新型电感储能型脉冲电源研究

闫荣格，王少华

(1.省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学)，天津 300130；2.河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津 300130)

电磁发射是一种通过电磁力将负载加速到超高速的发射方式,其发射能力主要取决于高功率脉冲电源。电容型脉冲电源目前技术较为成熟,但由于能量密度低制约了其发展。电感储能型脉冲电源具有较高的储能密度,而且结构简单,易于实现小型化、轻量化,这些优点使得电感储能脉冲电源成为未来脉冲电源研究的新方向。

目前,应用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的研究主要是基于XRAM[1-3]和meat grinder[4-9]两种拓扑展开的。

XRAM拓扑是通过电感串联充电、并联放电增加负载电流。法德联合实验室ISL基于XRAM拓扑实现了4级、8级和20级拓扑的并联,并于2020年研制出储能1 MJ的XRAM系统,该系统可以将80 g弹丸加速至1 120 m/s的高速[10-13]。XRAM拓扑的优势在于降低了对关断开关的要求[14],但若想使得负载电流增大,必须增加级数,势必会使得设备的造价和体积也会相应的增加,不满足电源对于小型化的要求。

Meat grinder 电路应用了磁通压缩的原理,以使负载电流倍增。文献[5]提出了STRETCH(slow transfer of energy through capacitive hybrid) meat grinder 拓扑,其优势在于电路工作状态改变时,可以抑制关断开关所承受的高电压,但该拓扑结构关断开关采用全控型的IGCT,因此很难关断大的负载电流。文献[6]将ICCOS换流技术应用于STRETCH meat grinder拓扑中,使得负载可以获得大电流的同时,又具有关断较大充电电流的优势,但引入ICCOS支路大大增加了电路的复杂性。文献[7]简化了STRETCH meat grinder with ICCOS电路,但实际应用中很难实现电容电压的自恢复,不利于重复发射。文献[8]提出了meat grinder with CPFU拓扑,该电路容易实现电容预充电压的自恢复,但在放电电流波尾阶段存在较大的剩余电流,易造成炮口的烧蚀。文献[9]提出了一种可快速关断负载电流的拓扑结构,但在关断负载电流的过程中,关断开关、电感及各晶闸管都承受较高的电压,影响各器件的寿命,不利于应用于实际电磁发射中。

鉴于基于meat grinder电感型脉冲电源拓扑研究的不足,笔者提出了一种含降压支路新型电感储能型脉冲电源拓扑,在能够快速关断负载电流的同时,可以有效降低关断开关、电感和晶闸管上所承受的电压,有利于装置的安全运行,并通过Simulink仿真搭建单个模块储能为30 kJ的电源模型,验证了拓扑结构的合理性。

1 电源拓扑与工作阶段分析

1.1 拓扑结构

基于meat grinder 可快速关断负载电流电路,笔者提出了如图1所示的含降压支路的新型电感型脉冲电源拓扑。该拓扑结构在原拓扑的基础上加入了由晶闸管T7和电阻R构成的降压支路,该支路可以减小在负载电流关断期间关断开关、转换电容C及与转换电容C相连接的晶闸管上承受的电压,保证发射的可靠性。所有的半导体器件都选用晶闸管,用于控制其导通。整个拓扑由初级电源US、转换电容C、耦合电感L1、L2、晶闸管T1～T7、电阻R和负载ZL组成,其中RL、LL分别表示感性负载的电阻和电感。耦合电感L1、L2可以使得负载电流倍增,晶闸管T1作为关断开关,当有触发信号时为耦合电感L1、L2充电。转换电容C在吸收耦合电感漏磁能量的同时,其预充的电压还可以关断回路中的总电流。

