晶閘管關斷特性在增強型軌道發射系統中的影響分析

李貞曉，張亞舟，倪琰杰，栗保明

（南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，江蘇南京210094）

晶閘管關斷特性在增強型軌道發射系統中的影響分析

李貞曉，張亞舟，倪琰杰，栗保明

（南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，江蘇南京210094）

基于一種增強型軌道炮負載特性，從機理上分析了大功率晶閘管關斷特性在增強型軌道發射系統中的影響。研究結果表明，增強型軌道炮發射過程中脈沖成形網絡部分電能得不到有效利用，分析原因是增強型軌道炮的初始電感較大，導軌電流具有梯形波特性，從而使發射初始階段后膛電壓具有較高的幅值，導致該階段放電的脈沖成形單元存儲的電能沒有釋放完全，大功率晶閘管就因承受了反向電壓而關斷。通過對增強型軌道炮系統仿真和發射試驗驗證了上述結論。根據增強型軌道發射系統中脈沖成形網絡的實際狀況，對剩余電能再利用的方法進行了探討。研究結論對大功率晶閘管在增強型軌道發射系統中的工程應用具有指導作用。

兵器科學與技術；晶閘管；脈沖成形網絡；電磁發射；增強型軌道炮

0　引言

電磁發射技術是新概念發射技術發展的必然趨勢。電磁軌道發射對電源的基本要求包括高功率、大能量、快放電和電流精確調節。由多個電容儲能脈沖成形單元（PFU）組成的脈沖成形網絡（PFN）能夠滿足上述要求，所以被廣泛地用于電磁軌道發射的試驗研究中，成為最有可能工程應用的主要電源方案之一［1-6］。

脈沖放電開關是PFN的關鍵元件之一。大功率晶閘管的性能和壽命近幾年來得到了很大的提升，已被廣泛地用作脈沖放電開關。國內外學者對晶閘管在PFN中的應用開展了大量的研究，認為其適用性好，優點包括:1）固有電感和電阻小；2）開通迅速、分散性小；3）觸發功率小、控制方式靈活；4）抗電磁干擾能力強；5）結構緊湊、體積小、質量輕和抗振動性強；6）配套簡單、平均成本低等。有關晶閘管的研究多在以傳統軌道炮或模擬負載為供電對象的PFN系統或PFU模塊中開展，研究內容包含了器件的原理特性、脈沖通流能力、熱管理、適用性、可靠性、時序控制、過電壓保護等諸多方面［7-17］。

本文基于一種增強型軌道炮的負載特性從機理上分析了晶閘管關斷特性在增強型軌道發射系統中的影響，指出了在此發射工況下晶閘管匹配與應用所存在的不足，通過系統仿真和發射試驗驗證了研究結論，同時探討和提出了消除晶閘管關斷特性影響的方法。研究結論對晶閘管在增強型軌道發射系統中的應用具有指導作用。

1　系統原理、特性與影響分析

1.1增強型軌道發射系統

一種增強型軌道發射系統的原理如圖1所示。圖1虛框內右側所示為發射器，它是一種串聯式增強型軌道炮，由兩根主導軌和兩根副導軌（增強匝）組成，ig為導軌電流，ug為后膛電壓。虛框內左側是PFN，由多個PFU并聯組成的，通過時序觸發方式控制各PFU向軌道炮供電；圖1中PFUk標記為編號為k（k=1，2，…，n）的PFU，Ck、SCRk、Lk、Dk、RDk依次表示PFUk的儲能電容器、大功率晶閘管、調波電感器、續流二極管和緩沖電阻。

與傳統型軌道炮相比，由于增強匝提高了身管的電感梯度，增強型軌道炮在同等炮口動能條件下發射所需脈沖電流小，有利于克服導軌燒蝕、電樞等離子體化等缺點，是電磁軌道發射技術重要發展方向之一［2，18-23］。

圖1　增強型電磁軌道發射系統的原理圖Fig.1 Schematic diagram of augmented railgun system

1.2發射器負載特性分析

1.2.1導軌電流

理想的導軌電流特性曲線如圖1右上曲線所示，即發射器要求PFN提供的電流ig上升快速、具有平臺特性（梯形電流波）。圖1中tf為導軌電流上升時間，Ig為導軌電流的幅值（平頂值），td為導軌電流下降時間。

