電磁發射用13 MJ脈沖功率電源系統研究

張亞舟，李貞曉，金涌，羅紅娥，田慧，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）

電磁發射用13 MJ脈沖功率電源系統研究

張亞舟，李貞曉，金涌，羅紅娥，田慧，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）

隨著電磁發射技術的發展，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、數毫秒脈寬、上升快速且有平頂波特點，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。電源系統采用多模塊并聯結構，由13個儲能1 MJ脈沖成形子系統組成，每個子系統包含20個50 kJ脈沖電源模塊，單個模塊短路放電電流最大可達65 kA；充電系統由基于串聯諧振變換器的高壓充電機組成；控制系統具有兩級控制結構，使用同步編碼信號對各電源模塊進行時序放電控制；測量系統采用PXI系統，主從式網絡結構，可滿足分布式測量需求。系統在模擬負載上進行了性能測試，在電磁發射裝置上進行了實驗研究。實驗結果表明，13 MJ脈沖功率電源系統輸出電流波形靈活可調、可靠性高，可以滿足電磁發射實驗的需求。

兵器科學與技術；電磁發射；電容儲能；脈沖成形子系統

0 引言

電磁軌道炮利用電流與磁場的相互作用實現彈丸超高速發射，是電磁發射技術的一個重要發展方向，具有良好的應用前景。高功率脈沖電源（PPS）是電磁發射系統中的關鍵組成部分與能量來源，也是脈沖功率技術研究的重點［1-4］。

隨著電磁發射技術的發展，對中口徑電磁發射電源的性能要求也隨之提高，需要電源在數毫秒內提供一個幅值較大、上升快速且具有平頂波特點的脈沖電流。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.電源系統工作穩定可靠，具有較強的抗干擾能力，可通過時序控制輸出與軌道炮負載特性相匹配的兆安級脈沖電流。

1 系統結構與技術難點

電容儲能型脈沖電源從功能上可以分為脈沖成形網絡系統、充電系統、控制系統、測量系統等部分。脈沖成形網絡因系統龐大、結構復雜，儲能密度要求高，因此對系統在小型化、緊湊化設計方面提出了較高的要求；充電系統需采用高效率、快速充電技術并設計防護裝置；控制系統需對放電開關進行精確控制，確保觸發一致性；測量系統需要準確測量實驗數據還需具備診斷功能，以便及時查找故障模塊。同時，電源系統需考慮在強電磁環境下運行可靠［5］。

13 MJ脈沖功率電源的系統結構如圖1所示，采用了多模塊并聯結構，將脈沖成形網絡系統分為13個1 MJ的脈沖成形子系統（PFS），每個子系統由20個電源模塊組成。充電系統由13臺高壓充電機組成，每臺可為1個PFS進行充電。控制系統由1臺遠程控制計算機、13個PFS控制器、13個充電控制器、260個晶閘管觸發器、控制軟件組成。測量系統由1臺遠程測試計算機、13臺PFS測試器、測量軟件以及分布在系統中的電流、電壓傳感器組成。

圖1　13 MJ脈沖功率電源系統結構框圖Fig.1 B1ock diagram of 13 MJ PPS

2 系統設計

2.1脈沖成形網絡

PFS由20個50 kJ脈沖電源模塊（PPM）組成，以并聯形式連接到PFS匯流器，再向外輸出脈沖電流。PPM的主要參數如表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、調波電感器L、放電開關SCR、續流開關D、安全泄放電阻Rd、充電隔離開關Kc、安全泄放開關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撲結構與技術參數，具有良好的兼容性。

表1　電源模塊主要設計參數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結構示意圖如圖3（a）所示，為使電源系統結構緊湊，采取的設計方法有：1）晶閘管SCR與續流二極管D進行一體化封裝設計；2）根據半導體開關的外形結構，優化調整脈沖電容器、調波電感器、泄放電阻等元件的外形結構；3）充電隔離開關與安全泄放開關進行一體化設計。

