馬山剛 于歆杰 李 臻

（清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

0 引言

用于電磁發(fā)射的脈沖功率電源要求電流幅值在幾毫秒內(nèi)維持MA 級(jí)。電容、電感和旋轉(zhuǎn)電機(jī)是產(chǎn)生這樣的脈沖的三種基本電源類型。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)電容型脈沖電源做了大量的研究。目前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)普遍實(shí)現(xiàn)了MA 級(jí)的電容儲(chǔ)能型脈沖電流。但是由于電容儲(chǔ)能密度相對(duì)較低，決定了其很難在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的儲(chǔ)能密度比電容儲(chǔ)能要高三個(gè)數(shù)量級(jí)。但由于其非靜止儲(chǔ)能，冷卻困難，且需一次性存儲(chǔ)多次發(fā)射的能量，故其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而很難實(shí)施。電感型儲(chǔ)能系統(tǒng)相比于電容具有高一個(gè)數(shù)量級(jí)的儲(chǔ)能密度；相比于旋轉(zhuǎn)電機(jī)由于其以靜止磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)能，易于冷卻且只需存儲(chǔ)一次發(fā)射的能量即可。這些優(yōu)勢(shì)使電感型脈沖功率電源成為近年來(lái)諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一[1,2]。

電感儲(chǔ)能型脈沖電源由于電流的突變和充電回路中的漏磁場(chǎng)能量，使得主開關(guān)關(guān)斷時(shí)在其兩端產(chǎn)生很大的電壓應(yīng)力而超出半導(dǎo)體開關(guān)所能處理的能力，故關(guān)斷開關(guān)成為電感儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。由美國(guó)Sitzman 等提出的STRETCH meat grinder 電路在電感儲(chǔ)能系統(tǒng)中引入一個(gè)輔助電容，雖然其能量密度不及純電感系統(tǒng)，但可有效降低關(guān)斷開關(guān)兩端的電壓，而且可增加電流倍增系數(shù)。然而由于其關(guān)斷開關(guān)使用了IGCT，因而使最大可關(guān)斷電流被目前的器件限制在4kA 量級(jí)[3-5]。德法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室Dedie 等采用串充并放的XRAM 電路拓?fù)?，以晶閘管代替IGCT，應(yīng)用ICCOS 換流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷二十幾千安充電電流的能力[6-9]。由清華大學(xué)提出的基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 新型拓?fù)?，將ICCOS 換流原理應(yīng)用于STRETCH meat grinder電路中，不僅可有效提高關(guān)斷電流的能力，而且可明顯降低系統(tǒng)成本[10]。

在德法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室已發(fā)表的文獻(xiàn)中，并未對(duì)ICCOS 逆流回路作詳細(xì)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，只是提及在其特定系統(tǒng)中逆流能量大約比換流能量低一個(gè)數(shù)量級(jí)[6]。本文首先簡(jiǎn)要介紹了基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 電路關(guān)斷大電流的基本原理，通過(guò)對(duì)此電路的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。隨后說(shuō)明了對(duì)系統(tǒng)逆流回路設(shè)計(jì)的必要性，并提煉出了基本設(shè)計(jì)約束。最后通過(guò)對(duì)逆流電容值及其預(yù)充電壓大小進(jìn)行優(yōu)化分析和選取，得出了最小逆流能量直接決定于所關(guān)斷的電流大小，且受到一次直流電源電壓的影響，而與換流能量無(wú)關(guān)的結(jié)論。

1 基于ICCOS 的STRETCH meat grinder電路開斷電流原理

基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 拓?fù)鋵TRETCH meat grinder 拓?fù)渲械闹鞴懿捎镁чl管代替IGCT，并采用ICCOS 換流技術(shù)關(guān)斷主管，其拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 拓?fù)銯ig.1 Topology of STRETCH meat grinder with ICCOS

