兩型PFN模塊的放電特性及優化

王杰 魯軍勇 張曉 戴宇峰

摘要：為了更好地設計電容儲能型脈沖功率電源的電路拓撲，采用理論分析與仿真計算相結合的方法，從放電階段劃分、放電過程中脈沖電容器、續流二極管和晶閘管等關鍵器件的電壓、電流及能量損耗，以及放電效率等方面對兩型PFN模塊不同特性及各自的優缺點進行了全面的對比分析，仿真結果表明I型PFN在器件損耗、放電效率等方面比II型PFN更有優勢。針對電容器反向電壓尤其是I型PFN反向電壓不能通過模塊自身釋放的問題，設計了多模塊脈沖功率電源的反向電壓釋放通道，其對II型PFN影響較小，但可將I型PFN模塊放電過程中產生的反向電壓回收利用并形成正向的電壓，這對具有連發功能需求的脈沖功率電源具有重要意義。

關鍵詞：脈沖功率電源;脈沖成型網絡;能量損耗;放電效率;反向電壓釋放

DoI：10.15938/j.eme.2019.08.002

中圖分類號：TM89文獻標志碼：A 文章編號：1007-449X（2019）08-0010-09

0引言

脈沖功率電源（pulsed power supply，PPS）是電磁發射裝置的重要組成部分，可為電磁發射提供高達數百萬安培的脈沖電流。目前普遍采用的是多個模塊構成的電容儲能型脈沖功率電源，單個脈沖功率電源模塊也叫脈沖成形網絡（pulse forming net-work，PFN）模塊。其主要組成部分包括脈沖電容器、晶閘管、續流二極管及調波電感器。依據PFN模塊中續流二極管和晶閘管的位置關系，可分為I型PFN模塊和II型PFN模塊，因拓撲結構不同，在放電過程中的特性也不同。

現有PFN模塊的研究大多將放電過程分為2個階段，第一個階段電容放電，模塊中形成一個RLC回路;第二個階段續流二極管導通，電感器放電，形成一個RL回路。這種放電階段劃分方法忽略了器件雜散參數的問題，也沒有考慮晶閘管和二極管導通和截止的動態過程。

由于雜散參數的存在，兩型PFN模塊放電過程中都會在脈沖電容器上產生反向電壓，由于脈沖電容器一般為金屬化膜電容器，反向電壓會對金屬化膜電容器的自愈特性造成影響，導致壽命降低，因而需要避免電容器長時間的反向電壓。文獻[5-6]分析了反向電壓與雜散參數的關系，提出采用II型PFN來代替I型PFN。

電磁發射的效率首先決定于脈沖功率電源的放電效率，緊湊化集成的高效率PFN模塊是電磁發射裝置工程化應用的必然需求。PFN模塊中各功率器件的能量損耗不僅與放電效率密切相關，模塊放電過程中器件還會產生大量焦耳熱，在循環浪涌模式下，往往容易造成熱量的積累，導致器件溫度升高，對器件的性能造成不利影響。

現有PFN模塊放電特性的研究更多集中于某型某個器件的電壓電流或溫度特性，但PFN模塊整個放電過程中的性能差異并未見全面報道。事實上兩型PFN各有其優缺點，并不存在絕對的好與壞之分，因此本文從能量和效率的角度對兩型PFN模塊進行對比，旨在對兩型PFN模塊放電過程中的特性做一個全面的分析，研究不同PFN模塊關鍵器件的工作狀況及其可能存在的風險，并針對放電過程中脈沖電容器的反向電壓問題，研究優化改進的方法。

1兩型PFN模塊的放電過程分析

圖1為兩型PFN模塊的電路原理，其中C為脈沖電容器（也表示電容值），晶閘管T作為放電開關，D為續流二極管。PFN模塊中可能的電流支路有3條，分別為電容支路，其電流為ic;續流支路，電流為id;負載支路，電流為if，電流通過同軸電纜輸出到負載。I型PFN的晶閘管置于電容支路，續流支路在晶閘管和電感器之間，Ⅱ型PFN的晶閘管在負載支路，續流支路在晶閘管之前。

圖1中考慮了各個支路的雜散參數，其中Rc和Lc為電容支路等效串聯電阻和等效串聯電感;Rd和Ld為續流支路等效串聯電阻和等效串聯電感;尺，和Lf為負載支路等效串聯電阻和等效串聯電感。各支路等效串聯電阻和等效串聯電感都包括支路上所有器件本身的雜散參數及線路雜散參數，比如Rf包含了調波電感器內阻、同軸電纜電阻、負載電阻等，而Lf包括了調波電感、同軸電纜電感、負載等效串聯電感等。

