初祥祥，于歆杰，劉秀成

(電力系統(tǒng)國家重點實驗室，清華大學電機系，北京100084)

1 引言

隨著半導體技術和超導技術的發(fā)展，電感儲能型脈沖電源的儲能密度優(yōu)勢日趨顯著。研究電感儲能型脈沖電源的單位和組織主要有美國的IAT和德法聯(lián)合實驗室ISL。

基于對傳統(tǒng) Meatgrinder電路的改進［1］，IAT 提出 STRETCH Meatgrinder［2］。采用 IGCT 作為主管，已成功研制3.8kA充電電流、20kA放電電流、1.5kJ電感儲能型脈沖電源。他們正沿此技術路線，研制2MJ炮口動能的電磁發(fā)射系統(tǒng)。ISL基于ICCOS原理［3］，采用晶閘管作為主管先后設計了8級、20級XRAM［4-5］。已經(jīng)成功研制了 3kA充電電流、60kA放電電流、4.7kJ的電感儲能型脈沖電源。他們準備繼續(xù)研制20級、總能量為0.5MJ的電磁發(fā)射系統(tǒng)。清華大學對于電感儲能型脈沖電源進行了研究，采用IGCT作為主管，提出了一種新型的無互感的電感儲能型脈沖電源拓撲［6］。

2 三種電路拓撲的工作原理

2.1 STRETCH Meatgrinder

最新 STRETCH Meatgrinder拓撲如圖1所示［7］。電路工作可分為4個階段。

第1階段，初級電源給電感 L1、L2充電。Sop(IGCT)閉合，初級直流恒壓源 us對電感 L1、L2進行充電，電感電流線性上升到給定電流值后，斷開Sop。

圖1 STRETCH Meatgrinder拓撲Fig.1 Topology of STRETCH Meatgrinder

第2階段，類似 Meatgrinder。由于 L1、L2同時具有互感和漏感能量，下面依次分析二者的影響。

對于互感能量，Sop斷開瞬間，L1、L2總磁鏈保持不變。電感一般取L1是L2的幾十倍，因此L1中磁鏈減少導致L2磁鏈對應的電流iL2快速上升。這是負載電流倍增系數(shù)(負載獲得電流峰值與一次電源供電峰值之比)的主要成分。在節(jié)點A處列寫KCL有iLoad=iL2－ iL1。iL2增加，iL1減少，D1導通。

對于漏感能量，與之對應的電流只有一條通路，那就是沿著 D1、Load、C、D2、L1。電感 L1對電容 C 進行反向充電，電容電壓從零開始下降，L1中的電流逐漸下降至零。電容C的存在限制了主管Sop電壓，降低了IGCT的開關應力。當電感L1電流下降至零，二極管D2自然關斷進入第3階段。

第3階段，電容電壓恒定，延遲放電。iL1過零后，uC取得極值。雖然此時在T1上施加的是正向電壓，但無觸發(fā)脈沖，uC保持不變。負載電流完全由L2提供，處于一階LR放電狀態(tài)。觸發(fā)延遲時間是一個可控的量，改變其長短可以得到不同的負載電流波形，給設計帶來了一定靈活性。

第4階段，人為觸發(fā) T1，電容 C放電。L1、T1、C、Load、D1組成放電回路。這個過程iL1為負值。由iLoad=iL2－ iL1可知，iL1有利于 iLoad增加。由于 iL2逐漸減少，iL1絕對值逐漸增大，iLoad出現(xiàn)一個峰。這個峰取決于二者變化速率，因此它并不是出現(xiàn)在iL1最大值的時刻。當uC過零后電容C正向充電，iL1逐漸減少至零;之后電容 C再次放電，放電回路為 C、D2、L1、D1、Load。uC過零后電容 C 再次反向充電，直至iLoad減少至零，uC保持不變的負電壓，僅由L2給負載一階放電。此后可以在適當時刻再觸發(fā)T1重復3、4階段。后文仿真只觸發(fā)1次。

2.2XRAM

基于ICCOS換流原理，ISL提出了XRAM電路，8級 XRAM電路拓撲結構如圖2所示。

圖2 8級XRAM電路拓撲Fig.2 Topology of eight stage XRAM

XRAM工作過程可分為3個階段，電路工作前，電容Ck(k=1～8)上有預充電電壓。

第1階段，初級電源給 L1～8串聯(lián)充電。觸發(fā)晶閘管 Th1～Th8，恒壓源 us給 L1～8串聯(lián)充電，電感電流上升到指定電流值后，Th9閉合，進入第2階段。

