用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的研究现状综述

马山刚　于歆杰　李　臻

（电力系统国家重点实验室（清华大学）　北京　100084）

用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的研究现状综述

马山刚于歆杰李臻

（电力系统国家重点实验室（清华大学）北京100084）

作为电磁发射装置的基础组成部分，高功率脉冲电源在很大程度上决定着电磁发射技术的研究进展和应用潜能。关于脉冲电源的研究整体上可以分为三个阶段，分别是基本拓扑单元的研究、脉冲电源模块化研究以及多电源模块协同工作的研究。电感储能型脉冲电源具有较高的储能密度，并且以静态形式储能，这些优势使其成为近期诸多学者研究的热点之一。目前，国内外研究机构和学者对电感储能型脉冲电源基本拓扑单元及其实验验证研究取得了很大的进展，然而对于电源模块化及多模块协同工作的研究尚处于初级阶段。在综述电感储能型脉冲电源基本拓扑及其参量分析与实验验证等研究现状的基础上，提出将来研究的关键是如何将基本拓扑单元模块化、小型化，从而构建多模块协同工作的大电流脉冲电源系统，使其早日进入实际应用阶段。

脉冲功率电源电感储能拓扑单元模块化

0　引言

电磁发射用脉冲电源一般由初级电源、中间储能系统和脉冲形成网络三部分组成。由于电磁发射技术特殊的应用领域，对装置体积和重量的要求非常高。脉冲功率电源在整个电磁发射装置体积和重量中占最大份额。在电源系统中，储能设备的体积和重量约占整个电源装置的80%[1]。中间储能系统主要有电容储能、电感储能和旋转机械储能三种形式，理论上，三者的储能密度比为1∶10∶1000。

在很长一段时间内，国内外学者和研究机构对电容型脉冲电源做了大量的研究，已在实验室内普遍获得了实际电磁发射所需要的兆安级脉冲电流，并通过构建脉冲电源模块及多模块协同工作力争使系统模块化、小型化[2,3]。但是由于电容本身储能密度较低，限制了其在实际系统中的应用。

对于旋转机械储能方式，由于其储能密度大，很早就引起了关注，但由于其非静止储能，冷却困难且需一次性存储多次发射的能量，其致命缺陷是结构非常复杂且难以实施[4]。

电感型储能系统相比电容储能具有高一个数量级的储能密度；相比旋转机械储能，由于其以静止磁场的形式储能，易于冷却且只需存储一次发射的能量即可[5]。这些优势使电感型脉冲功率电源成为近年来诸多学者研究的热点之一。

电感储能具有一个典型缺点，即在关断大电感电流时，由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量，使得在关断开关两端产生很大的电压，可能会超出半导体开关所能承受的范围，因而关断开关和关断电路是电感储能型脉冲电源的关键技术[6]。

纵观技术较为成熟的电容储能型脉冲电源的研究历程，关于脉冲电源的研究整体上可以分为三个阶段。其中基本拓扑单元的研究是第一阶段，以基本拓扑单元构建性能优异的特定能级的电源模块为第二阶段，第三阶段是多电源模块协同工作产生电磁发射所需要的脉冲电流。

目前，国内外研究机构和学者围绕克服电感储能的缺点，充分发挥其多方面的优势，对电感储能型脉冲电源多种拓扑单元进行了较为深入的研究，研究重点侧重于拓扑验证和小规模脉冲电源装置（即拓扑单元）的研制，实验研究目的在于说明各自提出的拓扑的优越性和更高能级装置的实现。

构建性能优异的电源模块是以对各拓扑单元进行参量分析研究为前提的，但是国内外关于此方面的研究很少，极少数文献中也只是定性分析。国内对电感储能型脉冲电源的研究还处于起步阶段，清华大学等研究机构，基于理论和仿真，初步开展了多模块协同工作的相关研究。然而缺乏拓扑单元参量分析和模块化理论支撑的多模块协同工作的研究仅仅是不断手工尝试拼凑波形，工作量大且具有很大的随机性，系统参数一旦发生变化，工作往往需要重新开始。

现阶段的关键是如何将基本拓扑单元模块化、小型化，为构建多模块协同工作的大电流脉冲电源系统奠定理论基础，使其早日进入实际应用阶段。因此科学、合理地构建性能优异的电感储能型脉冲电源模块是现阶段亟需研究的重要课题。本文首先阐述两种基本的电感储能型脉冲电源拓扑和几种以此为基础的衍生拓扑，然后阐述对这些拓扑的实验验证及以此构建小型电源系统的现有成果，最后阐述系统参量分析现状及亟待研究的问题。

