两型PFN模块的放电特性及优化

王杰 鲁军勇 张晓 戴宇峰

摘要：为了更好地设计电容储能型脉冲功率电源的电路拓扑，采用理论分析与仿真计算相结合的方法，从放电阶段划分、放电过程中脉冲电容器、续流二极管和晶闸管等关键器件的电压、电流及能量损耗，以及放电效率等方面对两型PFN模块不同特性及各自的优缺点进行了全面的对比分析，仿真结果表明I型PFN在器件损耗、放电效率等方面比II型PFN更有优势。针对电容器反向电压尤其是I型PFN反向电压不能通过模块自身释放的问题，设计了多模块脉冲功率电源的反向电压释放通道，其对II型PFN影响较小，但可将I型PFN模块放电过程中产生的反向电压回收利用并形成正向的电压，这对具有连发功能需求的脉冲功率电源具有重要意义。

关键词：脉冲功率电源;脉冲成型网络;能量损耗;放电效率;反向电压释放

DoI：10.15938/j.eme.2019.08.002

中图分类号：TM89文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2019）08-0010-09

0引言

脉冲功率电源（pulsed power supply，PPS）是电磁发射装置的重要组成部分，可为电磁发射提供高达数百万安培的脉冲电流。目前普遍采用的是多个模块构成的电容储能型脉冲功率电源，单个脉冲功率电源模块也叫脉冲成形网络（pulse forming net-work，PFN）模块。其主要组成部分包括脉冲电容器、晶闸管、续流二极管及调波电感器。依据PFN模块中续流二极管和晶闸管的位置关系，可分为I型PFN模块和II型PFN模块，因拓扑结构不同，在放电过程中的特性也不同。

现有PFN模块的研究大多将放电过程分为2个阶段，第一个阶段电容放电，模块中形成一个RLC回路;第二个阶段续流二极管导通，电感器放电，形成一个RL回路。这种放电阶段划分方法忽略了器件杂散参数的问题，也没有考虑晶闸管和二极管导通和截止的动态过程。

由于杂散参数的存在，两型PFN模块放电过程中都会在脉冲电容器上产生反向电压，由于脉冲电容器一般为金属化膜电容器，反向电压会对金属化膜电容器的自愈特性造成影响，导致寿命降低，因而需要避免电容器长时间的反向电压。文献[5-6]分析了反向电压与杂散参数的关系，提出采用II型PFN来代替I型PFN。

电磁发射的效率首先决定于脉冲功率电源的放电效率，紧凑化集成的高效率PFN模块是电磁发射装置工程化应用的必然需求。PFN模块中各功率器件的能量损耗不仅与放电效率密切相关，模块放电过程中器件还会产生大量焦耳热，在循环浪涌模式下，往往容易造成热量的积累，导致器件温度升高，对器件的性能造成不利影响。

现有PFN模块放电特性的研究更多集中于某型某个器件的电压电流或温度特性，但PFN模块整个放电过程中的性能差异并未见全面报道。事实上两型PFN各有其优缺点，并不存在绝对的好与坏之分，因此本文从能量和效率的角度对两型PFN模块进行对比，旨在对两型PFN模块放电过程中的特性做一个全面的分析，研究不同PFN模块关键器件的工作状况及其可能存在的风险，并针对放电过程中脉冲电容器的反向电压问题，研究优化改进的方法。

1两型PFN模块的放电过程分析

图1为两型PFN模块的电路原理，其中C为脉冲电容器（也表示电容值），晶闸管T作为放电开关，D为续流二极管。PFN模块中可能的电流支路有3条，分别为电容支路，其电流为ic;续流支路，电流为id;负载支路，电流为if，电流通过同轴电缆输出到负载。I型PFN的晶闸管置于电容支路，续流支路在晶闸管和电感器之间，Ⅱ型PFN的晶闸管在负载支路，续流支路在晶闸管之前。

图1中考虑了各个支路的杂散参数，其中Rc和Lc为电容支路等效串联电阻和等效串联电感;Rd和Ld为续流支路等效串联电阻和等效串联电感;尺，和Lf为负载支路等效串联电阻和等效串联电感。各支路等效串联电阻和等效串联电感都包括支路上所有器件本身的杂散参数及线路杂散参数，比如Rf包含了調波电感器内阻、同轴电缆电阻、负载电阻等，而Lf包括了调波电感、同轴电缆电感、负载等效串联电感等。

