脈沖電源儲能電容反向充電電壓釋放方法

劉建寶， 邵英， 秦昕昕

( 海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033)

脈沖電源儲能電容反向充電電壓釋放方法

劉建寶， 邵英， 秦昕昕

( 海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033)

在放電主開關放置于儲能電容支路的脈沖功率電源放電過程中，儲能電容存在反向充電現象，反向電壓無法釋放，影響儲能電容的使用壽命，并降低了脈沖功率電源的使用效率。在詳細推導電容儲能型脈沖功率電源放電過程的基礎上，分析影響儲能電容反向充電電壓的因素，討論降低儲能電容反向充電電壓的途徑，將放電主開關放置于負載支路的電路結構，實現了儲能電容反向充電電壓的釋放。仿真和實驗結果表明：調整放電開關位置后的脈沖功率電源負載電流特性與調整前基本一致，完全滿足電磁發射的需求；同時，反向電壓的及時釋放提高了儲能電容的使用壽命，增加了電磁發射系統的效率。

脈沖功率電源；儲能電容反向充電；脈沖成型網絡；續流硅堆；電磁發射

0 引 言

隨著電磁發射技術的不斷發展和應用領域的不斷拓寬，對于作為能量系統的脈沖功率電源技術提出了更高的要求。脈沖功率電源作為電磁發射系統的重要環節，通常由脈沖電容器、調波電感、大功率放電開關、大功率硅堆和吸能電阻組成[1-7]。大功率放電開關是核心器件，目前，國內外脈沖功率電源中使用的放電開關主要有觸發真空開關(TVS)、固態開關(RSD)、晶閘管(SCR)、引燃管、旋轉電弧開關等，它們均具有單向導通的共性[8-14]。而由脈沖功率電源供電的負載普遍是感性負載，儲能電容放電完成后，感性負載中存儲的能量必然會對儲能電容進行反向充電，因此，目前脈沖功率電源在負載支路上普遍采用了并聯大功率硅堆的做法[1-7，15-16]，大功率硅堆起到兩個作用:一是抑制電容器反向充電,保護電容器；二是整流,調節脈沖電流波形。文獻[17-18]針對放電主開關置于儲能電容支路的脈沖功率電源，對流經硅堆的電流振蕩問題進行了分析，但未考慮電容器的反向充電問題；文獻[19]對脈沖功率電源拓撲結構中主放電開關放置位置進行了討論，針對兩類PFN電路分析了硅堆位置對流經放電主開關電流的影響，得到放電主開關放在電容支路的PFN電路結構更為合理的結論，也未涉及電容器的反向充電問題。而事實上，在負載支路并聯大功率硅堆的做法只能抑制而不能消除電容器反向充電，大功率硅堆及線路具有一定的阻抗，并且，儲能電容支路具有寄生電感，脈沖電容器反向充電現象必然會存在，如何釋放電容器反向充電電壓的問題還沒有得到有效解決。

針對普遍采用的、放電主開關置于儲能電容支路的電容儲能式脈沖功率電源，對其放電過程進行了理論分析，討論了影響脈沖電容器反向充電電壓的各種因素，在此基礎上，提出了降低脈沖電容器反向充電的方法和釋放脈沖電容器反向電壓的途徑，為確定更為合理、實用的電容儲能型脈沖功率電源的電路結構提供了理論支持。

1 脈沖功率電源放電過程分析

電容儲能式脈沖電源系統電路原理圖如圖1 所示，稱為開關I型脈沖功率電源。圖中，C為儲能電容器，初始電壓為U0，內阻為RC(含該支路線路電阻和放電開關內阻)，儲能電容器寄生電感為LC(含該支路線路電感)；D2為續流硅堆，R0為吸能電阻和續流硅堆內阻之和，L2為續流硅堆內感及該支路線路電感之和；L0為調波電感；LL為電磁發射系統負載等效電感和線路電感之和；RL為電磁發射系統負載等效電阻、調波電感內阻、線路電阻之和；放電開關由開關K和與之串聯的二極管D1等效。

在分析之前，作如下假設：(1)電路中的開關、二極管均為理想器件。(2)電感和電容具有一定的內阻，電容中存在寄生電感。(3)電磁發射系統負載等效電感和電阻是恒定的，不隨電樞在炮管內的移動而發生變化。

