張培星，劉漢軍，桂志興，羅文博，嚴仲明，王豫

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

一種利用非線性電阻和高溫超導(dǎo)空心脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源

張培星，劉漢軍，桂志興，羅文博，嚴仲明，王豫

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

針對傳統(tǒng)電容儲能脈沖電流電路存在的問題，本文結(jié)合高溫超導(dǎo)儲能技術(shù)，提出了一種利用非線性電阻和高溫超導(dǎo)脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源。對該脈沖電源的工作過程進行了理論分析，分析結(jié)果表明提高非線性電阻的轉(zhuǎn)變電壓和脈沖變壓器變比能提高系統(tǒng)的效率。為了驗證該脈沖電源的可行性，設(shè)計了一個采用高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材和銅帶繞制的小型脈沖變壓器進行實驗，實驗結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，驗證了該放電模式具有較高的能量傳遞效率和電流上升率。

脈沖電流;能量利用率;非線性電阻;脈沖變壓器;電容-電感混合儲能

1 引言

脈沖大電流技術(shù)是脈沖功率領(lǐng)域中主要的研究內(nèi)容之一，廣泛應(yīng)用于科研、軍事和工業(yè)生產(chǎn)［1-3］。目前，主要有電容儲能和電感儲能兩種脈沖放電模式。但是，兩種儲能方式的優(yōu)缺點都非常明顯，電容儲能的儲能密度低，占用的體積大，但是對短路開關(guān)的要求低;電感儲能的儲能密度高，體積小，但是對斷路開關(guān)和充電電源的要求高［4］。

為了產(chǎn)生脈沖大電流，常采用電感作中間儲能設(shè)備以達到脈沖壓縮的目的，如采用降壓升流型脈沖變壓器作為大電流脈沖發(fā)生器［5-7］。但是，變壓器的隔直通交特性會影響能量傳遞的效率。因此，本文在電容儲能傳統(tǒng)放電回路的基礎(chǔ)上加入了高溫超導(dǎo)電感儲能技術(shù)，并且采用高能ZnO非線性電阻作為轉(zhuǎn)換放電和保護器件，整合了兩種儲能放電模式的優(yōu)點，提升了能量傳遞的效率。最后，通過仿真和實驗驗證了本方案的可行性。

2 傳統(tǒng)放電電路研究

2.1 輸出電路

電容儲能經(jīng)脈沖變壓器升流的電路如圖1所示，圖中儲能電容器為C，脈沖變壓器原邊電感為L1，副邊電感為L2，互感為M，S為放電開關(guān)，負載為R，二極管D和電阻R1為續(xù)流回路，防止電容器反向充電。電路的工作順序為放電開關(guān)S打開，預(yù)充電儲能電容器首先對脈沖變壓器放電，原邊的能量一部分通過互感耦合到負載側(cè)，一部分通過二極管D和電阻R1消耗掉。

圖1 傳統(tǒng)電容儲能脈沖電源Fig．1 Circuit of traditional pulsed power supply

2.2 脈沖輸出中的問題

由于續(xù)流回路不會影響負載電流的上升沿和幅值，為簡化計算過程，只考慮電容器的放電過程。電容C上的初始儲能電壓為U0，變壓器原副邊繞組的耦合系數(shù)為k1，即

閉合開關(guān)S后，電路的微分方程為:

為了便于直觀分析，采用Ansoft/Sinplorer 7軟件對該過程進行仿真，仿真中電容器C為200μF，初始電壓為2kV，脈沖變壓器原邊電感L1為12mH，副邊電感L2為11μH，耦合系數(shù)k1為0.86，互感M為312μH，負載為3mΩ。為了更加直觀清晰，忽略原邊接頭電阻和原邊繞組電阻，并將R1置0。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真電流波形Fig．2 Simulated currentwaveforms

由圖2可以看到，當脈沖變壓器的原邊電流達到最大時，負載上的電流脈沖達到最大。但是，為了防止副邊產(chǎn)生反向電流，原邊繞組電流下降過程中，其電流變化率較小，由于變壓器的隔直通交特性，這部分能量就會在原邊繞組中消耗掉，不會傳遞到負載側(cè)，導(dǎo)致原邊繞組中有很大的殘留電流。這樣由于變壓器的插入使電容向負載傳遞的能量轉(zhuǎn)換效率降低。

