黃　凱，董志強(qiáng)，任　人，張匯博

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽　712099)

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基于電磁發(fā)射的兩類脈沖電源中功率器件特性分析

黃凱，董志強(qiáng)，任人，張匯博

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽712099)

現(xiàn)階段電磁發(fā)射研究主要集中在軌道炮與線圈炮兩個(gè)領(lǐng)域，都需要脈沖功率電源提供發(fā)射能量。這兩類電源在基本器件組成、電路拓?fù)渲写嬖诖罅肯嗤牡胤?，其中的功率器件主要由脈沖電容器、調(diào)波電抗器、晶閘管組件、續(xù)流組件和吸能電阻等組成，但由于這兩類脈沖電源所處的工作環(huán)境不同，所以對功率器件的性能要求也有所區(qū)別。從軌道炮與線圈炮發(fā)射過程中的差異性入手，研究其對脈沖電源中功率器件性能的影響，并結(jié)合實(shí)際情況，分析了如何合理匹配功率器件性能參數(shù)，來滿足不同發(fā)射條件下對脈沖電源的需求。

脈沖電源；線圈炮；軌道炮；功率器件；晶閘管；脈沖電感

脈沖電源作為電磁炮武器系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，承擔(dān)著輸出脈沖成形電流，提供發(fā)射能量的任務(wù)?；陔娙萜鲀?chǔ)能的脈沖電源，是一種常用的產(chǎn)生脈沖大電流裝置。電容器組作為能量儲(chǔ)存元件，通過大容量的短路開關(guān)對負(fù)載放電，其基本電路形式為RLC回路放電。相比其他一些脈沖電源系統(tǒng)，主要有工作電壓低，儲(chǔ)能總量大，電流大，儲(chǔ)能密度低等特點(diǎn)，非常適合用于電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)室研究，現(xiàn)階段大部分電磁發(fā)射研究均是基于此類脈沖電源。通過調(diào)整脈沖電源系統(tǒng)中儲(chǔ)能電容、晶閘管組件、硅堆組件、調(diào)波電感等關(guān)鍵器件參數(shù)，可使其適用于多種電磁發(fā)射系統(tǒng)[1]。

筆者的分析基于軌道炮與同步感應(yīng)線圈炮兩種電磁發(fā)射類型，雖然這兩種脈沖電源在基本器件組成、電路拓?fù)渲写嬖诖罅肯嗤牡胤?，但其中的功率器件在一些具體參數(shù)和使用限制上還存在差別。

軌道炮發(fā)射時(shí)，電樞初速高、電流大，為使電樞在整個(gè)加速過程效率最優(yōu)化，通常的做法是采用多個(gè)模塊放電堆積平頂電流，電源中多模塊并聯(lián)工作，分時(shí)序放電，各模塊輸出電流基本相同，如圖1所示。

同步感應(yīng)線圈炮發(fā)射時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈分級(jí)接力加速彈丸，脈沖電源各模塊獨(dú)立工作，每個(gè)模塊只對其對應(yīng)驅(qū)動(dòng)線圈放電，各模塊輸出電流差異較大，如圖2所示。

筆者從軌道炮與同步感應(yīng)線圈炮對脈沖電源的需求入手，主要分析這兩類電源中功率器件的異同點(diǎn)和其中影響脈沖電源性能的主要因素。

1　功率器件特性分析

通常來說，脈沖電源中的功率器件主要由脈沖電容器、脈沖電抗器、大功率晶閘管組件和大功率二極管組件、吸能電阻等部分組成。

1.1脈沖電容器

高壓脈沖電容器是大多數(shù)脈沖功率系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能器件，與電感儲(chǔ)能脈沖發(fā)生器相比，基于電容儲(chǔ)能的脈沖電源所需的閉合開關(guān)，技術(shù)成熟度要遠(yuǎn)高于電感儲(chǔ)能型電源所需的斷路開關(guān)。另外，電容器的能量保存時(shí)間遠(yuǎn)大于電感儲(chǔ)能裝置，以上是電容儲(chǔ)能型電源普及的主要原因。

脈沖電容器的集中參數(shù)電路模型如圖3所示。

圖3中串聯(lián)電阻Rs一般為毫歐數(shù)量級(jí)，主要由導(dǎo)線、接片和電極構(gòu)成；并聯(lián)電阻R代表穿過絕緣介質(zhì)和沿材料表面的電流泄露，與電容量、溫度、電壓、儲(chǔ)能密度等因素有關(guān)；電感L依賴于電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，決定了輸出電流的最大值Imax。

