三種電感儲能型脈沖電源電氣性能的比較

初祥祥，于歆杰，劉秀成

(電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084)

1 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，電感儲能型脈沖電源的儲能密度優(yōu)勢日趨顯著。研究電感儲能型脈沖電源的單位和組織主要有美國的IAT和德法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室ISL。

基于對傳統(tǒng) Meatgrinder電路的改進(jìn)［1］，IAT 提出 STRETCH Meatgrinder［2］。采用 IGCT 作為主管，已成功研制3.8kA充電電流、20kA放電電流、1.5kJ電感儲能型脈沖電源。他們正沿此技術(shù)路線，研制2MJ炮口動能的電磁發(fā)射系統(tǒng)。ISL基于ICCOS原理［3］，采用晶閘管作為主管先后設(shè)計(jì)了8級、20級XRAM［4-5］。已經(jīng)成功研制了 3kA充電電流、60kA放電電流、4.7kJ的電感儲能型脈沖電源。他們準(zhǔn)備繼續(xù)研制20級、總能量為0.5MJ的電磁發(fā)射系統(tǒng)。清華大學(xué)對于電感儲能型脈沖電源進(jìn)行了研究，采用IGCT作為主管，提出了一種新型的無互感的電感儲能型脈沖電源拓?fù)洌?］。

2 三種電路拓?fù)涞墓ぷ髟?/h2>

2.1 STRETCH Meatgrinder

最新 STRETCH Meatgrinder拓?fù)淙鐖D1所示［7］。電路工作可分為4個(gè)階段。

第1階段，初級電源給電感 L1、L2充電。Sop(IGCT)閉合，初級直流恒壓源 us對電感 L1、L2進(jìn)行充電，電感電流線性上升到給定電流值后，斷開Sop。

圖1 STRETCH Meatgrinder拓?fù)銯ig.1 Topology of STRETCH Meatgrinder

第2階段，類似 Meatgrinder。由于 L1、L2同時(shí)具有互感和漏感能量，下面依次分析二者的影響。

對于互感能量，Sop斷開瞬間，L1、L2總磁鏈保持不變。電感一般取L1是L2的幾十倍，因此L1中磁鏈減少導(dǎo)致L2磁鏈對應(yīng)的電流iL2快速上升。這是負(fù)載電流倍增系數(shù)(負(fù)載獲得電流峰值與一次電源供電峰值之比)的主要成分。在節(jié)點(diǎn)A處列寫KCL有iLoad=iL2－ iL1。iL2增加，iL1減少，D1導(dǎo)通。

對于漏感能量，與之對應(yīng)的電流只有一條通路，那就是沿著 D1、Load、C、D2、L1。電感 L1對電容 C 進(jìn)行反向充電，電容電壓從零開始下降，L1中的電流逐漸下降至零。電容C的存在限制了主管Sop電壓，降低了IGCT的開關(guān)應(yīng)力。當(dāng)電感L1電流下降至零，二極管D2自然關(guān)斷進(jìn)入第3階段。

第3階段，電容電壓恒定，延遲放電。iL1過零后，uC取得極值。雖然此時(shí)在T1上施加的是正向電壓，但無觸發(fā)脈沖，uC保持不變。負(fù)載電流完全由L2提供，處于一階LR放電狀態(tài)。觸發(fā)延遲時(shí)間是一個(gè)可控的量，改變其長短可以得到不同的負(fù)載電流波形，給設(shè)計(jì)帶來了一定靈活性。

第4階段，人為觸發(fā) T1，電容 C放電。L1、T1、C、Load、D1組成放電回路。這個(gè)過程iL1為負(fù)值。由iLoad=iL2－ iL1可知，iL1有利于 iLoad增加。由于 iL2逐漸減少，iL1絕對值逐漸增大，iLoad出現(xiàn)一個(gè)峰。這個(gè)峰取決于二者變化速率，因此它并不是出現(xiàn)在iL1最大值的時(shí)刻。當(dāng)uC過零后電容C正向充電，iL1逐漸減少至零;之后電容 C再次放電，放電回路為 C、D2、L1、D1、Load。uC過零后電容 C 再次反向充電，直至iLoad減少至零，uC保持不變的負(fù)電壓，僅由L2給負(fù)載一階放電。此后可以在適當(dāng)時(shí)刻再觸發(fā)T1重復(fù)3、4階段。后文仿真只觸發(fā)1次。

