用于電磁發射的電感儲能型脈沖電源的研究現狀綜述

馬山剛　于歆杰　李　臻

（電力系統國家重點實驗室（清華大學）　北京　100084）

用于電磁發射的電感儲能型脈沖電源的研究現狀綜述

馬山剛于歆杰李臻

（電力系統國家重點實驗室（清華大學）北京100084）

作為電磁發射裝置的基礎組成部分，高功率脈沖電源在很大程度上決定著電磁發射技術的研究進展和應用潛能。關于脈沖電源的研究整體上可以分為三個階段，分別是基本拓撲單元的研究、脈沖電源模塊化研究以及多電源模塊協同工作的研究。電感儲能型脈沖電源具有較高的儲能密度，并且以靜態形式儲能，這些優勢使其成為近期諸多學者研究的熱點之一。目前，國內外研究機構和學者對電感儲能型脈沖電源基本拓撲單元及其實驗驗證研究取得了很大的進展，然而對于電源模塊化及多模塊協同工作的研究尚處于初級階段。在綜述電感儲能型脈沖電源基本拓撲及其參量分析與實驗驗證等研究現狀的基礎上，提出將來研究的關鍵是如何將基本拓撲單元模塊化、小型化，從而構建多模塊協同工作的大電流脈沖電源系統，使其早日進入實際應用階段。

脈沖功率電源電感儲能拓撲單元模塊化

0　引言

電磁發射用脈沖電源一般由初級電源、中間儲能系統和脈沖形成網絡三部分組成。由于電磁發射技術特殊的應用領域，對裝置體積和重量的要求非常高。脈沖功率電源在整個電磁發射裝置體積和重量中占最大份額。在電源系統中，儲能設備的體積和重量約占整個電源裝置的80%[1]。中間儲能系統主要有電容儲能、電感儲能和旋轉機械儲能三種形式，理論上，三者的儲能密度比為1∶10∶1000。

在很長一段時間內，國內外學者和研究機構對電容型脈沖電源做了大量的研究，已在實驗室內普遍獲得了實際電磁發射所需要的兆安級脈沖電流，并通過構建脈沖電源模塊及多模塊協同工作力爭使系統模塊化、小型化[2,3]。但是由于電容本身儲能密度較低，限制了其在實際系統中的應用。

對于旋轉機械儲能方式，由于其儲能密度大，很早就引起了關注，但由于其非靜止儲能，冷卻困難且需一次性存儲多次發射的能量，其致命缺陷是結構非常復雜且難以實施[4]。

電感型儲能系統相比電容儲能具有高一個數量級的儲能密度；相比旋轉機械儲能，由于其以靜止磁場的形式儲能，易于冷卻且只需存儲一次發射的能量即可[5]。這些優勢使電感型脈沖功率電源成為近年來諸多學者研究的熱點之一。

電感儲能具有一個典型缺點，即在關斷大電感電流時，由于電流的突變和充電回路中的漏磁場能量，使得在關斷開關兩端產生很大的電壓，可能會超出半導體開關所能承受的范圍，因而關斷開關和關斷電路是電感儲能型脈沖電源的關鍵技術[6]。

縱觀技術較為成熟的電容儲能型脈沖電源的研究歷程，關于脈沖電源的研究整體上可以分為三個階段。其中基本拓撲單元的研究是第一階段，以基本拓撲單元構建性能優異的特定能級的電源模塊為第二階段，第三階段是多電源模塊協同工作產生電磁發射所需要的脈沖電流。

目前，國內外研究機構和學者圍繞克服電感儲能的缺點，充分發揮其多方面的優勢，對電感儲能型脈沖電源多種拓撲單元進行了較為深入的研究，研究重點側重于拓撲驗證和小規模脈沖電源裝置（即拓撲單元）的研制，實驗研究目的在于說明各自提出的拓撲的優越性和更高能級裝置的實現。

構建性能優異的電源模塊是以對各拓撲單元進行參量分析研究為前提的，但是國內外關于此方面的研究很少，極少數文獻中也只是定性分析。國內對電感儲能型脈沖電源的研究還處于起步階段，清華大學等研究機構，基于理論和仿真，初步開展了多模塊協同工作的相關研究。然而缺乏拓撲單元參量分析和模塊化理論支撐的多模塊協同工作的研究僅僅是不斷手工嘗試拼湊波形，工作量大且具有很大的隨機性，系統參數一旦發生變化，工作往往需要重新開始。