第2階段，ICCOS換流。換流過程很短，可認為儲能電感中電流基本不變，Lk、Dk2、Load、Th9、Ck構成 8 個并聯(lián)放電回路。C1、Th9、Load、D82、us、Th1構成換流回路;另外，Ck、Thk(k=2 ～8)、D(k－1)2、Load、Th9構成換流回路。iCk從零開始上升，直至與晶閘管Thk電流相同時，Thk自然關斷。由于 Ck仍有殘壓，繼續(xù)放電，與 Thk反并聯(lián)的二極管 Dk導通，對 Thk施加反壓。只要這段時間大于晶閘管的關斷時間tq就可以保證Thk可靠關斷。為了更清楚說明與二極管Dk是如何關斷的，分成 D1和 D2～8兩類分別說明，這樣分類主要考慮到二者承受的電壓不同。對于D1，uD1=uC1－ uLoad－ us。uC1逐漸減少，us不變，uLoad是正值(負載為小阻感，電流一直增加，負載上的電壓為正值)，因此uD1逐漸減少，直至為負值，D1承受反壓而關斷。對于二極管 D2～8，uDk=uCk－uLoad，同理分析Dk也會因承受反壓而關斷。

D1～8關斷后，Lk、Ck、Th9、Load、Dk2構成二階欠阻尼系統(tǒng)，uCk逐漸減少直至為零，反并聯(lián)的二極管Dk1導通，進入第3階段。

第 3 階段，L1～8并聯(lián)放電。

2.3 無互感的電感儲能型脈沖電源

該拓撲如圖3所示，工作可分為3個階段。

第1階段:Sop(IGCT)閉合，L1、L2被充電到指定電流，Sop斷開同時Scl閉合，進入第2階段。

圖3 無互感的電感儲能型脈沖電源拓撲Fig.3 Topology of non-mutual inductance PPS

第2階段:L1先經(jīng)過 Scl、Load、C回路對電容 C進行反向充電，iL1逐漸減少直至為零;接著 C通過Load、Scl、L1回路對 L1進行充電，uC逐漸減少，iL1從零減少為負值。uC過零，Dcb導通。

第3階段:L1L2并聯(lián)給負載供電。

3 基于Simplorer?仿真分析

為客觀比較三種電路的優(yōu)劣，仿真時保證三種電路電感初始儲能約為1.9kJ，初級電源充電電流為 4.1kA，總電感值約 220μH。STRETCH Meat-grinder中 L1=158μH、L2=5.89μH(耦 合 系 數(shù)0.94)，C=800μF;XRAM共有 8級，每一級電感均為30μH，電容值均為140μF;無互感的電感儲能型脈沖電源 L1=110.5μH、L2=110.5μH，電容 C=1000μF。負載參考IAT和ISL，采用電阻1mΩ、電感1μH的小阻感負載。初級電源采用123V的直流電壓源?；谏鲜銮疤?，在 Simplorer?8.0中進行仿真，主要比較主開關的電壓波形和電流倍增系數(shù)。

關于STRETCH Meatgrinder與無互感的電感儲能型脈沖電源的電感參數(shù)有一點說明。對于前者，L1是L2的幾十倍，是為了得到較大的電流倍增系數(shù)。對于后者，若L1遠大于 L2，需要較大電容值以限制主管電壓，會失去電感儲能密度的優(yōu)勢;反之，則L1能量消耗過快，因此選取二者相等。

3.1 STRETCH Meatgrinder仿真分析

基于 Simplorer? 對 STRETCH Meatgrinder進行了仿真，仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 STRETCH Meatgrinder電壓仿真波形Fig.4 Simulated voltage waves of STRETCH Meatgrinder

圖5 STRETCH Meatgrinder電流仿真波形Fig.5 Simulated current waves of STRETCH Meatgrinder

0～7.55ms(t0－t1)，對應電路的第1階段。

7.55 ～7.85ms(t1－t2)對應第2階段。由于 C的限壓，uSop=us－uC，約為1.2kV。這個階段末負載電流波形出現(xiàn)了第一個峰19.5kA。

7.85 ～8.25ms(t2－t3)對應第3階段。由于uC保持不變，uSop為電源電壓和電感電壓代數(shù)和，負載電流是一階LR放電波形。

8.25 ～11ms(t3－仿真結束)對應第4階段。

3.2 XRAM仿真分析

基于Simplorer?對8級 XRAM進行仿真，結果如圖6和圖7所示，所有的電容預充電電壓均為1.5kV。

圖6 8級 XRAM部分元件電壓仿真波形Fig.6 Simulated voltage waves of 8 stage XRAM

圖7 8級 XRAM部分元件電流仿真波形Fig.7 Simulated current waves of 8 stage XRAM

0～9.3ms(t0－t1)對應 XRAM的第1階段。8個電感串聯(lián)充電，電流逐漸上升到指定電流4.1kA后，觸發(fā)Th9進入第二階段。

9.3 ～9.5ms(t1－t2)對應ICCOS換流階段。在這個過程中，Th1～Th9處于正向導通或者反向短路狀態(tài)，因此承受較低電壓，同時保證了 Th1～Th8可靠關斷。uCk從預充值逐漸減少至零，iLoad上升到達峰值46.5kA。

