電磁發(fā)射用13 MJ脈沖功率電源系統(tǒng)研究

張亞舟，李貞曉，金涌，羅紅娥，田慧，栗保明

（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210094）

電磁發(fā)射用13 MJ脈沖功率電源系統(tǒng)研究

張亞舟，李貞曉，金涌，羅紅娥，田慧，栗保明

（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210094）

隨著電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，對脈沖功率電源特性的要求也越來越高，需要脈沖電流具有兆安級幅值、數(shù)毫秒脈寬、上升快速且有平頂波特點(diǎn)，為此研制了1套13 MJ、額定工作電壓10 kV的電容儲能型脈沖電源。電源系統(tǒng)采用多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由13個(gè)儲能1 MJ脈沖成形子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)包含20個(gè)50 kJ脈沖電源模塊，單個(gè)模塊短路放電電流最大可達(dá)65 kA；充電系統(tǒng)由基于串聯(lián)諧振變換器的高壓充電機(jī)組成；控制系統(tǒng)具有兩級控制結(jié)構(gòu)，使用同步編碼信號對各電源模塊進(jìn)行時(shí)序放電控制；測量系統(tǒng)采用PXI系統(tǒng)，主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可滿足分布式測量需求。系統(tǒng)在模擬負(fù)載上進(jìn)行了性能測試，在電磁發(fā)射裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，13 MJ脈沖功率電源系統(tǒng)輸出電流波形靈活可調(diào)、可靠性高，可以滿足電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)的需求。

兵器科學(xué)與技術(shù)；電磁發(fā)射；電容儲能；脈沖成形子系統(tǒng)

0 引言

電磁軌道炮利用電流與磁場的相互作用實(shí)現(xiàn)彈丸超高速發(fā)射，是電磁發(fā)射技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，具有良好的應(yīng)用前景。高功率脈沖電源（PPS）是電磁發(fā)射系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分與能量來源，也是脈沖功率技術(shù)研究的重點(diǎn)［1-4］。

隨著電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，對中口徑電磁發(fā)射電源的性能要求也隨之提高，需要電源在數(shù)毫秒內(nèi)提供一個(gè)幅值較大、上升快速且具有平頂波特點(diǎn)的脈沖電流。為此研制了一套13 MJ電容儲能型高功率脈沖電源，額定工作電壓10 kV.電源系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可通過時(shí)序控制輸出與軌道炮負(fù)載特性相匹配的兆安級脈沖電流。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)難點(diǎn)

電容儲能型脈沖電源從功能上可以分為脈沖成形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分。脈沖成形網(wǎng)絡(luò)因系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲能密度要求高，因此對系統(tǒng)在小型化、緊湊化設(shè)計(jì)方面提出了較高的要求；充電系統(tǒng)需采用高效率、快速充電技術(shù)并設(shè)計(jì)防護(hù)裝置；控制系統(tǒng)需對放電開關(guān)進(jìn)行精確控制，確保觸發(fā)一致性；測量系統(tǒng)需要準(zhǔn)確測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還需具備診斷功能，以便及時(shí)查找故障模塊。同時(shí)，電源系統(tǒng)需考慮在強(qiáng)電磁環(huán)境下運(yùn)行可靠［5］。

13 MJ脈沖功率電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用了多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，將脈沖成形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為13個(gè)1 MJ的脈沖成形子系統(tǒng)（PFS），每個(gè)子系統(tǒng)由20個(gè)電源模塊組成。充電系統(tǒng)由13臺高壓充電機(jī)組成，每臺可為1個(gè)PFS進(jìn)行充電。控制系統(tǒng)由1臺遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、13個(gè)PFS控制器、13個(gè)充電控制器、260個(gè)晶閘管觸發(fā)器、控制軟件組成。測量系統(tǒng)由1臺遠(yuǎn)程測試計(jì)算機(jī)、13臺PFS測試器、測量軟件以及分布在系統(tǒng)中的電流、電壓傳感器組成。

圖1　13 MJ脈沖功率電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 B1ock diagram of 13 MJ PPS

