【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于脉冲功率，更具体地，涉及一种强脉冲功率电源拓扑结构及基于其的冲击波产生方法。
技术介绍
1、脉冲功率电源能够瞬间输出超高的脉冲功率，具有广泛的应用。脉冲功率电源组成具体包括脉冲电容、脉冲电感、晶闸管、续流二极管和输出电缆等器件。现有脉冲功率电源多采用单元模块化设计，每个脉冲功率电源模块为一个独立电源，包括上述所有组成部分，现有主流脉冲电源方法采用多个脉冲电源模块组成脉冲电源网络。脉冲功率技术由于效率高、损耗小、安全性高与环保等优点，被应用于破岩领域，脉冲电破碎要求脉冲功率电源输出电压上升时间在数百纳秒。当采用容值较小的脉冲电容时，会产生快速上升的高功率峰值脉冲；当采用容值较大的脉冲电容时，会产生冲量较大的长功率脉宽脉冲。高压脉冲破岩对输出电压波形的波前陡度要求较高，需要在100ns以内达到几百千伏的高压，才能使岩石先于绝缘液体发生击穿，对于驱动源要求输出特性以及绝缘性能均有较高的要求，已有的高压脉冲破岩装置往往采用分离式设计，装置体积大，装置中对地电容、回路电感、破碎电极泄漏电阻等分布参数对高压脉冲输出特性尤其是波前陡度与幅值影响大，将会导致输出电压上升时间增加与峰值下降，使得输出电压的陡度难以满足岩石击穿的条件，易发生液中击穿，有效破碎次数少，能量利用效率低，破碎速度慢。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种强脉冲功率电源拓扑结构及基于其的冲击波产生方法，旨在解决已有的高压脉冲破岩装置输出电压上升时间增加与峰值下降，使得输出电压的陡度难
2、为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种强脉冲功率电源拓扑结构，包括：高功率幅值脉冲产生单元、长功率脉宽脉冲产生单元、充电单元、隔离单元和负载单元；
3、充电单元的负极端与长功率脉宽脉冲产生单元相连，其正极端连接隔离单元的输入端；隔离单元的第一输出端连接高功率幅值脉冲产生单元，其第二输出端连接长功率脉宽脉冲产生单元；负载单元位于高功率幅值脉冲产生单元和长功率脉宽脉冲产生单元之间；
4、充电单元用于为高功率幅值脉冲产生单元和长功率脉宽脉冲产生单元提供高压直流电；隔离单元用于对高功率幅值脉冲产生单元与长功率脉宽脉冲产生单元进行电位隔离；
5、高功率幅值脉冲产生单元用于调控充电完成后的脉冲电容器向放电晶闸管进行串联放电，基于marx原理加大负载单元两端电压，输出高功率幅值脉冲；负载单元用于在高功率幅值脉冲的作用下，使金属丝快速相变击穿形成初始等离子体通道，产生高幅值冲击波；
6、长功率脉宽脉冲产生单元用于在初始等离子体通道形成后，通过时序控制放电导通时间，增大负载单元中金属粉末的放电电流，向初始等离子体通道注入能量，产生长功率脉宽脉冲；所述负载单元用于在长功率脉宽脉冲作用下，维持等离子体通道的稳定与膨胀，产生等离子体冲击波；在等离子体通道膨胀过程中对外辐射的热量点燃金属粉末，金属粉末对外释放能量，产生爆燃冲击波；其中，爆燃冲击波与等离子体冲击波叠加形成大冲量激波。
7、进一步优选地，高功率幅值脉冲产生单元包括：第一脉冲电容器组、第一二极管组、第一放电晶闸管组、第一电感和第二二极管组；
8、第一脉冲电容器组中的第一脉冲电容器与第一放电晶闸管组中的第一放电晶闸管间隔并联设置；第i个放电晶闸管的阴极与第i个第一脉冲电容器之间设置有第i个第一二极管；第i+1个第一放电晶闸管的阳极与第i个第一脉冲电容器之间设置有第i个第二二极管；第n个第一脉冲电容器与第n个第一二极管的公共节点后顺次串联第一电感和负载单元；其中，n为第一脉冲电容器组中第一脉冲电容器的总个数；1≤i≤n-1；
9、充电过程中，第一二极管组和第二二极管组导通，充电单元为第一脉冲电容器组进行充电储能；第二二极管组用于隔离各第一脉冲电容器的高压段；
10、放电过程中，第一脉冲电容器组充电完成后导通第一放电晶闸管组，进行串联放电，实现第一脉冲电容器组电位的叠加，输出高功率幅值脉冲；
11、续流过程中，当第一脉冲电容器组电能完全释放后，第一二极管组导通，高功率幅值脉冲电流由第一放电晶闸管组导入第一二极管组；
12、其中，第一二极管组承受最高电压为充电电压；第一放电晶闸管组中的第一放电晶闸管同步导通，且第一放电晶闸管组的触发脉宽高于金属丝相变过电压脉宽。
13、进一步优选地，长功率脉宽脉冲产生单元包括第二脉冲电容器组、第二晶闸管组、第三二极管组、第五二极管组、第二隔离电阻组和调波电感组；
14、从负载单元靠近第一电感侧的节点开始，调波电感组中的每个电感、第五二极管组中的每个第五二极管、第二脉冲电容器组中的每个第二脉冲电容器或第三二极管组中的每个第三二极管以及第二晶闸管组中每个第二晶闸管一一对应串联后接入负载单元的接地侧；其中，第二脉冲电容器组中的每个第二脉冲电容器与第三二极管组中的每个第三二极管一一对应并联；每一第二脉冲电容器与地之间接有一个第二隔离电阻；
