基于電磁發射的兩類脈沖電源中功率器件特性分析

黃　凱，董志強，任　人，張匯博

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽　712099)

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基于電磁發射的兩類脈沖電源中功率器件特性分析

黃凱，董志強，任人，張匯博

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099)

現階段電磁發射研究主要集中在軌道炮與線圈炮兩個領域，都需要脈沖功率電源提供發射能量。這兩類電源在基本器件組成、電路拓撲中存在大量相同的地方，其中的功率器件主要由脈沖電容器、調波電抗器、晶閘管組件、續流組件和吸能電阻等組成，但由于這兩類脈沖電源所處的工作環境不同，所以對功率器件的性能要求也有所區別。從軌道炮與線圈炮發射過程中的差異性入手，研究其對脈沖電源中功率器件性能的影響，并結合實際情況，分析了如何合理匹配功率器件性能參數，來滿足不同發射條件下對脈沖電源的需求。

脈沖電源；線圈炮；軌道炮；功率器件；晶閘管；脈沖電感

脈沖電源作為電磁炮武器系統的基礎組成部分，承擔著輸出脈沖成形電流，提供發射能量的任務。基于電容器儲能的脈沖電源，是一種常用的產生脈沖大電流裝置。電容器組作為能量儲存元件，通過大容量的短路開關對負載放電，其基本電路形式為RLC回路放電。相比其他一些脈沖電源系統，主要有工作電壓低，儲能總量大，電流大，儲能密度低等特點，非常適合用于電磁發射實驗室研究，現階段大部分電磁發射研究均是基于此類脈沖電源。通過調整脈沖電源系統中儲能電容、晶閘管組件、硅堆組件、調波電感等關鍵器件參數，可使其適用于多種電磁發射系統[1]。

筆者的分析基于軌道炮與同步感應線圈炮兩種電磁發射類型，雖然這兩種脈沖電源在基本器件組成、電路拓撲中存在大量相同的地方，但其中的功率器件在一些具體參數和使用限制上還存在差別。

軌道炮發射時，電樞初速高、電流大，為使電樞在整個加速過程效率最優化，通常的做法是采用多個模塊放電堆積平頂電流，電源中多模塊并聯工作，分時序放電，各模塊輸出電流基本相同，如圖1所示。

同步感應線圈炮發射時，驅動線圈分級接力加速彈丸，脈沖電源各模塊獨立工作，每個模塊只對其對應驅動線圈放電，各模塊輸出電流差異較大，如圖2所示。

筆者從軌道炮與同步感應線圈炮對脈沖電源的需求入手，主要分析這兩類電源中功率器件的異同點和其中影響脈沖電源性能的主要因素。

1　功率器件特性分析

通常來說，脈沖電源中的功率器件主要由脈沖電容器、脈沖電抗器、大功率晶閘管組件和大功率二極管組件、吸能電阻等部分組成。

1.1脈沖電容器

高壓脈沖電容器是大多數脈沖功率系統的主要儲能器件，與電感儲能脈沖發生器相比，基于電容儲能的脈沖電源所需的閉合開關，技術成熟度要遠高于電感儲能型電源所需的斷路開關。另外，電容器的能量保存時間遠大于電感儲能裝置，以上是電容儲能型電源普及的主要原因。

脈沖電容器的集中參數電路模型如圖3所示。

圖3中串聯電阻Rs一般為毫歐數量級，主要由導線、接片和電極構成；并聯電阻R代表穿過絕緣介質和沿材料表面的電流泄露，與電容量、溫度、電壓、儲能密度等因素有關；電感L依賴于電容器的內部結構，決定了輸出電流的最大值Imax。

(1)

設計一個脈沖電源系統時，首先要確定系統的儲能大小和額定電壓，這些參數基本決定了脈沖電容器的選型。不論在線圈炮上使用，還是在軌道炮上使用，為使脈沖電容器在電源系統中長期穩定運行，延長脈沖電容器的使用壽命，降低使用中的故障率，還需注意以下幾點：

1)脈沖電容器工作時自身輸出電流要遠小于Imax。

2)脈沖電容器工作時要盡量減小極性反轉電壓，當反轉電壓達到額定電壓的60%時，電容器相對預期壽命降低90%[2]。

3)實際使用過程中還應盡量少地讓脈沖電容器的充電電壓達到滿額定值狀態。

1.2脈沖電抗器

脈沖電抗器在脈沖電源系統中起到調節波形、存儲中間能量的作用。脈沖電抗器和脈沖電容器基本決定了整個電源系統對外輸出電流波形的峰值與脈寬等參數。通常來說，比較便捷的方法是通過調整脈沖電抗器的電感量來實現對輸出波形的調節。