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1脈沖成形網(wǎng)絡(luò)

PFS由20個(gè)50 kJ脈沖電源模塊（PPM）組成，以并聯(lián)形式連接到PFS匯流器，再向外輸出脈沖電流。PPM的主要參數(shù)如表1所示。

PPM原理電路如圖2所示。主要元件包括：脈沖電容器C、調(diào)波電感器L、放電開關(guān)SCR、續(xù)流開關(guān)D、安全泄放電阻Rd、充電隔離開關(guān)Kc、安全泄放開關(guān)Kd、電流互感器MIi（i=1，2）等。所有電源模塊均采用了相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)，具有良好的兼容性。

表1　電源模塊主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of PPM

圖2　脈沖電源模塊電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of PPM circuit

PPM結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示，為使電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，采取的設(shè)計(jì)方法有：1）晶閘管SCR與續(xù)流二極管D進(jìn)行一體化封裝設(shè)計(jì)；2）根據(jù)半導(dǎo)體開關(guān)的外形結(jié)構(gòu)，優(yōu)化調(diào)整脈沖電容器、調(diào)波電感器、泄放電阻等元件的外形結(jié)構(gòu)；3）充電隔離開關(guān)與安全泄放開關(guān)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

2.1.1脈沖電容器

脈沖電容器選用了1臺1 mF/10 kV，儲能密度1.3 MJ/m3，使用壽命可達(dá)3 000次的干式金屬化膜電容器。這種電容器具有高比能、低固有電感、高能量釋放效率、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，利于電源實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化和高可靠性［6-7］。同時(shí)金屬化膜具有自愈特性，提高了系統(tǒng)的安全性，可通過監(jiān)測電容量、介質(zhì)損耗等電氣參數(shù)隨時(shí)掌握電容器的絕緣狀況。

2.1.2調(diào)波電感器

調(diào)波電感器的作用是調(diào)節(jié)輸出電流波形，同時(shí)也是能量輸出元件，要求其具有很高的通流與耐沖擊能力［8-9］。為此研制了一臺20 μH/15 kV、環(huán)氧樹脂澆筑、空心柱形結(jié)構(gòu)箔式電感器，其可承受峰值100 kA、脈寬20 ms脈沖電流。電感器具有磁場集中、高比能、低內(nèi)阻、熱容性好、通流能力高、耐電動力沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.1.3放電開關(guān)

放電開關(guān)選用5只4英寸大功率快速晶閘管串聯(lián)組成。單只晶閘管斷態(tài)重復(fù)電壓VDRM為4 kV，可承受浪涌電流ITSM＞70 kA，通態(tài)電流臨界上升率di/dt＞1 kA/μs.晶閘管具有結(jié)構(gòu)緊湊、固有電感和電阻小、開通迅速、觸發(fā)功率小、控制方式靈活、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗振動沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)［10-13］。

圖3　模塊結(jié)構(gòu)示意圖與脈沖成形子系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.3 Structure diagram of PPM and photo of PFS

采用串聯(lián)方式應(yīng)用晶閘管，需要考慮元器件開通一致性、靜態(tài)均壓、動態(tài)均壓和浪涌電壓的防護(hù)。為此設(shè)計(jì)了電流幅值大于4 A的晶閘管觸發(fā)器，采用門極同步強(qiáng)脈沖觸發(fā)電路，確保晶閘管開通特性一致，開通散布＜0.2 μs；同時(shí)晶閘管均并聯(lián)500 kΩ均壓電阻和30 Ω-0.33 μF的阻容元件，以滿足元器件靜態(tài)均壓、動態(tài)均壓和浪涌電壓防護(hù)要求［14］。觸發(fā)器采用不銹鐵材料屏蔽盒，光纖觸發(fā)控制的方式以避免電磁干擾。

2.1.4續(xù)流開關(guān)

續(xù)流開關(guān)選用5只4英寸大功率快速二級管串聯(lián)組成，用于限制脈沖電容器反向存儲能量、提高電能的轉(zhuǎn)換效率［15-17］。二極管反向工作電壓VRM為4 kV，可承受浪涌電流ITSM＞100 kA，耐受電流平方時(shí)間積最大值 maxI2t＞20 000 kA2s，同時(shí)并聯(lián)了500 kΩ均壓電阻和30 Ω-0.33 μF阻容元件以保護(hù)器件的安全。

