閆榮格，王少華

(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

電磁發(fā)射是一種通過電磁力將負(fù)載加速到超高速的發(fā)射方式,其發(fā)射能力主要取決于高功率脈沖電源。電容型脈沖電源目前技術(shù)較為成熟,但由于能量密度低制約了其發(fā)展。電感儲(chǔ)能型脈沖電源具有較高的儲(chǔ)能密度,而且結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化,這些優(yōu)點(diǎn)使得電感儲(chǔ)能脈沖電源成為未來脈沖電源研究的新方向。

目前,應(yīng)用于電磁發(fā)射的電感儲(chǔ)能型脈沖電源的研究主要是基于XRAM[1-3]和meat grinder[4-9]兩種拓?fù)湔归_的。

XRAM拓?fù)涫峭ㄟ^電感串聯(lián)充電、并聯(lián)放電增加負(fù)載電流。法德聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室ISL基于XRAM拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了4級(jí)、8級(jí)和20級(jí)拓?fù)涞牟⒙?lián),并于2020年研制出儲(chǔ)能1 MJ的XRAM系統(tǒng),該系統(tǒng)可以將80 g彈丸加速至1 120 m/s的高速[10-13]。XRAM拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于降低了對(duì)關(guān)斷開關(guān)的要求[14],但若想使得負(fù)載電流增大,必須增加級(jí)數(shù),勢(shì)必會(huì)使得設(shè)備的造價(jià)和體積也會(huì)相應(yīng)的增加,不滿足電源對(duì)于小型化的要求。

Meat grinder 電路應(yīng)用了磁通壓縮的原理,以使負(fù)載電流倍增。文獻(xiàn)[5]提出了STRETCH(slow transfer of energy through capacitive hybrid) meat grinder 拓?fù)?其優(yōu)勢(shì)在于電路工作狀態(tài)改變時(shí),可以抑制關(guān)斷開關(guān)所承受的高電壓,但該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)斷開關(guān)采用全控型的IGCT,因此很難關(guān)斷大的負(fù)載電流。文獻(xiàn)[6]將ICCOS換流技術(shù)應(yīng)用于STRETCH meat grinder拓?fù)渲?使得負(fù)載可以獲得大電流的同時(shí),又具有關(guān)斷較大充電電流的優(yōu)勢(shì),但引入ICCOS支路大大增加了電路的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[7]簡化了STRETCH meat grinder with ICCOS電路,但實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)電容電壓的自恢復(fù),不利于重復(fù)發(fā)射。文獻(xiàn)[8]提出了meat grinder with CPFU拓?fù)?該電路容易實(shí)現(xiàn)電容預(yù)充電壓的自恢復(fù),但在放電電流波尾階段存在較大的剩余電流,易造成炮口的燒蝕。文獻(xiàn)[9]提出了一種可快速關(guān)斷負(fù)載電流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但在關(guān)斷負(fù)載電流的過程中,關(guān)斷開關(guān)、電感及各晶閘管都承受較高的電壓,影響各器件的壽命,不利于應(yīng)用于實(shí)際電磁發(fā)射中。

鑒于基于meat grinder電感型脈沖電源拓?fù)溲芯康牟蛔?筆者提出了一種含降壓支路新型電感儲(chǔ)能型脈沖電源拓?fù)?在能夠快速關(guān)斷負(fù)載電流的同時(shí),可以有效降低關(guān)斷開關(guān)、電感和晶閘管上所承受的電壓,有利于裝置的安全運(yùn)行,并通過Simulink仿真搭建單個(gè)模塊儲(chǔ)能為30 kJ的電源模型,驗(yàn)證了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性。

1 電源拓?fù)渑c工作階段分析

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于meat grinder 可快速關(guān)斷負(fù)載電流電路,筆者提出了如圖1所示的含降壓支路的新型電感型脈沖電源拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)浣Y(jié)構(gòu)在原拓?fù)涞幕A(chǔ)上加入了由晶閘管T7和電阻R構(gòu)成的降壓支路,該支路可以減小在負(fù)載電流關(guān)斷期間關(guān)斷開關(guān)、轉(zhuǎn)換電容C及與轉(zhuǎn)換電容C相連接的晶閘管上承受的電壓,保證發(fā)射的可靠性。所有的半導(dǎo)體器件都選用晶閘管,用于控制其導(dǎo)通。整個(gè)拓?fù)溆沙跫?jí)電源US、轉(zhuǎn)換電容C、耦合電感L1、L2、晶閘管T1～T7、電阻R和負(fù)載ZL組成,其中RL、LL分別表示感性負(fù)載的電阻和電感。耦合電感L1、L2可以使得負(fù)載電流倍增,晶閘管T1作為關(guān)斷開關(guān),當(dāng)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)為耦合電感L1、L2充電。轉(zhuǎn)換電容C在吸收耦合電感漏磁能量的同時(shí),其預(yù)充的電壓還可以關(guān)斷回路中的總電流。