1　典型拓扑单元

meat grinder和XRAM是两种基本的电流脉冲压缩拓扑。国内外学者和研究机构都是基于这两种基本拓扑或基本思路开展电感储能型脉冲电源相关研究的。

1.1两种基本拓扑

1.1.1meat grinder拓扑

meat grinder是利用磁通压缩原理实现电流倍增的。图1为其基本拓扑[7]。通过开关S1的闭合由Us给两耦合电感L1和L2充电，当L1和L2中的电流达到预定值时，S1打开，同时S2闭合。如果两个电感是全耦合的，S1打开后，L1中的能量将会全部转移到L2中，L2中的电流会急剧上升。由于L2与负载相连，负载中也就会得到急剧上升的脉冲电流。

图1　meat grinder基本拓扑Fig.1　Topology of meat grinder

但是实际的两电感是很难做到全耦合的。当L1断开时，L1中的漏磁通将会试图维持L1中的电流，从而在S1两端产生高电压。此外，对于大电流感性负载还有一个不容忽视的问题[8]：由于负载中的感性分量，突变的电流将会在负载两端产生高电压，一般地，为了得到较大的电流倍增效果，L1比L2大，这也同时带来了电压的倍增，倍增的反电动势会加在S1两端。所以，要重点考虑关断开关S1的要求，即其关断电流和耐受电压。

1.1.2XRAM拓扑

XRAM电流倍增原理与MARX电压倍增原理对偶。在MARX电路中，电容通过从电压源并联充电转换为串联放电，从而产生一幅值约为各电容电压之和的输出电压。而在XRAM电路中，电感通过从电流源串联充电转换为并联放电，从而产生一幅值约为各电感电流之和的输出电流[9]，其基本拓扑如图2所示。

图2　XRAM基本拓扑Fig.2　Topology of XRAM

图2中，开关S1闭合、S2打开时，电感L1,L2,…,Ln组成串联电路通过电源Us充电。当电感中的电流达到预定值时，断开S1、闭合S2，电感L1,L2,…,Ln组成并联电路放电，负载电流为各电感电流相加，是急剧上升的脉冲电流。

很显然，XRAM工作的基本要求是需要合适的关断开关。与meat grinder拓扑相似，要重点考虑关断开关S1的要求，即其关断电流和耐受电压。

1.2几种衍生拓扑

由上分析，meat grinder和XRAM两种基本拓扑都需要重点考虑关断开关，可以说，关断开关辅助关断电路的性能直接决定单级电路的规模。

目前研究电感型脉冲电源的知名机构主要有美国的IAT（Institute for Advanced Technology）和德法联合实验室ISL（German-French Research Institute of Saint Louis）。他们分别基于meat grinder和 XRAM两种不同的脉冲压缩拓扑展开研究。IAT提出的STRETCH meat grinder拓扑、ISL提出的ICCOS换流电路以及清华大学提出的ICCOS换流的STRETCH meat grinder拓扑和单级嵌入STRETCH meat grinder 的XRAM拓扑都是以两种基本拓扑为基础，以主要解决关断开关问题为主要目的而提出的衍生拓扑。

1.2.1STRETCH meat grinder拓扑

IAT对meat grinder基本拓扑进行了改进，提出了STRETCH（Slow Transfer of Energy Through Capacitive Hybrid）meat grinder拓扑[8]，其基本原理如图3所示。为能够主动关断充电电流，采用全控型器件IGCT作为关断开关。与基本的meat grinder拓扑相比，主要是引入一个电容C用以回收漏磁通中的能量和减缓电感L1中的电流变化，从而减小关断开关S1两端的电压。图3中，电容C是并联在电感L1和L2两端，由于二极管VD1的存在，电感充电时与meat grinder拓扑完全相同。在IGCT关断瞬间，由于L1和L2之间的耦合，使得L2中的电流突增，产生的感应电压使二极管VD2导通；而L1中的电流骤减产生的感应电压使二极管VD1导通，给电感L1提供了一条导电通道，使电感中的漏磁能量转移到电容C中，从而弱化了关断开关的电压。STRETCH meat grinder拓扑在电感储能系统中引入一个辅助电容，虽然其能量密度不及纯电感系统，但可有效降低关断开关两端的电压。通过在适当时刻触发晶闸管VT1可将电容收集的漏感能量释放至负载，不仅增加了传输到负载的能量，而且可以按需调整电流波形。