根據電路原理，可將PFN模塊（I型和II型）的放電過程分為3個階段，分別如圖2～圖4所示。設電容器初始電壓為Uo，放電從零時刻開始，若令：

在simplorer中對兩型PFN模塊的放電進行仿真，考慮實際器件和電纜雜散參數，仿真模型如圖5所示，圖中的電壓表分別用于測量電容器電壓uc、二極管電壓ud和晶閘管電壓ut，圖5采用的器件參數如表1所示。

兩型PFN模塊各支路電流和電容電壓如圖6所示，可看出兩型PFN模塊中都存在電容器反向電壓，但I型PFN中的反向電壓一直存在，而II型PFN模塊中的電容器反向電壓可通過模塊自身的電容一續流二極管支路釋放，釋放過程中由于雜散參數、反向電壓及電容和二極管形成的回路的欠阻尼特性，導致II型PFN的續流二極管存在幅值很高的浪涌電流，浪涌電流峰值甚至超過負載電流。

2兩型PFN模塊放電特性對比

2.1PFN模塊器件耗能及效率分析

對PFN模塊中各個器件及負載損耗的能量進行研究，PFN模塊初始總儲能為

在不同的初始電容電壓下，PFN模塊的能耗和效率不相同，兩型PFN模塊放電效率隨初始電壓的變化如圖7所示。從圖中也可以看出，隨著電容初始電壓的增大，兩型PFN模塊放電效率都會提高，在相同初始電壓下I型PFN模塊比II型PFN模塊的放電效率更高。

當初始電壓為10kV時，兩型PFN模塊各器件（及電纜和負載）耗能所占比例如圖8所示，其中Other主要是電容器的殘余電能，由于I型PFN放電過程結束后電容器上存在殘余的反向電壓，電容殘余電能達到初始電容總能量的2%左右，而II型PFN模塊電容基本沒有殘余電能。

可見兩型PFN模塊在放電過程中的能耗特性有一些區別，下面對PFN模塊各主要功率器件進行具體的分析（設初始電壓uo為10kV）。

2.2兩型PFN模塊的電容器特性對比

PFN模塊放電過程中的電容電壓如圖9所示，兩型PFN模塊電容器都存在反向充電現象，但II型PFN模塊可將反向電壓釋放，而I型PFN模塊的反向電壓將一直存在。

兩型PFN模塊放電過程中的電容電流及電容耗能如圖10所示，由于II型PFN模塊中電容支路始終存在，直到放電完畢，在放電第三階段，當電容器產生反向電壓后，在電容及續流二極管形成的回路構成RLC振蕩電路，電容電流存在的時間長，因此電容自身的耗能也比I型PFN模塊電容耗能更多。而I型PFN模塊的電容電流只存在于第一和第二階段，電容電流無振蕩，耗能少。

2.3兩型PFN模塊的續流二極管特性對比

放電過程中兩型PFN模塊續流二極管兩端的電壓如圖11所示，而兩型PFN模塊二極管電流及其能量損耗如圖12所示。

由圖11可以看出，由于II型PFN模塊電容器與續流二極管直接并聯，電容電壓不能突變，因此續流二極管上的電壓也沒有突變，二極管在電容放電階段承受反向的電容電壓，當電容器被反向充電時承受短暫的正向電容電壓，直到反向電容電壓被全部釋放;而I型PFN模塊的續流二極管在晶閘管導通前被隔離，二極管電壓為0，當模塊被觸發，晶閘管導通后，續流二極管上的電壓由0迅速突變，晶閘管導通過程中二極管與電容器并聯，當續流二極管導通而晶閘管截止之后，二極管電壓為0，直到放電結束。

從圖12可以看出，在放電第三階段，由于II型PFN模塊續流支路電流是反向電容支路電流與負載電流的疊加，續流二極管上產生峰值很大的浪涌電流，浪涌峰值高達114kA，該電流值遠超過PFN模塊負載電流峰值，也大大高于二極管的正常工作電流，并伴隨極高的di/dt，這對二極管的性能提出了很高的要求;而由于I型PFN模塊的續流二極管無電流振蕩，當其導通后續流二極管電流與負載電流相等，相對來說電流幅值和di/dt都較小，二極管上產生的能量損耗也要比II型PFN模塊小得多，因此其對二極管性能的要求比II型PFN模塊要低。

2.4兩型PFN模塊的晶閘管特性對比

兩型PFN放電過程中晶閘管的電壓如圖13所示，兩型PFN模塊晶閘管電流及耗能如圖14所示。

從圖13可以看出，在模塊被觸發前，晶閘管不導通，晶閘管兩端承受的電壓與電容電壓相等，當晶閘管導通后，兩型PFN模塊晶閘管的電壓都迅速降為晶閘管本身的前向導通壓降，接近于0。其中II型PFN模塊的晶閘管一直導通，直到放電結束，故II型PFN模塊的晶閘的電壓在放電過程中為前向導通壓降，放電結束后電壓為0;而由于I型PFN模塊的晶閘管在電容支路，在續流二極管導通后，由于I型PFN模塊的電容器存在反向電壓，電容器與晶閘管串聯后再與續流二極管并聯，故其晶閘管兩端也將一直存在一個反向電壓。