1.2 工作階段分析

該結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)可分為7個(gè)階段,如圖2所示。

1)充電階段:觸發(fā)晶閘管T1導(dǎo)通,初級(jí)電源US向耦合電感L1、L2供電。當(dāng)充電電流達(dá)到預(yù)定值,觸發(fā)晶閘管T3導(dǎo)通。其等效電路如圖2(a)所示。

2)主電流關(guān)斷階段:換流電容C上預(yù)充電壓uC。在T3導(dǎo)通時(shí),由于整個(gè)回路電阻很小,主電流迅速降為0,且T1承受反壓而可靠關(guān)斷。其等效電路圖如圖2(b)所示。

3)換流階段:觸發(fā)晶閘管T6,T6不會(huì)立即導(dǎo)通,換流電容C繼續(xù)向耦合電感L1、L2充電,uC逐漸減小,耦合電感L1、L2上的電流逐漸增大;當(dāng)uC降為0時(shí),耦合電感電流達(dá)到最大,隨后減小。T6由于承受正向電壓而導(dǎo)通。由于L1和L2為一對(duì)有耦合作用的電感,當(dāng)電感L1上的電流減小時(shí),根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣?L2上的磁鏈勢(shì)必會(huì)增加,電感L1中能量的一部分通過L1-L2-C-T3-L1的回路傳遞至電感L2,使得負(fù)載電流倍增;當(dāng)晶閘管T6導(dǎo)通時(shí),電感L1中的漏磁能量通過L1-T6-RL-LL-C-T3-L1回路傳遞給轉(zhuǎn)換電容C,相當(dāng)于給轉(zhuǎn)換電容C反向充電,此時(shí)電容C開始積累反壓。當(dāng)L1中電流為0時(shí),電容C上的反向電壓達(dá)到最大值,此時(shí)T3中無電流,且承受反壓而關(guān)斷。其等效電路圖如圖2(c)、(d)所示。

4)電容放電階段:觸發(fā)晶閘管T2,T2因承受正壓而導(dǎo)通,電容C通過負(fù)載ZL、晶閘管T6、耦合電感L1及晶閘管T2進(jìn)行放電,使得負(fù)載電流增加,且L1中電流反向增加。當(dāng)uC降為0時(shí),L1中反向電流達(dá)到最大,此后C上電壓開始正向增加。當(dāng)L1中電流為0時(shí),uC上正向電壓達(dá)到最大,T2因承受反壓而可靠關(guān)斷。等效電路圖如圖2(e)所示。

5)負(fù)載電流關(guān)斷階段:觸發(fā)晶閘管T5導(dǎo)通,在上一階段電容C已積累正向電壓,電容C通過T5、T6放電,由于負(fù)載阻抗較小,換流電容C產(chǎn)生的電流大于耦合電感L2產(chǎn)生的電流,因此使得負(fù)載電流快速降為0,此時(shí)T6因承受反壓而可靠關(guān)斷。等效電路如圖2(f)所示。

6)能量交換階段:首先電容C通過T5向電感L2放電,電容電壓逐漸降為0。觸發(fā)晶閘T7導(dǎo)通,電感L2中的能量向電容C和電阻R釋放。電感放電階段,電容C積累反壓,當(dāng)放電階段結(jié)束后,T5因承受反壓,且電流降至維持電流以下而可靠關(guān)斷。等效電路圖如圖2(g)所示。

7)電容電壓自恢復(fù)階段:觸發(fā)晶閘管T4導(dǎo)通,電容通過T4向電感L2放電,當(dāng)電容電壓降為0時(shí),電感L2向電容C正向充電,當(dāng)電感電流降為0,T4因承受反壓而可靠關(guān)斷,電容電壓實(shí)現(xiàn)自恢復(fù)。等效電路如圖2(h)所示。