1.2 工作阶段分析

该结构的工作状态可分为7个阶段,如图2所示。

1)充电阶段:触发晶闸管T1导通,初级电源US向耦合电感L1、L2供电。当充电电流达到预定值,触发晶闸管T3导通。其等效电路如图2(a)所示。

2)主电流关断阶段:换流电容C上预充电压uC。在T3导通时,由于整个回路电阻很小,主电流迅速降为0,且T1承受反压而可靠关断。其等效电路图如图2(b)所示。

3)换流阶段:触发晶闸管T6,T6不会立即导通,换流电容C继续向耦合电感L1、L2充电,uC逐渐减小,耦合电感L1、L2上的电流逐渐增大;当uC降为0时,耦合电感电流达到最大,随后减小。T6由于承受正向电压而导通。由于L1和L2为一对有耦合作用的电感,当电感L1上的电流减小时,根据磁链守恒定律,L2上的磁链势必会增加,电感L1中能量的一部分通过L1-L2-C-T3-L1的回路传递至电感L2,使得负载电流倍增;当晶闸管T6导通时,电感L1中的漏磁能量通过L1-T6-RL-LL-C-T3-L1回路传递给转换电容C,相当于给转换电容C反向充电,此时电容C开始积累反压。当L1中电流为0时,电容C上的反向电压达到最大值,此时T3中无电流,且承受反压而关断。其等效电路图如图2(c)、(d)所示。

4)电容放电阶段:触发晶闸管T2,T2因承受正压而导通,电容C通过负载ZL、晶闸管T6、耦合电感L1及晶闸管T2进行放电,使得负载电流增加,且L1中电流反向增加。当uC降为0时,L1中反向电流达到最大,此后C上电压开始正向增加。当L1中电流为0时,uC上正向电压达到最大,T2因承受反压而可靠关断。等效电路图如图2(e)所示。

5)负载电流关断阶段:触发晶闸管T5导通,在上一阶段电容C已积累正向电压,电容C通过T5、T6放电,由于负载阻抗较小,换流电容C产生的电流大于耦合电感L2产生的电流,因此使得负载电流快速降为0,此时T6因承受反压而可靠关断。等效电路如图2(f)所示。

6)能量交换阶段:首先电容C通过T5向电感L2放电,电容电压逐渐降为0。触发晶闸T7导通,电感L2中的能量向电容C和电阻R释放。电感放电阶段,电容C积累反压,当放电阶段结束后,T5因承受反压,且电流降至维持电流以下而可靠关断。等效电路图如图2(g)所示。

7)电容电压自恢复阶段:触发晶闸管T4导通,电容通过T4向电感L2放电,当电容电压降为0时,电感L2向电容C正向充电,当电感电流降为0,T4因承受反压而可靠关断,电容电压实现自恢复。等效电路如图2(h)所示。

2 新型脉冲电源拓扑工作原理分析

引入降压支路后,在能量交换阶段其工作过程是新型电感型脉冲功率电源独有的。从电路机理上,将能量交换阶段分为3个过程。

2.1 转换电容C放电过程

触发晶闸管T5后,转换电容C向电感支路放电,其等效电路图如图3所示。

这一过程中晶闸管T7无触发信号,因此降压支路电流为0,iC=iL2。对该阶段运行状态进行分析,转换电容C和耦合电感L2构成RLC串联二阶放电系统,图中LC、RC分别表示转换电容C的杂散电感和杂散电阻;R2是耦合电感的电阻。

设RS=RC+R2,LS=LC+L2,电容初始电压为U0,以电感电流iL2为回路电流参考方向,得:

(1)

其解为

uC(t)=A1ep1t+A2ep2t,

(2)

(3)

(4)

此阶段电容向耦合电感L2放电,转换电容C上电压逐渐减小,即使在晶闸管T7两端施加触发信号,T7也不会导通。只有当电容支路电压降为0时,且晶闸管T7有触发信号时,晶闸管T7才导通。

2.2 降压支路导通过程

这一过程中降压支路开始导通,同时转换电容开始反向充电。其等效电路如图4所示。

LT和RT分别代表晶闸管T7的杂散电感和杂散电阻。当R所在支路电压减小至0时,即uab=0,晶闸管T7导通。得到:

(5)

当uab=0,得晶闸管支路开始导通的时刻为

(6)

当电容电压uC(t)降为0,即uC(t)=0,得到:

(7)

当电感电流达到峰值时,即:

(8)

得到电感电流达到峰值时:

(9)

(10)

此时:

(11)

有理由认为当电容电压降为0时,回路电流达到峰值,此时晶闸管T7导通。该理论推导可以为后续仿真设置晶闸管T7的导通时间提供理论依据。

设从t0时刻开始,首先分析转换电容C和电感L2组成的放电回路,设电容和负载支路电流初始值为I1,电流变化率为I′1。为分析问题方便,设降压支路导通起始时刻为0,得:

(12)

分析由晶闸管T7所在支路和电感L2组成的放电回路,得:

(13)

当满足LT≪L2,RT+R≪R2时,

(14)