根据电路原理，可将PFN模块（I型和II型）的放电过程分为3个阶段，分别如图2～图4所示。设电容器初始电压为Uo，放电从零时刻开始，若令：

在simplorer中对两型PFN模块的放电进行仿真，考虑实际器件和电缆杂散参数，仿真模型如图5所示，图中的电压表分别用于测量电容器电压uc、二极管电压ud和晶闸管电压ut，图5采用的器件参数如表1所示。

两型PFN模块各支路电流和电容电压如图6所示，可看出两型PFN模块中都存在电容器反向电压，但I型PFN中的反向电压一直存在，而II型PFN模块中的电容器反向电压可通过模块自身的电容一续流二极管支路释放，释放过程中由于杂散参数、反向电压及电容和二极管形成的回路的欠阻尼特性，导致II型PFN的续流二极管存在幅值很高的浪涌电流，浪涌电流峰值甚至超过负载电流。

2两型PFN模块放电特性对比

2.1PFN模块器件耗能及效率分析

对PFN模块中各个器件及负载损耗的能量进行研究，PFN模块初始总储能为

在不同的初始电容电压下，PFN模块的能耗和效率不相同，两型PFN模块放电效率随初始电压的变化如图7所示。从图中也可以看出，随着电容初始电压的增大，两型PFN模块放电效率都会提高，在相同初始电压下I型PFN模块比II型PFN模块的放电效率更高。

当初始电压为10kV时，两型PFN模块各器件（及电缆和负载）耗能所占比例如图8所示，其中Other主要是电容器的残余电能，由于I型PFN放电过程结束后电容器上存在残余的反向电压，电容残余电能达到初始电容总能量的2%左右，而II型PFN模块电容基本没有残余电能。

可见两型PFN模块在放电过程中的能耗特性有一些区别，下面对PFN模块各主要功率器件进行具体的分析（设初始电压uo为10kV）。

2.2两型PFN模块的电容器特性对比

PFN模块放电过程中的电容电压如图9所示，两型PFN模块电容器都存在反向充電现象，但II型PFN模块可将反向电压释放，而I型PFN模块的反向电压将一直存在。

两型PFN模块放电过程中的电容电流及电容耗能如图10所示，由于II型PFN模块中电容支路始终存在，直到放电完毕，在放电第三阶段，当电容器产生反向电压后，在电容及续流二极管形成的回路构成RLC振荡电路，电容电流存在的时间长，因此电容自身的耗能也比I型PFN模块电容耗能更多。而I型PFN模块的电容电流只存在于第一和第二阶段，电容电流无振荡，耗能少。

2.3两型PFN模块的续流二极管特性对比

放电过程中两型PFN模块续流二极管两端的电压如图11所示，而两型PFN模块二极管电流及其能量损耗如图12所示。

由图11可以看出，由于II型PFN模块电容器与续流二极管直接并联，电容电压不能突变，因此续流二极管上的电压也没有突变，二极管在电容放电阶段承受反向的电容电压，当电容器被反向充电时承受短暂的正向电容电压，直到反向电容电压被全部释放;而I型PFN模块的续流二极管在晶闸管导通前被隔离，二极管电压为0，当模块被触发，晶闸管导通后，续流二极管上的电压由0迅速突变，晶闸管导通过程中二极管与电容器并联，当续流二极管导通而晶闸管截止之后，二极管电压为0，直到放电结束。

从图12可以看出，在放电第三阶段，由于II型PFN模块续流支路电流是反向电容支路电流与负载电流的叠加，续流二极管上产生峰值很大的浪涌电流，浪涌峰值高达114kA，该电流值远超过PFN模块负载电流峰值，也大大高于二极管的正常工作电流，并伴随极高的di/dt，这对二极管的性能提出了很高的要求;而由于I型PFN模块的续流二极管无电流振荡，当其导通后续流二极管电流与负载电流相等，相对来说电流幅值和di/dt都较小，二极管上产生的能量损耗也要比II型PFN模块小得多，因此其对二极管性能的要求比II型PFN模块要低。

2.4两型PFN模块的晶闸管特性对比

两型PFN放电过程中晶闸管的电压如图13所示，两型PFN模块晶闸管电流及耗能如图14所示。

从图13可以看出，在模块被触发前，晶闸管不导通，晶闸管两端承受的电压与电容电压相等，当晶闸管导通后，两型PFN模块晶闸管的电压都迅速降为晶闸管本身的前向导通压降，接近于0。其中II型PFN模块的晶闸管一直导通，直到放电结束，故II型PFN模块的晶闸的电压在放电过程中为前向导通压降，放电结束后电压为0;而由于I型PFN模块的晶闸管在电容支路，在续流二极管导通后，由于I型PFN模块的电容器存在反向电压，电容器与晶闸管串联后再与续流二极管并联，故其晶闸管两端也将一直存在一个反向电压。

