號: 201610036334.3
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105515391B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 李海濤;張存山;李震梅;胡元潮;高明亮;鄒國鋒;鄭欣欣
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: H02M3/315
• 分類號: H02M3/315
• 代理公司: 淄博佳和專利代理事務所37223
• 代理人: 孫愛華

技術領域

一種模塊化超導儲能連續脈沖功率電源，屬于脈沖功率技術領域。

背景技術

脈沖功率技術產生于20世紀30年代，是一種研究能量儲存、壓縮、轉換和傳輸的技術，以高電壓、大電流、高功率、強脈沖為特點，也稱為高功率脈沖技術。其基本原理是：先將電能以較低的功率存儲起來，再通過開關、脈沖調制等技術在很短的時間內將能量釋放給負載，從而在負載上獲得很高的功率脈沖。脈沖功率技術在許多應用基礎和高技術研究領域中都有重要的應用前景，如在國防科技領域，脈沖功率技術可以為脈沖激光武器、粒子束武器、高功率微波武器、電化學炮、各種電磁彈射系統等新概念武器提供大功率脈沖電源；在現代科學研究領域，脈沖功率技術還可應用于受控核物理試驗、強流粒子束加速器、脈沖強磁場、超高速碰撞力學以及半導體離子注入等研究方面；在民用工業領域，脈沖功率技術還可應用于機械加工、材料處理、環境治理、生物醫療等方面。由于應用的需求，人們不斷對脈沖功率技術提出許多新的挑戰，也促進了它向更廣寬度發展。

當前，高密度儲能技術是脈沖功率技術發展的關鍵技術之一，直接涉及整個脈沖功率系統裝置的小型化、輕量化和緊湊化等問題。儲能技術種類較多，目前最具代表性的是輸出功率大、波形調制方便、組合靈活的電容器儲能。不過，電容器的儲能密度不高，很難降低脈沖功率裝置的體積。電感儲能密度比較高，但其缺點是電感線圈內阻耗能大，對初級電源要求高，不能長時間儲能，放電過程中對斷路開關要求也較高。

超導電感具有更大的儲能密度，且損耗小、儲能效率高、能夠較長時間儲能，在脈沖功率技術中展現出了良好的應用前景。而且隨著高溫超導材料生產技術的不斷發展，超導電感的單位體積儲能密度會越來越高，符合脈沖功率裝置小型化和輕量化的要求。不過，斷路開關問題仍是超導電感儲能在脈沖功率技術中面臨的主要問題。

在當前文獻中，對解決電感儲能脈沖功率技術中斷路開關問題的研究方法主要有四種：

第一種是文獻O. Liebfried and V. Brommer. A Four-Stage XRAM Generator as Inductive Pulsed Power Supply for a Small-Caliber Railgun [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(10): 2805-2809.和文獻Y. Aso, T. Hashimoto, T. Abe, et al. Inductive Pulsed-Power Supply with Marx Generator Methodology [J]. IEEE Trans. Magn., 2009, 45(1): 237–240.研究的多模塊電感串聯充電并聯放電的電源模式。它通過減小電感值，將更多的電感并聯放電來實現電流的倍增和斷路開關電壓的減小。缺點是要實現高幅值電流脈沖的要求，則需要電感模塊數非常巨大，使系統過于復雜。

第二種是文獻Sitzman A, Suris D, Mallick J. Design, Construction, and testing of an inductive pulsed-power supply for a small railgun [J]. IEEE Trans on Magnetics, 2007, 43(1): 270-274.和文獻X. Yu, H. Liu, J. Li, et al. Discussion on the Discharging Effects of Two STRETCH Meat Grinder Modules With Different Triggering Delays [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, 43(5): 1469-1473. 研究的，以及專利申請號201210228710公布的基于自耦變壓器原理的Meat-grinder電源模式。它通過兩個電感的互感耦合作用實現電流脈沖的放大，再通過轉換電容實現斷路開關電壓的限制，有效地減少了脈沖功率系統對電感模塊數的要求。缺點是由于電流脈沖的幅值較高（遠超過超導電感的臨界電流），產生電流脈沖的耦合電感很難用超導電感代替，該電感的內阻使其在充電過程不能長時間儲能。