2 新型脈沖電源拓?fù)涔ぷ髟矸治?/h2>

引入降壓支路后,在能量交換階段其工作過程是新型電感型脈沖功率電源獨(dú)有的。從電路機(jī)理上,將能量交換階段分為3個(gè)過程。

2.1 轉(zhuǎn)換電容C放電過程

觸發(fā)晶閘管T5后,轉(zhuǎn)換電容C向電感支路放電,其等效電路圖如圖3所示。

這一過程中晶閘管T7無觸發(fā)信號(hào),因此降壓支路電流為0,iC=iL2。對(duì)該階段運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析,轉(zhuǎn)換電容C和耦合電感L2構(gòu)成RLC串聯(lián)二階放電系統(tǒng),圖中LC、RC分別表示轉(zhuǎn)換電容C的雜散電感和雜散電阻;R2是耦合電感的電阻。

設(shè)RS=RC+R2,LS=LC+L2,電容初始電壓為U0,以電感電流iL2為回路電流參考方向,得:

(1)

其解為

uC(t)=A1ep1t+A2ep2t,

(2)

(3)

(4)

此階段電容向耦合電感L2放電,轉(zhuǎn)換電容C上電壓逐漸減小,即使在晶閘管T7兩端施加觸發(fā)信號(hào),T7也不會(huì)導(dǎo)通。只有當(dāng)電容支路電壓降為0時(shí),且晶閘管T7有觸發(fā)信號(hào)時(shí),晶閘管T7才導(dǎo)通。

2.2 降壓支路導(dǎo)通過程

這一過程中降壓支路開始導(dǎo)通,同時(shí)轉(zhuǎn)換電容開始反向充電。其等效電路如圖4所示。

LT和RT分別代表晶閘管T7的雜散電感和雜散電阻。當(dāng)R所在支路電壓減小至0時(shí),即uab=0,晶閘管T7導(dǎo)通。得到:

(5)

當(dāng)uab=0,得晶閘管支路開始導(dǎo)通的時(shí)刻為

(6)

當(dāng)電容電壓uC(t)降為0,即uC(t)=0,得到:

(7)

當(dāng)電感電流達(dá)到峰值時(shí),即:

(8)

得到電感電流達(dá)到峰值時(shí):

(9)

(10)

此時(shí):

(11)

有理由認(rèn)為當(dāng)電容電壓降為0時(shí),回路電流達(dá)到峰值,此時(shí)晶閘管T7導(dǎo)通。該理論推導(dǎo)可以為后續(xù)仿真設(shè)置晶閘管T7的導(dǎo)通時(shí)間提供理論依據(jù)。

設(shè)從t0時(shí)刻開始,首先分析轉(zhuǎn)換電容C和電感L2組成的放電回路,設(shè)電容和負(fù)載支路電流初始值為I1,電流變化率為I′1。為分析問題方便,設(shè)降壓支路導(dǎo)通起始時(shí)刻為0,得:

(12)

分析由晶閘管T7所在支路和電感L2組成的放電回路,得:

(13)

當(dāng)滿足LT?L2,RT+R?R2時(shí),

(14)

兩邊同時(shí)求導(dǎo)可得:

(15)

(16)

當(dāng)轉(zhuǎn)換電容上電壓為0時(shí),電容開始反向充電,當(dāng)電容支路電流降為0時(shí),電容上反壓達(dá)到峰值。轉(zhuǎn)換電容C電壓達(dá)到峰值時(shí)刻:

(17)

轉(zhuǎn)換電容C上反壓峰值為

(18)

在電容支路電流降至0后,晶閘管T5由于承受反壓且電流降至維持電流以下,晶閘管T5可靠關(guān)斷。因此電容電流將保持0,電路進(jìn)入電感能量釋放階段。

2.3 電感能量釋放過程

電感能量釋放過程等效電路圖如圖5所示。

由于晶閘管T7仍有電流流過,且大于維持電流,雖承受反壓,但未關(guān)斷。故第3階段主要是回路電感L2能量的釋放過程,晶閘管支路與電感支路構(gòu)成RL一階電路。設(shè)第3階段初始時(shí)刻為0,回路初始電流為I2。因此可得:

(19)

最終電感能量釋放完畢后由于晶閘管T7關(guān)斷,轉(zhuǎn)換電容C承受反壓。

3 仿真結(jié)果

3.1 關(guān)斷開關(guān)及其他元器件電壓波形分析

在Simulink中搭建仿真平臺(tái),設(shè)置各元件的電氣參數(shù)如表1所示。

表1 儲(chǔ)能30 kJ的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)

