基于meat grinder with SECT电路的50kJ电感储能型脉冲电源的研究

班 瑞， 于歆杰， 刘旭堃， 李 臻

(电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室， 清华大学电机系， 北京 100084)

基于meatgrinderwithSECT电路的50kJ电感储能型脉冲电源的研究

班 瑞， 于歆杰， 刘旭堃， 李 臻

(电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室， 清华大学电机系， 北京 100084)

电感储能型脉冲电源是目前电磁发射技术的研究热点，提升装置储能密度对于推动电感储能型脉冲电源的应用和研究具有重要意义。本文介绍了一种适用于电感储能型脉冲电源的名为meat grinder with SECT的新电路，并对该电路进行了详细的原理分析，指出该电路兼具电流关断能力强和拓扑结构简单的优点。通过仿真将meat grinder with SECT和STRETCH meat grinder、STRETCH meat grinder with ICCOS这两种主流电路进行了性能比较，发现meat grinder with SECT电路在保持电气性能不变的同时，成本最低，体积最小。基于meat grinder with SECT电路，本文研制了50kJ电感储能型脉冲电源并进行了试验测试，测试结果达到了预期目标。

电感储能型脉冲电源； meat grinder with SECT； 电磁发射； 脉冲电源

1 引言

电感储能型脉冲电源因其储能密度高，结构相对简单的优点，受到了越来越多的关注，逐渐成为目前电磁发射技术的研究热点[1]。关于电感型脉冲电源的研究起步较晚，还处于电路拓扑和试验装置的研究阶段。

电感储能型脉冲电源的电路拓扑主要有两大类：基于meat grinder[2]的电路和基于XRAM[3]的电路，文献[4]中比较了基于这两种拓扑的电路。本文主要研究基于meat grinder的电路，meat grinder拓扑基于磁通压缩原理实现电流倍增，但是主开关在断开时会承受极高电压，不是一个实用的电路拓扑。

为了解决meat grinder拓扑主管电压高的问题，美国IAT (Institute for Advanced Technology)实验室提出了STRETCH (Slow Transfer of Energy Through Capacitive Hybrid) meat grinder电路[5]。该电路使用IGCT作为主开关，引入了能量转换电容来限制主管电压，文献[5]详细介绍了其工作原理，这里不再赘述。由于使用IGCT作为主开关，STRETCH meat grinder电路的最大可关断电流受制于IGCT的通流能力，该电路难以用来构建大容量脉冲电源模块。

为了提高电流关断能力，清华大学提出了一种名为STRETCH meat grinder with ICCOS的改进电路[6]。该电路使用晶闸管作为主开关，为了关断晶闸管，引入了ICCOS[7]逆流回路。该电路的电流关断能力远大于STRETCH meat grinder，更适用于构建大容量系统，但由于引入了ICCOS逆流回路，拓扑结构更加复杂。

本文介绍了一种名为meat grinder with SECT (Self-charged Capacitor and Thyristors)的电路[8]，如图1所示。该电路兼具电流关断能力强和拓扑结构简单的优点。本文将对该电路进行原理分析和性能分析，并与STRETCH meat grinder和STRETCH meat grinder with ICCOS进行比较，最后基于该电路构建50kJ电感储能型脉冲电源。

图1 Meat grinder with SECT电路Fig.1 Meat grinder with SECT

2 Meat grinder with SECT电路分析

2.1 原理分析

Meat grinder with SECT电路网络拓扑结构与STRETCH meat grinder一样，不同之处在于用晶闸管TH1替代了IGCT作为主管，用晶闸管TH2替代了二极管，并且给C1预充了一定电压。其与STRETCH meat grinder with ICCOS相比，则是去掉了ICCOS逆流回路，通过TH2和C1关断主管。理论上，meat grinder with SECT电路的电流关断能力与STRETCH meat grinder with ICCOS相当，但电路保持了与STRETCH meat grinder类似的网络结构。

Meat grinder with SECT的工作过程可分为6个阶段，分别是充电阶段、关断阶段、换流阶段、电感放电阶段、自恢复阶段和电感放电阶段。

(1)充电阶段

在开始工作时，触发晶闸管TH1导通，电源US给电感充电，强耦合电感L1、L2中电流增加，等效电路如图2所示。

图2 Meat grinder with SECT工作阶段1Fig.2 Stage 1 of meat grinder with SECT

(2)关断阶段

当电感电流增加到给定值时，触发TH2导通，由于uC1>US，TH1中电流瞬间降为0，电感L1和L2通过C1续流，表现为C1继续给电感充电，uC1降低，电感电流继续增大。当uC1>US时，TH1承受反向电压，若反向电压持续时间大于晶闸管反向恢复时间，TH1关断。当uC1降为0时，关断阶段结束，这一阶段等效电路如图3所示。