图3　STRETCH meat grinder拓扑Fig.3　Topology of STRETCH meat grinder

1.2.2ICCOS换流的XRAM拓扑

为了能够关断更大的电流和耐受更高的电压，早就有学者对晶闸管换流进行了研究。由于晶闸管是半控型器件，其关断靠外电路来实现。ISL采用XRAM基本拓扑，提出了一种晶闸管关断电路，即ICCOS（Inverse Current Commutation with Semiconductor devices）[10]。图4为ISL提出的ICCOS换流原理电路。

图4　标准和改进ICCOS电路Fig.4　Standard and improved ICCOS circuits

图4中，逆流电容C中有一定的预充电压，晶闸管VT2、电阻R2和电容C为构成ICCOS逆流回路主要元件。通过触发主管VT1导通，初级电源Us给R1、L充电。在充电电流达到预定关断电流时，触发晶闸管VT2导通，由于逆流回路阻抗很小，产生快速增大的逆向电流通过主管VT1，使其总电流快速下降至维持电流以下而关断，此时逆流电容C上的电压仍为正值，而使主管VT1承受反压而保证其可靠关断。

相比图4a的标准换流模式，图4b所示的改进型换流模式电路中由于其逆流回路包含负载，而使负载电流从换流开始就快速上升。在换流过程中VT1一直处于通态，仅承受导通压降；VT1换流关断后，uVT1=uC+uL-Us＞0，此时VT1的电压也不高。因此整个过程VT1的电压并不高，这是改进换流模式的优势所在。

ISL将ICCOS换流原理应用于XRAM拓扑中［11］，其拓扑结构如图5所示。

图5　ICCOS换流的XRAM拓扑Fig.5　Topology of XRAM with ICCOS

需要指出，图5中共阳极二极管VD13～VDn3并非ISL原始拓扑中存在，是清华大学于歆杰课题组根据研究结果加入的[12]，这样可使C1～Cn完全与充电回路隔离。ICCOS换流的XRAM拓扑，采用晶闸管为关断开关，可关断更大的电流和耐受更高的电压。

1.2.3ICCOS换流的STRETCH meat grinder拓扑

STRETCH meat grinder拓扑可有效降低关断开关电压，且具有较高的电流放大倍数，但由于采用全控型器件IGCT作为关断开关，成本高且关断电流较小。ICCOS换流的XRAM拓扑采用晶闸管作为关断开关，相对而言，可降低成本且实现更大的电流关断，但是其较高的电流倍增系数需不断增加级数来获得。

清华大学提出的ICCOS换流的STRETCH meat grinder拓扑将ICCOS换流技术应用于STRETCH meat grinder拓扑中，主管采用晶闸管代替IGCT，其拓扑如图6所示[13]。图中，逆流电容C2中有预充电压U0，晶闸管VT3、VT1、初级电源Us、电容C2以及负载RL和LL构成ICCOS逆流回路。与标准STRETCH meat grinder电路相似，通过触发主管VT1导通，初级电源Us给电感L1、L2充电。在充电电流达到所预定的关断电流I0时，触发晶闸管VT3导通，由于逆流回路阻抗很小，产生快速增大的逆向电流通过主管VT1，使其总电流快速下降至维持电流以下而关断，此时逆流电容C2上的电压仍为正值，并且高于初级电源电压瞬时值，从而使主管VT1承受反压而保证其可靠关断。

图6　ICCOS换流的STRETCH meat grinder拓扑Fig.6　Topology of STRETCH meat grinder with ICCOS

将ICCOS关断技术应用于STRETCH meat grinder电路的新型脉冲功率电源拓扑，既具有标准STRETCH meat grinder（较大电流倍增系数和较小关断开关电压）的特点，又有ICCOS（采用晶闸管为关断开关能关断较大充电电流）的优势。

1.2.4其他衍生拓扑

单级嵌入STRETCH meat grinder 的XRAM拓扑由清华大学于歆杰课题组提出。该电路结合两种基本拓扑的优点，将XRAM中的每一级用一个较低耦合系数的STRETCH meat grinder来代替，其拓扑如图7所示[14]。它既具有STRETCH meat grinder电流倍增系数高的优点，又具有XRAM易于扩展的优点，实现了电流的乘法倍增。作者通过理论分析和仿真计算已验证了其优越性。

图7　单级嵌入STRETCH meat grinder的XRAM拓扑Fig.7　Topology of XRAM with STRETCH meat grinder