圖1中，除晶閘管VT3和逆流電容C2外，電路其余部分為一標(biāo)準(zhǔn)STRETCH meat grinder 電路。通 過(guò)觸發(fā)主管VT1導(dǎo)通，一次電源CS給電感L1、L2充電，在充電電流達(dá)到預(yù)定的關(guān)斷電流I0時(shí)，關(guān)斷VT1。如果兩個(gè)電感是全耦合的，L1中的能量將會(huì)全部轉(zhuǎn)移到L2中，L2中的電流會(huì)急劇上升。由于L2與負(fù)載相連，負(fù)載中也就會(huì)得到急劇上升的脈沖電流。但是實(shí)際的兩電感是很難做到全耦合的，當(dāng)L1斷開時(shí)，L1中的漏磁通將會(huì)試圖維持L1中的電流，從而在VT1兩端產(chǎn)生高電壓。電容C就是給電感L1提供了一條導(dǎo)電通道，使電感中的漏磁能量轉(zhuǎn)移到C1中去，從而弱化了關(guān)斷開關(guān)的電壓應(yīng)力。通過(guò)觸發(fā)VT2可將C1中的能量釋放到負(fù)載中去。

VT1的關(guān)斷利用的是ICCOS 換流原理。逆流電容C2中有預(yù)充電壓U0，晶閘管VT3、VT1、一次電源（超級(jí)電容）CS、連線電阻RS、電容C2以及負(fù)載RL和LL構(gòu)成ICCOS 逆流回路。觸發(fā)晶閘管VT3導(dǎo)通，由于逆流回路阻抗很小，產(chǎn)生快速增大的逆向電流通過(guò)主管VT1，使其總電流快速下降至維持電流以下而關(guān)斷，此時(shí)逆流電容C2上的電壓仍為正值，并且高于一次電源電壓瞬時(shí)值，從而使主管VT1承受反壓而保證其可靠關(guān)斷。

2 小電感系統(tǒng)初步實(shí)驗(yàn)

以基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 電路的仿真數(shù)據(jù)為依據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)電感初始儲(chǔ)能為1kJ（1kA 充電電流和2mH 總電感）的小型系統(tǒng)，其總體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。除了兩電感和負(fù)載自制外，其余器件均按照對(duì)應(yīng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行選型。初步實(shí)驗(yàn)是對(duì)自制的總電感為69.2μH 的小電感（L1=31μH，L2=8.1μH，耦合系數(shù)k=0.95）系統(tǒng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。一次電源采用了1.6F、160V 的超級(jí)電容，實(shí)驗(yàn)時(shí)操作程序?yàn)椋毫銜r(shí)刻，觸發(fā)主晶閘管VT1導(dǎo)通，延時(shí)t1后觸發(fā)逆流晶閘管VT3導(dǎo)通，再延時(shí)1ms 后觸發(fā)晶閘管VT2導(dǎo)通，通過(guò)改變延時(shí)t1大小或超級(jí)電容預(yù)充電壓US0來(lái)獲得不同大小的關(guān)斷電流I0。自制一小阻感負(fù)載（RL=1.4m?、LL=1.4μH）來(lái)模擬電磁軌道炮負(fù)載，用兩個(gè)羅柯夫斯基線圈分別測(cè)量充電電流和負(fù)載電流波形。實(shí)驗(yàn)中逆流電容C2選用現(xiàn)有的210.4μF、耐壓7kV 的脈沖電容器。每次實(shí)驗(yàn)前用專用直流源給C2預(yù)充一定的電壓U0。出于安全考慮，超級(jí)電容CS及電容C1和C2設(shè)置了放電回路。表1 為實(shí)驗(yàn)值與仿真值（基于Simplorer?8仿真）的對(duì)比，括號(hào)外為實(shí)測(cè)值，括號(hào)內(nèi)為仿真值。圖3為典型電流波形對(duì)比結(jié)果。

圖2 1kJ 基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)圖Fig.2 An implementation of a 1kJ single-stage STRETCH meat grinder with ICCOS

表1 小電感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)值與仿真值的比較Tab.1 Comparison of experimental and simulated data forthe small inductor system

圖3 典型電流波形實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果Fig.3 Typical experimental and simulated wavesforms