圖1 開關I型脈沖電源系統電路原理圖Fig.1 Maincircuit of single model PFN

當放電開關閉合后，儲能電容開始向電磁發射負載放電，其中，儲能電容支路電流用iC表示，吸能電阻和續流硅堆支路電流用iD表示，負載支路電流用iL表示。根據二極管D1、D2的導通狀態，可將開關I型電容儲能式脈沖電源系統放電過程分為三個階段。

1.1 放電模態I [t0-t1]

在t0時刻，閉合開關K，二極管D1導通，儲能電容C開始放電；在t1時刻，吸能電阻和續流硅堆支路電壓uab=0；在[t0-t1]期間，uab≥0，二極管D2截止，等效電路如圖2(a)所示，iD=0，iC=iL。

儲能電容支路與負載支路構成RLC串聯二階電路，令R=RC+RL，L=L0+LL+LC。在圖1所規定的電壓電流的正方向下，按KVL可得

-uC+uR+uL=0。

(1)

其中

i=iC=iL=-CduC/dt，

uR=Ri=-RCduC/dt，

uL=Ldi/dt=-LCd2uC/dt2。

將uR、uL代入式(1)，得

(2)

圖2 脈沖電源放電各個階段的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of PFN

求得電容C上的電壓uC和電流i分別為

[ε(t-t0)-ε(t-t1)]，

(3)

[ε(t-t0)-ε(t-t1)]。

(4)

在此模態下，儲能電容處于放電狀態，電容電壓隨時間逐漸減小，在t1時刻，電阻RC和電感LC上的電壓之和正好與電容電壓大小相等、方向相反時，續流硅堆支路電壓uab=0，二極管D2處于臨界導通狀態，放電過程由放電模態I轉換到放電模態II。

1.2 放電模態II[t1-t2]

從t1時刻開始，續流硅堆支路電壓uab≥0，二極管D2處于導通狀態，負載支路的電流在通過續流硅堆支路續流的同時，給儲能電容反向充電，等效電路如圖2(b)所示，iL=iC+iD。t1時刻儲能電容放電過程基本結束，可忽略換路后儲能電容的初始電壓。建立換路后的簡化運算電路，如圖3所示，圖中L1=L0+LL，iL(t1)為t1時刻負載支路電流值。

圖3 放電模態II的s域模型Fig.3 S domain model in discharge modal II

將圖3等效為兩個電源分別作用的形式，如圖4所示。

圖4 應用疊加定理對圖3進行等效Fig.4 Equivalent circuit of Fig.3

(5)

則電容上電壓uC1(t)的像函數UC1(s)為UC1(s)=IC1(s)/sC=

(6)

像函數IC1(s)對應的電容支路時域電流iC1(t)逐漸減小至t2時刻為零，電容上的電壓uC1(t)從零開始建立反向電壓，到t2時刻保持不變。

2)圖4(b)所示的電路中，因為二極管D2的存在，在電壓源LCiL(t1)的作用下，續流硅堆支路斷路，電容支路電流iC2(t)對應的像函數IC2(s)為

(7)

則電容上電壓uC2(t)的像函數UC2(s)為

UC2(s)=IC2(s)/sC=

(8)

像函數IC2(s)對應的電容支路時域電流iC2(t)逐漸減小至t2時刻為零，電容上的電壓uC2(t)從零開始建立反向電壓，到t2時刻保持不變。

綜合1)、2)分析，可得脈沖功率電源在放電模態II中，電容支路電流以及電容電壓像函數為

(9)

應用拉氏逆變換，可得以零時刻為參照時刻的電容支路電流以及電容電壓為

(10)

則在[t1-t2]期間，電容支路電流和電容電壓可表示為

(11)

式中，ε(t)為單位階躍信號。

在t2時刻，儲能電容支路電流降為零，負載支路電流為iL(t2)，儲能電容反向充電過程結束，因為二極管D1的限制，儲能電容反向電壓將保持不變。

1.3 放電模態III[t2～∞)