另外，清华大学还提出了一种无互感电感型脉冲电源拓扑[15]。

2　实验装置研究

2.1IAT的实验研究

IAT在提出STRETCH meat grinder拓扑后不久，于2007年发表文献陈述了成功研制3.78kA充电电流、20kA放电电流的1.5kJ电感型脉冲电源装置[16]，整个装置的实物如图8所示。

图8　IAT实验装置[16]Fig.8　Experimental setup of IAT[16]

同年，IAT将上述装置进行了改进和进一步实验［17］。其主要内容是用GTO代替IGCT。采用GTO的一个主要问题是其在开始关断前有一个较长的存储时间延迟，并联的GTO在存储时间上的细微差别就会引起大问题，即后关断的GTO必须要关断可能比自己额定关断能力大得多的电流。IAT重点研究了多个GTO并联构成关断开关的同步性问题，关于此问题文献[18]专门作了详细的讨论。

IAT一方面用实际系统验证了STRETCH meat grinder拓扑的基本工作原理；另一方面则以研制的装置成功发射了0.56m长的小型轨道炮模型。IAT正沿着此技术路线研制更大的装置以驱动1m长的轨道炮[17]。

2.2ISL的实验研究

早在2003年，ISL实验研究了晶闸管构成的ICCOS换流装置相比MOSFET组在关断大电流方面的优势，验证了两个晶闸管串联时可关断18kA电流[10]。随后ISL采用改进的ICCOS换流结构，两个晶闸管并联实现了28kA电流的关断[19]。这个性能远优于市场上可买到的功率半导体关断开关，而且28kA不是物理极限，实验充分显示了ICCOS换流的优越性。

ISL以ICCOS换流作为XRAM拓扑中的关断开关，分别研制了八级和二十级XRAM脉冲电源装置。八级时可获得32kA脉冲电流[11]，而二十级时可获得60kA脉冲电流[20]。虽然只是验证性装置，但为了使设备紧凑，获得高的能量传输效率，ISL设计了环形结构。图9为二十级环形XRAM脉冲电源发生器的实物。

图9　二十级环形XRAM脉冲电源发生装置[20]Fig.9　Experimental setup of twenty-stage toroidal XRAM generator[16]

ISL正沿着此技术路线研制更高能级的脉冲电源装置，总能量将超过0.5MJ[20]。

2.3其他研究机构的实验研究

除IAT和ISL以外，国内外一些研究机构也对电感型脉冲电源开展了大量的实验研究，并取得了一定的成果。

以色列早在20世纪90年代就研究了应用GTO作为关断开关的XRAM发生器[21,22]。

日本近期建立了一基于IGBT开关的十二级环形XRAM发生器，在液氮条件下获得了490A的实验电流[23]。

国内对电感储能型脉冲电源的研究还处于起步阶段。清华大学于歆杰课题组近期在实验室搭建了一个ICCOS换流的STRETCH meat grinder小型系统，其电感初始储能为1kJ（1kA充电电流和2mH总电感）。实现了采用ICCOS换流技术对小电感STRETCH meat grinder系统近1kA充电电流的开断。研究结果即将公布而且工作仍在继续[24]。

山东理工大学李海涛等近期采用STRETCH meat grinder拓扑设计并研制了一个小型高温超导储能脉冲变压器，在77K和储能电流96A的情况下，实验得到了2.35～3.04kA的电流脉冲输出[25]。

3　参量分析

实验研究侧重于拓扑验证和小规模脉冲电源的研制，用以说明各拓扑的优越性和更高能级装置的实现方案。而目前对于拓扑参量优化分析很少，更多的只是定性说明。

IAT在提出STRETCH meat grinder拓扑时，对其参量进行了定性说明[8]，指出电路的工作性能取决于驱动负载的拓扑单元数、初始电流和各参数的取值，并且电路主要性能之间存在相互影响。

IAT在文献[26]中以2MJ炮口动能的STRETCH meat grinder电池-电感电磁发射系统为对象，分析了其总体效率和系统尺寸受电池和电感参量的影响。总结了充电时间、电池电压和内阻、电感电阻率和磁感应强度等参数的变化对系统性能和尺寸的影响。研究表明，减小锂离子电池的内阻和使用液氮冷却的铝合金电感是提高系统总体效率和减小系统尺寸的有效途径。该研究着眼于系统初级电源、充电时间、冷却方式以及电感材料等宏观条件进行分析，而未对拓扑参数对性能影响进行定量研究。