另外，傳統(tǒng)的降壓升流型脈沖變壓器常采用銅線或銅帶繞制，但是隨著繞組電流的增加，該模式還會存在以下問題:①脈沖輸出時銅繞組上的電阻會產(chǎn)生一定的熱損耗，降低系統(tǒng)的能量傳遞效率;②銅繞組的載流能力有限，為了提高系統(tǒng)的脈沖輸出能力就必須增大銅繞組的體積，進而導(dǎo)致整個裝置的體積和重量增加。

3 新型脈沖電源的放電過程與設(shè)計依據(jù)

為了解決傳統(tǒng)電容經(jīng)脈沖變壓器升流放電模式存在的剩余電流、能量利用率低的問題，本文提出了一種利用非線性電阻和高溫超導(dǎo)空心脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，具體電路如圖3所示。圖中V為電壓源，C1為儲能電容器，S1為充電開關(guān)，S2為放電開關(guān)，D1和D2為整流二極管，R2為高能ZnO非線性電阻，Lp為空心脈沖變壓器原邊高溫超導(dǎo)電感，Ls為脈沖變壓器副邊銅繞組電感，M為脈沖變壓器原副邊的互感，Rd為負載。其中S1、S2均為大功率可控開關(guān)。

圖3 新型脈沖功率電源回路Fig．3 Circuit of new pulsed power supply

電路工作過程如下:

(1)開通充電開關(guān)S1，關(guān)斷放電開關(guān)S2，電壓源向儲能電容器C1充電，當電容器電壓達到預(yù)定的電壓后，關(guān)斷充電開關(guān)S1。

(2)當需要向負載放電時，開通放電開關(guān)S2，儲能電容器C1向脈沖變壓器原邊超導(dǎo)電感放電，由于負載回路中整流二極管D2的單向?qū)щ娮饔?，負載Rd上沒有電流流過。

(3)當電容器C1上的電壓接近為零即Lp上的電流達到最大時，關(guān)斷放電開關(guān)S2。這時可以開通充電開關(guān)S1，使電壓源向電容充電，節(jié)省了下次脈沖輸出的時間。

(4)脈沖變壓器原邊超導(dǎo)繞組經(jīng)ZnO非線性電阻R2和續(xù)流二極管D1組成放電回路，超導(dǎo)電感在相對穩(wěn)定的電壓下迅速衰減，大部分能量通過原副邊互感快速耦合到負載側(cè)，少部分能量消耗在非線性電阻R2上。

在放電開始階段，電容器的初始電壓為U0，電感Lp上的最大電流為Imax，忽略放電回路的線路電阻，非線性電阻R2的轉(zhuǎn)變電壓為Uc，則電路的響應(yīng)為:

非線性電阻的伏安特性曲線可以近似為:

式中，K為常數(shù)，數(shù)值為非線性電阻在通電流1mA時的端電壓;α為非線性系數(shù)。當工作在轉(zhuǎn)變電壓之下時，它的電阻非常大，表現(xiàn)為阻斷狀態(tài);當電壓超過轉(zhuǎn)變電壓后，電阻值變小，端電壓保持在一定范圍內(nèi)。在選擇時一定要注意，非線性電阻承受的最高電壓要小于脈沖變壓器原邊及放電開關(guān)可以承受的電壓，以免發(fā)生繞組絕緣擊穿及開關(guān)的損壞。

當開關(guān)S2關(guān)斷后，脈沖變壓器的放電電路圖如圖4所示，放電過程的微分方程為［8，9］:

圖4 脈沖電流輸出電路Fig．4 Circuit of pulsed current output

由于電容向原邊超導(dǎo)電感放電能量損耗很小，可以忽略，因此，脈沖電源的能量傳遞效率主要由式(9)決定。觀察公式可以看到，脈沖電源的傳遞效率與k2成正比，提高耦合系數(shù)可以顯著增加能量的傳遞效率;減少原邊超導(dǎo)電感值可以增加能量的傳遞效率，由于超導(dǎo)材料可以無損地承載大電流，因此可以適當減少原邊電感;同時提高非線性電阻R2可以有效提高能量的傳遞效率，因此可以在不損壞電路的前提下適當提高非線性電阻的轉(zhuǎn)變電壓以達到提高能量轉(zhuǎn)換效率的目的。