(1)

設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖電源系統(tǒng)時(shí)，首先要確定系統(tǒng)的儲(chǔ)能大小和額定電壓，這些參數(shù)基本決定了脈沖電容器的選型。不論在線圈炮上使用，還是在軌道炮上使用，為使脈沖電容器在電源系統(tǒng)中長期穩(wěn)定運(yùn)行，延長脈沖電容器的使用壽命，降低使用中的故障率，還需注意以下幾點(diǎn)：

1)脈沖電容器工作時(shí)自身輸出電流要遠(yuǎn)小于Imax。

2)脈沖電容器工作時(shí)要盡量減小極性反轉(zhuǎn)電壓，當(dāng)反轉(zhuǎn)電壓達(dá)到額定電壓的60%時(shí)，電容器相對預(yù)期壽命降低90%[2]。

3)實(shí)際使用過程中還應(yīng)盡量少地讓脈沖電容器的充電電壓達(dá)到滿額定值狀態(tài)。

1.2脈沖電抗器

脈沖電抗器在脈沖電源系統(tǒng)中起到調(diào)節(jié)波形、存儲(chǔ)中間能量的作用。脈沖電抗器和脈沖電容器基本決定了整個(gè)電源系統(tǒng)對外輸出電流波形的峰值與脈寬等參數(shù)。通常來說，比較便捷的方法是通過調(diào)整脈沖電抗器的電感量來實(shí)現(xiàn)對輸出波形的調(diào)節(jié)。

大部分脈沖電源系統(tǒng)采用干式空心電抗器作為調(diào)波元件?？招碾娍蛊鲗Ρ辱F芯電抗器，不存在磁性材料飽和問題，其電感值為常數(shù)，抗大電流沖擊性能好，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)噪聲小，非常適合作為脈沖電源系統(tǒng)中的調(diào)波元件。在實(shí)際元件選取過程中，主要需要注意器件通流能力與耐壓值等指標(biāo)，通常單層繞制的線圈具有較高的通流與耐壓指標(biāo)[3]。

與軌道炮電源不同，在線圈炮電源中，由于驅(qū)動(dòng)線圈本身就具有調(diào)波作用，一般情況下不再單獨(dú)配置調(diào)波電感，需要注意的是，驅(qū)動(dòng)線圈在工作時(shí)，內(nèi)部會(huì)有彈丸通過，相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部存在金屬材質(zhì)的芯材，對比空心狀態(tài)，其放電特性是有很大差別的。

使用Maxwell軟件分別對軌道炮電感和發(fā)射時(shí)的驅(qū)動(dòng)線圈進(jìn)行電磁場有限元仿真，模型采用2-D軸對稱瞬態(tài)電磁場求解器計(jì)算，電流激勵(lì)為外電路輸入，放電電路形式為典型脈沖電源電路，電路中儲(chǔ)能電容器電容量2 mF，充電電壓5 kV。為了更好地說明驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部彈丸帶來的磁場集中現(xiàn)象，模型中約束彈丸固定不動(dòng)，其他仿真使用的參數(shù)如表1所示。

表1　兩類脈沖電感有限元仿真參數(shù)

軌道炮放電時(shí)通過電感的電流波形如圖4所示，其典型特征是電感為空芯。圖5為軌道炮電感峰值放電時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。

線圈炮放電時(shí)通過驅(qū)動(dòng)線圈的電流波形如圖6所示，其典型特征為驅(qū)動(dòng)線圈電感量與軌道炮電感相同，但驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部固定有銅質(zhì)彈丸。圖7為驅(qū)動(dòng)線圈峰值電流時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。

根據(jù)仿真結(jié)果分析，雖然激勵(lì)源初始條件一樣，驅(qū)動(dòng)線圈與軌道炮電感繞制參數(shù)相同，但驅(qū)動(dòng)線圈發(fā)射時(shí)峰值電流接近軌道炮的1.3倍，放電頻率也低于軌道炮。這是由于彈丸產(chǎn)生的感應(yīng)渦流場抵消了部分線圈內(nèi)部磁場，從系統(tǒng)的角度看，可以等效看作降低了驅(qū)動(dòng)線圈的電感量，從而提高了脈沖電源的峰值電流與放電頻率。

