基于反向開關(guān)晶體管的脈沖電源在電磁發(fā)射中的應(yīng)用

張亞舟， 李貞曉， 田慧， 李海元， 栗保明

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

?

基于反向開關(guān)晶體管的脈沖電源在電磁發(fā)射中的應(yīng)用

張亞舟， 李貞曉， 田慧， 李海元， 栗保明

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

為了進(jìn)行電磁軌道炮發(fā)射機(jī)理研究，研制了一套基于反向?qū)p晶復(fù)合晶體管(RSD)全固態(tài)開關(guān)的電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源。RSD開關(guān)采用可控等離子體換流技術(shù)，具有全面積均勻同步導(dǎo)通、開通損耗小、功率大、換流效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。電源系統(tǒng)由16個(gè)64 kJ儲(chǔ)能模塊并聯(lián)組成，采用一體化緊湊設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌充電、控制、保護(hù)與測(cè)量功能。系統(tǒng)額定電壓18 kV、總儲(chǔ)能1 MJ，可通過時(shí)序控制對(duì)放電波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，短路同步放電峰值可達(dá)960 kA. 系統(tǒng)在20 mm口徑電磁軌道炮上進(jìn)行了多次發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)果表明脈沖電源系統(tǒng)可靠性高，一致性好，輸出波形靈活可調(diào)，滿足軌道炮超高速發(fā)射研究的需要。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 電磁發(fā)射； 脈沖功率電源； 反向開關(guān)晶體管

0 引言

電磁發(fā)射技術(shù)是一種利用電磁力做功將電源系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)化為有效載荷的動(dòng)能，從而達(dá)到彈丸超高速發(fā)射的技術(shù)。電能的提供對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的研究與運(yùn)用尤為重要[1-2]。高功率脈沖電源作為電能的來源組成結(jié)構(gòu)形式較多，電磁發(fā)射用脈沖功率電源較多采用電容儲(chǔ)能形式，多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過電源模塊時(shí)序放電實(shí)現(xiàn)超高速發(fā)射[3-4]。

放電開關(guān)作為脈沖電源的重要組成器件之一，制約著電源系統(tǒng)對(duì)負(fù)載提供能量的效率。電磁發(fā)射用脈沖功率開關(guān)需要具有上萬伏的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，數(shù)百千安每微秒的峰值電流上升率，微秒級(jí)開通速度，較高重復(fù)頻率與長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。采用可控等離子層換流技術(shù)的反向?qū)p晶復(fù)合晶體管(RSD)開關(guān)具備以上特點(diǎn)，可應(yīng)用于電磁發(fā)射用脈沖電源。

為了進(jìn)行電磁軌道炮發(fā)射機(jī)理研究，本文采用RSD開關(guān)研制了一套結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高的電容儲(chǔ)能型脈沖電源。電源系統(tǒng)經(jīng)過多次性能測(cè)試，并應(yīng)用于20 mm口徑電磁發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)果表明RSD開關(guān)脈沖電源可以滿足電磁軌道炮超高速發(fā)射研究的需要。

1 RSD開關(guān)結(jié)構(gòu)與原理

RSD開關(guān)是20世紀(jì)80年代末由俄羅斯阿·法·約飛物理科學(xué)研究院的Grekhov等基于可控等離子層換流原理首先提出的。RSD開關(guān)是一種類晶閘管器件，與傳統(tǒng)晶閘管在門極附近先開通、再擴(kuò)展到芯片全面積的工作過程不同，RSD工作過程可以分為預(yù)充和導(dǎo)通兩個(gè)階段。RSD開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)及原理電路如圖1所示。

圖1 RSD結(jié)構(gòu)及原理電路Fig.1 Structure and schematic circuit of RSD

單只RSD是由數(shù)萬只非對(duì)稱p+-n-p-n+晶閘管與n+-p-n+晶體管多單元并聯(lián)形成的兩端結(jié)構(gòu)，如同晶閘管斷態(tài)一樣，可承受數(shù)千伏的正向阻斷電壓。預(yù)充回路中，開關(guān)S閉合后，電容器C2產(chǎn)生一個(gè)1～2 μs脈寬，1.5～2 kA幅值的短時(shí)脈沖電流反向流經(jīng)RSD，通過等離子體的雙向注入，在高阻區(qū)形成一層很薄、濃度梯度很高的可控等離子層；主回路放電時(shí)，RSD外電壓變?yōu)檎颍Y(jié)構(gòu)中的等離子體在電場(chǎng)作用下再分布，使原本反偏的集電結(jié)倒向，RSD快速開通數(shù)十至數(shù)百千安的大電流。由于觸發(fā)作用的均勻性，導(dǎo)通過程將在器件的全面積上均勻同步發(fā)生[5-12]。磁開關(guān)MS的作用是在預(yù)充電路工作時(shí)將主電路隔離開，同時(shí)還可以提高開關(guān)的開通速度[13-14]。

