一种参数可调重频磁场电源电路及其分段控制方法技术

本发明专利技术公开了一种参数可调重频磁场电源电路及其分段控制方法，属于脉冲功率技术领域。电路包括陡化电容、负载磁体、有源桥臂、无源桥臂。本发明专利技术提出的分段控制方法对所述电路结构进行控制，能够在负载磁体中产生幅值、脉宽、周期均可连续调节的高质量阶梯型电流脉冲。该分段控制方法基于滞环比较技术，产生的控制波形频率由平台段负载磁体两侧电压及电流纹波要求决定，因此能够有效降低S1、S4开关频率减少功耗，实现电路效率的整体提升。同时，相较于传统脉冲电源另设充电机进行电容控制的做法，使用该套分段控制方法还能够在不改变电路拓扑的基础上直接实现陡化电容的能量控制，提升阶梯型脉冲电源系统的工作效率及功率密度。密度。密度。

【技术实现步骤摘要】
一种参数可调重频磁场电源电路及其分段控制方法


[0001]本专利技术属于脉冲功率
，更具体地，涉及一种参数可调重频磁场电源电路及其分段控制方法。

技术介绍

[0002]脉冲功率技术的发展一直与高科技发展和国防建设的要求紧密结合，例如受控核聚变与等离子体物理研究、新兴强激光、核爆实验室模拟、电磁武器等。强磁场技术作为脉冲功率技术发展的一项重要成果，为物理、化学、生物等领域的科学研究提供了许多发现物质新特性和新现象的机会。
[0003]根据应用需求的不同，当下强磁场可分为重频稳态磁场与单脉冲磁场两类。重频稳态磁场能够提供持续时间相对更长的稳态磁场，为时间跨度较大且需要重复多次的实验提供必要的研究环境；单脉冲磁场则更注重于脉冲峰值的强度，但由于装置条件与实验成本的限制无法提供长时间且重复的稳态磁场，因此一般应用于瞬态极限环境下的高科技研究。
[0004]当下国际中较为知名的大型强磁场装置大都是以国家而主导建设的单脉冲强磁场源，这些脉冲功率装置以输出脉冲的高能量和高功率而世界闻名服务于高能密度物理或高强度辐射源相关的科研或技术开发工作。而相对功率级别较低的重频稳态磁场，具有灵活的可调参数与调节范围，不仅能够在保证稳定度的前提下提供相对高能的磁环境，而且装置体型相对较小整体机动性更强，更加适合需要进行易地实验的应用场景，因此与工业生产的实际需求十分契合。近年来，重频稳态磁场被广泛应用于各行各业，例如生物质提取、杀菌消毒、磁刺激神经医疗等。但是由于人才缺失且脉冲加速电路前期沉没成本相对较高，因此前文所讲述的一些应用至今也没有找到很好的落脚点，工业用“低功率低指标”重频稳态磁场源的开发任重而道远。
[0005]区别于大型强磁场装置产生的高功率瞬态磁场，工业用重频稳态磁场系统的关注重点在于磁场波形质量、最高重频次数以及使用寿命，而这三项重点都离不开安全高效的电源系统。针对重频稳态磁场电源，当下主流电路结构及其配套控制方法还存在有以下问题：
[0006](1)储能电容充电机占用装置空间。电源系统必须能够在短时间内提供高压，并在达到参考磁场强度的瞬间切断高压供应维持平台段电流，为实现这一点大部分电源系统采用了“储能电容+高压充电机”的组合，这一做法不仅让电源系统拓扑复杂，还使得装置体积增加。
[0007](2)换流电路复杂可靠性低。为了保证磁场波形的可控性，重频稳态磁场电源主电路中往往会使用大量功率开关器件，这一做法不仅降低了装置可靠性，还增加装置制造成本。
[0008](3)控制策略过于简单硬件负担大。由于采用了许多开关器件，因此主流电源系统的控制方式往往更加简单直接，但是这种控制方式常常忽略了硬件开关频率、过电压、过电
流等限制条件，导致装置的重频次数及使用寿命无法达到理论计算结果。
[0009](4)电路损耗较大能量利用率低。开关器件的增加与高频开关状态同样将产生较高的开关损耗与通态损耗，使得电源系统整体效率下降。