4 仿真和實驗分析

4.1 電路設(shè)計

高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材是一種廣泛使用、性能優(yōu)良的超導(dǎo)材料，已有文獻對Bi2223/Ag短樣帶材及小型繞組進行了脈沖電流沖擊實驗，證實Bi2223/Ag具有良好的耐脈沖電流沖擊和快速恢復(fù)能力［10，11］。高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材的基本參數(shù)見表1。

表1 高溫超導(dǎo)Bi2223/Ag帶材基本參數(shù)Tab．1 Specification of Bi2223/Ag tape

實驗所用脈沖變壓器的原邊繞組采用Bi2223/ Ag帶材繞制，副邊繞組采用銅帶繞制，為減輕脈沖電源的體積和磁心飽和，脈沖變壓器采用空心繞組繞制。脈沖變壓器采用雙餅線圈作為原邊繞組，實物如圖5(a)所示;副邊常導(dǎo)繞組為節(jié)省體積采用布魯克斯線圈結(jié)構(gòu)，實物如圖5(b)所示。高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示，其中L1、L2、L4、L5、L7、L8為超導(dǎo)雙餅線圈，L3、L6為并聯(lián)連接的兩個銅單餅線圈。原邊超導(dǎo)雙餅繞組串聯(lián)連接，副邊超導(dǎo)繞組并聯(lián)連接，原邊繞組和副邊繞組交叉排列，其中繞組L3在L1、L2和L4、L5之間，L6在L4、L5和L7、L8之間。

圖5 繞組實物圖Fig．5 Physicalmap of windings

圖6 高溫超導(dǎo)脈沖變壓器Fig．6 HTS pulsed-power transformer

非線性電阻采用高能ZnO壓敏電阻，兩種非線性電阻的型號為MYN2-680-10KJ和MYN2-900-10KJ，實物圖和伏安特性曲線如圖7所示。根據(jù)式(5)計算得到兩種壓敏電阻的K值為770V和1020V。

儲能電容器采用實驗室的MKMJ10-100型高壓自愈式脈沖電容器，每個電容器的電容為100μF，系統(tǒng)采用兩個單模塊的電容器進行并聯(lián)得到200μF的電容。電容器采用WWL-LDG型線性高壓直流電源作為初始充電電源。

圖7 兩種ZnO非線性電阻Fig．7 Two kinds of ZnO nonlinear resistors

系統(tǒng)采用EUPEC FZ1200R33KL2C型大功率IGBT作為放電開關(guān)，它的額定工作電壓和工作電流為3.3kV和1.2kA。開關(guān)的通斷控制由可編程控制器產(chǎn)生，采用ALTERA公司的型號為EPM1270T-144C5的CPLD芯片。

4.2 仿真研究

采用Ansoft/Simplorer 7對放電回路進行仿真，仿真電路采用圖3所示的電路，依據(jù)表2對電路參數(shù)進行設(shè)定。其中超導(dǎo)脈沖變壓器原副邊電感、電阻和互感是脈沖變壓器處在液氮環(huán)境中通過高精度的LCR數(shù)字電橋測量得到。為觀察電路在不同轉(zhuǎn)變電壓非線性電阻下的放電特性，分別對MYN2-680-10KJ和MYN2-900-10KJ兩種型號非線性電阻進行建模仿真，非線性電阻的仿真模型參照圖7(b)所示的伏安特性曲線，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖8所示。

表2 高溫超導(dǎo)脈沖變壓器參數(shù)Tab．2 Specification of HTS pulse power transformer

由圖8可以看到，當初始電壓為1000V時，MYN2-680-10KJ和MYN2-900-10KJ兩種非線性電阻兩端的最高電壓分別為920V和1220V，負載電流幅值分別為4.08kA和4.14kA，并且隨著非線性電阻轉(zhuǎn)變電壓的提高，負載電流上升的速度也有提高。采用公式計算兩種電路的效率，得到效率分別為58.8%和59.8%。仿真結(jié)果和理論分析基本吻合，并且驗證了在電路參數(shù)一定時，可以通過適當采用高轉(zhuǎn)變電壓的非線性電阻達到提升脈沖幅值、電流上升率和能量轉(zhuǎn)換效率的目的。