15、充电过程中，第三二极管组和第五二极管组截止，充电单元为第二脉冲电容器组进行充电储能，第二隔离电阻用于在放电时实现第二脉冲电容器组与地的电位隔离；
16、放电过程中，初始等离子体通道形成且第二脉冲电容器组完全充电后，控制第二晶闸管组导通；调波电感组中的每个电感、第五二极管组中的每个第五二极管、第二脉冲电容器组中的每个第二脉冲电容器以及第二晶闸管组中每个第二晶闸管一一对应串联接入负载单元的接地侧，构成放电回路，增大负载单元中金属粉末的放电电流，向初始等离子体通道注入能量，产生长功率脉宽脉冲；
17、续流过程中，第二脉冲电容器组完全放电后，调波电感组中的每个电感、第五二极管组中的每个第五二极管、第三二极管组中每一第三二极管以及第二晶闸管组中每个第二晶闸管一一对应串联接入负载单元的接地侧，形成续流回路。
18、进一步优选地，隔离单元包括隔离开关、充电电阻组、第四二极管组和第三隔离电阻；
19、隔离开关设置在连接高功率幅值脉冲产生单元的线路上；第四二极管组中的每一第四二极管和充电电阻组中的每一充电电阻一一对应串联连接在第二脉冲电容器远离第二隔离电阻组侧的节点上；充电单元的正极侧连接第三隔离电阻；第三隔离电阻与隔离开关之间的线路上连接各第四二极管；
20、隔离开关用于在高功率幅值脉冲产生单元和长功率脉宽脉冲产生单元放电时断开；第四二极管组用于在长功率脉宽脉冲产生单元放电时避免放电回路间互相干扰，实现电位隔离；充电电阻组用于隔离高功率幅值脉冲产生单元和长功率脉宽脉冲产生单元，避免长功率脉宽脉冲产生单元通过第二脉冲电容器组形成回路。
21、进一步优选地，充电单元，其与高压变换单元相连，采用t型回路，包括保护电阻、反压吸收电阻和高压硅堆；保护电阻用于将高功率幅值脉冲产生单元和长功率脉宽脉冲产生单元与高压变换单元进行电位隔离；高压硅堆与本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，包括：高功率幅值脉冲产生单元、长功率脉宽脉冲产生单元、充电单元、隔离单元和负载单元；
2.根据权利要求1所述的强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，所述高功率幅值脉冲产生单元包括：第一脉冲电容器组、第一二极管组、第一放电晶闸管组、第一电感和第二二极管组；
3.根据权利要求1或2所述的强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，长功率脉宽脉冲产生单元包括：第二脉冲电容器组、第二晶闸管组、第三二极管组、第五二极管组、第三隔离电阻组和调波电感组；
4.根据权利要求2所述的强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，所述隔离单元包括隔离开关、充电电阻组、第四二极管组和第三隔离电阻；
5.根据权利要求1或4所述的强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，充电单元，其与高压变换单元相连，采用T型回路，包括保护电阻、反压吸收电阻和高压硅堆；保护电阻用于将高功率幅值脉冲产生单元和长功率脉宽脉冲产生单元与高压变换单元进行电位隔离；高压硅堆与反压吸收电阻反并联于高功率幅值脉冲产生单元或长功率脉宽脉冲产生单元，用于吸收高功率幅值脉冲产
6.一种基于如权利要求1所述的强脉冲功率电源拓扑结构的冲击波产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，包括：高功率幅值脉冲产生单元、长功率脉宽脉冲产生单元、充电单元、隔离单元和负载单元；
2.根据权利要求1所述的强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，所述高功率幅值脉冲产生单元包括：第一脉冲电容器组、第一二极管组、第一放电晶闸管组、第一电感和第二二极管组；
3.根据权利要求1或2所述的强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，长功率脉宽脉冲产生单元包括：第二脉冲电容器组、第二晶闸管组、第三二极管组、第五二极管组、第三隔离电阻组和调波电感组；
4.根据权利要求2所述的强脉冲功率电源拓扑结构，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘毅，肖诗芸，李柳霞，徐尤来，林福昌，欧健，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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