基于超導(dǎo)脈沖變壓器的電磁發(fā)射脈沖電源技術(shù)研究進展

李海濤, 張存山, 胡元潮, 孫志偉

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

基于超導(dǎo)脈沖變壓器的電磁發(fā)射脈沖電源技術(shù)研究進展

李海濤, 張存山, 胡元潮, 孫志偉

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

摘要：基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源技術(shù)是電感儲能脈沖電源技術(shù)的一個新的發(fā)展方向，與傳統(tǒng)電感儲能脈沖電源技術(shù)相比，具有模塊數(shù)少的優(yōu)勢.回顧了國內(nèi)外基于超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源技術(shù)模式進行了歸類總結(jié)，并論述了各種脈沖電源模式的技術(shù)特點.

關(guān)鍵詞：脈沖電源； 超導(dǎo)脈沖變壓器； 電感儲能； 電磁發(fā)射； 電流脈沖

電磁發(fā)射技術(shù)具有發(fā)射質(zhì)量范圍大、效率高、工作性能優(yōu)良和可控性好等優(yōu)點，在未來國防、科學(xué)研究、航空航天、交通等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力.電磁發(fā)射對電源的功率要求較高，常規(guī)電源無法滿足其高功率的需求，一般采用脈沖電源[1-2].

未來脈沖電源的發(fā)展趨勢是小型化、輕量化和緊湊化，高密度儲能技術(shù)和脈沖成形技術(shù)是減小脈沖電源體積的關(guān)鍵.脈沖電源用的儲能技術(shù)種類較多，其中最具代表性的是輸出功率大、波形調(diào)制方便、組合靈活的電容儲能，但是電容儲能的密度較低，很難降低脈沖功率系統(tǒng)的體積.電感儲能具有較高的儲能密度，可以產(chǎn)生極高的功率，而其電阻耗能很大，對初級電源功率要求極高，不能夠長時間儲能[3-4].

隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)電感具有更大的儲能密度，且損耗小、能夠較長時間儲能，在脈沖功率技術(shù)中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[5-7].而且隨著高溫超導(dǎo)材料及生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)電感的單位體積儲能密度會越來越高，符合脈沖功率裝置小型化和輕量化的要求.不過，斷路開關(guān)問題是超導(dǎo)電感儲能在脈沖功率技術(shù)中面臨的主要問題.提高大功率電力電子器件的耐壓和探索新型的脈沖電源模式是解決上述問題的主要途徑[8].本文簡要地總結(jié)了基于超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源技術(shù)研究現(xiàn)狀，并對未來的研究和應(yīng)用前景進行了展望.

1基于超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源研究現(xiàn)狀

在20世紀八九十年代，受超導(dǎo)材料和制備工藝的限制，能夠進入工程應(yīng)用的超導(dǎo)材料主要為低溫超導(dǎo)材料(工作在4.2K液氮溫區(qū)，以NbTi、NbSn合金為代表).鑒于低溫超導(dǎo)材料的特性， 1988年美國通用動力公司航天系統(tǒng)分部提出了一種利用超導(dǎo)儲能脈沖變壓器降壓升流的脈沖電源模式[9]，如圖1所示.該模式通過觸發(fā)儲能狀態(tài)的原邊超導(dǎo)繞組(高壓側(cè))失超來產(chǎn)生失超電阻，原邊繞組中的電流在該失超電阻的作用下快速衰減，使副邊繞組(低壓側(cè))感應(yīng)出一個大電流脈沖輸出給負載.在放電過程中超導(dǎo)繞組內(nèi)部的失超電阻分壓，使得超導(dǎo)繞組兩端的電壓為零，解決了斷路開關(guān)的問題.

(a)充電儲能過程

(b)續(xù)流維持儲能狀態(tài)

(c)超導(dǎo)電感失超放電圖1　基于低溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源原理

1998年法國研究機構(gòu)基于該模式對環(huán)形結(jié)構(gòu)的多模塊脈沖電源進行了詳細的理論分析，并進行了一個小型的實驗驗證，產(chǎn)生了一個峰值600A，脈寬300ms的電流脈沖[10].1999年法國能源工程研究所研制了儲能500J的低溫超導(dǎo)儲能脈沖變壓器，模擬導(dǎo)軌型電磁發(fā)射的負載參數(shù)進行放電，得到了12.3kA的電流脈沖，并于2005年對超導(dǎo)繞組快速觸發(fā)失超問題進行了研究[11-12].雖然該脈沖電源模式解決了斷路開關(guān)問題，不過其能量傳輸效率比較低，對超導(dǎo)線圈的失超電阻要求非常高.又因為低溫超導(dǎo)要求的環(huán)境溫度極低，而低溫超導(dǎo)材料的性能已難以顯著提高，極大地限制了其大規(guī)模的應(yīng)用，在之后的脈沖功率文獻中已很少有相關(guān)的研究.由于我國的低溫超導(dǎo)技術(shù)和脈沖功率技術(shù)起步較晚，目前未見對相關(guān)技術(shù)研究的報道.