由圖1可知，ig滿足:

式中:ik是PFUk支路的輸出電流。通過改變PFUk的充電電壓和控制SCRk的導通時刻，PFN可以向導軌提供近似理想的梯形電流。

1.2.2后膛電壓

基于具有梯形波特性的ig考察后膛電壓特性。設增強型軌道炮的等效初始電阻為R0，等效初始電感為L0，導軌的等效電阻梯度為r′，等效電感梯度為l′，其中l′還包含了副導軌與主導軌間的互感梯度，電樞膛內位置為x（與裝填點的距離），電樞與主導軌之間的接觸電壓為ua，發射過程中ug可以表示為

分析ig上升階段（tf階段）的ug.忽略電流趨膚效應及其他外因影響，假設發射過程中R0、r′、L0、l′等參數不發生變化。在ig上升階段，電樞處于由靜止到低速運動的狀態，位移量小，可不考慮與x相關的乘積項，（2）式簡化為

R0易于控制、通常為毫歐量級甚至更低，因此式中R0ig項比較小；在主導軌與電樞接觸良好時，ua也非常小。為了利用較短長度的身管實現電樞的平穩加速，ig被要求在tf階段具有較大的d ig/d t.由（3）式可知，L0對該階段的ug具有決定作用，其大小主要由軌道炮類型以及電路連接方式決定。此處分析的是對激勵的影響，故應將PFN輸出端至導軌的供電線纜的雜散電感歸算到L0中。傳統軌道炮因只有兩根主導軌、結構簡單，L0較小，但增強型軌道炮存在增強匝，且導軌電流跨接結構復雜，L0比較大，由此可知增強型軌道炮在tf階段具有高幅值的ug.這里假設L0為3μH，若軌道炮發射時要求Ig為2MA，tf為1 ms，則（3）式中僅L0d ig/d t項就高達6 kV.分析表明大型增強型軌道炮ig上升階段ug可能高達十幾個千伏。

分析ig平穩階段的ug.當ig到達幅值Ig以后（2）式可以簡化為

式中:v是電樞的運動速度。（4）式等號右側后兩項正常發射時數值非常小，右側第一項l′設計值一般在1μH/m左右，電樞出膛速度v一般為2～2.5 km/s［2，4，16，23-25］，因此，與tf階段相比，ig平穩后的ug將小得多。

1.3晶閘管關斷特性的影響分析

1.3.1理想負載工況

晶閘管是半控型器件，開關特性簡述如下:1）承受反向電壓時不會開通；2）承受正向電壓時僅在門極有觸發電流的情況下才能開通；3）一旦開通，門極就失去控制作用，關斷只能通過外加電壓和外電路作用使流過元件的電流降到接近0的某一數值以下。

PFN的理想負載是近于短路的小電阻負載，分析此工況下晶閘管的匹配與應用情況。設Ck為Ck的電容，Lk為Lk的電感，rk為Ck支路雜散電阻（rCk）、SCRk通態電阻（rSCRk）、Lk支路雜散電阻（rLk）之和，ik、uCk、uLk、uRk依次為PFUk的輸出電流、Ck端電壓、Lk端電壓、雜散電阻的電壓，uCk0為PFUk的放電初始電壓，SCRk導通后PFUk首先進行RLC 2階放電，則ik為

1.3.2增強型軌道發射工況

受限于晶閘管的通流能力，現階段應用于電磁發射的PFU存儲的電能多為幾十千焦到一、二百千焦，輸出脈沖電流的峰值通常在一百千安左右或更小，波前時間一般為數百微秒［2，8-12］，因此中、大規模的發射系統需要數量很多的PFU并聯時序放電。從簡化系統、便于調控電流波形等方面考慮，通常使PFN中各PFU的結構與參數均相同。當負載（發射器、發射參數）相同時，若系統總儲能和工作電壓相同，PFN包含的PFU數量越多（即PFU儲能小），PFU 2階放電的固有頻率也就越易于提高，PFN的時序觸發放電控制點也越多，越易于進行波形調節以滿足ig梯形特性的要求。

在數兆焦及以上炮口動能的發射工況下，PFN儲能一般需達炮口動能3倍甚至更高，且需要的Ig高達幾個兆安級，tf長達一、兩個毫秒，由于PFU儲能小、2階放電的固有頻率高，因此在tf階段將需要多個PFU進行時序放電以滿足ig梯形波特性的要求。若在tf階段某一時刻共有m個PFU同時放電，則易知其中一個PFU放電等效負載的電阻分量和電感分量將增大m倍，而等效負載的電阻分量和電感分量即為軌道炮的R0和L0.設Cek、Lek、Rek依次表示此工況下PFUk的等效電容、等效電感、等效電阻，則Cek=Ck，Lek=Lk+mL0，Rek=rk+mR0.

