多級超導脈沖變壓器的協調放電模式分析

李海濤， 張存山， 李震梅， 鄒國峰， 高明亮， 胡元潮

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000)

多級超導脈沖變壓器的協調放電模式分析

李海濤， 張存山， 李震梅， 鄒國峰， 高明亮， 胡元潮

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000)

為了探索多級超導電感儲能的脈沖功率技術，設計兩種基于多級超導脈沖變壓器的XRAM結構的脈沖電源模式，并對其協調放電特性進行分析和仿真研究。首先介紹單級的基于超導脈沖變壓器和電容器混合儲能的脈沖電源電路及其工作原理。然后結合XRAM電路的結構特點，設計兩種XRAM結構的脈沖電源模式，分析這兩種脈沖電源模式各自的特點，仿真研究其不同的協調放電方式。最后選擇負載電流脈沖的幅值、半高寬、矩形面積比和能量傳遞效率等四個性能為指標，分析兩種脈沖電源模式的輸出特性。結果表明：多級超導脈沖變壓器可以采用XRAM電路結構，在多級同步放電的模式下負載電流脈沖在幅值、半高寬和能量傳遞效率等性能方面要優于非同步放電模式。

脈沖功率電源；脈沖成形電路；電感儲能；超導變壓器；電流脈沖

0 引 言

脈沖功率技術是當前高新技術領域的重要組成部分，在軌道電磁炮等新概念武器和飛機電磁彈射等運載工具方面具有極大的發展潛力。目前，脈沖電源最常用的儲能方式主要為電容儲能和電感儲能。電容儲能充放電速度快，控制簡單，但儲能密度相對較低。電感儲能密度較高，而電感存在的主要問題是充放電效率低，放電過程中斷路開關兩端產生高電壓，對斷路開關功率要求非常高[1-3]。

隨著超導電感的出現，其零電阻特性提高了充放電效率，并能夠利用超導開關閉環運行來長期儲能。文獻[4]中研究了基于超導電感的XRAM模式，不過，斷路開關問題仍未解決。文獻[5]研究了一種利用低溫超導脈沖變壓器實現儲能和脈沖放大的模式，它利用超導脈沖變壓器原邊繞組電感儲能，通過觸發原邊繞組電感失超，產生失超電阻，使副邊繞組電感產生大電流脈沖。這種模式消除了斷路開關的問題；但超導電感失超后的電阻值有限，能量傳輸效率太低，且低溫超導裝置的運行成本也較高，這些因素限制了該模式的發展。隨著高溫超導材料的發展，高溫超導設備運行成本相對較低，基于高溫超導脈沖變壓器的脈沖電源展現了較大應用潛力。不過，高溫超導帶材的失超傳播速度較低，無法使用文獻[5]的放電方式。

當前出現的具有較大應用潛力的電感儲能脈沖電源模式主要有3種[6-9]，分別為德法ISL實驗室提出的基于ICCOS原理的改進型XRAM模式、美國IAT提出的STRETCH meat-grinder模式和我國清華大學基于上述2種模式提出的基于ICCOS原理的STRETCH meat-grinder模式。在前期的研究工作中，本課題組以美國IAT提出的STRETCH meat-grinder模式為基礎，對高溫超導脈沖變壓器和電容器混合儲能脈沖電源模式進行了研究[10-13]。該模塊中，不僅可以實現電流的有效放大，而且可以利用電容器來限制斷路開關的關斷電壓。為了進一步探索輸出電流脈沖的高幅值和寬脈寬實現方法，本文將超導脈沖變壓器模塊化，并結合XRAM電路結構的優點[7,14]，設計了2種基于模塊化超導脈沖變壓器的XRAM脈沖電源模式，并以兩級超導脈沖變壓器為例進行了模塊化脈沖電源的協調放電模式研究。

1 單級電源電路及工作原理

單級超導脈沖變壓器和電容器混合儲能脈沖電源拓撲如圖1所示。VD1為直流電壓源，K1為電源開關，C1電容器，D1、D2和D3為二極管，S1為晶閘管， Load為負載，Ls1和Lc1分別為超導脈沖變壓器的原、副邊繞組電感。其中：Ls1為電感值較大的超導電感，用于儲能；Lc1為電感值較小的常導電感，用于感應電流脈沖。

圖1 單級脈沖電源拓撲Fig.1 Topology of single-stage pulsed power supply

工作步驟如圖2所示，具體描述為：

1)超導電感充電階段。當開關K1閉合，直流電壓源VD1開始對高溫超導電感Ls1充電。二極管D3的設置使充電過程不受副邊回路的影響，且超導電感Ls1在超導態電阻為零，充電過程的能量損耗非常小，對直流電壓源的功率要求也較低，可實現長時間充電和儲能。當電流達到預設電流值，充電過程結束，可設置電流在超導電感和電源中短暫續流，等待放電操作。

2)放電過程中電容充電階段。開關K1斷開，放電過程開始。二極管D1和晶閘管S1截止，超導電感Ls1中電流通過二極管D2給電容C1充電，直到電容電壓達到最大值(或超導電感中的電流為零)，該階段結束。同時，在互感的作用下，電感Lc1產生負載電流脈沖。該過程中電容電壓的大小由電容值和變壓器原邊漏電感的儲能共同決定。