圖8 兩種ZnO非線性電阻下的仿真結(jié)果Fig．8 Simulation results of two ZnO nonlinear resistors

4.3 實驗研究

圖9 實驗總體布置圖Fig．9 Overall layout of experiment

實驗總體布置如圖9所示，實驗時將超導(dǎo)脈沖變壓器放置在液氮環(huán)境下冷卻，兩個CHV-4000型電壓傳感器分別測量電容電壓和超導(dǎo)繞組兩端的電壓，原邊超導(dǎo)繞組電流采用CHB-300S型霍爾電流傳感器進行測量，副邊繞組電流采用高精度1mΩ康銅采樣電阻進行測量。電容器的初始充電電壓為1kV，IGBT的開通時間根據(jù)式(4)選為4.45ms時，采用兩種非線性電阻得到系統(tǒng)的電流和電壓波形如圖10所示。

圖10 兩種ZnO非線性電阻下的實驗波形Fig．10 Experimental waveforms of two ZnO nonlinear resistors

表3和表4為在不同初始電壓和不同非線性電阻情況下，實驗得到的原邊電流幅值、負載電流幅值、電流上升率以及系統(tǒng)效率?？梢钥吹?，隨著非線性電阻轉(zhuǎn)變電壓的提高，負載電流的幅值、上升率和能量轉(zhuǎn)換效率都有所提高，但是放電開關(guān)和原邊超導(dǎo)繞組承受的反向電壓也相應(yīng)增加。因此，實際工作中需要根據(jù)開關(guān)和變壓器條件選擇合適的非線性電阻，達到最佳的放電效果。

表3 采用MYN2-680實驗結(jié)果Tab．3 Experimental results of MYN2-680

表4 采用MYN2-900實驗結(jié)果Tab．4 Experimental results of MYN2-900

5 結(jié)論

本文分析了電容經(jīng)傳統(tǒng)脈沖變壓器升流存在的剩余電流和能量利用率低的問題，提出了一種利用非線性電阻和高溫超導(dǎo)空心脈沖變壓器轉(zhuǎn)換放電的脈沖功率電源，整合了電容儲能和超導(dǎo)電感儲能的優(yōu)勢，并理論分析了影響新型脈沖輸出電路效率的因素，仿真和實驗結(jié)果表明新型升流電路具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，并且隨著非線性電阻轉(zhuǎn)變電壓的升高，脈沖功率電源的效率會提高。

但是，本實驗中原邊超導(dǎo)繞組承受的電流很小，只有83A，并沒有驗證高溫超導(dǎo)繞組在短時高脈沖電流沖擊下能否正常工作，該性能需要進一步的實驗驗證。

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New pulsed power supply based on nonlinear resistor and HTS air-core pulsed transformer

ZHANG Pei-xing，LIU Han-jun，GUIZhi-xing，LUOWen-bo，YAN Zhong-ming，WANG Yu
(School of Electric Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

In order to resolve the problem of traditional capacitor energy storage pulse current circuit，this paper researched a new pulsed power supply based on the nonlinear resistor and HTSair-core pulsed transformer，combined with the high temperature superconducting energy storage technology．The working principle of this pulsed power supply is theoretically analyzed，and the results indicate that the transition of the improved nonlinear resistance voltage and the ratio of the pulse transformer can improve the efficiency of the system．A small-scale pulse transformer experimental system based on HTSBi2223/Ag strip and copperwinding is putup，and the experimental results and simulation results are basically identical，which verifies that the firing pattern has high energy transfer efficiency and the current rising rate．

pulsed current;energy transfer efficiency;nonlinear resistor;pulsed transformer;capacitive-inductive energy storage

TM833

A

1003-3076(2015)06-0070-06

2013-12-25

張培星(1990-)，男，山東籍，碩士研究生，主要從事超導(dǎo)脈沖功率技術(shù)研究;嚴仲明(1982-)，男，浙江籍，博士研究生，主要從事電磁場數(shù)值計算方面的研究(通信作者)。