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、長壽命等優點，利于電源實現小型化、輕量化和高可靠性［6-7］。同時金屬化膜具有自愈特性，提高了系統的安全性，可通過監測電容量、介質損耗等電氣參數隨時掌握電容器的絕緣狀況。

2.1.2調波電感器

調波電感器的作用是調節輸出電流波形，同時也是能量輸出元件，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、環氧樹脂澆筑、空心柱形結構箔式電感器，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、低內阻、熱容性好、通流能力高、耐電動力沖擊能力強等特點。

2.1.3放電開關

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

圖3　模塊結構示意圖與脈沖成形子系統照片Fig.3 Structure diagram of PPM and photo of PFS

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

2.1.4續流開關

續流開關選用5只4英寸大功率快速二級管串聯組成，用于限制脈沖電容器反向存儲能量、提高電能的轉換效率［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，耐受電流平方時間積最大值 maxI2t＞20 000 kA2s，同時并聯了500 kΩ均壓電阻和30 Ω-0.33 μF阻容元件以保護器件的安全。

2.1.5其他元器件

安全泄放電阻采用了200 kJ/10 kV復合陶瓷電阻，靜態阻值約100Ω.具有無電感、抗沖擊、耐高壓的優良特性。充電隔離開關與安全泄放開關均采用了20 kV空氣接觸器，設計充電隔離為常開觸點、安全泄放為常閉觸點的一體化開關。電流互感器采用柔性結構的無源Rogowski線圈，建成的脈沖成形子系統如圖3（b）所示。

2.2充電系統

充電機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、適合寬范圍變化負載等優點的恒流充電方式［18-19］。充電機由工頻交流電供電，輸出電壓0～12 kV，輸出電流5 A.充電電路選擇了串聯諧振充電電路，開關頻率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斷不連續充電模式下工作。在整個工作周期內，開關管既能獲得零電流開通，也能獲得零電流關斷，充電效率可達90%.當負載短路時，諧振電流的正半周可以在負半周全部返回電源，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載短路的優點。此外，在充電機輸出端設計了保護電路和隔離硅堆，能有效防護因充電斷路和外部電路失效造成的過電壓對充電機內部元件的沖擊，提高系統可靠性。

2.3控制系統

控制系統主要功能包括參數設置、充電控制、放電控制、急停控制和數據采集控制。電源系統采用兩級控制結構，遠程控制裝置是第1級控制設備，包括一體化設計的遠程控制計算機和操作面板。操作面板與主控計算機采用RS-485通信方式交換控制信息，通過光纖通信方式管理13個PFS控制器與充電機控制器，在發出放電指令同時通過光纖通信啟動測量設備進行脈沖放電數據采集，PFS控制器是本地分控裝置，為第2級控制設備。通過光纖與20個PPM晶閘管觸發器進行連接，采用屏蔽電纜實現對PPM充電隔離開關與安全泄放開關的控制，通過遠程控制計算機可查看晶閘管觸發器、充電隔離開關、泄放開關的狀態。

電源的時序控制由遠程控制計算機采用光纖通信方式同步向各PFS控制器發送脈沖放電時鐘起點信號，選用一致性高的通信模塊，確保傳輸距離相等、參數相同，從而實現對時序放電的精確控制。時鐘起點信號為編碼信號，只有滿足編碼的信號才能被控制器識別，控制器接收到時鐘起點信號后以該信號為時間基準，根據設定的時間順序依次觸發各PPM晶閘管觸發器，確保脈沖放電具有較好的時間一致性和較強的抗干擾能力［20-21］。

2.4測量系統

測量系統采用PXI總線數據采集系統，主從式網絡結構，通過光纖網絡通信方式組網連接。系統包括1臺遠程測試計算機、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、脈沖成形子系統匯流器輸出電流、系統匯流器輸出電流、負載電壓、負載電流等。電壓采用具有納秒級上升時間、高阻率高壓探針進行測量，電流采用Rogowski電流互感器進行測量［22-23］。