電磁發(fā)射脈沖功率電源中，常用開關(guān)有晶閘管開關(guān)、真空觸發(fā)開關(guān)與RSD開關(guān)等。RSD開關(guān)應(yīng)用于電磁發(fā)射脈沖電源具有如下優(yōu)勢(shì)：1) RSD開關(guān)基于等離子體換流原理實(shí)現(xiàn)全面積均勻同步導(dǎo)通，具有無開通時(shí)延的特點(diǎn)，可以滿足電磁發(fā)射精準(zhǔn)時(shí)序放電的要求。晶閘管開關(guān)和真空觸發(fā)開關(guān)在開通時(shí)會(huì)有數(shù)微秒的開通延時(shí)，不利于模塊時(shí)序放電的精準(zhǔn)控制；2) RSD開關(guān)沒有門極，是兩端器件，更易組成堆體，理論上可以無限個(gè)串聯(lián)使用，無需均壓，有助于提高電磁發(fā)射系統(tǒng)的可靠性。晶閘管開關(guān)需采用門極觸發(fā)方式導(dǎo)通，且串聯(lián)使用時(shí)需并聯(lián)均壓保護(hù)電路以確保器件使用安全，應(yīng)用較RSD開關(guān)復(fù)雜；3) RSD開關(guān)的換流特性使其殘余電壓在前沿只有很小的突升，導(dǎo)通時(shí)的換流損耗與準(zhǔn)靜態(tài)損耗相比很小。RSD開關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)情況持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)在幾個(gè)微秒以內(nèi)，普通晶閘管開關(guān)這個(gè)過程約上百微秒，損耗更大一些。開關(guān)損耗小更有利于電磁軌道炮連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)研究。真空觸發(fā)開關(guān)則受限于電極燒蝕與內(nèi)部真空維持狀況，同時(shí)需要時(shí)間恢復(fù)到原始絕緣狀態(tài)；4)多只開關(guān)串聯(lián)使用時(shí)，晶閘管串聯(lián)組需為每只器件提供一套獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而RSD串聯(lián)組只需一套觸發(fā)系統(tǒng)即可驅(qū)動(dòng)整個(gè)串聯(lián)組。觸發(fā)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，易于同步開通與集成設(shè)計(jì)。RSD開關(guān)的制作工藝也與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝相兼容。

2 1 MJ脈沖功率電源系統(tǒng)

基于RSD開關(guān)諸多優(yōu)點(diǎn)研制了一套儲(chǔ)能1 MJ的高功率脈沖電源。電源系統(tǒng)主要由2個(gè)電源箱體，系統(tǒng)控制臺(tái)與系統(tǒng)匯流器組成。每個(gè)電源箱體集成了1臺(tái)高功率充電機(jī)、8個(gè)電源模塊與8個(gè)RSD觸發(fā)控制器。

2.1 脈沖電源模塊

脈沖電源模塊電路拓?fù)鋱D如圖2所示，主要參數(shù)如表1所示。圖2中C為脈沖電容器，選用400 μF/18 kV的合成油浸漬聚丙烯薄膜絕緣型高壓電容器，儲(chǔ)能密度達(dá)1.3 J/cm3；VS為放電開關(guān)，選用10只直徑63 mm、工作電壓2.2 kV RSD開關(guān)串聯(lián)組成堆體。

圖2 脈沖電源模塊電路拓?fù)鋱DFig.2 Schematic circuit diagram of PPM

參數(shù)數(shù)值儲(chǔ)能/kJ64脈沖電容器電容/μF400脈沖電感器電感/μH25峰值電流/kA60放電時(shí)延范圍/ms0～32

根據(jù)RSD開關(guān)的最大電流耐量經(jīng)驗(yàn)公式[15]

(1)