技术实现思路

[0010]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提出一种参数可调重频磁场电源电路及其分段控制方法，旨在简化电源电路结构降低装置体积，同时通过制定恰当的控制策略解决波形质量与器件耐受极限之间的矛盾，满足工业重频稳态磁场电源的迫切需求，具有电路结构简单，可靠性高，损耗小，运行效率高等一系列突出优点。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供了一种参数可调重频磁场电源电路，包括：陡化电容C、负载磁体L
m
、有源桥臂、无源桥臂。有源桥臂由电容控制上支路与蓄电池放电下支路串联而成；所述电容控制上支路由一只IGBT S1单独构成，所述蓄电池放电下支路由蓄电池V
s
与二极管D2串联组成。无源桥臂由续流上支路与放电下支路串联而成；所述续流上支路由一只二极管D3单独构成，所述放电下支路由一只IGBT S4单独构成。负载磁体L
m
两端分别接在有源桥臂与无源桥臂的上、下支路连接点，与两桥臂共同形成H桥式电路结构，是产生重频稳态磁场的核心器件。陡化电容C两端与两桥臂并联，起到对磁场波形边沿陡化的作用。
[0012]本专利技术还提供一种分段控制方法对所述参数可调重频磁场电源电路进行控制。所述分段控制方法包含3个控制阶段：平台段控制阶段、边沿段控制阶段、电容能量控制阶段。根据电路参数提前计算脉冲磁场波形各个上升沿、下降沿所需时间Δt
rise_i
、Δt
fall_i
，控制有源桥臂上支路开关S1与无源桥臂下支路开关S4在Δt
rise_i
、Δt
fall_i
内仅可靠动作一次。
[0013]进一步地，所述平台段控制阶段，控制开关器件让蓄电池提供维持电流，使用蓄电池维持脉冲波形平台段负载电流均值，对有源桥臂上支路开关S1与无源桥臂下支路开关S4采用滞环比较控制，保证S1与S4在脉冲平台段开关状态互补，使负载磁体上电流仅仅在平台段参考值附近小范围波动。
[0014]进一步地，所述边沿段控制阶段的上升沿阶段，控制开关器件使得陡化电容对负载磁体放电，使磁体能量迅速上升，并在电流达到平台段参考值时迅速停止陡化放电。使用陡化电容优化脉冲波形边沿；脉冲磁场波形上升沿处，控制陡化电容为负载磁体供能使电流骤升，脉冲磁场波形下降沿处，控制陡化电容吸收负载磁体富余磁能使电流骤降。
[0015]进一步地，所述边沿段控制阶段的下降沿控制阶段，控制开关器件使负载电流通过陡化电容迅速释放能量，并在电流达到下一平台段电流参考值时停止向陡化电容释放能量。陡化电容中储存的能量可用作重频运行过程中下一次稳态磁场的建立。
[0016]进一步地，所述电容能量控制阶段，在需要增加电容储能时控制S1保持关断状态，在需要减少电容储能时控制S1保持导通状态。仅通过改变对应直流平台的原平台段控制阶段S1的状态，而不改变S4的动作规律，就能够实现直接使用蓄电池与泄能电路实现陡化电容电压峰值可控。一方面控制无源桥臂强制换流，能够通过有源桥臂蓄电池放电下支路、负载磁体以及无源桥臂续流上支路实现陡化电容储能升压；另一方面通过电容控制上支路、负载磁体以及无源桥臂放电下支路实现陡化电容泄能降压。
[0017]进一步优选地，边沿段控制阶段：假设阶梯波当前平台参考值为I1，下一个平台参考值为I2，若I1≤I2，当目标阶梯波下一直流平台参考值增加，电流上升沿开始，此时流过负
载磁体电流小于平台段参考电流值的下界0.98I2，控制S1与S4导通，形成回路C
→
S1→
L
m
→
S4→
C，直至电流上升沿结束，负载磁体电流瞬时达到平台段电流参考值的上界1.02I2，控制S4关断，形成回路S1→
L
m
→
D3→
S1，让负载磁体电流通过D3续流，电路进入下一直流平台的平台段控制阶段；若I1>I2，当目标阶梯波下一直流平台参考值降低，电流下降沿开始，负载磁体电流大于下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种参数可调重频磁场电源电路，其特征在于，包括：陡化电容C、负载磁体L
m
、有源桥臂、无源桥臂，有源桥臂由电容控制上支路与蓄电池放电下支路串联而成，所述蓄电池放电下支路由蓄电池V
s
与二极管D2串联组成，无源桥臂由续流上支路与放电下支路串联而成，负载磁体L
m
跨接在有源桥臂与无源桥臂的上、下支路连接点之间，所述有源桥臂和无源桥臂并联形成H桥式电路，陡化电容C并联在有源桥臂与无源桥臂两端。2.根据权利要求1所述一种参数可调重频磁场电源电路，其特征在于，所述电容控制上支路包括绝缘栅双极型晶体管S1，用于实现陡化电容对负载磁体能量的释放与吸收。3.根据权利要求1所述一种参数可调重频磁场电源电路，其特征在于，所述续流上支路包括二极管D3，用于续流负载磁体电流，为负载磁体提供能量反馈通道。4.根据权利要求1所述一种参数可调重频磁场电源电路，其特征在于，所述放电下支路包括绝缘栅双极型晶体管S4，用于为陡化电容或者蓄电池向负载磁体供能提供放电通道，同时实现供能时长的可控。5.一种如权利要求1至4任一项所述的参数可调重频磁场电源电路的分段控制方法，其特征在于，包括3个阶段：平台段控制阶段、边沿段控制阶段、电容能量控制阶段；边沿段控制阶段：假设阶梯波当前平台参考值为I1，下一个平台参考值为I2，若I1≤I2，电流上升沿开始，此时流过负载磁体电流小于平台段参考电流值的下界0.98I2，控制S1与S4导通，形成回路C
→
S1→
L
m
→
S4→
C，直至电流上升沿结束，负载磁体电流瞬时达到平台段电流参考值的上界1.02I2，控制S4关断，形成回路S1→
L
m
→
D3→
S1，让负载磁体电流通过D3续流，电路进入下一直流平台的平台段控制阶段；若I1>I2，电流下降沿开始，负载磁体电流大于下一阶段平台段电流参考值的上界1.02I2，控制S1与S4关断，形成回路V
s
→
D2...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂培宇，丁洪发，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：