2.1.5其他元器件

安全泄放電阻采用了200 kJ/10 kV復(fù)合陶瓷電阻，靜態(tài)阻值約100Ω.具有無電感、抗沖擊、耐高壓的優(yōu)良特性。充電隔離開關(guān)與安全泄放開關(guān)均采用了20 kV空氣接觸器，設(shè)計(jì)充電隔離為常開觸點(diǎn)、安全泄放為常閉觸點(diǎn)的一體化開關(guān)。電流互感器采用柔性結(jié)構(gòu)的無源Rogowski線圈，建成的脈沖成形子系統(tǒng)如圖3（b）所示。

2.2充電系統(tǒng)

充電機(jī)采用了與恒壓充電方式相比，具有體積小、效率高、功率密度大、適合寬范圍變化負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)的恒流充電方式［18-19］。充電機(jī)由工頻交流電供電，輸出電壓0～12 kV，輸出電流5 A.充電電路選擇了串聯(lián)諧振充電電路，開關(guān)頻率fs為18 kHz，諧振頻率fr為40 kHz，滿足fs＜fr/2，確保電路在零電流關(guān)斷不連續(xù)充電模式下工作。在整個(gè)工作周期內(nèi)，開關(guān)管既能獲得零電流開通，也能獲得零電流關(guān)斷，充電效率可達(dá)90%.當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，諧振電流的正半周可以在負(fù)半周全部返回電源，平均充電電流較小，回路電流波形正弦化使電磁干擾極小。同時(shí)可利用輸出變壓器的漏感作為諧振電感的一部分參與諧振，這種工作方式具有自動抵抗負(fù)載短路的優(yōu)點(diǎn)。此外，在充電機(jī)輸出端設(shè)計(jì)了保護(hù)電路和隔離硅堆，能有效防護(hù)因充電斷路和外部電路失效造成的過電壓對充電機(jī)內(nèi)部元件的沖擊，提高系統(tǒng)可靠性。

2.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要功能包括參數(shù)設(shè)置、充電控制、放電控制、急停控制和數(shù)據(jù)采集控制。電源系統(tǒng)采用兩級控制結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程控制裝置是第1級控制設(shè)備，包括一體化設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)和操作面板。操作面板與主控計(jì)算機(jī)采用RS-485通信方式交換控制信息，通過光纖通信方式管理13個(gè)PFS控制器與充電機(jī)控制器，在發(fā)出放電指令同時(shí)通過光纖通信啟動測量設(shè)備進(jìn)行脈沖放電數(shù)據(jù)采集，PFS控制器是本地分控裝置，為第2級控制設(shè)備。通過光纖與20個(gè)PPM晶閘管觸發(fā)器進(jìn)行連接，采用屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)對PPM充電隔離開關(guān)與安全泄放開關(guān)的控制，通過遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)可查看晶閘管觸發(fā)器、充電隔離開關(guān)、泄放開關(guān)的狀態(tài)。

電源的時(shí)序控制由遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)采用光纖通信方式同步向各PFS控制器發(fā)送脈沖放電時(shí)鐘起點(diǎn)信號，選用一致性高的通信模塊，確保傳輸距離相等、參數(shù)相同，從而實(shí)現(xiàn)對時(shí)序放電的精確控制。時(shí)鐘起點(diǎn)信號為編碼信號，只有滿足編碼的信號才能被控制器識別，控制器接收到時(shí)鐘起點(diǎn)信號后以該信號為時(shí)間基準(zhǔn)，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間順序依次觸發(fā)各PPM晶閘管觸發(fā)器，確保脈沖放電具有較好的時(shí)間一致性和較強(qiáng)的抗干擾能力［20-21］。