2.2XRAM

基于ICCOS換流原理，ISL提出了XRAM電路，8級 XRAM電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 8級XRAM電路拓?fù)銯ig.2 Topology of eight stage XRAM

XRAM工作過程可分為3個(gè)階段，電路工作前，電容Ck(k=1～8)上有預(yù)充電電壓。

第1階段，初級電源給 L1～8串聯(lián)充電。觸發(fā)晶閘管 Th1～Th8，恒壓源 us給 L1～8串聯(lián)充電，電感電流上升到指定電流值后，Th9閉合，進(jìn)入第2階段。

第2階段，ICCOS換流。換流過程很短，可認(rèn)為儲能電感中電流基本不變，Lk、Dk2、Load、Th9、Ck構(gòu)成 8 個(gè)并聯(lián)放電回路。C1、Th9、Load、D82、us、Th1構(gòu)成換流回路;另外，Ck、Thk(k=2 ～8)、D(k－1)2、Load、Th9構(gòu)成換流回路。iCk從零開始上升，直至與晶閘管Thk電流相同時(shí)，Thk自然關(guān)斷。由于 Ck仍有殘壓，繼續(xù)放電，與 Thk反并聯(lián)的二極管 Dk導(dǎo)通，對 Thk施加反壓。只要這段時(shí)間大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq就可以保證Thk可靠關(guān)斷。為了更清楚說明與二極管Dk是如何關(guān)斷的，分成 D1和 D2～8兩類分別說明，這樣分類主要考慮到二者承受的電壓不同。對于D1，uD1=uC1－ uLoad－ us。uC1逐漸減少，us不變，uLoad是正值(負(fù)載為小阻感，電流一直增加，負(fù)載上的電壓為正值)，因此uD1逐漸減少，直至為負(fù)值，D1承受反壓而關(guān)斷。對于二極管 D2～8，uDk=uCk－uLoad，同理分析Dk也會因承受反壓而關(guān)斷。

D1～8關(guān)斷后，Lk、Ck、Th9、Load、Dk2構(gòu)成二階欠阻尼系統(tǒng)，uCk逐漸減少直至為零，反并聯(lián)的二極管Dk1導(dǎo)通，進(jìn)入第3階段。

第 3 階段，L1～8并聯(lián)放電。

2.3 無互感的電感儲能型脈沖電源

該拓?fù)淙鐖D3所示，工作可分為3個(gè)階段。

第1階段:Sop(IGCT)閉合，L1、L2被充電到指定電流，Sop斷開同時(shí)Scl閉合，進(jìn)入第2階段。

圖3 無互感的電感儲能型脈沖電源拓?fù)銯ig.3 Topology of non-mutual inductance PPS

第2階段:L1先經(jīng)過 Scl、Load、C回路對電容 C進(jìn)行反向充電，iL1逐漸減少直至為零;接著 C通過Load、Scl、L1回路對 L1進(jìn)行充電，uC逐漸減少，iL1從零減少為負(fù)值。uC過零，Dcb導(dǎo)通。

第3階段:L1L2并聯(lián)給負(fù)載供電。

3 基于Simplorer?仿真分析

為客觀比較三種電路的優(yōu)劣，仿真時(shí)保證三種電路電感初始儲能約為1.9kJ，初級電源充電電流為 4.1kA，總電感值約 220μH。STRETCH Meat-grinder中 L1=158μH、L2=5.89μH(耦 合 系 數(shù)0.94)，C=800μF;XRAM共有 8級，每一級電感均為30μH，電容值均為140μF;無互感的電感儲能型脈沖電源 L1=110.5μH、L2=110.5μH，電容 C=1000μF。負(fù)載參考IAT和ISL，采用電阻1mΩ、電感1μH的小阻感負(fù)載。初級電源采用123V的直流電壓源?；谏鲜銮疤?，在 Simplorer?8.0中進(jìn)行仿真，主要比較主開關(guān)的電壓波形和電流倍增系數(shù)。