于是2階放電時PFUk的輸出電流i′k為

2階放電時PFUk的電壓平衡方程為

分析此工況下SCRk的開關過程及其關斷特性產生的影響。為了簡化討論，這里不妨假設參與放電的PFUk的晶閘管通態過程被包含于tf之內。m個PFU在同一時刻觸發放電，等效負載增大（但仍比臨界阻尼負載小得多），由（6）式可知SCRk觸發開通后PFUk放電不再滿足近似等幅振蕩放電的條件，而是變為幅值衰減較快的振蕩放電。根據前述增強型軌道炮負載特性，tf階段ug具有較高的幅值。比較（5）式與（6）式，考慮到ug相對較高將使u′k0數值變小，并注意到（5）式、（6）式中各參數取值的量級，則易知（6）式i′k的峰值較（5）式ik的峰值將小很多。ik的峰值變小意味著多個PFU同時放電時各PFU電感器能量中間變換的作用被弱化。忽略uRk的影響（因rk較小），分析（7）式可知，PFUk放電過程uCk和ug之差即為uLk，uLk與i′k之間滿足Lkd i′k/d t，故當uCk等于ug時i′k達到峰值，而后i′k將衰減下降，uLk極性改變。由于i′k峰值小，uLk極性改變后的幅值也不大，在uCk略低于ug后SCRk便承受了反向電壓而關斷。此工況下高幅值的ug將使PFUk放電過程中SCRk承受反向電壓關斷時具有較大的uCk.結合（1）式分析可知，若發射工況相同，tf階段某一時刻m值越大，i′k峰值就相對越小，SCRk承受反向電壓關斷時刻uCk則相應越高。由以上分析可得，tf階段高幅值ug和多個PFU同時放電將帶來一個不利的結果:在uCk較高時SCRk就承受了反向電壓而關斷，由晶閘管開關特性可知其關斷狀態將一直保持下去，這必然使Ck中存儲電能得不到全部利用，即此工況下晶閘管關斷特性將使得系統部分電能得不到釋放與利用。

在ig到達Ig以后，Ck剩余電能能否繼續釋放與脈沖放電開關的特性直接相關。由于在ig達到Ig以后ug將大幅降低，如果脈沖放電開關采用無極性短路類型開關，則Ck在后續過程中會因uCk大于ug再次向導軌供電；分析表明，此時PFUk放電將伴隨一個反向充電與脈沖放電相互交替的振蕩過渡過程。

2　仿真與試驗

基于某試驗軌道發射系統進行仿真計算和試驗研究，驗證前述分析結論。試驗系統的PFN額定儲能為13MJ，額定工作電壓為10 kV，由13個1MJ脈沖成形子系統（PFS）并聯組成，每個PFS包括20個額定儲能50 kJ的PFU.PFS如圖2所示。PFU主要元件包括1臺金屬化膜電容器（1 mF/10 kV）、1只環氧澆筑箔式電感器（20μH/20 kV）、1個大功率晶閘管串聯組件（100 kA/20 kV）、1個大功率二極管串聯組件（100 kA/20 kV）等。試驗系統的試驗軌道炮是一個中口徑串聯增強型軌道發射試驗裝置，具備發射數兆焦動能、數千克質量電樞的能力。