2.4測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)采用PXI總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過光纖網(wǎng)絡(luò)通信方式組網(wǎng)連接。系統(tǒng)包括1臺遠(yuǎn)程測試計(jì)算機(jī)、13臺PFS測試器以及光電隔離儀、電流、電壓傳感器組成。主要測量參量有：脈沖電容器充電與放電電壓、脈沖電容器輸出電流、脈沖成形子系統(tǒng)匯流器輸出電流、系統(tǒng)匯流器輸出電流、負(fù)載電壓、負(fù)載電流等。電壓采用具有納秒級上升時(shí)間、高阻率高壓探針進(jìn)行測量，電流采用Rogowski電流互感器進(jìn)行測量［22-23］。

測量系統(tǒng)軟件由圖形化編程語言Labview實(shí)現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)分析軟件、主機(jī)測量軟件和子機(jī)測量軟件。主機(jī)測量軟件負(fù)責(zé)脈沖成形子系統(tǒng)以及負(fù)載數(shù)據(jù)的處理，具有采樣通道選擇、采樣設(shè)置、子系統(tǒng)電壓與電流采集、負(fù)載電壓與電流采集等功能；子機(jī)測量軟件負(fù)責(zé)單個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理，具有采樣通道選擇、采樣設(shè)置、模塊電壓電流采集等功能。測量系統(tǒng)同時(shí)兼?zhèn)涔收显\斷功能，可以通過測量軟件快速找到故障模塊。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1脈沖電源模塊與子系統(tǒng)仿真

根據(jù)各元件電氣參數(shù)，使用Mat1ab/Simu1ink對電源模塊以及系統(tǒng)進(jìn)行仿真。PPM的仿真結(jié)果如圖4（a）所示，IL為電感器測得電流波形，即模塊輸出電流，IC為電容器測得電流波形，ID為二極管測得電流波形，UC為電容器電壓值。通過仿真可知，充電電壓10 kV時(shí)，PPM峰值電流約為67 kA，半峰值脈寬接近1 ms.

對13 MJ電源系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)序放電仿真，設(shè)置充電電壓為10 kV，13個(gè)PFS同時(shí)開始放電，每個(gè)PFS中的20個(gè)模塊放電間隔時(shí)間為200 μs，放電電流波形如圖4（b）所示，電流近似一個(gè)平頂波，峰值可達(dá)2.7 MA.

3.2模擬負(fù)載放電實(shí)驗(yàn)

利用高功率模擬負(fù)載對13 MJ脈沖電源進(jìn)行了多種性能測試實(shí)驗(yàn)，主要包括PPM放電性能測試、PFS放電性能測試、多PFS并聯(lián)放電性能測試與系統(tǒng)放電性能測試。

圖4　電源模塊與系統(tǒng)仿真曲線Fig.4 Simu1ated waveforms of PPM and PPS

圖5為50 kJ電源模塊對模擬負(fù)載短路放電實(shí)驗(yàn)輸出電流與電壓波形。工作電壓10 kV時(shí)，模塊輸出的脈沖電流幅值約65 kA，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)電流較圖4（a）中仿真電流幅值略低，這是因?yàn)檫B接線纜中存在雜散電感和雜散電阻，電流存在趨膚效應(yīng)等因素導(dǎo)致的。

圖5　電源模塊電流、電壓實(shí)測曲線Fig.5 Fxperimenta1 current and vo1tage waveforms of PPM

圖6為單個(gè)PFS在充電電壓10 kV時(shí)對模擬負(fù)載時(shí)序放電電流波形，20個(gè)電源模塊以時(shí)序間隔200 μs放電測得的電流波形，電流峰值約為200 kA. 圖6與圖4（b）中電源系統(tǒng)仿真波形進(jìn)行對比可以看出，放電波形均近似為平頂波，趨勢相同，單個(gè)1 MJ PFS試驗(yàn)電流幅值與13 MJ系統(tǒng)仿真電流幅值近似于倍數(shù)關(guān)系。系統(tǒng)受雜散參數(shù)與電流趨膚效應(yīng)等因素影響，等效后試驗(yàn)數(shù)據(jù)略小于仿真結(jié)果。