从图14中可以看出，第一和第二阶段中两型PFN的晶闸管都处于同样的RLC电路中，电流及能耗相同。但II型PFN模块的晶闸管在整个模块放电过程中都导通，其电流持续时间长，能量损耗也较多;而I型PFN模块的晶闸管只在模块放电的第一、第二阶段导通，续流二极管导通后，晶闸管的电流迅速降为0，不参与模块续流阶段，故I型PFN模块的晶闸管的能耗也小得多。

3PFN反向电压的释放

从以上分析可以看出，I型PFN在很多方面存在优势，比如电容器、二极管和晶闸管的耗能少，二极管电压无突变，无浪涌电流等，但是I型PFN也存在问题，放电过程中的反向电压，随着电容初始电压的增大，放电效率提高，但同时反向电压也会线性增大，如图15所示。

当电容器初始电压为10kV时，反向电压高达1220V，I型PFN模块放电结束后电容残余电能达到3.7kJ，这对电容器的安全使用是一个巨大的隐患，因此本文提出一种新的电路拓扑对此进行改进，释放反向电容电压，回收残余的电能。

对于单个PFN模块，增加额外的反向电容电压释放通道必然会增大PFN模块的体积和重量，不利于紧凑集成，但对于由多个PFN模块构成的脉冲功率电源，若增加如图16所示的反向电容电压释放通道，则平均下来每个PFN模块增加的体积和重量都不会很大。

从图中可以看出，PFN模块放电过程在很短时问（10ms以内）内完成，其中II型PFN模块组成的脉冲功率电源反向电压主要通过模块内部的电容一二极管支路释放，在很短的时间内反向电容电压就降到0，反向电压持续时间短，在反向电压释放通道形成的电流很小（小于1A）;而I型PFN模块构成的脉冲功率电源只能依靠模块外部的反向电容电压释放通道进行释放，释放过程中在该通道形成了高达1276A的大电流，这个电流又会给所有电容器充电，在电容器上形成905V的正向电压（因释放通道的存在，电容器上的反压也会比前述的1220V要小），反向电压释放的时间大约为0.5s左右。

可见反向电压释放通道对II型PFN影响不大，但可以将I型PFN放电过程中形成的反向电压释放并形成正向的电压，这对脉冲功率电源的影响有两方面，一是秒级的释放时间延长了脉冲功率电源工作的总时间，二是有利于下一次的充电，对于需具有连续充放电功能的脉冲功率电源，第一次放电形成正向电压后下一次充电的时间可以缩短。

此外，反向电压回收利用可以进一步提高总的放电效率，I型PFN组成的脉冲功率电源放电效率将会比II型PFN更高，对于上述仿真，考虑到能量回收之后，I型PFN脉冲电源的放电效率可达到79.9%，II型PFN脉冲电源的放电效率则为78.2%，可见I型PFN脉冲电源的放电效率更高。

4结论

本文对两型PFN模块的放电特性进行了研究，对比了两型PFN的放电过程及主要功率器件的电流、电压和能耗特性，与II型PFN模块相比，I型PFN模块对负载的放电效率更高，电容和二极管电流无振荡，二极管和晶闸管的能耗小，有利于器件保护，但I型PFN模块也存在二极管电压突变的问题。

针对电容器反向电压尤其是I型PFN反向电压不能释放的问题，本文还为多模块脉冲功率电源设计了反向电压释放通道进行优化，仿真表明其可以将反向电容电压有效释放，其中对I型PFN组成的脉冲电源影响更大，不仅可以释放反向电压，还能进行能量回收，可进一步提高脉冲电源的放电效率，这对需连续充放电的脉冲功率电源有重大意义;而II型PFN反向电压主要靠模块自身释放，增加了模块中器件的损耗，反向电压释放通道对II型PFN影响较小。

从本文的研究可以看出，两型PFN各有其优缺点，从放电效率及主要功率器件损耗的情况来看，则I型PFN在多模块脉冲功率电源中具有一定的优势，且通过反向电压释放通道可有效解决反向电容电压问题。