大部分脈沖電源系統采用干式空心電抗器作為調波元件。空心電抗器對比鐵芯電抗器，不存在磁性材料飽和問題，其電感值為常數，抗大電流沖擊性能好，運行時振動噪聲小，非常適合作為脈沖電源系統中的調波元件。在實際元件選取過程中，主要需要注意器件通流能力與耐壓值等指標，通常單層繞制的線圈具有較高的通流與耐壓指標[3]。

與軌道炮電源不同，在線圈炮電源中，由于驅動線圈本身就具有調波作用，一般情況下不再單獨配置調波電感，需要注意的是，驅動線圈在工作時，內部會有彈丸通過，相當于驅動線圈內部存在金屬材質的芯材，對比空心狀態，其放電特性是有很大差別的。

使用Maxwell軟件分別對軌道炮電感和發射時的驅動線圈進行電磁場有限元仿真，模型采用2-D軸對稱瞬態電磁場求解器計算，電流激勵為外電路輸入，放電電路形式為典型脈沖電源電路，電路中儲能電容器電容量2 mF，充電電壓5 kV。為了更好地說明驅動線圈內部彈丸帶來的磁場集中現象，模型中約束彈丸固定不動，其他仿真使用的參數如表1所示。

表1　兩類脈沖電感有限元仿真參數

軌道炮放電時通過電感的電流波形如圖4所示，其典型特征是電感為空芯。圖5為軌道炮電感峰值放電時刻的磁感應強度分布。

線圈炮放電時通過驅動線圈的電流波形如圖6所示，其典型特征為驅動線圈電感量與軌道炮電感相同，但驅動線圈內部固定有銅質彈丸。圖7為驅動線圈峰值電流時刻的磁感應強度分布。

根據仿真結果分析，雖然激勵源初始條件一樣，驅動線圈與軌道炮電感繞制參數相同，但驅動線圈發射時峰值電流接近軌道炮的1.3倍，放電頻率也低于軌道炮。這是由于彈丸產生的感應渦流場抵消了部分線圈內部磁場，從系統的角度看，可以等效看作降低了驅動線圈的電感量，從而提高了脈沖電源的峰值電流與放電頻率。

由仿真結果可以看出，驅動線圈內部靠近彈尾部位產生了磁場強度集中現象，其局部瞬間磁感應強度達到了16 T，而軌道炮電感內部瞬間最大值僅為8 T，同時驅動線圈峰值電流也較軌道炮電感大，根據電磁力計算公式可得，驅動線圈局部峰值應力遠大于軌道炮電感，并且存在應力集中現象。因此在設計驅動線圈時，一方面需要考慮引入彈丸后，驅動線圈對脈沖電源輸出電流的影響；另一方面還要考慮由于應力集中對電感可靠性帶來的影響。

1.3晶閘管組件與硅堆組件

晶閘管與二極管同屬于半導體功率器件，由于單個半導體器件截止電壓很難達到脈沖電源指標要求，所以一般情況下把半導體器件串聯形成組件使用。

晶閘管組件工作時，可分為以下5種工作狀態，即正向阻斷狀態、開通過程、導通狀態、阻斷能力恢復過程和反向阻斷狀態。在整個工作過程中，晶閘管要承受較大的浪涌電流、di/dt、正反向電壓，對其工作壽命是一個嚴苛的考驗[4]。

硅堆組件存在的主要目的是防止脈沖電容器反向充電，由大功率二極管串聯組成，與晶閘管組件不同的是，晶閘管組件導通脈沖電流的上升期，而硅堆組件導通脈沖電流的下降期(續流階段)。兩種組件選型方法基本一致，但由于整流管元件內部只有1個PN結，并且不需要柵極溝道進行觸發，故在同樣尺寸的情況下，硅堆組件的通流能力要強于晶閘管組件。

在脈沖電源使用環境中，半導體器件的損壞主要可以歸結為電流損壞和電壓損壞兩大方面。電流損壞的主要原因是電流通過半導體PN結造成的溫度升高，溫度如果超過晶閘管允許結溫，器件就會造成不可修復的損壞。電壓損壞主要是由于串聯組件電壓分布不均造成的，主要與阻斷狀態的等效電阻與器件導通時刻的離散性有關。

如果需要在不同電源系統中互換半導體組件，在保證最大耐壓值滿足要求的前提下，可用晶閘管器件的通態平均電流IT(AV)來描述器件通流能力，作為電流考核指標。通常根據半導體器件的通態平均電流IT(AV)求出與其相對應的電流有效值，只要使實際的電流有效值等于額定電流IT(AV)時的電流有效值，管芯的發熱是等效和允許的[5-8]。

一般把脈沖電源放電波形近似看作正弦半波，其電流有效值為

(2)

IT(AV)=I/1.57

(3)