近年來，高溫超導(dǎo)材料研究和制備技術(shù)發(fā)展很快，以Bi-2223和YBCO等高溫超導(dǎo)材料為代表的液氮溫區(qū)(77K)帶材已經(jīng)初步商業(yè)化.與此同時，將高溫超導(dǎo)儲能用于脈沖功率技術(shù)已經(jīng)成為人們研究的重點.高溫超導(dǎo)材料是多元多晶多相氧化物，從理化性能、顯微結(jié)構(gòu)到幾何形式都與合金有著極大的不同，因此，高溫超導(dǎo)裝置的制作過程也要比低溫超導(dǎo)裝置嚴格的多，其性能還比較低下.例如，高溫超導(dǎo)帶材的失超傳播速度要遠小于低溫超導(dǎo)線材[13]，這也決定了它不能適用于通過觸發(fā)超導(dǎo)繞組失超放電的脈沖電源模式.不過，隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，其性能還有極大的提升空間，發(fā)展?jié)摿τ写诰?

目前人們對于利用高溫超導(dǎo)儲能的脈沖電源模式已經(jīng)開始探索和研究.2007年法國格勒諾布爾電氣工程實驗室研制了一個儲能800kJ的高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，進行了多項脈沖實驗研究[14-15]，并于2011年在后續(xù)的工作中采用串聯(lián)充電并聯(lián)放電的模式對部分裝置進行了驗證性脈沖放電實驗，實驗中產(chǎn)生了一個625A的電流脈沖[7].2013年日本的研究機構(gòu)也提出了用高溫超導(dǎo)電感串聯(lián)充電并聯(lián)放電模式來實現(xiàn)的脈沖電源[16].

我國對高溫超導(dǎo)儲能的脈沖功率技術(shù)也有研究，如對基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源模式進行研究的單位有華中科技大學(xué)和西南交通大學(xué).華中科技大學(xué)研究的脈沖電源模式主要是利用超導(dǎo)磁體儲能和脈沖變壓器降壓升流的模式[17-19]，西南交通大學(xué)在基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器儲能的脈沖電源模式進行研究[20-22].

2基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源分類及其技術(shù)特點

當前基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源模式研究較多，本文對其進行了歸類總結(jié).

2.1超導(dǎo)電感儲能和脈沖變壓器升流相結(jié)合模式

傳統(tǒng)多模塊電感儲能脈沖電源模式是串聯(lián)充電并聯(lián)放電，需要非常多的模塊數(shù)才能達到電磁發(fā)射的要求，而過多的模塊數(shù)會使系統(tǒng)更加復(fù)雜.為了減少電感的模塊數(shù)，華中科技大學(xué)提出了利用超導(dǎo)電感儲能和脈沖變壓器降壓升流相結(jié)合的模式，并于2008年進行了利用超導(dǎo)電感磁體串聯(lián)充電再并聯(lián)對脈沖變壓器(降壓升流)放電的仿真研究[17]，其電路圖和放電脈沖仿真波形如圖2所示.

(a)電路原理圖

(b)放電脈沖仿真波形圖2　利用脈沖變壓器升流的脈沖電源

從圖中可以看出，這種模式可以將超導(dǎo)電感并聯(lián)倍增的電流通過脈沖變壓器進一步放大，可以成為減少電感模塊數(shù)的一種方式.但是從原邊電流波形來看，該模式也存在一個突出問題.那就是當超導(dǎo)電感對脈沖變壓器原邊放電時，屬于電感對電感放電，會產(chǎn)生很高的端電壓，對斷路開關(guān)要求較高.用非線性電阻可以起到限壓作用，但會消耗部分能量，降低該電路的輸出效率.增加脈沖變壓器耦合系數(shù)，合理設(shè)置超導(dǎo)儲能電感和脈沖變壓器電感值，可以提高能量輸出效率.

2.2利用非線性電阻放電的脈沖電源模式

2013年，西南交通大學(xué)提出了一種利用非線性電阻的放電方式[23]，其將高溫超導(dǎo)脈沖變壓器連接為自耦變壓器，如圖3所示.通過使高壓側(cè)電流在非線性電阻的作用下迅速衰減，低壓側(cè)電感感應(yīng)出較大的電流脈沖.非線性電阻既作為放電電阻，又作為限壓電阻.