由仿真結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部靠近彈尾部位產(chǎn)生了磁場強(qiáng)度集中現(xiàn)象，其局部瞬間磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了16 T，而軌道炮電感內(nèi)部瞬間最大值僅為8 T，同時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈峰值電流也較軌道炮電感大，根據(jù)電磁力計(jì)算公式可得，驅(qū)動(dòng)線圈局部峰值應(yīng)力遠(yuǎn)大于軌道炮電感，并且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)，一方面需要考慮引入彈丸后，驅(qū)動(dòng)線圈對脈沖電源輸出電流的影響；另一方面還要考慮由于應(yīng)力集中對電感可靠性帶來的影響。

1.3晶閘管組件與硅堆組件

晶閘管與二極管同屬于半導(dǎo)體功率器件，由于單個(gè)半導(dǎo)體器件截止電壓很難達(dá)到脈沖電源指標(biāo)要求，所以一般情況下把半導(dǎo)體器件串聯(lián)形成組件使用。

晶閘管組件工作時(shí)，可分為以下5種工作狀態(tài)，即正向阻斷狀態(tài)、開通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、阻斷能力恢復(fù)過程和反向阻斷狀態(tài)。在整個(gè)工作過程中，晶閘管要承受較大的浪涌電流、di/dt、正反向電壓，對其工作壽命是一個(gè)嚴(yán)苛的考驗(yàn)[4]。

硅堆組件存在的主要目的是防止脈沖電容器反向充電，由大功率二極管串聯(lián)組成，與晶閘管組件不同的是，晶閘管組件導(dǎo)通脈沖電流的上升期，而硅堆組件導(dǎo)通脈沖電流的下降期(續(xù)流階段)。兩種組件選型方法基本一致，但由于整流管元件內(nèi)部只有1個(gè)PN結(jié)，并且不需要柵極溝道進(jìn)行觸發(fā)，故在同樣尺寸的情況下，硅堆組件的通流能力要強(qiáng)于晶閘管組件。

在脈沖電源使用環(huán)境中，半導(dǎo)體器件的損壞主要可以歸結(jié)為電流損壞和電壓損壞兩大方面。電流損壞的主要原因是電流通過半導(dǎo)體PN結(jié)造成的溫度升高，溫度如果超過晶閘管允許結(jié)溫，器件就會(huì)造成不可修復(fù)的損壞。電壓損壞主要是由于串聯(lián)組件電壓分布不均造成的，主要與阻斷狀態(tài)的等效電阻與器件導(dǎo)通時(shí)刻的離散性有關(guān)。

如果需要在不同電源系統(tǒng)中互換半導(dǎo)體組件，在保證最大耐壓值滿足要求的前提下，可用晶閘管器件的通態(tài)平均電流IT(AV)來描述器件通流能力，作為電流考核指標(biāo)。通常根據(jù)半導(dǎo)體器件的通態(tài)平均電流IT(AV)求出與其相對應(yīng)的電流有效值，只要使實(shí)際的電流有效值等于額定電流IT(AV)時(shí)的電流有效值，管芯的發(fā)熱是等效和允許的[5-8]。

一般把脈沖電源放電波形近似看作正弦半波，其電流有效值為

(2)

IT(AV)=I/1.57

(3)

式中，Im為正弦半波峰值電流。

1.4吸能電阻

吸能電阻與硅堆組件共同構(gòu)成續(xù)流回路，在整個(gè)續(xù)流過程中，吸能電阻會(huì)消耗大部分續(xù)流能量，以降低硅堆組件通流強(qiáng)度，因此這兩部分元件通常需要共同設(shè)計(jì)，其次不同的發(fā)射系統(tǒng)對續(xù)流電流的持續(xù)時(shí)間也有不同要求，需要通盤考慮[9]。

吸能電阻一般選取在幾十毫歐量級(jí)，如選取過大，會(huì)造成脈沖電容器的反向電壓過高，影響電容器壽命。如圖8所示，3條曲線分別對應(yīng)10、30、50 mΩ情況下，電容器兩端反向電壓的變化情況?？梢钥闯觯?dāng)吸能電阻為50 mΩ時(shí)，反向電壓達(dá)到了1.5 kV，為電容器額定工作電壓的30%，長期在這種環(huán)境下工作，會(huì)大大降低電容使用壽命[10]。

吸能電阻應(yīng)采用無感法繞制，因?yàn)榧词贡容^小的電感(μH級(jí))引入續(xù)流回路內(nèi)，也會(huì)造成續(xù)流電路的振蕩，不利于電源的穩(wěn)定運(yùn)行。