根據PFN等效電路、軌道炮等效電路、電樞運動方程等建立了機電系統的仿真模型，并對模型作適當的簡化。仿真算例設置如下:PFN工作電壓為9 kV，模型主要參數如表1所示。全部PFU分17組進行時序放電，各組之間時間間隔均為150μs；設各PFS的PFU內部編號依次為1～20，第1組包含52個PFU，由每個PFS的1～4號PFU組成；第2組至第17組每組均包含13個PFU，由各PFS的1個PFU組成。仿真假定發射過程中電樞質量不變，并認為電樞在膛內運動過程中與導軌始終接觸良好，忽略二者之間的接觸電壓，且認為二者之間的摩擦力不變。仿真計算采用Matlab/Simulink軟件。模型參數設定說明如下:1）PFU模型中各支路的雜散電阻和電感計入仿真電路。雜散參數采用輸出電流基頻靜態測量值；2）軌道炮機電模型的控制參數，如初始電感、初始電阻、電感梯度和電阻梯度采用導軌電流基頻靜態測量值。PFN匯流輸出端至導軌尾端的連接線纜的等效電感與等效電阻計入軌道炮的初始電感與初始電阻，也采用基頻靜態測量值。

圖2　1 MJ脈沖成形子系統Fig.2 1MJ pulse forming subsystem

表1　系統仿真模型的主要參數Tab.1 Key parameters of simulation model

發射試驗研究使用了1 kg鋁制U形電樞，PFN工作參數的設置與仿真算例完全相同。仿真計算和發射試驗獲得的結果與第1節理論分析所得結論一致，證明了發射初始階段（tf階段）放電的PFU電容器具有較高的剩余電壓，也即晶閘管關斷特性將使得系統部分電能得不到釋放與利用。

仿真計算所得某一PFS的20個PFU的電容器電壓（u1～u20）的曲線如圖3所示。此算例下前5組PFU（即PFU1～PFU5）的電能不能得到完全釋放，其剩余電壓依次約為2.37 kV、4.00 kV、2.92 kV、1.62 kV、0.35 kV，該部分電能約占系統總儲能的3.07％.

圖3　PFU的電壓仿真曲線Fig.3 Simulation voltages of PFUs

發射試驗中部分PFU的電容器電壓實測曲線如圖4所示。受限于測量設備，試驗僅選取了第1、4、9、14組PFU的電容器電壓進行了測量，對應曲線依次標記為uT1、uT4、uT9、uT14.為了便于比較，圖4同時給出了仿真所得對應各組PFU的電容器電壓曲線，依次標記為uS1、uS4、uS9、uS14.實測曲線與仿真曲線基本一致。試驗時PFU放電初始電壓低于9 kV，是因為電容器存在泄漏電流，試驗中PFU自充電完成到觸發放電有長約5 s的觸發命令等待時間。

圖4　PFU的電壓實測曲線與仿真曲線Fig.4 Experimental and simulation voltages of PFUs

圖5　導軌電流和后膛電壓的實測曲線與仿真曲線Fig.5 Rail currents and breech voltages for simulation and experiment

仿真計算與發射試驗得到的導軌電流與后膛電壓曲線如圖5所示，iSg與uSg為仿真所得導軌電流與后膛電壓波形，iTg與uTg為發射實測波形。仿真與發射試驗的后膛電壓波形均表明發射初始階段其具有較高幅值，與前述理論分析一致。仿真與試驗的導軌電流波形均具有平臺特性，上升階段二者波形比較吻合，隨后出現較為明顯的差別，特別在拖尾部分實測電流較仿真電流要小很多，最大差值約200 kA.分析認為主要原因包括:1）為了簡化模型，仿真中各PFU采用了相同量值的雜散參數，而實際情況與之不同，受限于PFS架體結構，編號較小的PFU（觸發時序在前）距離PFN匯流器較近、輸出電纜較短，相應雜散參數較小，而編號較大的PFU距離匯流器較遠、輸出電纜較長，相應雜散參數則大得多（PFS架體結構與各PFU輸出電纜情況如圖2所示）；2）仿真模型中系統各處等效電阻和等效電感為特定頻率下的靜態測量值，而發射過程中系統各處電阻與電感是動態變化的，動態值與仿真參數存在差別；3）發射時各PFU電容器初始電壓低于仿真電壓；4）發射過程中存在鋁制電樞燒蝕現象，運動過程中電樞與導軌可能變為電弧性接觸。此外，仿真還無法模擬發射過程中電樞與導軌之間接觸電壓的變化、身管金屬約束部件感應渦流對發射器性能產生的影響等。