從輸出脈沖波形可以看出，原邊通電流100A，輸出電流脈沖峰值大于3kA，非線性電阻的限壓為900V左右.這說明了超導(dǎo)脈沖變壓器可以實現(xiàn)較大的變比，利用非線性電阻可實現(xiàn)快速放電的同時，也能很好的限壓.存在的問題是，在放電過程中非線性電阻消耗了脈沖變壓器漏感中的能量，因此要提高能量傳輸效率，脈沖變壓器需要有較高的耦合系數(shù).

(a)電路結(jié)構(gòu)

(b)輸出脈沖波形圖3　利用非線性電阻放電的脈沖電源

2.3STRETCH Meat-grinder模式

2005年國際脈沖功率會議上，美國德克薩斯大學(xué)IAT實驗室提出了STRETCHMeat-grinder脈沖電源電路[24]，即在meat-grinder電路中增加一個換流電容.2007年其研制了一套小型STRETCHMeat-grinder脈沖電源[25]，如圖4所示，其電感通流3.8kA，輸出電流脈沖20kA，并在小型軌道炮上進行了驗證.這種電路模式是一種電感和電容混合儲能的電流倍增電路，可以在獲得高儲能密度的同時，又用電容器限制了斷路開關(guān)斷開時出現(xiàn)的高電壓，減小了對開關(guān)容量的要求.之后清華大學(xué)對該模式進行了改進，并開展了一系列仿真和實驗研究[26-29].

(a)STRETCH Meat-grinder電路結(jié)構(gòu)

(b)輸出電路脈沖波形圖4　IAT的STRETCHE Meat-grinder脈沖電源

上述常導(dǎo)電感的STRETCHEMeat-grinder脈沖電源電路在儲能期間將會存在較大的能量損耗.為了解決該問題，西南交通大學(xué)利用高溫超導(dǎo)脈沖變壓器對STRETCHEMeat-grinder開展了研究[30-31]，構(gòu)建了實驗用單模塊脈沖電源電路，并利用三個不同參數(shù)的負載進行了實驗驗證，如圖5所示.在儲能電流100A的情況下，實現(xiàn)了3kA的電流脈沖，電流放大倍數(shù)達30倍.

(a)單模塊電路結(jié)構(gòu)

(b)輸出的電流脈沖波形圖5　基于高溫超導(dǎo)的STRETCHE Meat-grinder脈沖電源

將高溫超導(dǎo)脈沖變壓器引入Meat-grinder電路，可以利用超導(dǎo)電感內(nèi)阻為零的優(yōu)點，有效地降低初始電源的功率.放電過程中電容器可有效限制的斷路開關(guān)的電壓峰值，電容器電壓主要由超導(dǎo)脈沖變壓器中漏感的能量和電容值決定的.盡量提高脈沖變壓器耦合系數(shù)和適當增大電容值都可以降低電容器電壓，不過電容值過大會造成輸出脈沖的上升沿時間過長，因此應(yīng)根據(jù)負載對脈沖的要求合理選擇相關(guān)參數(shù).

2.4單諧振放電模式

2012年筆者在STRETCHEMeat-grinder模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合高溫超導(dǎo)帶材的特性，提出了一種基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的單諧振脈沖電源模式，并進行了儲能電流100A、輸出電流脈沖4.2kA的驗證性實驗[21].基于該模式，筆者于2013年設(shè)計了基于多模塊的高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的單諧振脈沖電源電路，并進行了仿真驗證[32]，如圖6所示.它用八個模塊的超導(dǎo)脈沖變壓器串聯(lián)充電，電流500A，并聯(lián)放電的電流脈沖達150kA.該模式的工作原理與STRETCHEMeat-grinder類似，且同樣需要脈沖變壓器有較高的耦合系數(shù).

與其它模式相比，該模式除具有可以輸出更高幅值的電流脈沖、放電端壓得到限制和具有較高的能量傳輸效率的優(yōu)點外，其最大的特點是可以實現(xiàn)多模塊高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的串聯(lián)充電和并聯(lián)放電.多模塊模式的研究還處于基礎(chǔ)理論研究階段，還需要進一步的實驗驗證研究.