式中，Im為正弦半波峰值電流。

1.4吸能電阻

吸能電阻與硅堆組件共同構成續流回路，在整個續流過程中，吸能電阻會消耗大部分續流能量，以降低硅堆組件通流強度，因此這兩部分元件通常需要共同設計，其次不同的發射系統對續流電流的持續時間也有不同要求，需要通盤考慮[9]。

吸能電阻一般選取在幾十毫歐量級，如選取過大，會造成脈沖電容器的反向電壓過高，影響電容器壽命。如圖8所示，3條曲線分別對應10、30、50 mΩ情況下，電容器兩端反向電壓的變化情況。可以看出，當吸能電阻為50 mΩ時，反向電壓達到了1.5 kV，為電容器額定工作電壓的30%，長期在這種環境下工作，會大大降低電容使用壽命[10]。

吸能電阻應采用無感法繞制，因為即使比較小的電感(μH級)引入續流回路內，也會造成續流電路的振蕩，不利于電源的穩定運行。

采用Simulink軟件對脈沖電源輸出電流進行仿真，仿真中使用的脈沖電源容量為2 mF，電壓為5 kV，脈沖成形電感為20 μH。圖9為續流回路電感分別為1、2、3、5μH情況下，脈沖電源的輸出電流波形。可以看出，隨著續流回路電感的增加，輸出電流振蕩的幅度與頻率均有較大增加，振蕩的高頻電流增加了電磁輻射風險，有可能影響電源系統中控制電路的功能。

2　功率器件互換時需要注意的問題

無論軌道炮電源還是同步感應線圈炮電源，其內部使用的功率器件類型是一樣的，但是在電路結構、參數匹配上存在一些不同，在不優先考慮系統效率的前提下，對脈沖電源進行相應的改造，合理匹配系統中的功率器件，兩種電源在某種程度上是可以復合使用的。當在兩種電源系統中互換功率器件時，還應注意以下幾點：

1)應明確電源系統儲能和工作電壓。兩種電源系統如果工作電壓不同，應采取就低原則，高電壓指標的電源系統可工作在低電壓電源系統中，但會損失部分容量。

2)當單模塊輸出電流達不到試驗要求時，可使用多模塊并聯向負載供電。需要注意的是，在脈沖電源模塊并聯使用時，應確保系統采用單點接地方式，防止出現地線環流，造成電源系統中弱電測控設備的損壞。

3)兩種電源系統復合使用時，應依據試驗所需的電流峰值、脈寬等情況，調整調波電感的電感量。但在線圈炮系統中，由于驅動線圈已經起到了調波功能，一般不再單獨配置調波電感。

4)半導體開關器件在電源系統總價值中占有很大的比重，當兩種發射系統復合使用電源時，要避免出現開關器件損壞帶來的損失。應分析使用環境變化對電源帶來的影響，然后根據發射系統對電源能量輸出要求的不同，核算電源系統中半導體器件能否滿足指標，主要需要核算的指標包括：單管耐壓、IT(AV)、di/dt、du/dt，必要的情況下可以加入專門的保護電路。

3　結論

筆者從線圈炮與軌道炮兩種電源的差異性入手，對其中功率器件的工作特性進行了分析。通過分析可以看出，兩種電源系統中的功率器件在制造原理、關鍵參數等方面存在相同的部分，但為了配合不同發射器需求，不可避免地存在一些差異，在對電源系統作出部分指標調整的前提下，具備相互之間替換使用的可能性。

在脈沖電源研制過程中，需要根據不同應用環境進行合理布局，重點應放在功率器件與使用環境的參數匹配。確保各部件工作在安全范圍內，降低脈沖電源系統運行風險，延長使用壽命。

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The Analyses on the Power Components Characteristics of Two Types of PPS for Electromagnetic Launching

HUANG Kai，DONG Zhiqiang，REN Ren，ZHANG Huibo

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang, Shaanxi 712099, China)

Currently the studies of the electromagnetic launch focus on the field of coilgun and railgun, whose energy is supplied by the pulse powers. There are a large number of similarities in the ba-sic components and circuit topology of the two types of powers. The pulse power components have be made up of pulse capacitor, wave modulated reactor, thyristor components, freewheeling components, and energy absorption resistance, etc. Because of the different work environments required for the two types of pulse powers, there are some differences in performance requirements made of the pulse power components, too. A study is made of the effect of the power components from the perspective of the launch process variability between the coilgun and the railgun. An analysis is made of how to match the power components reasonably in combination with reality conditions, in order to satisfy the demand for the pulse power in deferent launch conditions.

PPS; coilgun; railgun; power component; thyristor; pulse inductance

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.002

2015-03-02

黃凱(1982—)，男，碩士研究生，主要從事脈沖功率與電磁發射研究。E-mail：hoko21@sina.com

TJ393

A

1673-6524(2016)02-0005-05