現階段的關鍵是如何將基本拓撲單元模塊化、小型化，為構建多模塊協同工作的大電流脈沖電源系統奠定理論基礎，使其早日進入實際應用階段。因此科學、合理地構建性能優異的電感儲能型脈沖電源模塊是現階段亟需研究的重要課題。本文首先闡述兩種基本的電感儲能型脈沖電源拓撲和幾種以此為基礎的衍生拓撲，然后闡述對這些拓撲的實驗驗證及以此構建小型電源系統的現有成果，最后闡述系統參量分析現狀及亟待研究的問題。

1　典型拓撲單元

meat grinder和XRAM是兩種基本的電流脈沖壓縮拓撲。國內外學者和研究機構都是基于這兩種基本拓撲或基本思路開展電感儲能型脈沖電源相關研究的。

1.1兩種基本拓撲

1.1.1meat grinder拓撲

meat grinder是利用磁通壓縮原理實現電流倍增的。圖1為其基本拓撲[7]。通過開關S1的閉合由Us給兩耦合電感L1和L2充電，當L1和L2中的電流達到預定值時，S1打開，同時S2閉合。如果兩個電感是全耦合的，S1打開后，L1中的能量將會全部轉移到L2中，L2中的電流會急劇上升。由于L2與負載相連，負載中也就會得到急劇上升的脈沖電流。

圖1　meat grinder基本拓撲Fig.1　Topology of meat grinder

但是實際的兩電感是很難做到全耦合的。當L1斷開時，L1中的漏磁通將會試圖維持L1中的電流，從而在S1兩端產生高電壓。此外，對于大電流感性負載還有一個不容忽視的問題[8]：由于負載中的感性分量，突變的電流將會在負載兩端產生高電壓，一般地，為了得到較大的電流倍增效果，L1比L2大，這也同時帶來了電壓的倍增，倍增的反電動勢會加在S1兩端。所以，要重點考慮關斷開關S1的要求，即其關斷電流和耐受電壓。

1.1.2XRAM拓撲

XRAM電流倍增原理與MARX電壓倍增原理對偶。在MARX電路中，電容通過從電壓源并聯充電轉換為串聯放電，從而產生一幅值約為各電容電壓之和的輸出電壓。而在XRAM電路中，電感通過從電流源串聯充電轉換為并聯放電，從而產生一幅值約為各電感電流之和的輸出電流[9]，其基本拓撲如圖2所示。

圖2　XRAM基本拓撲Fig.2　Topology of XRAM

圖2中，開關S1閉合、S2打開時，電感L1,L2,…,Ln組成串聯電路通過電源Us充電。當電感中的電流達到預定值時，斷開S1、閉合S2，電感L1,L2,…,Ln組成并聯電路放電，負載電流為各電感電流相加，是急劇上升的脈沖電流。

很顯然，XRAM工作的基本要求是需要合適的關斷開關。與meat grinder拓撲相似，要重點考慮關斷開關S1的要求，即其關斷電流和耐受電壓。

1.2幾種衍生拓撲

由上分析，meat grinder和XRAM兩種基本拓撲都需要重點考慮關斷開關，可以說，關斷開關輔助關斷電路的性能直接決定單級電路的規模。

目前研究電感型脈沖電源的知名機構主要有美國的IAT（Institute for Advanced Technology）和德法聯合實驗室ISL（German-French Research Institute of Saint Louis）。他們分別基于meat grinder和 XRAM兩種不同的脈沖壓縮拓撲展開研究。IAT提出的STRETCH meat grinder拓撲、ISL提出的ICCOS換流電路以及清華大學提出的ICCOS換流的STRETCH meat grinder拓撲和單級嵌入STRETCH meat grinder 的XRAM拓撲都是以兩種基本拓撲為基礎，以主要解決關斷開關問題為主要目的而提出的衍生拓撲。