(a)多模塊電路結(jié)構(gòu)

(b)電流脈沖仿真波形圖6　多模塊超導(dǎo)脈沖變壓器的單諧振放電模式

3討論

目前，基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源技術(shù)研究主要集中在中國，主要分為四類.通過分析和比較可得出，超導(dǎo)脈沖變壓器的耦合系數(shù)是一個非常重要的因素，直接關(guān)系著能量傳輸效率和放電過程中斷路開關(guān)端電壓的大小.嚴格來說，第一種利用脈沖變壓器升流的模式屬于超導(dǎo)電感儲能的脈沖電源，后面三種屬于超導(dǎo)脈沖變壓器儲能的脈沖電源.第一種模式在模塊數(shù)增加到一定程度，對脈沖變壓器的承受能力是一個考驗，相對來說后面三種模式的可實施性要更大一些.尤其STRETCHEMeat-grinder模式和單諧振放電模式，在理論上具有更高的能量傳輸效率.目前為止，上述四種模式的脈沖電源都停留在模式的基礎(chǔ)理論研究階段，都需要進一步大電流脈沖的實驗研究.

4結(jié)束語

在綜合分析基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源技術(shù)的基礎(chǔ)上，歸類闡述了基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源技術(shù)特點.利用高溫超導(dǎo)脈沖變壓器是對儲能電流升流的一種有效手段，并體現(xiàn)了一定的優(yōu)勢.未來超導(dǎo)電感儲能脈沖電源技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該著重保持電感儲能密度，限制斷路開關(guān)電壓，提高電流輸出變比和能量傳輸效率等.

參考文獻：

[1]WangY,SunYZ,LiuKP,etal.Scienceandtechnologyonpulsedpower[M].Beijing:BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsPress, 2010.

[2]李軍, 嚴萍, 袁偉群. 電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(40): 1 052-1 064.

[3]王瑩, 孫元章, 阮江軍, 等. 脈沖功率科學(xué)與技術(shù) [M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2010.

[4]鄭建毅, 何聞. 脈沖功率技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢綜述[J]. 機電工程, 2008, 25(4): 1-4.

[5]WeckW,EhrhartP,MüllerA,etal.Demonstrationofasuperconductinginductivepulsedpowersupplyatsimulatedloadconditions[J].IEEETransonMagnetics, 1999, 35(1): 383-387.

[6]周羽生, 郭芳, 戴陶珍, 等. 超導(dǎo)電感儲能高功率脈沖技術(shù)及其仿真研究[J]. 高壓電器, 2005, 41(4): 85-88.

[7]BadelA,TixadorP,DediéP.TestofatwincoilHTSSMESforhighpowerpulseoperation[J].IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity, 2011, 21(3): 1 375-1 378.

[8]周孝信, 黎明, 高瑞平, 等. 電氣科學(xué)與工程(學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報告) [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[9]LeungEMW,BaileyRE,MichelsPH.Usingasmallhybridpulsepowertransformerunitascomponentofahign-currentopeningswitchforarailgun[J].IEEEtrans.onmagnetics, 1989, 25(2): 1 779-1 782.

[10]NetterD,LevêqueJ,RezzougA,etal.TheoreticalstudiesandexperimentalresultsofaSMESusedinapulsedcurrentsupply[J].IEEETrans.onAppliedSuperconductivity, 1998, 8(1): 7-13.

[11]FlochE,HiebelP,LaumondY,etal.Modelizationandtestofa500Jsuperconductingpulsedpowertransformer[J].IEEETrans.onAppliedSuperconductivity, 1999, 9(2): 1 289-1 292.

[12]FlochE,HoangGK,KohlerC,etal.MeasurementofvelocitiesUpto1.1km/sandtestofaveryfastquenchinducingsystem[J].IEEETrans.onAppliedSuperconductivity, 2005, 15(2): 1 671-1 674.

[13]吳春俐, 白質(zhì)明, 王金星. 高溫超導(dǎo)帶材的失超傳播特性研究. 中國電機工程學(xué)報, 2005, 25(4): 109-112.

[14]TixadorP,BellinB,DelegliseM,etal.Designandfirsttestsofa800kJHTSSMES[J].IEEETrans.onAppliedSuperconductivity, 2007, 17(2): 1 967-1 972.

[15]TixadorP,DelegliseM,BadelA,etal.FirstTestsofa800kJHTSSMES[J].IEEETrans.onAppliedSuperconductivity, 2008, 18(2): 774-778.

[16]YamadaS,NakayamaHandAsoY.SwitchingpropertiesofliquidnitrogencooledIGBTsand24kAdemonstrationofcurrentmultiplierbyinductivestorage[C] //11thEuropeanConferenceonAppliedSuperconductivity, 2013: 1-4.

[17]秦華榮, 唐躍進, 陳楠, 等. 基于IGBT開關(guān)的超導(dǎo)電感脈沖輸出實驗研究[J].高電壓技術(shù), 2008, 34(6): 1 220-1 224.