通過(guò)依次增大US0和t1值，實(shí)現(xiàn)了采用ICCOS換流技術(shù)對(duì)小電感STRETCH meat grinder 系統(tǒng)近1kA 充電電流的關(guān)斷。由表1 數(shù)據(jù)來(lái)看，關(guān)斷電流和負(fù)載電流的實(shí)驗(yàn)值與仿真值都存在著較大誤差，其中負(fù)載電流的誤差主要是由于L2數(shù)值較小，使得微小的回路電阻就會(huì)引起較大的一階動(dòng)態(tài)電流下降，以及受到回路中雜散電感等因素的影響，關(guān)于這一點(diǎn)將另外撰文討論。但初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍驗(yàn)證了理論分析的正確性。

3 逆流回路優(yōu)化

圖4a 為ICCOS 逆流回路，逆流脈沖電流i2參考方向如圖中所示。超級(jí)電容CS兩端電壓記為uS，逆流電容C2兩端電壓記為u2。逆流脈沖的幅值及能量主要取決于逆流電容C2值及其預(yù)充電壓U0，初步實(shí)驗(yàn)中C2電容值固定（210.4μF），而U0的選取是在效仿了文獻(xiàn)[6]中實(shí)驗(yàn)時(shí)使其系統(tǒng)逆流能量大約比換流能量低一個(gè)數(shù)量級(jí)的做法的基礎(chǔ)上，盡可能取了較大值以保證可靠關(guān)斷預(yù)定電流。由于用于電磁發(fā)射的脈沖電源對(duì)于效率和體積等性能的要求較高，對(duì)逆流電容C2值及其預(yù)充電壓U0進(jìn)行理論分析和優(yōu)化選取是必要的。

圖4 ICCOS 逆流回路電感充電回路Fig.4 ICCOS and charging current circuit

從以上分析可知，對(duì)基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 電路逆流回路的優(yōu)化實(shí)質(zhì)上就是主要對(duì)C2及U0進(jìn)行優(yōu)化取值以使逆流能量盡可能小。圖5為充電電流和ICCOS 逆流脈沖波形圖，由此可提出逆流關(guān)斷的兩個(gè)基本約束：

（1）為使所需要的逆流能量盡可能小，逆流脈沖應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)上升至預(yù)定關(guān)斷電流值I0，記此時(shí)刻為t1。在逆流脈沖大于I0期間存在某一時(shí)刻t2，此時(shí)C2的電壓u2(t2)與一次電源電壓uS(t2)值相等。

（2）由于VT1有一定的反向恢復(fù)時(shí)間tr，為保證其可靠關(guān)斷，t2與t1的時(shí)間間隔應(yīng)不少于tr。

圖5 充電電流和逆流脈沖波形Fig.5 Waveforms of charging current and countercurrent pulse

在圖4a 的逆流回路中，基于疊加定理，當(dāng)單獨(dú)考慮逆流脈沖時(shí)應(yīng)將一次電源CS視為短路，并記R=RS+RL，可列出逆流關(guān)斷條件數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中

對(duì)式（4）中的uS(t2)需要說(shuō)明的是，由于以超級(jí)電容為一次電源，在圖4b 所示的電感充電回路中，當(dāng)給較大的電感L1、L2充較大電流時(shí)，超級(jí)電容的電壓跌落就不能忽略，充電回路為一個(gè)二階欠阻尼電路，uS是一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓，其求解方程與式（1）同解。

對(duì)于本文所開展的小電感初步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)而言，CS=1.6F，其初始電壓US0=160V，RS=12m?，L1=31μH，L2=8.1μH，k=0.95，總電感Ltot=69.2μF，RL=1.4m?，LL=1.4μH，C2=210.4μF，主管VT1的反向恢復(fù)時(shí)間tr=20μs（型號(hào)為KKA2000—12，廠家盛唐電源提供），對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 小電感系統(tǒng)不同U0時(shí)的最大I0(C2=210.4μF)Tab.2 The maximum ofI0under variousU0for the smallinductor system(C2=210.4μF)

從計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于具體的系統(tǒng)在C2值確定的前提下，不同的預(yù)充電壓U0所能關(guān)斷的最大電流I0（對(duì)應(yīng)于最大關(guān)斷能量）是可以計(jì)算的。