两边同时求导可得:

(15)

(16)

当转换电容上电压为0时,电容开始反向充电,当电容支路电流降为0时,电容上反压达到峰值。转换电容C电压达到峰值时刻:

(17)

转换电容C上反压峰值为

(18)

在电容支路电流降至0后,晶闸管T5由于承受反压且电流降至维持电流以下,晶闸管T5可靠关断。因此电容电流将保持0,电路进入电感能量释放阶段。

2.3 电感能量释放过程

电感能量释放过程等效电路图如图5所示。

由于晶闸管T7仍有电流流过,且大于维持电流,虽承受反压,但未关断。故第3阶段主要是回路电感L2能量的释放过程,晶闸管支路与电感支路构成RL一阶电路。设第3阶段初始时刻为0,回路初始电流为I2。因此可得:

(19)

最终电感能量释放完毕后由于晶闸管T7关断,转换电容C承受反压。

3 仿真结果

3.1 关断开关及其他元器件电压波形分析

在Simulink中搭建仿真平台,设置各元件的电气参数如表1所示。

表1 储能30 kJ的新型拓扑结构参数

在Simulink中进行仿真,对比得到引入降压支路前后关断开关T1的电压波形如图6所示。

未引入降压支路前,关断开关T1承受的最大正向电压和反向电压分别为43.91 kV、-45.01 kV,引入降压支路后关断开关T1承受的最大正向电压和反向电压分别为6.12 kV、-16.84 kV。关断开关两端的正向电压和反向电压分别下降了86.06%和62.59%;关断开关承受电压明显降低,降压效果明显。

引入降压支路前后耦合电感L1、L2,晶闸管T5、T6承受的电压如图7所示。

从图7得到引入降压支路前后元件承受最大正反向电压,计算得到最大正反向电压减小百分比,如表2所示。其中uqmax+、uqmax-分别表示引入降压支路前元件承受的最大正向电压和最大反向电压;uhmax+、uhmax-分别表示引入降压支路后元件承受的最大正向电压和反向电压。

表2 引入降压支路前后元件承受电压参数

从表2可以看出,晶闸管和耦合电感承受的电压明显降低,提高了整个电源拓扑工作的安全性。

由仿真得到转换电容C上的电压波形如图8所示。转换电容C预充3.2 kV的电压,引入降压支路后最终稳定的电压是3.118 kV,可以看出转换电容上的电压可以恢复到原来的水平,因此含降压支路的电源拓扑具备重复发射的能力。

3.2 负载电流波形分析

负载电流波形如图9所示。

引入降压支路的拓扑结构,其电气指标计算结果为:初级电源供能为54 kJ,充电电流为5.78 kA,初始储能为33.8 kJ,充电效率为62.59%,负载电流得到了一次峰21.82 kA,二次峰38.36 kA的放电电流,负载电流一次倍增系数和二次倍增系数分别达到了3.77和6.63。含降压支路的电源拓扑可以将负载加速至超高速,能够满足电磁发射的需求。

4 结论

笔者基于meat grinder拓扑结构,提出了一种含降压支路新型电感储能型脉冲功率电源拓扑。主要从电路原理、工作阶段、关键参数3个方面进行理论分析,并进行了仿真验证,证明了该拓扑结构的正确性和优越性,得到了如下结论:

1)引入降压支路后,在满足转换电容C的杂散电感LC远小于耦合电感L2,其杂散电阻RC远小于电感L2的电阻R2,以及当RC和R2之和的值与LC和L2之和相比可以忽略这3个条件时,可以推导出晶闸管导通的时刻和转换电容上电压降为零、电感上电流达到峰值为同一时刻。

2)通过对比引入降压支路前后关断开关、各晶闸管和耦合电感承受电压波形可知:引入降压支路后,关断开关T1、电感L1、L2、晶闸管T5、T6承受的最大正向电压、最大反向电压减小百分比均在60%以上,降压效果明显,而且各元器件承受电压均在合理区间,提高了笔者提出的电源模块安全运行的能力,为后续构成整个脉冲功率电源奠定了基础。

3)通过仿真分析可知:单模块储能30 kJ的电感型脉冲电源在运行一次后,转换电容C上的电压能够恢复到之前的水平,电压自恢复率高,说明笔者设计的电源拓扑结构在实际应用于电磁发射中具有重复发射的潜力,具有一定的应用价值。