[18]陳楠, 唐躍進, 魏斌, 等. 脈沖變壓器對超導(dǎo)電感脈沖輸出能量的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(2): 364-367.

[19]SongM,CaoK,TangY,etal.FeasibilityresearchonimprovingthepulsedcurrentoutputofsuperconductinginductorbyusingHTSair-Coretransformer[J].IEEETrans.onAppliedSuperconductivity, 2012, 22(3): 5501004.

[20]YanZ,LiH,ShaoH,etal.ExperimentalinvestigationstocriticalcurrentofthejointedBi-2223/AgHTStapes[J].JournalofSuperconductivityandNovelMagnetism, 2012, 25(6): 1 829-1 832.

[21]LiHT,WangY,ZhuYW,etal.Designandtestingofahigh-temperaturesuperconductingpulsed-powertransformer[J].IEEETrans.onAppliedSuperconductivity, 2012, 22(2): 5500205.

[22]WuR,WangY,YanZM,etal.DesignandexperimentalrealizationofanewpulsedpowersupplybasedontheenergytransferbetweentwocapacitorsandanHTSair-corepulsedtransformer[J].IEEETrans.onPlasmaScience, 2013, 41(4): 993-998.

[23]WuR,WangY,YanZM,etal.DesignandtestingofanovelinductivepulsedpowersupplyconsistingofHTSpulsepowertransformerandZnO-Basednonlinearresistor[J].IEEETrans.onPlasmaScience, 2013, 41(7): 1 781-1 786.

[24]SitzmanA,SurisD,MallickJ.Stretchmeatgrinder:anovelcircuittopologyforreducingopeningswitchvoltagestress[C], //IEEEInternationalPulsedPowerConference,Monterey, 2005: 493-496.

[25]SitzmanA,SurlsD,MallickJ.Design,construction,andtestingofaninductivepulsed-powersupplyforasmallrailgun[J].IEEETrans.Magn., 2007, 43(1): 270-274.

[26]YuXJ,LiuH,LiJ,etal.StudyonthecollaborativetriggeringofmultipleSTRETCHmeatgrinderwithICCOSmodules[J].IEEETrans.onPlasmaScience, 2015, 43(5): 1 480-1 484.

[27]LiZ,YuXJ,MaSG,etal.Structuralparameteroptimizationofinductorsusedininductivepulsepowersupply[J].IEEETrans.onPlasmaScience, 2015, 43(5): 1 456-1 461.

[28]YuXJ,LiuH,LiJ,etal.DiscussiononthedischargingeffectsoftwoSTRETCHmeatgrindermoduleswithdifferenttriggeringdelays[J].IEEETrans.onPlasmaScience, 2015, 43(5): 1 469-1 473.

[29]MaSG,YuXJandLiZ.DeterminingkeyparametersfortheSTRETCHmeatgrindercircuit[J].IEEETrans.onPlasmaScience, 2015, 43(5): 1 485-1 490.

[30]李海濤, 王豫, 陳維榮, 等. 基于meat-grinder脈沖電源的感應(yīng)線圈炮發(fā)射性能仿真分析[J]. 高電壓技術(shù), 2013, 39(4): 916-922.

[31]李海濤, 王豫, 董亮, 等. 基于超導(dǎo)儲能電感的meat-grinder脈沖電源[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(4): 1 127-1 133.

[32]LiHT,WangY,ChenWR,etal.Inductivepulsedpowersupplyconsistingofsuperconductingpulsedpowertransformerswithmarxgeneratormethodology[J].IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity, 2012, 22(5): 5501105.

(編輯：劉寶江)

Reviewontheinductivepulsedsupplybasedonsuperconductingpulsedtransformersforelectromagneticlaunch

LIHai-tao,ZHANGCun-shan,HUYuan-chao,SUNZhi-wei

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:Pulsed power supply based on high temperature superconducting pulsed transformers is a new developmental direction of exploring new type inductive pulsed power technology. Compared with traditional inductive pulsed supply technology, it has the advantage of needing fewer storage modules. This paper reviews the developmental status of pulsed supply technology based on superconducting pulsed transformers. The modes of pulsed power supply based on high temperature superconducting pulsed transformers are classified and the characteristics of the each modes is expounded.

Key words:pulsed supply; high temperature superconducting pulsed transformer; inductive energy storage; electromagnetic emissions; current pulse

收稿日期：2015-09-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51407112)

作者簡介：李海濤，男，lihaitao840812@163.com

文章編號：1672-6197(2016)05-0023-06

中圖分類號：TM386

文獻標識碼：A