图3 Meat grinder with SECT工作阶段2Fig.3 Stage 2 of meat grinder with SECT

(3)换流阶段

换流阶段等效电路图如图4所示。当uC1降为0时，换流阶段开始，D1导通，L2通过负载续流，L1中的大部分能量通过互感耦合到L2中，使L2电流开始倍增，L1中的漏感能量转移到C1中，L1电流减小，C1反向充电。当L1电流降为0时，iTH2=0，uTH2=uC1-uLoad，由于负载是小阻感，电压较低，因此TH2承受反向电压而关断，换流过程结束。该过程与STRETCH meat grinder的换流阶段原理相同。

图4 Meat grinder with SECT工作阶段3Fig.4 Stage 3 of meat grinder with SECT

(4)电感放电阶段

换流结束后，电感L2通过负载放电，这是一个一阶过程，等效电路如图5所示。

图5 Meat grinder with SECT工作阶段4、6Fig.5 Stage 4,6 of meat grinder with SECT

(5)自恢复阶段

换流过程中，C1吸收漏感能量而被反向充电，这部分能量可以再次被利用，回馈到负载上。触发TH3，C1通过电感和负载反向放电，当uC1为0时，iTH3达到最大，接着C1被正向充电，直到iTH3降为0，TH3关断，自恢复过程结束，该过程等效电路如图6所示。该过程不同于STRETCH meat grinder和STRETCH meat grinder with ICCOS，因为TH2的位置是一个晶闸管而不是二极管，因此TH3关断后，TH2不导通，该过程结束。需要特别指出的是，C1先反向放电，再正向充电，在参数合适的情况下，C1的剩余电压可能达到预充电压。也就是说在一定条件下，C1的电压可以自恢复，SECT中的self-charged capacitor即源于此。自恢复特性十分适合电磁轨道炮负载，具有实现C1一次充能，多次发射的潜力。

图6 Meat grinder with SECT工作阶段5Fig.6 Stage 5 of meat grinder with SECT

(6)电感放电阶段

TH3关断后，L2继续对负载放电，等效电路与阶段4相同，如图5所示。

图7为meat grinder with SECT电路电流波形图，其中标注了各工作阶段与电流波形的对应关系。

图7 Meat grinder with SECT电路电流波形Fig.7 Current waveforms of meat grinder with SECT

2.2 试验验证

基于meat grinder with SECT电路，搭建了小系统试验平台，试验参数见表1。使用与试验相同的参数在Simplorer®11.0中对meat grinder with SECT和STRETCH meat grinder进行仿真，试验和仿真负载电流波形如图8所示。

表1 小系统试验参数Tab.1 Experiment parameters of meat grinder with SECT

图8 试验和仿真负载电流波形比较Fig.8 Load current waveforms of simulation and experiment

试验和仿真波形吻合较好，并且可以发现，meat grinder with SECT负载电流波形与STRETCH meat grinder相比有两点明显差异：①meat grinder with SECT负载电流波形上升沿较晚，这是因为在关断过程中，当TH1被关断后，电容C1继续为电感充电，直到C1电压为0时，负载电流才开始倍增；②meat grinder with SECT负载电流二次峰后没有凹陷，这是因为在阶段5中，C1和电感、负载组成的高阶振荡过程只持续半个周期。对于轨道炮负载，meat grinder with SECT电路的波形更优。

3 50kJ系统性能分析

在Simplorer®11.0仿真环境下，分别构建基于meat grinder with SECT、STRETCH meat grinder和STRETCH meat grinder with ICCOS的电感总储能为50kJ的系统，系统参数和控制参数均相同。其中初级电容为103.8mF，预充1500V，电感总感值为4mH，L1感值1050μH，阻值46.5mΩ，L2感值304μH，阻值21mΩ，耦合系数0.95，充电时长为24ms。

文献[9]提出了8个电气性能指标，这里选择3个最典型的指标分析，分别是电流倍增系数、主管最大电压和电容储能比例。电流倍增系数指负载电流一次峰、二次峰和充电电流的比值，是衡量脉冲电源电流放大能力的指标。主管最大电压指电路工作过程中，主管两端承受的最大电压，是衡量电路拓扑是否实用的最重要指标之一，电路的主管最大电压越低，对于主开关耐压性能的要求越低，越适用于构建大容量系统。电容储能比例指在工作过程中电容的最大储能占系统总储能的比例，该指标影响系统的储能密度。理论上电感的储能密度远高于电容，在总储能固定的前提下，电容储能所占比例越小，系统储能密度越大。3种电路电气性能比较见表2。

表2 3种电路电气性能比较Tab.2 Electrical performances of 3 circuits

由于3种电路都基于meat grinder拓扑，因此电气性能比较接近。meat grinder with SECT的电气性能与STRETCH meat grinder几乎一致，STRETCH meat grinder with ICCOS电路主管电压略低，但同时也减小了二次电流倍增系数，并且电容储能比例稍高。仿真结果显示，meat grinder with SECT电路在极大提高电流关断能力的同时，仍然提供与STRETCH meat grinder几乎一致的电气性能，并且储能密度略高于STRETCH meat grinder with ICCOS。

在参数相同的前提下，3种电路使用相同的电感和能量转换电容，电路之间的体积和成本差异主要体现在开关器件和逆流电容上。根据仿真结果，分别对3种电路进行器件选型，进而可以较直观地分析比较3种电路的体积和成本差别。