1.2.1STRETCH meat grinder拓撲

IAT對meat grinder基本拓撲進行了改進，提出了STRETCH（Slow Transfer of Energy Through Capacitive Hybrid）meat grinder拓撲[8]，其基本原理如圖3所示。為能夠主動關斷充電電流，采用全控型器件IGCT作為關斷開關。與基本的meat grinder拓撲相比，主要是引入一個電容C用以回收漏磁通中的能量和減緩電感L1中的電流變化，從而減小關斷開關S1兩端的電壓。圖3中，電容C是并聯在電感L1和L2兩端，由于二極管VD1的存在，電感充電時與meat grinder拓撲完全相同。在IGCT關斷瞬間，由于L1和L2之間的耦合，使得L2中的電流突增，產生的感應電壓使二極管VD2導通；而L1中的電流驟減產生的感應電壓使二極管VD1導通，給電感L1提供了一條導電通道，使電感中的漏磁能量轉移到電容C中，從而弱化了關斷開關的電壓。STRETCH meat grinder拓撲在電感儲能系統中引入一個輔助電容，雖然其能量密度不及純電感系統，但可有效降低關斷開關兩端的電壓。通過在適當時刻觸發晶閘管VT1可將電容收集的漏感能量釋放至負載，不僅增加了傳輸到負載的能量，而且可以按需調整電流波形。

圖3　STRETCH meat grinder拓撲Fig.3　Topology of STRETCH meat grinder

1.2.2ICCOS換流的XRAM拓撲

為了能夠關斷更大的電流和耐受更高的電壓，早就有學者對晶閘管換流進行了研究。由于晶閘管是半控型器件，其關斷靠外電路來實現。ISL采用XRAM基本拓撲，提出了一種晶閘管關斷電路，即ICCOS（Inverse Current Commutation with Semiconductor devices）[10]。圖4為ISL提出的ICCOS換流原理電路。

圖4　標準和改進ICCOS電路Fig.4　Standard and improved ICCOS circuits

圖4中，逆流電容C中有一定的預充電壓，晶閘管VT2、電阻R2和電容C為構成ICCOS逆流回路主要元件。通過觸發主管VT1導通，初級電源Us給R1、L充電。在充電電流達到預定關斷電流時，觸發晶閘管VT2導通，由于逆流回路阻抗很小，產生快速增大的逆向電流通過主管VT1，使其總電流快速下降至維持電流以下而關斷，此時逆流電容C上的電壓仍為正值，而使主管VT1承受反壓而保證其可靠關斷。

相比圖4a的標準換流模式，圖4b所示的改進型換流模式電路中由于其逆流回路包含負載，而使負載電流從換流開始就快速上升。在換流過程中VT1一直處于通態，僅承受導通壓降；VT1換流關斷后，uVT1=uC+uL-Us＞0，此時VT1的電壓也不高。因此整個過程VT1的電壓并不高，這是改進換流模式的優勢所在。

ISL將ICCOS換流原理應用于XRAM拓撲中［11］，其拓撲結構如圖5所示。

圖5　ICCOS換流的XRAM拓撲Fig.5　Topology of XRAM with ICCOS

需要指出，圖5中共陽極二極管VD13～VDn3并非ISL原始拓撲中存在，是清華大學于歆杰課題組根據研究結果加入的[12]，這樣可使C1～Cn完全與充電回路隔離。ICCOS換流的XRAM拓撲，采用晶閘管為關斷開關，可關斷更大的電流和耐受更高的電壓。

1.2.3ICCOS換流的STRETCH meat grinder拓撲

STRETCH meat grinder拓撲可有效降低關斷開關電壓，且具有較高的電流放大倍數，但由于采用全控型器件IGCT作為關斷開關，成本高且關斷電流較小。ICCOS換流的XRAM拓撲采用晶閘管作為關斷開關，相對而言，可降低成本且實現更大的電流關斷，但是其較高的電流倍增系數需不斷增加級數來獲得。

清華大學提出的ICCOS換流的STRETCH meat grinder拓撲將ICCOS換流技術應用于STRETCH meat grinder拓撲中，主管采用晶閘管代替IGCT，其拓撲如圖6所示[13]。圖中，逆流電容C2中有預充電壓U0，晶閘管VT3、VT1、初級電源Us、電容C2以及負載RL和LL構成ICCOS逆流回路。與標準STRETCH meat grinder電路相似，通過觸發主管VT1導通，初級電源Us給電感L1、L2充電。在充電電流達到所預定的關斷電流I0時，觸發晶閘管VT3導通，由于逆流回路阻抗很小，產生快速增大的逆向電流通過主管VT1，使其總電流快速下降至維持電流以下而關斷，此時逆流電容C2上的電壓仍為正值，并且高于初級電源電壓瞬時值，從而使主管VT1承受反壓而保證其可靠關斷。

圖6　ICCOS換流的STRETCH meat grinder拓撲Fig.6　Topology of STRETCH meat grinder with ICCOS