ISL提出ICCOS换流结构后，并未对ICCOS逆流回路作详细的分析，只是提及在其特定系统中逆流能量大约比换流能量低一个数量级[19]。

ISL在构建八级XRAM脉冲发生装置后进行了传输效率分析[11]，是在没有对装置进行优化的前提下进行了效率计算，说明虽然只是一个没有进行效率优化的验证系统，但还是得到了较高的效率，在原理上确保即使在更高的能级系统，也可以得到较高的传输效率。

清华大学于歆杰课题组已经开展了STRETCH meat grinder拓扑关键参数对电路主要性能影响的定量分析，给出了系统两个关键参数和三个主要性能之间的定量关系表达式[27]。这给STRETCH meat grinder系统参数选取和性能优化提供了理论依据。课题组正积极开展其他各拓扑的参量分析研究。

清华大学在提出无互感电感的型脉冲电源拓扑后，基于仿真，分析了电感、耦合系数和电容等参数对系统性能的影响，讨论了多个电源模块并联运行的问题[28]。

4　研究前景

电感储能比电容储能具有更高的储能密度，但是在技术上不如电容储能成熟，正处于发展阶段。

虽然当前高能电池等储能设备得到了很大的发展，但是其功率密度还远不足以直接驱动一个实际的轨道炮系统。解决这个问题的有效途径就是采用脉冲压缩电路，即在较长的时间内充电后快速放电。基本的脉冲压缩拓扑有meat grinder和XRAM两种。电感储能在技术上主要的困难在于工作过程中开断巨大的高压直流大电流。因此，近年来提出的所谓新型拓扑都是在两种基本拓扑结构基础上，为改善换流性能而得到的改进拓扑。

各研究机构针对自己所提出的拓扑改进都作了相应的实验验证。IAT采用GTO作为关断开关很大程度上提高了拓扑单元的单级容量，ISL通过不断增加级数提高了系统容量。然而不同于电容储能型脉冲电源，电感储能型脉冲电源受初级电源及关断开关等因素的限制，直接由单元拓扑难以构成较高能量的电源模块。用相对较小能量的模块单元构成脉冲电源有利于电流馈入的精细调整，但是不利于能量规模的扩大和运行［29］，而且更为重要的是，此时电感储能相对于电容储能在储能密度方面的优势无从发挥。

由于电磁发射技术特殊的应用场合，在满足电气性能要求的前提下，装置的体积和重量是决定其能否进入实际应用阶段的重要因素。因此以基本拓扑单元为基础构建较高能级的电源模块，充分发挥电感储能密度方面的优势，使其模块化、小型化是目前电感储能电源亟待研究的方向，也是其早日进入实际应用阶段的关键。

不容忽视的是，虽然采用超导体和过冷金属构造电感本身会引入新的问题，然而为了减小线圈损耗，提高能量传输效率，构建电气与非电性能优异的电源模块，超导储能电感脉冲电源必将是今后研究的热点之一。

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A Review of the Current Research Situation of Inductive Pulsed-Power Supplies for Electromagnetic Launch

Ma ShangangYu XinjieLi Zhen
（State Key Laboratory of Power SystemTsinghua UniversityBeijing100084China）

As the fundamental part of the electromagnetic launching devices, high pulsed power supplies mainly determine the research progress and application potential of electromagnetic launch technology. In general, study of pulsed power supplies can be divided into three stages, i.e. the study of topology units, modularity research and multiple modules cooperative work. Since inductors are relatively more energy dense than capacitors and inductive store is static in nature, inductive pulsed-power supplies become one of the hot topics recently. At present, the domestic and foreign research institutions and scholars have made great progress in researching the basic topology units and its experimental verification of inductive pulsed-power supplies. However, it takes no systematic study of modularity and multiple modules cooperative work, still at the initial research stage. Based on the review of the current research situation about basic topology units and its experimental verification, this paper presented that further studies will focus on the modularization design, miniaturization, and construction of high pulsed power system by multiple modules cooperative work, in order to accelerate its process of the practicality.

Pulsed-power supplies, inductive energy storage, topology units, modularity

TM919

马山刚男，1983年生，博士研究生，研究方向为脉冲功率技术。（通信作者）

于歆杰男，1973年生，博士，副教授，博士生导师，研究方向为无线电能传输和脉冲功率技术。

国家自然科学基金资助项目（51377087）。

2014-3-11改稿日期 2014-10-11