從圖14中可以看出，第一和第二階段中兩型PFN的晶閘管都處于同樣的RLC電路中，電流及能耗相同。但II型PFN模塊的晶閘管在整個模塊放電過程中都導通，其電流持續時間長，能量損耗也較多;而I型PFN模塊的晶閘管只在模塊放電的第一、第二階段導通，續流二極管導通后，晶閘管的電流迅速降為0，不參與模塊續流階段，故I型PFN模塊的晶閘管的能耗也小得多。

3PFN反向電壓的釋放

從以上分析可以看出，I型PFN在很多方面存在優勢，比如電容器、二極管和晶閘管的耗能少，二極管電壓無突變，無浪涌電流等，但是I型PFN也存在問題，放電過程中的反向電壓，隨著電容初始電壓的增大，放電效率提高，但同時反向電壓也會線性增大，如圖15所示。

當電容器初始電壓為10kV時，反向電壓高達1220V，I型PFN模塊放電結束后電容殘余電能達到3.7kJ，這對電容器的安全使用是一個巨大的隱患，因此本文提出一種新的電路拓撲對此進行改進，釋放反向電容電壓，回收殘余的電能。

對于單個PFN模塊，增加額外的反向電容電壓釋放通道必然會增大PFN模塊的體積和重量，不利于緊湊集成，但對于由多個PFN模塊構成的脈沖功率電源，若增加如圖16所示的反向電容電壓釋放通道，則平均下來每個PFN模塊增加的體積和重量都不會很大。

從圖中可以看出，PFN模塊放電過程在很短時問（10ms以內）內完成，其中II型PFN模塊組成的脈沖功率電源反向電壓主要通過模塊內部的電容一二極管支路釋放，在很短的時間內反向電容電壓就降到0，反向電壓持續時間短，在反向電壓釋放通道形成的電流很?。ㄐ∮?A）;而I型PFN模塊構成的脈沖功率電源只能依靠模塊外部的反向電容電壓釋放通道進行釋放，釋放過程中在該通道形成了高達1276A的大電流，這個電流又會給所有電容器充電，在電容器上形成905V的正向電壓（因釋放通道的存在，電容器上的反壓也會比前述的1220V要小），反向電壓釋放的時間大約為0.5s左右。

可見反向電壓釋放通道對II型PFN影響不大，但可以將I型PFN放電過程中形成的反向電壓釋放并形成正向的電壓，這對脈沖功率電源的影響有兩方面，一是秒級的釋放時間延長了脈沖功率電源工作的總時間，二是有利于下一次的充電，對于需具有連續充放電功能的脈沖功率電源，第一次放電形成正向電壓后下一次充電的時間可以縮短。

此外，反向電壓回收利用可以進一步提高總的放電效率，I型PFN組成的脈沖功率電源放電效率將會比II型PFN更高，對于上述仿真，考慮到能量回收之后，I型PFN脈沖電源的放電效率可達到79.9%，II型PFN脈沖電源的放電效率則為78.2%，可見I型PFN脈沖電源的放電效率更高。

4結論

本文對兩型PFN模塊的放電特性進行了研究，對比了兩型PFN的放電過程及主要功率器件的電流、電壓和能耗特性，與II型PFN模塊相比，I型PFN模塊對負載的放電效率更高，電容和二極管電流無振蕩，二極管和晶閘管的能耗小，有利于器件保護，但I型PFN模塊也存在二極管電壓突變的問題。

針對電容器反向電壓尤其是I型PFN反向電壓不能釋放的問題，本文還為多模塊脈沖功率電源設計了反向電壓釋放通道進行優化，仿真表明其可以將反向電容電壓有效釋放，其中對I型PFN組成的脈沖電源影響更大，不僅可以釋放反向電壓，還能進行能量回收，可進一步提高脈沖電源的放電效率，這對需連續充放電的脈沖功率電源有重大意義;而II型PFN反向電壓主要靠模塊自身釋放，增加了模塊中器件的損耗，反向電壓釋放通道對II型PFN影響較小。

從本文的研究可以看出，兩型PFN各有其優缺點，從放電效率及主要功率器件損耗的情況來看，則I型PFN在多模塊脈沖功率電源中具有一定的優勢，且通過反向電壓釋放通道可有效解決反向電容電壓問題。