在Simulink中進(jìn)行仿真,對(duì)比得到引入降壓支路前后關(guān)斷開關(guān)T1的電壓波形如圖6所示。

未引入降壓支路前,關(guān)斷開關(guān)T1承受的最大正向電壓和反向電壓分別為43.91 kV、-45.01 kV,引入降壓支路后關(guān)斷開關(guān)T1承受的最大正向電壓和反向電壓分別為6.12 kV、-16.84 kV。關(guān)斷開關(guān)兩端的正向電壓和反向電壓分別下降了86.06%和62.59%;關(guān)斷開關(guān)承受電壓明顯降低,降壓效果明顯。

引入降壓支路前后耦合電感L1、L2,晶閘管T5、T6承受的電壓如圖7所示。

從圖7得到引入降壓支路前后元件承受最大正反向電壓,計(jì)算得到最大正反向電壓減小百分比,如表2所示。其中uqmax+、uqmax-分別表示引入降壓支路前元件承受的最大正向電壓和最大反向電壓;uhmax+、uhmax-分別表示引入降壓支路后元件承受的最大正向電壓和反向電壓。

表2 引入降壓支路前后元件承受電壓參數(shù)

從表2可以看出,晶閘管和耦合電感承受的電壓明顯降低,提高了整個(gè)電源拓?fù)涔ぷ鞯陌踩浴?/p>

由仿真得到轉(zhuǎn)換電容C上的電壓波形如圖8所示。轉(zhuǎn)換電容C預(yù)充3.2 kV的電壓,引入降壓支路后最終穩(wěn)定的電壓是3.118 kV,可以看出轉(zhuǎn)換電容上的電壓可以恢復(fù)到原來的水平,因此含降壓支路的電源拓?fù)渚邆渲貜?fù)發(fā)射的能力。

3.2 負(fù)載電流波形分析

負(fù)載電流波形如圖9所示。

引入降壓支路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其電氣指標(biāo)計(jì)算結(jié)果為:初級(jí)電源供能為54 kJ,充電電流為5.78 kA,初始儲(chǔ)能為33.8 kJ,充電效率為62.59%,負(fù)載電流得到了一次峰21.82 kA,二次峰38.36 kA的放電電流,負(fù)載電流一次倍增系數(shù)和二次倍增系數(shù)分別達(dá)到了3.77和6.63。含降壓支路的電源拓?fù)淇梢詫⒇?fù)載加速至超高速,能夠滿足電磁發(fā)射的需求。

4 結(jié)論

筆者基于meat grinder拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提出了一種含降壓支路新型電感儲(chǔ)能型脈沖功率電源拓?fù)洹Ｖ饕獜碾娐吩?、工作階段、關(guān)鍵參數(shù)3個(gè)方面進(jìn)行理論分析,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,證明了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性和優(yōu)越性,得到了如下結(jié)論:

1)引入降壓支路后,在滿足轉(zhuǎn)換電容C的雜散電感LC遠(yuǎn)小于耦合電感L2,其雜散電阻RC遠(yuǎn)小于電感L2的電阻R2,以及當(dāng)RC和R2之和的值與LC和L2之和相比可以忽略這3個(gè)條件時(shí),可以推導(dǎo)出晶閘管導(dǎo)通的時(shí)刻和轉(zhuǎn)換電容上電壓降為零、電感上電流達(dá)到峰值為同一時(shí)刻。

2)通過對(duì)比引入降壓支路前后關(guān)斷開關(guān)、各晶閘管和耦合電感承受電壓波形可知:引入降壓支路后,關(guān)斷開關(guān)T1、電感L1、L2、晶閘管T5、T6承受的最大正向電壓、最大反向電壓減小百分比均在60%以上,降壓效果明顯,而且各元器件承受電壓均在合理區(qū)間,提高了筆者提出的電源模塊安全運(yùn)行的能力,為后續(xù)構(gòu)成整個(gè)脈沖功率電源奠定了基礎(chǔ)。

3)通過仿真分析可知:單模塊儲(chǔ)能30 kJ的電感型脈沖電源在運(yùn)行一次后,轉(zhuǎn)換電容C上的電壓能夠恢復(fù)到之前的水平,電壓自恢復(fù)率高,說明筆者設(shè)計(jì)的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用于電磁發(fā)射中具有重復(fù)發(fā)射的潛力,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。