從t2時刻開始，儲能電容反向充電已完成，二極管D1截止，儲能電容上的電壓保持在uC(t2)值不再變化，續流硅堆支路和負載支路構成RL放電回路，等效電路如圖3(c)所示，此時，iC=0，iD=iL。負載支路電流變換情況描述如下：

(12)

考慮t2時刻負載支路的電流初始值iL(t2)，可得該回路的電流為

iL(t)=iL(t2)e-[(RL+R0)/(L0+LL+L2)](t-t2)ε(t-t2)。

(13)

通過以上的分析可知，在脈沖功率電源在放電模態II過程中，儲能電容存在反向充電現象，且因為放電開關的單向導通性，電容上的反向電壓無法釋放，而長時間的反向電壓，會大大影響電容器的使用壽命，并且，降低電容器再次正向充電的效率。下面對影響儲能電容反向充電電壓的因素進行分析，并提出釋放電容反向電壓的方法。

2 儲能電容器反向充電分析

2.1 影響儲能電容反向充電電壓的因素

根據式(5)～ 式(11)可知，儲能電容反向充電電流和電壓，不僅與脈沖電源網絡拓撲結構和各電力器件參數有關，而且與t1時刻電感中的電流初始值iL(t1)成正比，與電容值C成反比。但是，iL(t1)是脈沖電源放電特性的一個重要衡量指標，由彈丸的加速特性所決定，不宜在大范圍內進行調整；電容值在容量一定的脈沖功率電源中是固定的。也就是，儲能電容反向電壓的降低不能以負載電流的減小和功率的降低作為代價，因此，在保證負載支路特性不變的情況下，只能從調整脈沖功率電源電容支路和續流硅堆支路寄生參數角度，研究影響儲能電容反向充電的因素。

根據拉普拉斯變換的線性性質的齊次性，像函數UC(s)越小，則其原函數uc(t)越小。從式(6)可知，隨著續流硅堆支路電抗R0+sL2越小，UC1(s)越小；根據式(8)，儲能電容漏感LC越小，UC2(s)越小；增大儲能電容支路的內阻RC，UC1(s)和UC2(s)都會降低，但同時影響了脈沖功率電源的放電特性，降低了功率脈沖的最大電流值，因此，不能從調整RC的角度去影響儲能電容的反向充電電壓。

理論上，當吸能電阻和續流硅堆內阻之和R0，續流硅堆內感及該支路線路電感之和L2，以及儲能電容漏感LC均為零時，儲能電容不存在反向充電現象。但是，在實際應用場合，續流硅堆和線路均存在電阻和寄生電感，儲能電容一定存在寄生電感，在圖1所示的脈沖電源電路結構下，儲能電容必然會存在反向充電現象，并且，由于放電主開關的單向導電性，儲能電容支路電流iC不能為負值，反向電壓無法釋放。

2.2 儲能電容反向電壓的釋放

在保證脈沖電源負載支路電流的電流特性的基礎上，為了實現儲能電容支路電流導通的雙向性， 釋放儲能電容上的反向電壓，選擇將放電主開關置于負載支路的脈沖功率電源結構，稱之為開關Ⅱ型脈沖功率電源，如圖5所示。

開關II型脈沖電源的放電過程依然可以分成三個階段進行分析，放電模態I和放電模態II放電過程不發生變化，等效電路如圖2(a)和圖2(b)所示。在放電模態III時，續流硅堆支路和負載支路構成RL放電回路的同時，具有反向電壓的儲能電容支路與續流硅堆支路構成了RLC放電回路，其等效電路如圖6所示。儲能電容上的反向電壓得到了釋放。

圖5 開關Ⅱ型脈沖電源電路結構圖Fig.5 Main circuit ofadjusted PFN

圖6 開關II型脈沖功率電源放電模態III等效電路Fig.6 Equivalent circuit of switch II PFN in model III

3 仿真和實驗分析

對以上分析進行了仿真和實驗驗證。在圖1和圖5表示的開關I型和開關II型脈沖功率電源電路結構中，系統參數如表1所示。

表1 脈沖功率電源實驗系統參數Table 1 Parameters of pulsed power supply system

圖7為開關I型脈沖功率電源儲能電容電壓變化仿真曲線圖，其中圖7(a)為續流硅堆支路寄生電感L2=0時，續流硅堆支路電阻R0對儲能電容反向充電電壓影響的對比圖從仿真結果可以看出，R0越小，儲能電容反向充電電壓越小；圖7(b)為R0=0時，續流硅堆支路寄生電感L2對儲能反向充電電壓影響的對比圖，可以看出，L2越小，儲能電容反向充電電壓越小；圖7(c)為R0=0，L2=0時，儲能電容寄生電感LC對儲能反向充電電壓影響的對比圖，可以看出，在續流硅堆支路不存在阻抗時，儲能電容仍然會出現反向充電現象，儲能電容寄生電感L2越小，儲能電容反向充電電壓越小。