而對(duì)于前述基于ICCOS 的STRETCH meatgrinder 小電感系統(tǒng)，C2值也不確定，圖6為關(guān)斷不同充電電流值時(shí)的（U0,C2）組合曲線，并標(biāo)出了最小逆流能量值，單位為J。為便于比較分析，典型充電電流取值與表2 中的最大可關(guān)斷電流一致。

圖6 小電感系統(tǒng)在不同I0時(shí)的（U0,C2）組合曲線Fig.6 The(U0,C2)composite curve under variousI0for the small inductor system

將圖6的計(jì)算結(jié)果列于表3。與表2 相比，相同關(guān)斷電流所需要的逆流能量更小，說(shuō)明了在C2恒定時(shí)盡管能找到不同預(yù)充電壓下的最大關(guān)斷電流，但其對(duì)應(yīng)的逆流能量并不是最小的。而且對(duì)于小電感系統(tǒng)，隨著預(yù)關(guān)斷電流的增大，所需要的最小逆流能量也在增大，但逆流能量相對(duì)于關(guān)斷能量的比值在不斷減小。

表3 小電感系統(tǒng)不同I0時(shí)的最小逆流能量Tab.3 The minimum of countercurrent energyunder variousI0for the small inductor system

以超級(jí)電容作為一次電源時(shí)，要求其儲(chǔ)存能量要遠(yuǎn)大于電感的充電能量。這樣才能使電感的充電時(shí)間盡可能短，從而減小對(duì)主管的電壓應(yīng)力和回路能量損耗。實(shí)際系統(tǒng)所用的1.6F、160V 的超級(jí)電容，其最大儲(chǔ)能約為20kJ。表3 中小電感系統(tǒng)各關(guān)斷電流對(duì)應(yīng)的關(guān)斷能量是遠(yuǎn)小于此值的，是符合實(shí)際應(yīng)用的。

對(duì)于較大的電感，如2mH 電感系統(tǒng)，其關(guān)斷電流與表3 中小電感系統(tǒng)電流具有相當(dāng)數(shù)值時(shí)，由于電感充電能量較大，則需要相應(yīng)提高超級(jí)電容的儲(chǔ)能。圖7為2mH 電感系統(tǒng)在關(guān)斷與小電感系統(tǒng)相同數(shù)值電流時(shí)，逆流回路參數(shù)的優(yōu)化曲線，并標(biāo)出了最小逆流能量值，單位為J。

圖7 2mH 電感系統(tǒng)在不同I0時(shí)的（U0,C2）組合曲線Fig.7 The(U0,C2)composite curve under variousI0for 2mH inductor system

將圖7的計(jì)算結(jié)果列于表4。由表4 可以得到隨著關(guān)斷電流的增加，所需要的最小逆流能量也在增加。但是與表3 中小電感系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)相比，關(guān)斷能量大幅增加而所需要的最小關(guān)斷能量卻幾乎對(duì)應(yīng)不變。這說(shuō)明所需要的最小逆流能量與預(yù)關(guān)斷的電流直接相關(guān)，與對(duì)應(yīng)的關(guān)斷能量是沒(méi)有關(guān)系的，表3 和表4 的最小逆流能量的差別是由于使用的超級(jí)電容不同及其給電感充電時(shí)產(chǎn)生不同的壓降所致。

表4 2mH 電感系統(tǒng)不同I0時(shí)的最小逆流能量Tab.4 The minimum of countercurrent energyunder variousI0for 2mH inductor system

4 結(jié)論

在對(duì)基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 電路理論分析和初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，提出開展其ICCOS 逆流回路設(shè)計(jì)對(duì)可靠關(guān)斷大電流和系統(tǒng)優(yōu)化具有重要意義。逆流回路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是對(duì)逆流電容及其預(yù)充電壓的優(yōu)化選取，使關(guān)斷不同能級(jí)系統(tǒng)的不同電流所需要的逆流能量盡可能小。

本文提出了ICCOS 逆流回路的基本設(shè)計(jì)約束，仿真結(jié)果表明，最小逆流能量與所要關(guān)斷的能量無(wú)關(guān)，而與關(guān)斷電流直接相關(guān)，并因所使用的一次電源的影響而有差別。

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