關(guān)于STRETCH Meatgrinder與無互感的電感儲能型脈沖電源的電感參數(shù)有一點(diǎn)說明。對于前者，L1是L2的幾十倍，是為了得到較大的電流倍增系數(shù)。對于后者，若L1遠(yuǎn)大于 L2，需要較大電容值以限制主管電壓，會失去電感儲能密度的優(yōu)勢;反之，則L1能量消耗過快，因此選取二者相等。

3.1 STRETCH Meatgrinder仿真分析

基于 Simplorer? 對 STRETCH Meatgrinder進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 STRETCH Meatgrinder電壓仿真波形Fig.4 Simulated voltage waves of STRETCH Meatgrinder

圖5 STRETCH Meatgrinder電流仿真波形Fig.5 Simulated current waves of STRETCH Meatgrinder

0～7.55ms(t0－t1)，對應(yīng)電路的第1階段。

7.55 ～7.85ms(t1－t2)對應(yīng)第2階段。由于 C的限壓，uSop=us－uC，約為1.2kV。這個(gè)階段末負(fù)載電流波形出現(xiàn)了第一個(gè)峰19.5kA。

7.85 ～8.25ms(t2－t3)對應(yīng)第3階段。由于uC保持不變，uSop為電源電壓和電感電壓代數(shù)和，負(fù)載電流是一階LR放電波形。

8.25 ～11ms(t3－仿真結(jié)束)對應(yīng)第4階段。

3.2 XRAM仿真分析

基于Simplorer?對8級 XRAM進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6和圖7所示，所有的電容預(yù)充電電壓均為1.5kV。

圖6 8級 XRAM部分元件電壓仿真波形Fig.6 Simulated voltage waves of 8 stage XRAM

圖7 8級 XRAM部分元件電流仿真波形Fig.7 Simulated current waves of 8 stage XRAM

0～9.3ms(t0－t1)對應(yīng) XRAM的第1階段。8個(gè)電感串聯(lián)充電，電流逐漸上升到指定電流4.1kA后，觸發(fā)Th9進(jìn)入第二階段。

9.3 ～9.5ms(t1－t2)對應(yīng)ICCOS換流階段。在這個(gè)過程中，Th1～Th9處于正向?qū)ɑ蛘叻聪蚨搪窢顟B(tài)，因此承受較低電壓，同時(shí)保證了 Th1～Th8可靠關(guān)斷。uCk從預(yù)充值逐漸減少至零，iLoad上升到達(dá)峰值46.5kA。