圖6　脈沖成形子系統(tǒng)電流實(shí)測曲線Fig.6 Fxperimenta1 current waveform of PFS

3.3電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)

使用13 MJ脈沖電源進(jìn)行了電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電流波形如圖7所示。

脈沖電源工作電壓為7.5 kV，各PFS內(nèi)前4個(gè)PPM時(shí)序放電間隔為10 μs，其余PPM以時(shí)間間隔120 μs依次放電。圖7（a）為系統(tǒng)匯流器的輸出電流波形（ILoad）。圖7（b）為單個(gè)PFS匯流器輸出電流波形（IPFS1）以及20個(gè)PPM輸出電流波形（IPFS1-1，IPFS1-2，…，IPFS1-20），從圖中可以看出電源輸出的脈沖電流峰值約為1.05 MA，半峰值脈寬約為3.5 ms，具有較好的平頂波特性。發(fā)射實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，效果良好。

4 結(jié)論

電源模塊通過晶閘管與二極管一體化封裝、優(yōu)化元件外形結(jié)構(gòu)、充電泄放開關(guān)一體化設(shè)計(jì)等方法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，采用高儲能密度的干式金屬化膜電容器，提高了系統(tǒng)儲能密度。串聯(lián)諧振充電機(jī)提高了系統(tǒng)充電效率，電磁干擾極小，同時(shí)設(shè)計(jì)了提高系統(tǒng)可靠性的保護(hù)裝置。控制系統(tǒng)使用同步時(shí)鐘編碼信號，對各模塊進(jìn)行精準(zhǔn)的時(shí)序放電控制，觸發(fā)模塊采用光纖通信、加裝屏蔽盒以避免電磁干擾。測量系統(tǒng)采用具有高采樣率的PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)具有故障診斷功能。電源通過模擬負(fù)載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電源滿足設(shè)計(jì)要求，電路仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較高。發(fā)射實(shí)驗(yàn)表明，13 MJ脈沖電源工作穩(wěn)定，性能良好，可靠性高，可以滿足中口徑電磁軌道發(fā)射研究的需要。

圖7　電磁軌道炮發(fā)射實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Fxperimenta1 waveforms of FML test

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Research and Development on a 13 MJ Pulsed Power Supply for Electromagnetic Launcher

ZHANG Ya-zhou，LI Zhen-xiao，JIN Yong，LUO Hong-e，TIAN Hui，LI Bao-ming
（Nationa1 Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Techno1ogy，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

With the deve1opment of the e1ectromagnetic 1aunch techno1ogy，the requirement of the pu1se power supp1y（PPS）is increasing，of which the output current is required to have MA 1eve1 amp1itude，pu1se width of severa1 mi11iseconds，rapid rising and f1at-topped wave.A 13 MJ capacitor-based PPS of which rated operationa1 vo1tage is 10 kV was deve1oped.The PPS is of mu1ti-modu1e para11e1 structure and composes of 13 1 MJ pu1se forming subsystems.Fach subsystem has 20 50 kJ pu1se power modu1es.The maximum short-circuit discharge current of every modu1e is about 65 kA.Charging system adopts high vo1tage capacitor charging power supp1y based on series resonance converter.Contro1 system has two-1eve1 contro1 structure which uses a synchronized code signa1 to contro1 the sequentia1 discharging.Measurement system based on PXI system and master-s1ave network structure can satisfy the requirements of distributed measurement.The performance of the system is test under artificia1 1oading，and the experimenta1 research on e1ectromagnetic 1aunching device is carried out.The experimenta1 resu1ts show that 13 MJ PPS has high re1iabi1ity and meets the requirements of FML experiment，and its output current waveform is f1exib1e and adjustab1e.

ordnance science and techno1ogy；e1ectromagnetic 1auncher；capacitor energy storage；pu1se forming subsystem

TM833

A

1000-1093（2016）05-0778-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.05.002

2015-07-02

張亞舟（1987—），男，博士研究生。F-mai1：zyzrb@163.com；栗保明（1966—），男，教授，博士生導(dǎo)師。F-mai1：baoming1i@njust.edu.cn