3　電能再利用方法探討

發射初始階段放電的PFU的一部分電能不能被利用，如何改善晶閘管的匹配效果，使剩余電能再次得到有效利用具有重要意義。

因ig達到Ig以后ug將大幅降低，后續發射過程中tf階段放電的PFU電容器剩余電壓將大于ug，據此分析認為，剩余電能再利用的一個可行方法是通過改進PFN的控制軟件，設置二次放電時序對PFU進行晶閘管二次觸發放電。晶閘管二次觸發時刻應設置在ig達平頂以后的下降階段（td階段），因為該階段ug已近乎最小（如圖5所示）。基于第2節仿真算例對二次觸發放電的效果進行仿真驗證，將所有PFS的PFU1～PFU8按同編號同組分成8組進行二次觸發放電，各組放電的時序間隔設為50μs，二次觸發起點設定首次觸發放電后的2.6ms時刻。該仿真算例所得曲線如圖6所示，圖6中u1～u8為各PFS的PFU1～PFU8的電容器電壓，v1是沒有二次觸發放電的電樞出膛速度，v2是具有二次觸發放電的電樞出膛速度。仿真表明，PFU的剩余電能獲得了利用，電樞出膛速度由2 188.4 m/s提高到了2 265.3m/s，系統的發射效率由22.74％提高到了24.37％.

圖6　二次觸發放電仿真電壓曲線和電樞速度曲線Fig.6 Simulation voltages of PFU1～8and simulation velocity of armature

另外，適當增大tf階段放電的PFU的電容和電感，即對于這部分PFU進行技術參數優化，也可以有效地解決剩余電能的再利用問題。在額定電壓不變的條件下，電容與電感增大意味著PFU儲能變大，且其2階放電等效電路的固有周期變長，即tf階段放電的PFU向導軌供電的時間變長，從而使得在ig達到平頂后該部分PFU電壓仍高于ug.這種方法當前階段有較大難度，原因是一方面增大PFU儲能必將對晶閘管通流能力提出更高的要求，另一方面與等參數PFU結構的PFN相比較，若這部分PFU參數與其他PFU參數不一致，將增加系統的復雜程度。

4　結論

1）理論分析、仿真和試驗研究的結果表明，受晶閘管關斷特性的影響，增強型發射系統中PFN的一部分電能得不到有效利用。增強型發射系統中發射初始階段放電的PFU停止供電時其電容器具有較高幅值的端電壓，原因主要是增強型軌道炮較大的初始電感和導軌電流的梯形波特性導致發射初始階段后膛電壓具有較高幅值，使得晶閘管在PFU的儲能電容器電能沒釋放完畢就因承受了反向電壓而關斷。

2）對初始階段放電的PFU的剩余電能再利用的方法進行了探討。分析認為，一個可行的方法是對PFN的控制功能進行改進，借助軟件實現晶閘管二次觸發放電；采用仿真驗證二次觸發放電的效果。使發射初始階段放電的PFU剩余電能再次得到有效利用將有助于提高發射效率，是下一步的研究重點。

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Analysis on the Influence of Turn-off Characteristics of Thyristor on Augmented Railgun

LI Zhen-xiao，ZHANG Ya-zhou，NI Yan-Jie，LI Bao-ming
（National Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Based on the load characteristic of an augmented railgun，the influence of turn-off characteristics of high power thyristor is analyzed.The research shows that part of electric energy in pulse forming network cannot be used effectively in the process of launching experiment.The major reason is that the initial inductance of augmented railgun is larger and the rail current is of trapezoidal wave.Thus the breech voltage of augmented railgun is higher at the initial phase of launch，leading to the situations when the high power thyristor is shutoff due to reverse voltage and the stored electric energy of pulse forming unit is not released entirely during discharging.The above conclusions are verified by the simulation and experiment of augmented railgun.According to the actual state of the pulse forming network in augmented railgun，the reuse of remaining energy is discussed.The research conclusion has a guiding role for the application of high power thyristor in augmented railgun system.

ordnance science and technology；thyristor；pulse forming network；electromagnetic launch；augmented railgun

TJ99

A

1000-1093（2016）09-1599-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.007

2015-06-23

國防科技預先研究基金項目（9140C300502130C30001）

李貞曉（1975—），男，博士研究生。E-mail:lizhxnjust@126.com；栗保明（1966—），男，教授，博士生導師。E-mail:libaoming@mail.njust.edu.cn