將ICCOS關斷技術應用于STRETCH meat grinder電路的新型脈沖功率電源拓撲，既具有標準STRETCH meat grinder（較大電流倍增系數和較小關斷開關電壓）的特點，又有ICCOS（采用晶閘管為關斷開關能關斷較大充電電流）的優勢。

1.2.4其他衍生拓撲

單級嵌入STRETCH meat grinder 的XRAM拓撲由清華大學于歆杰課題組提出。該電路結合兩種基本拓撲的優點，將XRAM中的每一級用一個較低耦合系數的STRETCH meat grinder來代替，其拓撲如圖7所示[14]。它既具有STRETCH meat grinder電流倍增系數高的優點，又具有XRAM易于擴展的優點，實現了電流的乘法倍增。作者通過理論分析和仿真計算已驗證了其優越性。

圖7　單級嵌入STRETCH meat grinder的XRAM拓撲Fig.7　Topology of XRAM with STRETCH meat grinder

另外，清華大學還提出了一種無互感電感型脈沖電源拓撲[15]。

2　實驗裝置研究

2.1IAT的實驗研究

IAT在提出STRETCH meat grinder拓撲后不久，于2007年發表文獻陳述了成功研制3.78kA充電電流、20kA放電電流的1.5kJ電感型脈沖電源裝置[16]，整個裝置的實物如圖8所示。

圖8　IAT實驗裝置[16]Fig.8　Experimental setup of IAT[16]

同年，IAT將上述裝置進行了改進和進一步實驗［17］。其主要內容是用GTO代替IGCT。采用GTO的一個主要問題是其在開始關斷前有一個較長的存儲時間延遲，并聯的GTO在存儲時間上的細微差別就會引起大問題，即后關斷的GTO必須要關斷可能比自己額定關斷能力大得多的電流。IAT重點研究了多個GTO并聯構成關斷開關的同步性問題，關于此問題文獻[18]專門作了詳細的討論。

IAT一方面用實際系統驗證了STRETCH meat grinder拓撲的基本工作原理；另一方面則以研制的裝置成功發射了0.56m長的小型軌道炮模型。IAT正沿著此技術路線研制更大的裝置以驅動1m長的軌道炮[17]。

2.2ISL的實驗研究

早在2003年，ISL實驗研究了晶閘管構成的ICCOS換流裝置相比MOSFET組在關斷大電流方面的優勢，驗證了兩個晶閘管串聯時可關斷18kA電流[10]。隨后ISL采用改進的ICCOS換流結構，兩個晶閘管并聯實現了28kA電流的關斷[19]。這個性能遠優于市場上可買到的功率半導體關斷開關，而且28kA不是物理極限，實驗充分顯示了ICCOS換流的優越性。

ISL以ICCOS換流作為XRAM拓撲中的關斷開關，分別研制了八級和二十級XRAM脈沖電源裝置。八級時可獲得32kA脈沖電流[11]，而二十級時可獲得60kA脈沖電流[20]。雖然只是驗證性裝置，但為了使設備緊湊，獲得高的能量傳輸效率，ISL設計了環形結構。圖9為二十級環形XRAM脈沖電源發生器的實物。

圖9　二十級環形XRAM脈沖電源發生裝置[20]Fig.9　Experimental setup of twenty-stage toroidal XRAM generator[16]

ISL正沿著此技術路線研制更高能級的脈沖電源裝置，總能量將超過0.5MJ[20]。

2.3其他研究機構的實驗研究

除IAT和ISL以外，國內外一些研究機構也對電感型脈沖電源開展了大量的實驗研究，并取得了一定的成果。

以色列早在20世紀90年代就研究了應用GTO作為關斷開關的XRAM發生器[21,22]。

日本近期建立了一基于IGBT開關的十二級環形XRAM發生器，在液氮條件下獲得了490A的實驗電流[23]。

國內對電感儲能型脈沖電源的研究還處于起步階段。清華大學于歆杰課題組近期在實驗室搭建了一個ICCOS換流的STRETCH meat grinder小型系統，其電感初始儲能為1kJ（1kA充電電流和2mH總電感）。實現了采用ICCOS換流技術對小電感STRETCH meat grinder系統近1kA充電電流的開斷。研究結果即將公布而且工作仍在繼續[24]。

山東理工大學李海濤等近期采用STRETCH meat grinder拓撲設計并研制了一個小型高溫超導儲能脈沖變壓器，在77K和儲能電流96A的情況下，實驗得到了2.35～3.04kA的電流脈沖輸出[25]。