測量系統軟件由圖形化編程語言Labview實現，主要包括數據分析軟件、主機測量軟件和子機測量軟件。主機測量軟件負責脈沖成形子系統以及負載數據的處理，具有采樣通道選擇、采樣設置、子系統電壓與電流采集、負載電壓與電流采集等功能；子機測量軟件負責單個子系統數據的管理，具有采樣通道選擇、采樣設置、模塊電壓電流采集等功能。測量系統同時兼備故障診斷功能，可以通過測量軟件快速找到故障模塊。

3 仿真與實驗

3.1脈沖電源模塊與子系統仿真

根據各元件電氣參數，使用Mat1ab/Simu1ink對電源模塊以及系統進行仿真。PPM的仿真結果如圖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，PPM峰值電流約為67 kA，半峰值脈寬接近1 ms.

對13 MJ電源系統進行時序放電仿真，設置充電電壓為10 kV，13個PFS同時開始放電，每個PFS中的20個模塊放電間隔時間為200 μs，放電電流波形如圖4（b）所示，電流近似一個平頂波，峰值可達2.7 MA.

3.2模擬負載放電實驗

利用高功率模擬負載對13 MJ脈沖電源進行了多種性能測試實驗，主要包括PPM放電性能測試、PFS放電性能測試、多PFS并聯放電性能測試與系統放電性能測試。

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

圖5為50 kJ電源模塊對模擬負載短路放電實驗輸出電流與電壓波形。工作電壓10 kV時，模塊輸出的脈沖電流幅值約65 kA，實驗結果與仿真結果進行對比發現，實驗電流較圖4（a）中仿真電流幅值略低，這是因為連接線纜中存在雜散電感和雜散電阻，電流存在趨膚效應等因素導致的。

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

圖6為單個PFS在充電電壓10 kV時對模擬負載時序放電電流波形，20個電源模塊以時序間隔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）中電源系統仿真波形進行對比可以看出，放電波形均近似為平頂波，趨勢相同，單個1 MJ PFS試驗電流幅值與13 MJ系統仿真電流幅值近似于倍數關系。系統受雜散參數與電流趨膚效應等因素影響，等效后試驗數據略小于仿真結果。

圖6　脈沖成形子系統電流實測曲線Fig.6 Fxperimenta1 current waveform of PFS

3.3電磁發射實驗

使用13 MJ脈沖電源進行了電磁發射實驗，實驗電流波形如圖7所示。

脈沖電源工作電壓為7.5 kV，各PFS內前4個PPM時序放電間隔為10 μs，其余PPM以時間間隔120 μs依次放電。圖7（a）為系統匯流器的輸出電流波形（ILoad）。圖7（b）為單個PFS匯流器輸出電流波形（IPFS1）以及20個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。發射實驗達到了預期的目標，效果良好。

4 結論

電源模塊通過晶閘管與二極管一體化封裝、優化元件外形結構、充電泄放開關一體化設計等方法使系統結構更加緊湊，采用高儲能密度的干式金屬化膜電容器，提高了系統儲能密度。串聯諧振充電機提高了系統充電效率，電磁干擾極小，同時設計了提高系統可靠性的保護裝置。控制系統使用同步時鐘編碼信號，對各模塊進行精準的時序放電控制，觸發模塊采用光纖通信、加裝屏蔽盒以避免電磁干擾。測量系統采用具有高采樣率的PXI數據采集系統、主從式網絡結構實現整個系統的數據采集，同時具有故障診斷功能。電源通過模擬負載實驗，驗證了電源滿足設計要求，電路仿真與實驗結果一致性較高。發射實驗表明，13 MJ脈沖電源工作穩定，性能良好，可靠性高，可以滿足中口徑電磁軌道發射研究的需要。

圖7　電磁軌道炮發射實驗波形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，博士生導師。F-mai1：baoming1i@njust.edu.cn