采用Simulink軟件對脈沖電源輸出電流進(jìn)行仿真，仿真中使用的脈沖電源容量為2 mF，電壓為5 kV，脈沖成形電感為20 μH。圖9為續(xù)流回路電感分別為1、2、3、5μH情況下，脈沖電源的輸出電流波形?？梢钥闯?，隨著續(xù)流回路電感的增加，輸出電流振蕩的幅度與頻率均有較大增加，振蕩的高頻電流增加了電磁輻射風(fēng)險(xiǎn)，有可能影響電源系統(tǒng)中控制電路的功能。

2　功率器件互換時(shí)需要注意的問題

無論軌道炮電源還是同步感應(yīng)線圈炮電源，其內(nèi)部使用的功率器件類型是一樣的，但是在電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)匹配上存在一些不同，在不優(yōu)先考慮系統(tǒng)效率的前提下，對脈沖電源進(jìn)行相應(yīng)的改造，合理匹配系統(tǒng)中的功率器件，兩種電源在某種程度上是可以復(fù)合使用的。當(dāng)在兩種電源系統(tǒng)中互換功率器件時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)應(yīng)明確電源系統(tǒng)儲(chǔ)能和工作電壓。兩種電源系統(tǒng)如果工作電壓不同，應(yīng)采取就低原則，高電壓指標(biāo)的電源系統(tǒng)可工作在低電壓電源系統(tǒng)中，但會(huì)損失部分容量。

2)當(dāng)單模塊輸出電流達(dá)不到試驗(yàn)要求時(shí)，可使用多模塊并聯(lián)向負(fù)載供電。需要注意的是，在脈沖電源模塊并聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)確保系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地方式，防止出現(xiàn)地線環(huán)流，造成電源系統(tǒng)中弱電測控設(shè)備的損壞。

3)兩種電源系統(tǒng)復(fù)合使用時(shí)，應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)所需的電流峰值、脈寬等情況，調(diào)整調(diào)波電感的電感量。但在線圈炮系統(tǒng)中，由于驅(qū)動(dòng)線圈已經(jīng)起到了調(diào)波功能，一般不再單獨(dú)配置調(diào)波電感。

4)半導(dǎo)體開關(guān)器件在電源系統(tǒng)總價(jià)值中占有很大的比重，當(dāng)兩種發(fā)射系統(tǒng)復(fù)合使用電源時(shí)，要避免出現(xiàn)開關(guān)器件損壞帶來的損失。應(yīng)分析使用環(huán)境變化對電源帶來的影響，然后根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)對電源能量輸出要求的不同，核算電源系統(tǒng)中半導(dǎo)體器件能否滿足指標(biāo)，主要需要核算的指標(biāo)包括：單管耐壓、IT(AV)、di/dt、du/dt，必要的情況下可以加入專門的保護(hù)電路。

3　結(jié)論

筆者從線圈炮與軌道炮兩種電源的差異性入手，對其中功率器件的工作特性進(jìn)行了分析。通過分析可以看出，兩種電源系統(tǒng)中的功率器件在制造原理、關(guān)鍵參數(shù)等方面存在相同的部分，但為了配合不同發(fā)射器需求，不可避免地存在一些差異，在對電源系統(tǒng)作出部分指標(biāo)調(diào)整的前提下，具備相互之間替換使用的可能性。

在脈沖電源研制過程中，需要根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行合理布局，重點(diǎn)應(yīng)放在功率器件與使用環(huán)境的參數(shù)匹配。確保各部件工作在安全范圍內(nèi)，降低脈沖電源系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，延長使用壽命。

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The Analyses on the Power Components Characteristics of Two Types of PPS for Electromagnetic Launching

HUANG Kai，DONG Zhiqiang，REN Ren，ZHANG Huibo

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang, Shaanxi 712099, China)

Currently the studies of the electromagnetic launch focus on the field of coilgun and railgun, whose energy is supplied by the pulse powers. There are a large number of similarities in the ba-sic components and circuit topology of the two types of powers. The pulse power components have be made up of pulse capacitor, wave modulated reactor, thyristor components, freewheeling components, and energy absorption resistance, etc. Because of the different work environments required for the two types of pulse powers, there are some differences in performance requirements made of the pulse power components, too. A study is made of the effect of the power components from the perspective of the launch process variability between the coilgun and the railgun. An analysis is made of how to match the power components reasonably in combination with reality conditions, in order to satisfy the demand for the pulse power in deferent launch conditions.

PPS; coilgun; railgun; power component; thyristor; pulse inductance

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.002

2015-03-02

黃凱(1982—)，男，碩士研究生，主要從事脈沖功率與電磁發(fā)射研究。E-mail：hoko21@sina.com

TJ393

A

1673-6524(2016)02-0005-05