式中：Im為RSD脈沖最大電流耐量(A)；K為結(jié)構(gòu)因子，反比于基區(qū)寬度確定的工作電壓；S為RSD芯片有效面積(cm2)；f為電流曲線因子，取值從方波曲線的1到正弦半波的0.66；tp為電流脈寬(s)。計(jì)算得到最大電流耐量為70 kA，滿足模塊設(shè)計(jì)要求。

RSD直接使用會(huì)導(dǎo)致續(xù)流電流反向流向電容器，對(duì)電容器反向充電，采用保護(hù)二極管VD1與RSD串聯(lián)的方式，阻止反向電流流向RSD，確保負(fù)載R即使在模塊放電前產(chǎn)生感應(yīng)電壓也不會(huì)使RSD導(dǎo)通。VD1采用10只直徑50 mm、耐壓2.2 kV的二極管串聯(lián)組成。續(xù)流開關(guān)VD2選用10只直徑76 mm、工作電壓2.2 kV的二極管串聯(lián)組成。兩組開關(guān)的最大工作電流均為70 kA，但由于流經(jīng)VD2的續(xù)流電流與流經(jīng)VD1的初始放電電流相比持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，故VD2選用了閥片直徑更大、通流能力更強(qiáng)的組件。為保護(hù)元器件，防止過壓造成損壞，每只二極管均并聯(lián)壓敏電阻與阻容元件。L為脈沖電感器，采用25 μH/18 kV空心環(huán)形結(jié)構(gòu)電感，繞組內(nèi)芯采用玻璃纖維塑料，外部澆筑耐熱化合物。 儲(chǔ)能模塊如圖3所示，電感器與電容器分別位于模塊最上方與最下方，開關(guān)與其他保護(hù)電路元件均被安裝在電感器與電容器之間。每個(gè)模塊均采用低感、低阻同軸電纜與匯流器連接，以降低系統(tǒng)中雜散參數(shù)，提高放電電流。在確保組件在電、熱、磁、力場(chǎng)作用下可靠運(yùn)行的前提下，所有組件緊密排列組裝使電源模塊體積大幅減小，提高了系統(tǒng)儲(chǔ)能密度。

圖3 脈沖電源模塊Fig.3 Photo of PPM

2.2 充電系統(tǒng)

充電系統(tǒng)由兩臺(tái)高功率充電機(jī)組成。充電機(jī)采用體積小、效率高、適合寬范圍變化負(fù)載的恒流充電方式，串聯(lián)諧振充電電路由高速單片機(jī)進(jìn)行控制。采用工頻交流電供電，最大工作電壓18 kV，工作頻率15 kHz，輸出電流2 A，功耗40 kW，可在30 s內(nèi)完成充電。充電機(jī)采用風(fēng)冷散熱方式，安裝IGBT溫度檢測(cè)裝置，用于防止開關(guān)過熱造成充電機(jī)損壞。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包含充電機(jī)控制、充電電壓監(jiān)測(cè)、充電模塊選擇、緊急情況下電荷泄放、脈沖放電觸發(fā)控制等。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制臺(tái)以及觸發(fā)模塊組成。控制臺(tái)集成了無線路由器、通信轉(zhuǎn)換器、千伏電壓表、光隔離器、程序控制器等器件。計(jì)算機(jī)與控制臺(tái)采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信傳輸，加強(qiáng)了系統(tǒng)安全性及遠(yuǎn)程操控能力。控制臺(tái)中各器件通過RS-485端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與通信，RS-485同樣可以與其他外接控制及測(cè)量設(shè)備進(jìn)行信息交互。控制模塊通過光纖對(duì)充電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)實(shí)時(shí)采集充電電壓，當(dāng)檢測(cè)到充電電壓超過18.5 kV時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉充電機(jī)，并進(jìn)行能量泄放，以保護(hù)充電系統(tǒng)與模塊中電容器安全。控制模塊對(duì)電源下達(dá)觸發(fā)命令時(shí)，控制模塊中的光隔離器通過光纖按照系統(tǒng)設(shè)置的觸發(fā)時(shí)序?qū)﹄娫聪渲械母鱎SD觸發(fā)模塊傳輸開通信號(hào)使電源放電。

2.4 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)用于對(duì)電源的放電電壓與電流進(jìn)行測(cè)量。電壓測(cè)量由高壓探針、光纖隔離傳輸裝置和數(shù)據(jù)采集器組成。高壓信號(hào)經(jīng)高壓探針輸出低電壓信號(hào)，通過光纖隔離放大器傳輸后，傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。高壓探針帶寬為75 MHz，衰減比1 000∶1，最大輸入直流電壓20 kV. 光纖隔離放大器測(cè)量范圍±100 mV～±50 V，可通過RS-232端口進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。電流測(cè)量由Rogowski線圈和數(shù)據(jù)采集器組成。線圈靈敏度為0.01 mV/A，單個(gè)電源箱測(cè)量最大峰值電流500 kA，帶寬1 Hz～1.2 MHz.