3　參量分析

實驗研究側重于拓撲驗證和小規模脈沖電源的研制，用以說明各拓撲的優越性和更高能級裝置的實現方案。而目前對于拓撲參量優化分析很少，更多的只是定性說明。

IAT在提出STRETCH meat grinder拓撲時，對其參量進行了定性說明[8]，指出電路的工作性能取決于驅動負載的拓撲單元數、初始電流和各參數的取值，并且電路主要性能之間存在相互影響。

IAT在文獻[26]中以2MJ炮口動能的STRETCH meat grinder電池-電感電磁發射系統為對象，分析了其總體效率和系統尺寸受電池和電感參量的影響。總結了充電時間、電池電壓和內阻、電感電阻率和磁感應強度等參數的變化對系統性能和尺寸的影響。研究表明，減小鋰離子電池的內阻和使用液氮冷卻的鋁合金電感是提高系統總體效率和減小系統尺寸的有效途徑。該研究著眼于系統初級電源、充電時間、冷卻方式以及電感材料等宏觀條件進行分析，而未對拓撲參數對性能影響進行定量研究。

ISL提出ICCOS換流結構后，并未對ICCOS逆流回路作詳細的分析，只是提及在其特定系統中逆流能量大約比換流能量低一個數量級[19]。

ISL在構建八級XRAM脈沖發生裝置后進行了傳輸效率分析[11]，是在沒有對裝置進行優化的前提下進行了效率計算，說明雖然只是一個沒有進行效率優化的驗證系統，但還是得到了較高的效率，在原理上確保即使在更高的能級系統，也可以得到較高的傳輸效率。

清華大學于歆杰課題組已經開展了STRETCH meat grinder拓撲關鍵參數對電路主要性能影響的定量分析，給出了系統兩個關鍵參數和三個主要性能之間的定量關系表達式[27]。這給STRETCH meat grinder系統參數選取和性能優化提供了理論依據。課題組正積極開展其他各拓撲的參量分析研究。

清華大學在提出無互感電感的型脈沖電源拓撲后，基于仿真，分析了電感、耦合系數和電容等參數對系統性能的影響，討論了多個電源模塊并聯運行的問題[28]。

4　研究前景

電感儲能比電容儲能具有更高的儲能密度，但是在技術上不如電容儲能成熟，正處于發展階段。

雖然當前高能電池等儲能設備得到了很大的發展，但是其功率密度還遠不足以直接驅動一個實際的軌道炮系統。解決這個問題的有效途徑就是采用脈沖壓縮電路，即在較長的時間內充電后快速放電。基本的脈沖壓縮拓撲有meat grinder和XRAM兩種。電感儲能在技術上主要的困難在于工作過程中開斷巨大的高壓直流大電流。因此，近年來提出的所謂新型拓撲都是在兩種基本拓撲結構基礎上，為改善換流性能而得到的改進拓撲。

各研究機構針對自己所提出的拓撲改進都作了相應的實驗驗證。IAT采用GTO作為關斷開關很大程度上提高了拓撲單元的單級容量，ISL通過不斷增加級數提高了系統容量。然而不同于電容儲能型脈沖電源，電感儲能型脈沖電源受初級電源及關斷開關等因素的限制，直接由單元拓撲難以構成較高能量的電源模塊。用相對較小能量的模塊單元構成脈沖電源有利于電流饋入的精細調整，但是不利于能量規模的擴大和運行［29］，而且更為重要的是，此時電感儲能相對于電容儲能在儲能密度方面的優勢無從發揮。

由于電磁發射技術特殊的應用場合，在滿足電氣性能要求的前提下，裝置的體積和重量是決定其能否進入實際應用階段的重要因素。因此以基本拓撲單元為基礎構建較高能級的電源模塊，充分發揮電感儲能密度方面的優勢，使其模塊化、小型化是目前電感儲能電源亟待研究的方向，也是其早日進入實際應用階段的關鍵。

不容忽視的是，雖然采用超導體和過冷金屬構造電感本身會引入新的問題，然而為了減小線圈損耗，提高能量傳輸效率，構建電氣與非電性能優異的電源模塊，超導儲能電感脈沖電源必將是今后研究的熱點之一。

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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

馬山剛男，1983年生，博士研究生，研究方向為脈沖功率技術。（通信作者）

于歆杰男，1973年生，博士，副教授，博士生導師，研究方向為無線電能傳輸和脈沖功率技術。

國家自然科學基金資助項目（51377087）。

2014-3-11改稿日期 2014-10-11