9.50ms(t2)以后，進(jìn)入第3階段。

3.3 無互感的電感儲能型脈沖電源仿真分析

Simplorer?得到的仿真波形見圖8和圖9。

圖8 互感電感儲能型脈沖電源電壓仿真波形Fig.8 Simulated voltage waves of non-mutual inductance PPS

圖9 無互感的電感儲能型脈沖電源電流仿真波形Fig.9 Simulated current waves of non-mutual inductance PPS

0～7.55ms(0－t1)是第1階段。電感電流上升至指定電流4.1kA后，進(jìn)入第2階段。

7.55 ～8.6ms(t1－t2)是第2階段。本階段中出現(xiàn)的電流峰值為8kA。

8.6ms以后對應(yīng)第3階段。

4 三種拓?fù)渲饕姎庑阅苤笜?biāo)比較

目前電感儲能型脈沖電源存在的主要技術(shù)難題集中在充電技術(shù)、斷路開關(guān)耐壓和換流技術(shù)幾個(gè)方面。實(shí)用發(fā)射系統(tǒng)中單級電源電流常常是百千安的級別。電感回路的換流容易產(chǎn)生過高的電壓，當(dāng)前的斷流技術(shù)顯得捉襟見肘。另外，目前初級電源的供電能力還有限，如何將初級電源幾千安的電流進(jìn)行倍增得到能夠驅(qū)動負(fù)載的上百千安的電流也是另一個(gè)亟待解決的問題。換言之，提高電流的倍增系數(shù)值得深入研究探索。因此，主管耐壓水平和負(fù)載電流倍增系數(shù)常常作為兩個(gè)最重要的電氣性能指標(biāo)來衡量電感儲能型脈沖電源的性能。結(jié)合仿真可以得到三種電路電氣性能指標(biāo)如表1所示。

表1 三種電路電氣性能指標(biāo)比較表Tab.1 Electrical performance comparison

從表1看出，IAT的STRETCH Meatgrinder和基于無互感的電感儲能型脈沖電源的主開關(guān)管要承受1000多伏電壓，并且可靠關(guān)斷4kA電流。同時(shí)，為了主動關(guān)斷充電電流，必須采用諸如 IGCT這種可控關(guān)斷器件。相比之下，ISL的主開關(guān)管除Th9外僅需要承受幾十伏電壓、幾千安的電流，而且可以采用像晶閘管這樣非可控關(guān)斷的器件。

從電流倍增系數(shù)這個(gè)指標(biāo)來看，由于STRETCH Meatgrinder存在互感，使該拓?fù)涞碾娏鞅对鱿禂?shù)比無互感大得多，因此前者有著更強(qiáng)的帶負(fù)載能力。但互感的存在帶來了設(shè)計(jì)和制作工藝上的困難。需要補(bǔ)充說明的是，三種電路得到的負(fù)載電流在十幾或者幾十千安的水平上，而實(shí)際應(yīng)用中往往需要上百千安的電流，所以前文各電路只是作為其中的一個(gè)單元。STRETCH Meatgrinder和無互感的電感儲能型脈沖電源拓?fù)錄Q定了它們單個(gè)單元的電流倍增系數(shù)很難超過10。相比之下，XRAM單個(gè)單元的電流倍增是通過其級數(shù)來決定的，有多少級倍增系數(shù)就是多少，配置比較靈活。同時(shí)，換流電容殘壓使得電流倍增系數(shù)進(jìn)一步增大。

5 結(jié)論

從主開關(guān)元件耐壓水平來看，IAT提出的STRETCH Meatgrinder和無互感的電感儲能型脈沖電源雖然引入了電容，但主開關(guān)管上仍需要承受kV量級電壓，并且需要采用可控關(guān)斷開關(guān)器件。XRAM利用ICCOS技術(shù)明顯降低了主開關(guān)管電壓應(yīng)力，不必采用可控關(guān)斷開關(guān)器件。就目前技術(shù)而言，斷開4kA的IGCT價(jià)格昂貴，幾乎達(dá)到了最先進(jìn)的IGCT斷流水平的上限。因此如何采用更為經(jīng)濟(jì)的方式代替IGCT及更合理的斷流技術(shù)，很大程度上決定了實(shí)用性。

從負(fù)載電流倍增系數(shù)來看，從單個(gè)單元角度來講，XRAM配置比較靈活，可以通過增加級數(shù)方便增加其帶負(fù)載能力;STRETCH Meatgrinder的倍增系數(shù)也較大，一般電流倍增系數(shù)不會超過10;無互感的電感儲能型脈沖電源由于沒有互感作用，理論上可以證明其倍增系數(shù)不會超過2。

對于XRAM，因?yàn)槲闹忻恳患夒娙莩跏汲潆婋妷憾枷嗤?，這樣基本可以忽略電容對于充電過程的耦合作用。當(dāng)需要調(diào)整各個(gè)電容的初始充電電壓以降低電容初始儲能占電感總儲能的百分比時(shí)，這種耦合作用的存在甚至?xí)?dǎo)致XRAM無法正常工作?？紤]合理的解耦手段也是下一步需要研究的。

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