電源系統(tǒng)采用了模塊緊湊化與系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，儲(chǔ)能密度達(dá)0.5 MJ/m3. 分析了可能出現(xiàn)的故障，并設(shè)計(jì)了保護(hù)措施。電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4(a)所示，電源系統(tǒng)如圖4(b)所示。

圖4 電源系統(tǒng)原理圖及照片F(xiàn)ig.4 Schematic diagram and photos of PPS

3 RSD電源系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 電源系統(tǒng)性能測(cè)試

利用模擬負(fù)載對(duì)脈沖電源進(jìn)行短路放電測(cè)試，包括不同充電電壓下電源同步與時(shí)序放電測(cè)試。圖5為電源對(duì)模擬負(fù)載同步放電試驗(yàn)輸出電流波形圖，I1～I(xiàn)4分別為充電電壓5 kV、10 kV、14 kV、18 kV時(shí)的放電波形，輸出電流在0.15 ms左右達(dá)到峰值，峰值電流分別為303 kA、597 kA、832 kA、960 kA. 由圖5可以看出18 kV放電電流幅值近乎達(dá)到兆安級(jí)。

圖5 不同充電電壓同步放電電流試驗(yàn)曲線Fig.5 Experimental current waveforms of PPS at different charging voltages

圖6為充電電壓為5 kV、10 kV、14 kV時(shí)電源對(duì)模擬負(fù)載進(jìn)行時(shí)序放電波形，16個(gè)電源模塊依次以時(shí)序間隔500 μs放電，測(cè)得電流峰值分別為57 kA、121 kA、172 kA. 從圖6中可以看出，電流脈寬超過8 ms，各模塊均能準(zhǔn)確按照設(shè)定時(shí)間間隔放電。

圖6 不同充電電壓時(shí)序間隔500 μs放電曲線Fig.6 PPS experimental current waveforms of 500 μs time sequence at different charging voltages

3.2 電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)

電磁軌道發(fā)射時(shí)，電樞速度瞬間從0加速到超高速，對(duì)軌道的沖擊很大，為了獲得平穩(wěn)的加速過程，軌道內(nèi)的理想電流波形為梯形。RSD開關(guān)脈沖電源用于電磁發(fā)射器并進(jìn)行了多次超高速發(fā)射試驗(yàn)。發(fā)射器口徑為20 mm，采用雙軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋁制U型電樞。通過對(duì)發(fā)射器相關(guān)參數(shù)測(cè)量，進(jìn)行了發(fā)射時(shí)序優(yōu)化計(jì)算。

試驗(yàn)使用14個(gè)模塊進(jìn)行時(shí)序放電，充電電壓為14 kV，前3個(gè)電源模塊采用同步放電，使放電電流迅速上升到一個(gè)較高的幅值，其余11個(gè)模塊依據(jù)表2中時(shí)序間隔放電，將電流幅值維持在一個(gè)平臺(tái)內(nèi)，達(dá)到類似于梯形波的特點(diǎn)。發(fā)射試驗(yàn)采用前述Rogowski線圈測(cè)量電源系統(tǒng)電流，高壓探針測(cè)量發(fā)射器炮口、炮尾電壓，箔靶與數(shù)據(jù)采集器測(cè)量電樞速度。

表2 發(fā)射試驗(yàn)時(shí)序間隔時(shí)間

系統(tǒng)電流測(cè)量用于研究電源系統(tǒng)與負(fù)載匹配情況，圖7為3次試驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)放電電流，電流峰值分別為166 kA、166 kA、168 kA.由圖7可以看出，3次放電電流波形均類似于梯形波，電流在0.16 ms內(nèi)迅速上升到130 kA，隨后緩步上升，在0.9～1.8 ms時(shí)維持在160 kA平臺(tái)附近。從2.3 ms開始電流下降緩慢是因?yàn)殡姌谐雠诳诤笤斐呻娮枭仙瑢?dǎo)致殘余電能釋放緩慢，可以看出2.3 ms前，3次放電電流趨勢(shì)和幅值一致性較高，與負(fù)載匹配良好。

