[發明專利]全儲能脈沖電源及電流脈沖產生方法

在審

• 申請號: 201810114423.4
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108134534A
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 楊建成;吳鳳軍;高大慶;申國棟;燕宏斌;夏佳文;周忠祖;盛麗娜;黃玉珍
• 申請（專利權）人: 中國科學院近代物理研究所
• 主分類號: H02M9/06
• 分類號: H02M9/06;H03K3/57;H05H7/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 張宇園

本發明涉及一種電流脈沖產生的方法，包括：采用儲能電容器存儲能量，在電流波形脈沖上升段所需能量全部由該儲能電容提供；在電流波形下降段磁鐵負載電感中所存能量返回該儲能電容中，為下一個脈沖做好準備，實現能量重復利用。本發明采用全儲能方式，針對性的解決了粒子加速器脈沖電源強激勵電源的主要問題。

技術領域

本發明涉及粒子加速器領域，還涉及全儲能脈沖電源及電流脈沖產生方法。

背景技術

粒子加速器是對帶電粒子進行加速的一種裝置，其中粒子是在約束磁場中運動的，磁鐵與勵磁電源共同構成加速器磁場系統。同步加速器是粒子加速器的一種，加速器在對帶電粒子加速時，隨著被加速粒子能量的提高，其約束磁場也需同步提高，因此勵磁電流需同步提高，當一個加速周期完成后磁場需要降低至低位，被加速粒子束流注入加速器中，準備開始下一個加速周期，同步加速器勵磁電源典型工作電流波形如圖1上圖所示。同步加速器勵磁電源需要工作于脈沖模式，勵磁電流周期決定了加速周期。同步加速器磁鐵實際上是一個大電感，另外同步加速器中磁鐵往往串聯起來，總之勵磁電源負載是一個小電阻的大電感。在一個很大電感上產生上升時間和下降時間很短的脈沖電流是比較困難的。目前針對大電感磁鐵脈沖電流獲得一般有兩種方式，一種為諧振方式，即采用串聯諧振或者并聯諧振方式在磁鐵線圈上得到脈沖電流，此種方式產生的脈沖電流頻率一般可達幾十赫茲至幾百赫茲，但是諧振方式只能產生固定頻率的正弦電流波形，頻率不易調節，適用于固定輸出的勵磁電源中。另外一種方式為強激勵方式，即電源產生很高的激勵電壓強行加在磁鐵電感上，從而在電感上產生所需電流波形，此種方式電流波形、幅度、頻率等可任意調節，但是當輸出電流很大，或者磁鐵電感很大時，因為所需強激勵電壓太高，輸出電流頻率不會太高。

因為磁鐵是電感，而且還是很大電感負載，要產生高頻率大電流脈沖，意味著很高的電流變化率，根據電磁感應定律，這必然要求勵磁電源提供很高的強激勵電壓，高電壓大電流意味著電源脈沖功率會非常大大。當電流上升時電源需要從電網抽取能量，電流上升時間很短時，因為電網回路存在各種感性元件導致能量不能及時從電網轉到負載上，因此一般情況下電流上升時間不能太短，電流上升率不能太高；當電流下降時磁鐵電感中的能量需從磁鐵中轉移出來，或者通過電阻消耗掉，這樣電源效率很低，非常不經濟。磁鐵能量逆變回電網是很好的一種選擇，但是電流下降時間越短，逆變峰值功率就越大，對電網的沖擊就越大，對電網產生很大的擾動，嚴重時電網電能質量超標不能正常供電，影響電網可靠性和安全性。因此，為了減小各種沖擊，強激勵脈沖電源上升下降時間都比較長，也就是脈沖頻率都比較低，一般不會超過1Hz。綜上所述，在傳統強激勵電壓的脈沖電源中，電流脈沖頻率不可能太高，一般在1赫茲以內；電源工作時對電網影響比較大，一般要采取各種措施對電網波動進行補償和調節；而且電源脈沖功率很大，要求配電功率也很大。

另外，如圖1中間電壓波形所示，在電流注入段和平頂段，電流為直流，此時電感電壓為零，只有直流電壓，也即注入段電壓VP1和平頂段電壓VP3較峰值電壓VP2低幾倍至幾十倍，意味著電源輸出需電壓需要在大范圍內連續變化，而且在每一個階段都需保證電源輸出精度，這對電源來說是非常困難的。一般情況是保證強勵電壓，這樣在平頂段電源電壓很低，對于開關電源來說，占空比就很小，嚴重影響電源性能。而直流段要么是注入段要么是束流儲存等階段，這種方式對平頂段束流造成不利影響。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種全儲能脈沖電源及電流脈沖產生方法，以至少部分解決以上所述的技術問題。

(二)技術方案

根據本發明的一方面，提供一種電流脈沖產生的方法，包括：

采用儲能電容器存儲能量，在電流波形脈沖上升段所需能量全部由該儲能電容提供；

在電流波形下降段磁鐵負載電感中所存能量返回該儲能電容中，為下一個脈沖做好準備，實現能量重復利用。