9.50ms(t2)以后，進入第3階段。

3.3 無互感的電感儲能型脈沖電源仿真分析

Simplorer?得到的仿真波形見圖8和圖9。

圖8 互感電感儲能型脈沖電源電壓仿真波形Fig.8 Simulated voltage waves of non-mutual inductance PPS

圖9 無互感的電感儲能型脈沖電源電流仿真波形Fig.9 Simulated current waves of non-mutual inductance PPS

0～7.55ms(0－t1)是第1階段。電感電流上升至指定電流4.1kA后，進入第2階段。

7.55 ～8.6ms(t1－t2)是第2階段。本階段中出現(xiàn)的電流峰值為8kA。

8.6ms以后對應第3階段。

4 三種拓撲主要電氣性能指標比較

目前電感儲能型脈沖電源存在的主要技術難題集中在充電技術、斷路開關耐壓和換流技術幾個方面。實用發(fā)射系統(tǒng)中單級電源電流常常是百千安的級別。電感回路的換流容易產(chǎn)生過高的電壓，當前的斷流技術顯得捉襟見肘。另外，目前初級電源的供電能力還有限，如何將初級電源幾千安的電流進行倍增得到能夠驅動負載的上百千安的電流也是另一個亟待解決的問題。換言之，提高電流的倍增系數(shù)值得深入研究探索。因此，主管耐壓水平和負載電流倍增系數(shù)常常作為兩個最重要的電氣性能指標來衡量電感儲能型脈沖電源的性能。結合仿真可以得到三種電路電氣性能指標如表1所示。

表1 三種電路電氣性能指標比較表Tab.1 Electrical performance comparison

從表1看出，IAT的STRETCH Meatgrinder和基于無互感的電感儲能型脈沖電源的主開關管要承受1000多伏電壓，并且可靠關斷4kA電流。同時，為了主動關斷充電電流，必須采用諸如 IGCT這種可控關斷器件。相比之下，ISL的主開關管除Th9外僅需要承受幾十伏電壓、幾千安的電流，而且可以采用像晶閘管這樣非可控關斷的器件。

從電流倍增系數(shù)這個指標來看，由于STRETCH Meatgrinder存在互感，使該拓撲的電流倍增系數(shù)比無互感大得多，因此前者有著更強的帶負載能力。但互感的存在帶來了設計和制作工藝上的困難。需要補充說明的是，三種電路得到的負載電流在十幾或者幾十千安的水平上，而實際應用中往往需要上百千安的電流，所以前文各電路只是作為其中的一個單元。STRETCH Meatgrinder和無互感的電感儲能型脈沖電源拓撲決定了它們單個單元的電流倍增系數(shù)很難超過10。相比之下，XRAM單個單元的電流倍增是通過其級數(shù)來決定的，有多少級倍增系數(shù)就是多少，配置比較靈活。同時，換流電容殘壓使得電流倍增系數(shù)進一步增大。

5 結論

從主開關元件耐壓水平來看，IAT提出的STRETCH Meatgrinder和無互感的電感儲能型脈沖電源雖然引入了電容，但主開關管上仍需要承受kV量級電壓，并且需要采用可控關斷開關器件。XRAM利用ICCOS技術明顯降低了主開關管電壓應力，不必采用可控關斷開關器件。就目前技術而言，斷開4kA的IGCT價格昂貴，幾乎達到了最先進的IGCT斷流水平的上限。因此如何采用更為經(jīng)濟的方式代替IGCT及更合理的斷流技術，很大程度上決定了實用性。

從負載電流倍增系數(shù)來看，從單個單元角度來講，XRAM配置比較靈活，可以通過增加級數(shù)方便增加其帶負載能力;STRETCH Meatgrinder的倍增系數(shù)也較大，一般電流倍增系數(shù)不會超過10;無互感的電感儲能型脈沖電源由于沒有互感作用，理論上可以證明其倍增系數(shù)不會超過2。

對于XRAM，因為文中每一級電容初始充電電壓都相同，這樣基本可以忽略電容對于充電過程的耦合作用。當需要調整各個電容的初始充電電壓以降低電容初始儲能占電感總儲能的百分比時，這種耦合作用的存在甚至會導致XRAM無法正常工作?？紤]合理的解耦手段也是下一步需要研究的。

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