圖7 匯流器端電流測(cè)量曲線Fig.7 Experimental current waveforms of busbar

炮口電壓測(cè)量用于研究彈丸與軌道間接觸情況，炮尾電壓測(cè)量用于研究電樞在軌道中運(yùn)行狀態(tài)。圖8中炮尾電壓因前3個(gè)模塊同步放電，使得第1個(gè)波形峰值達(dá)2.4 kV，其余模塊放電時(shí)電壓峰值最高為750 V，相比14 kV放電電壓，由圖8可以看出能量釋放效率較高。炮口電壓在1 ms內(nèi)維持在一個(gè)固定區(qū)間，表明電樞與軌道接觸較好。1 ms后電壓開始隨時(shí)間緩慢上升，這表明電樞與軌道之間接觸出現(xiàn)間隙，接觸電阻上升導(dǎo)致炮口電壓上升。在2.3 ms時(shí)刻，炮口炮尾電壓均有明顯的突變，這表明此時(shí)電樞從炮口射出。

圖8 發(fā)射器炮口和炮尾電壓波形Fig.8 Experimental voltage waveforms of breech and muzzle

電樞速度采用三網(wǎng)靶定距測(cè)時(shí)原理進(jìn)行測(cè)量。炮口與網(wǎng)靶距離s01=1 305 mm，各網(wǎng)靶間距為s12=520 mm，s23=870 mm，s34=520 mm，3次試驗(yàn)測(cè)得v12電樞速度分別為2 110 m/s、2 123 m/s和2 115 m/s，達(dá)到了超高速發(fā)射的要求。圖9為v12電樞速度為2 115 m/s時(shí)的測(cè)速靶觸發(fā)電壓信號(hào)圖，觸發(fā)時(shí)間分別為245.8 μs、714.5 μs、1 000.7 μs.

圖9 測(cè)速靶觸發(fā)電壓信號(hào)Fig.9 Trigger voltage signal of velocity-measuring system

RSD開關(guān)無開通延時(shí)，脈沖電源時(shí)序放電設(shè)置可精確到1 μs，各模塊放電時(shí)延范圍可在0～32 000 μs間進(jìn)行設(shè)置，從而確保放電波形靈活可調(diào)。多次發(fā)射試驗(yàn)表明系統(tǒng)性能良好、可靠性較高，可以滿足20 mm口徑電磁軌道炮超高速發(fā)射研究的需要。

4 結(jié)論

1)基于RSD開關(guān)具有芯片全面積均勻同步導(dǎo)通、高耐壓、易串聯(lián)、通流強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，研制了一套采用RSD開關(guān)的脈沖電源。通過對(duì)RSD開關(guān)最大電流耐量計(jì)算，加裝串聯(lián)保護(hù)二極管、壓敏電阻等方法確保電源系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

2)電源系統(tǒng)對(duì)模擬負(fù)載進(jìn)行了同步與時(shí)序短路放電性能測(cè)試，并用于20 mm口徑電磁發(fā)射試驗(yàn)。試驗(yàn)表明RSD開關(guān)脈沖電源觸發(fā)準(zhǔn)確，可以輸出與負(fù)載特性相匹配的具有較高幅值、數(shù)毫秒脈寬、上升快速且有類梯形波特點(diǎn)的脈沖電流，一致性、可靠性較高，可以滿足20 mm口徑電磁軌道炮超高速發(fā)射研究的需要。

致謝 俄羅斯D. V. Efremov電物理科學(xué)研究所B. E. Fridman教授及其團(tuán)隊(duì)對(duì)本文中RSD開關(guān)電源研制提供的幫助與指導(dǎo)。

References)

[1] Fair H D. Advances in electromagnetic launch science and technology and its applications[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1):225-230.

[2] Zhao Y, Xu R, Yuan W Q, et al. Dynamic performances of the electromagnetic rail launcher[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, 43(5):1559-1565.

[3] McNab I R, Beach F C. Naval railguns[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(1):463-468.

[4] McNab I R, Stefani F, Crawford M,et al. Development of a naval railgun[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 41(1):206-210.

[5] Fridman B E, Belyakov V A, Bondarchuk E N, et al. Energy storage capacitor cell with semiconductor switches[C]∥2007 IEEE International Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, US: IEEE, 2007:542-545.

