[發明專利]一種脈沖功率電源、GW級功率行波磁場產生裝置及方法

有效

• 申請號: 202011508812.9
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112713798B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 戴玲;祝琦;李大偉;周游;林福昌
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02M9/04
• 分類號: H02M9/04;H03K3/57
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種脈沖功率電源、GW級功率行波磁場產生裝置及方法，其中，GW級功率行波磁場產生裝置包括多個級聯的脈沖模組；每個脈沖模組均包括N個并聯的電氣參數相同的脈沖功率電源；各脈沖功率電源分別作為N相連接到所述脈沖模組對應的定子負載上；該脈沖功率電源能輸出正負半波電流幅值相等、電流頻率一定且高次諧波較小的交流電流，產生輸出功率穩定的電磁場，輸出功率穩定。各脈沖模組被預設時序的驅動信號觸發后，按照預設時序放電，保持前級脈沖模組所產生的單級行波磁場穿過對應的定子負載時，后級脈沖模組接收到驅動信號進行放電，在每個定子負載上形成穩定的向前推進的行波磁場，即GW級功率行波磁場，從而能夠承載大載荷的快速運輸。

技術領域

本發明屬于高電壓電工電器和脈沖功率技術領域，更具體地，涉及一種脈沖功率電源、GW級功率行波磁場產生裝置及方法。

背景技術

大載荷快速運輸系統是指數噸至數十噸重的在和加速到每秒上百乃至上千米的速度的運輸系統，例如電磁彈射、磁升運器、電磁巨炮。大載荷快速運輸系統一般由脈沖功率電源能源系統和直線電機能量轉換系統構成。由于其載荷質量大、加速度高、速度快，因此需要產生穩定且相當大的推力。由于推力性能主要受電磁負荷的影響這就要求電源系統能提供更高的電壓、更大的電流和可選頻率更寬的電流，直線電機能產生穩定且相當大的推力。

脈沖功率電源技術能在較長的時間用相對較小的功率將電能儲存起來，根據需要瞬態釋放，實現能量在時間尺度上的壓縮和功率的倍增。脈沖功率電源技術在國防領域和基礎學科領域有著廣泛的應用，這些應用主要包括：電磁發射、可控核聚變、大功率激光、強磁場等，世界上很多國家的科研機構都投入大量資源進行脈沖功率電源技術的研究。脈沖功率電源是大載荷快速運輸領域的核心能源裝置，能提供用于適應驅動磁場要求和時序的能量，具備提供穩態或瞬態電流的能力，具有高功率、大電流連續脈沖輸出能力，脈寬毫秒至秒量級。脈沖功率電源最常用的儲能形式是電化學儲能、電場儲能、磁場儲能和慣性儲能四種方式。其中電容儲能技術最為成熟，相應的充放電技術與開關技術也相對成熟，應用最為廣泛，尤其是自愈式金屬膜電容器技術的成熟，使得電容器儲能密度大為提高，不但成為試驗研究用大功率放電平臺脈沖功率源的主流方案，而且成為未來工程應用的主要電源方案之一。

現有用于大載快速運輸的電源方案主要包括大功率電網供電方案和脈沖發電機方案。這兩種方案均以PWM整流為基礎產生驅動電機的三項交流電。大功率電網供電方案采用拉專線建變電站用電網能量進行供電的方式，但由于負載功率太高，運輸系統工作時會影響整個電網的安全運行。脈沖發電機方案是以原動機拖動儲能并以多臺脈沖發電機并聯發電，由于高壓半導體開關器件的開關頻率存在上限，會導致輸出電流波動，輸出功率不穩定，導致動子的推力和加速度產生波動影響動子運動狀態，并且該方案系統效率較低，無法快速運輸大載荷。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種脈沖功率電源、GW級功率行波磁場產生裝置及方法，其目的在于解決現有技術存在輸出功率不穩定，無法快速運輸大載荷的技術問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種脈沖功率電源，包括：儲能電容器、半導體開關組件和調波電感；

儲能電容器包括主儲能電容器和補償電容器；半導體開關組件包括主晶閘管、副晶閘管、主二極管和副二極管；調波電感包括主調波電感和補償電感；

其中，主儲能電容器的負極端和補償電容器的正極端共地；主儲能電容器的正極端分別與主晶閘管的陽級端、副晶閘管的陽極端以及主二極管的陰極端相連；主晶閘管的陰極端分別與主調波電感的第一功率端、主二極管的陽極端以及副二極管的陰極端相連；副晶閘管的陰極端與補償電容器的負極端相連；副二極管的陽極端與補償電感的第一功率端相連；主調波電感的第二功率端與補償電感的第二功率端相連，并作為輸出端連接到負載。