圖7 開關I型脈沖功率電源儲能電容電壓變化曲線Fig.7 Voltage waveforms of switch I PFN

圖8為開關I型和開關II型脈沖功率電源電流仿真波形對比圖。可以看出，放電開關位置調整后，儲能電容支路電流iC(t)出現了負值，為釋放儲能電容反向電壓提供了通道。

圖8 脈沖功率電源電流波形Fig.8 Current waveforms of PFN

圖9為開關II型脈沖功率電源儲能電容上電壓變化的仿真和實驗波形，在較短的時間(約為1 ms)內，儲能電容電壓從負的最大值變化到零。

圖9 開關II型脈沖功率電源儲能電容電壓變化曲線Fig.9 Voltage waveform of capacitor in switch II PFN

圖10為開關II型脈沖功率電源負載電流的仿真波形和試驗波形。仿真波形與實驗波形具有一定的差異，主要原因是實驗裝置的系統參數在測量過程中會存在一定的誤差。

圖10 開關II型脈沖功率電源負載電流波形Fig.10 Load current waveforms of switch II PFN

4 結 論

在電容儲能型高功率脈沖功率電源中，由于續流硅堆支路存在寄生電阻和電感，儲能電容存在寄生電感，導致了儲能電容存在反向充電現象。在分析開關I型脈沖功率電源儲能電容充放電機理的基礎上，討論了電容反向充電電壓值與續流硅堆支路阻抗以及儲能電容寄生電感的關系。在開關I型脈沖功率電源拓撲結構中，儲能電容放電主開關的單向導電性，儲能電容支路電流不能為負值，反向電壓無法釋放，不僅會影響儲能電容再次充電的效率，而且會影響儲能電容的性能。采用放電主開關置于負載支路的開關II型脈沖功率電源結構形式，為儲能電容反向充電電壓的釋放提供了回路，降低了反向充電電壓對儲能電容的影響。通過仿真和實驗分析，驗證了上述儲能電容反向充電電壓釋放方法的可行性，為改善高功率脈沖功率電源的拓撲結構提供了一種理論支持。

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Releasingmethodforreversechargingvoltageofstoredenergycapacitorinpulsedpowersupplysystem

LIU Jian-bao， SHAO Ying， QIN Xin-xin

(College of Electrical Engineering,Navy University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The reverse charging of stored energy capacitor will occur in the course of discharging in the pulse power supply system.And the reverse voltage on the stored energy capacitor has no way be released due to unidirectional break over character of power switch,so the stored energy capacitor will be damaged and the efficiency of power will be reduced.The discharging course of the stored energy capacitor was analyzed and the factors effecting reverse voltage were discussed in this paper.In order to release the reverse voltage on the capacitor,the power switch was adjusted from capacitor spur track to load spur track.The results of simulation and experiment show that the load current characteristics are identical between the rectified pulsed forming network(PFN) and the primary PFN.So the rectified PFN meet the requirement of electromagnet launching system,and at the same time the longevity of stored energy capacitor and the efficiency of electromagnet launching system are increased.

pulsed power supply; reverse charging of stored energy capacitor; pulsed forming network; crowbar diode; electromagnetic launching

(編輯：劉素菊)

2017-03-20

國家自然科學基金(51207162)

劉建寶(1978—)，男，博士，副教授，研究方向為脈沖功率電源、信號檢測與控制； 邵 英(1970—)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為檢測技術與自動化裝置； 秦昕昕(1978—)，女，碩士，副教授，研究方向為數據統計與分析。

劉建寶

10.15938/j.emc.2017.08.006

TM 86

:A

:1007-449X(2017)08-0041-07