[6] 李煥煬，余岳輝，胡乾，等.RSD開關(guān)在脈沖電源中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(11)：23-28. LI Huan-yang, YU Yue-hui, HU Qian, et al. Research of applying the switch RSD to pulsed power supply[J]. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(11):23-28. (in Chinese)

[7] 王德玉，王寶成，鄔偉揚(yáng).采用模塊RSD觸發(fā)技術(shù)的高壓固態(tài)脈沖電源[J]. 高電壓技術(shù)，2009，35(7)：1683-1688. WANG De-yu, WANG Bao-cheng, WU Wei-yang. High-voltage solid-state pulse generator using cascaded RSD triggering unit[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(7):1683-1688. (in Chinese)

[8] Grekhov I V. New principles of high power switching with semiconductor devices[J]. Solid-state Electronics, 1989, 32(11):923-930.

[9] Korotkov S V. Switching possibilities of reverse switched-on dynistors and principles of RSD circuitry: review[J]. Instruments and Experimental Techniques, 2002, 45(4):437-470.

[10] 梁琳，余亮，吳擁軍，等.反向開關(guān)晶體管結(jié)構(gòu)優(yōu)化與特性測(cè)試[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2012，24(4)：876-880. LIANG Lin, YU Liang, WU Yong-jun, et al. Structure optimization and performance test for reversely switched dynistor[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(4):876-880. (in Chinese)

[11] 梁勃，王文基. 百兆瓦級(jí)RSD脈沖功率組件及其在巖石爆破中的應(yīng)用[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2016，41(4)：297-301 LIANG Bo, WANG Wen-ji. Hundreds of mega watts RSD pulsed power subassembly and its application in rock blasting[J]. Semiconductor Technology, 2016, 41(4):297-301. (in Chinese)

[12] Liang L, Chen C, Luo F. Numerical model and experimental study on comparison of semiconductor pulsed power devices[C]∥2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Long Beach, CA, US: IEEE, 2016:2981-2985.

[13] 余岳輝，梁琳，李謀濤，等.超高速半導(dǎo)體開關(guān)RSD的開通機(jī)理與大電流特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(2)：36-40. YU Yue-hui, LIANG Lin, LI Mou-tao, et al. Study on turn-on mechanism and high-current characteristics of high-speed semiconductor switch RSD[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2005, 20(2):36-40. (in Chinese)

[14] 王海洋，何海平，周競(jìng)之，等.高功率反向開關(guān)晶體管開關(guān)壽命特性[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2012，24(5)：1191-1194. WANG Hai-yang, HE Hai-ping, ZHOU Jing-zhi, et al. Lifetime of high power reversely switched dynistor switches[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(5):1191-1194. (in Chinese)

[15] Galakhov I V, Gudov S N, Kirillov, et al. Switching of high-power current pulses up to 250 kA and submillisecond duration using new silicon devices-reverse switched dynistors[C]∥1995 IEEE Pulsed Power Conference. Albuquerque, NM, US: IEEE, 1995: 1103-1108.

Application of Pulse Power Supply with RSD Switch in Electromagnetic Launch

ZHANG Ya-zhou, LI Zhen-xiao, TIAN Hui, LI Hai-yuan, LI Bao-ming

(National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

A capacitor-based pulsed power supply (PPS) with reversely switched dynistor (RSD) is develop to study the launch mechanism of electromagnetic railguns. The RSD for which controlled plasma converter technology is used shows the following characteristics: simultaneous switching response in whole area, lower switch-on losses, higher power capacity, higher current transfer efficiency and long service life. A multi-module parallel structure with sixteen 64 kJ pulse power modules is applied. PPS adopts a compact and integrated design as well as built-in functions, such as charging, control, protection and measurement. Operational voltage of PPS is 18 kV, the stored energy is 1 MJ, the discharge waveform can be adjusted through the sequential control, and the short-circuit synchronization discharge peak current is 960 kA. Several launch tests were conducted on 20 mm caliber electromagnetic launching (EML) device with PPS, The experimental results show that the system has high reliability, and is capable of outputting adjustable current waveform. PPS can fulfill the research needs of hypervelocity launch experiment in EML.

ordnance science and technology; electromagnetic launcher; pulsed power supply; reversely switched dynistor

2016-09-06

國(guó)防“973”計(jì)劃項(xiàng)目(6132270202)

張亞舟(1987—)，男，博士研究生。E-mail：zyzrb@163.com

栗保明(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：baomingli@njust.edu.cn

TM833

A

1000-1093(2017)04-0658-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.005