IGCT使用ABB公司的产品，晶闸管和二极管使用襄阳盛唐公司的产品。对于STRETCH meat grinder电路，需要使用1个IGCT，型号为5SHY5L4500；1个晶闸管，型号为KK1000A/3500V；1个二极管，型号为ZP1200-12。对于STRETCH meat grinder with ICCOS电路，需要使用3个晶闸管，其中1个KK2000A/3000V，两个KK1000A/3500V；1个二极管，型号为ZP1200-12；逆流电容使用上海电容器厂生产的MKMJ-3-600，尺寸为210mm×123mm×112mm。对于meat grinder with SECT电路，需要3个晶闸管，其中1个KK2000A/3000V，2个KK1000A/3500V。

3种电路的开关器件和逆流电容的体积、成本见表3，器件尺寸来自于官方和实测数据，价格来自市场报价。为了便于比较，这里只计算器件自身体积之和，不考虑器件布局不同带来的影响。

表3 部分元件的体积和成本

通过比较可以发现，meat grinder with SECT电路有最小的体积和最低的成本。与STRETCH meat grinder相比，meat grinder with SECT的晶闸管主开关体积和成本分别为IGCT的1/9和1/20。与STRETCH meat grinder with ICCOS相比，meat grinder with SECT无需额外的逆流电容，直接减小了约0.0029m3体积。由于晶闸管的通流能力远大于IGCT，meat grinder with SECT电路在不影响电气性能的前提下提高了电路的电流关断能力，简化了电路结构，成本低，体积小，具有较佳的综合性能，十分适合构建大容量电感储能型脉冲电源系统。

4 50kJ系统实现

基于meat grinder with SECT电路，构建50kJ电感储能型脉冲电源试验系统，如图9所示，系统参数见表4。

图9 50kJ试验系统Fig.9 50kJ experiment system

参数数值初级电源CS103.8mF,预充1550V能量转换电容C11mF,预充2150V电感L12837μH,129mΩ电感L2724μH,26mΩL1和L2的耦合系数k0.9744充电时长tc30ms小阻感负载RL,LL1.4μH,1mΩ

电感总感值为6.35mH，耦合系数达到了0.9744，由课题组自行研制，负载使用小阻感负载；电压探头使用OItek OIDP-100高压差分探头，电流探头使用英国PEM公司的CWT150B罗氏线圈，使用NI PXI-5105数据采集卡进行数据采集。

试验结果如图10所示，电感充电电流达到了4.16kA，负载得到了一次峰11.37kA、二次峰13.59kA的放电电流。系统总储能为0.5×6.35×4.162=54.9kJ，达到了储能50kJ的预期目标。

图10 50kJ系统试验结果Fig.10 Experiment results of 50kJ system

电感直径为300mm，高220mm，体积约为0.0155m3，电感自身储能密度达到了3.54MJ/m3。若把晶闸管和C1体积也考虑在内，晶闸管、C1和电感组成的模块总体积约为0.0269m3，元件总储能密度为2.04MJ/m3。随着初级电源预充电压提高，储能密度还可进一步提升，这也印证了电感储能型脉冲电源储能密度高的优点。

5 结论

Meat grinder with SECT电路具有大电流关断能力和简单的拓扑结构，在保持电气性能不变的同时可以降低成本，减小系统体积，进而提高储能密度，非常适用于大容量高储能密度电感储能型脉冲电源。此外，该电路波形质量更优，C1自恢复特性具有实现连续发射的潜力。

基于meat grinder with SECT电路构建的50kJ试验系统，经过测试达到了54.9kJ的系统储能，实现了预期目标。元件储能密度达到了2MJ/m3，随着电压等级和系统储能的增大，储能密度可进一步提高，体现了电感储能型脉冲电源储能密度高的优点。

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Researchon50kJmeatgrinderwithSECTinductivepulsedpowersupply

BAN Rui, YU Xin-jie, LIU Xu-kun, LI Zhen

(State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing100084, China)

This paper introduces a novel circuit named meat grinder with SECT for developing inductive pulsed power supply. Detailed discuss shows that this circuit has large current turning-off ability and simple topology. A comparison with2mainstream circuits has been made, which shows that the meat grinder with SECT circuit decreases volume and price while keeping electrical performance at the same level. Based on meat grinder with SECT circuit, this paper developed a50kJ inductive pulsed power supply experiment system. Experiment results have reached expectation.

inductive pulsed power supply; meat grinder with SECT; electromagnetic launch; pulsed power supply

2017-05-02

国家自然科学基金项目(50877039)、 清华大学自主科研计划项目(20121087927)

班 瑞 (1992-), 男, 陕西籍, 硕士研究生, 研究方向为脉冲功率技术；于歆杰 (1973-), 男, 贵州籍, 副教授, 博导, 博士， 研究方向为无线电能传输、 脉冲功率技术。

10.12067/ATEEE1705008

1003-3076(2017)12-0053-06

TM91