3)放電過程中電容放電階段。電容電壓達到最大值后，觸發晶閘管S1導通，電容C1開始對超導電感Ls1反向充電，電感Lc1中的負載電流脈沖在互感作用下進一步增大。該過程中，不僅可以將電容獲得的漏感能量反饋給電感Ls1，提高了系統能量傳遞效率，還可通過延時觸發S1導通來調節負載電流脈沖的波形。

圖2 單級電源工作步驟示意圖Fig.2 Working principle of single-stage pulsed power supply

4)放電過程中二極管續流階段。當超導電感Ls1中的電流達到反向最大，此時電容電壓為零，超導電感Ls1中的電流開始通過D1和S1續流。當Ls1的續流電流減小到零，因為電感Lc1對負載的放電，又會使Ls1感應較小的反向電壓迫使S1關斷。

2 多級脈沖電源電路

為實現電磁發射系統需求的幾百kA甚至MA級電流脈沖，脈沖電源需要多級并聯放電。結合XRAM的電感串聯充電并聯放電模式，本文設計的基于多級超導脈沖變壓器的XRAM結構的脈沖電源模式主要有兩種，為非同步放電模式和同步放電模式。下面分別對這兩種模式進行說明。

2.1 非同步放電模式電路

基于兩級超導脈沖變壓器的非同步放電模式的脈沖電源電路結構如圖3所示。該模式中每級具有獨立的放電回路。

圖3 兩級脈沖電源的非同步放電模式Fig.3 Topology of two-stage pulsed power supply with asynchronous discharging mode

當開關K1和K2閉合，直流電源對超導電感Ls1和Ls2串聯充電。當兩級的超導電感Ls1和Ls2串聯充電結束，將開關K1、K2斷開，超導電感Ls1和Ls2分別對的電容C1和C2同步地放電。由于各級的電路參數選擇相同，電容C1和C2將同時完成充電。然后對S1和S2選擇不同的觸發時間，使各級的電容對各自模塊的超導電感實現非同步反饋放電。

2.2 同步放電模式電路

基于兩級超導脈沖變壓器的脈沖電源同步放電模式如圖4所示。該模式不僅可以實現串聯充電和并聯放電，而且兩級超導脈沖變壓器原邊共用一組電容器和放電續流回路，使系統得到簡化。當開關K1和K2閉合，Kc11、Kc12、Kc21和Kc22斷開，直流電源對超導電感Ls1和Ls2串聯充電。當電流達到預充電流值，閉合Kc11、Kc12、Kc21和Kc22，若此時直流電源關閉，超導脈沖變壓器原邊并聯回路可構成續流回路，如圖5所示。當開關K1和K2斷開，兩級超導脈沖變壓器開始并聯同步放電，過程與單級脈沖電源放電過程相同。

圖4 兩級脈沖電源的同步放電模式Fig.4 Topology of two-stage pulsed power supply with synchronous discharge mode

圖5 同步放電模式中的儲能續流階段Fig.5 Current freewheeling in energy storage stage

與非同步放電模式相比，同步模式的電路結構相對比較簡單，還可以實現電流在放電前短暫續流，尤其是對于較多模塊構成的XRAM結構時的優勢更明顯；但是原理上，非同步模式既可以實現同步放電(當S1和S2同步觸發時)，又可以實現非同步放電，可以更好地對輸出的脈沖進行調節。

3 多級脈沖電源放電仿真分析

3.1 電路參數選擇

在模塊化的脈沖電源設計時，保持每級的參數都相同。為了能體現超導儲能的優勢，又便于以后的實驗驗證，選擇超導電感Ls1=Ls2=13 mH，副邊電感Lc1=Lc2=10 μH，兩組超導脈沖變壓器的耦合系數都為0.9，負載用1.5 mΩ的電阻代替。非同步放電模式中的兩個電容器參數均選擇為51 μF，在同步放電模式中電容器參數選擇為102 μF，以獲得相同的原邊振蕩頻率。由于只對放電模式開展研究，超導脈沖變壓器的副邊電感和各種開關都做理想化假設，即認為內阻都為零，以及假設開關的導通和關斷無延時。

直流電壓源電壓選擇為12 V，假設超導電感的臨界電流大于500 A，計算可得每個模塊的儲能為1.625 kJ，兩級脈沖電源系統的總儲能為3.25 kJ。兩根帶材并聯繞制的高溫超導脈沖變壓器在20 K溫度下能夠較容易實現該電流值。

3.2 非同步放電模式仿真

由于圖3非同步放電模式中，各級的放電回路都是獨立的，超導電感Ls1和Ls2分別對各級的電容C1和C2放電后，晶閘管S1和S2可選擇不同的觸發時間。為了使負載電流脈沖有較高的幅值，選擇第一級中的晶閘管S1的觸發時間無延時，即電容C1的電壓達到最大值(或超導電感Ls1的正向電流為零)時，立即觸發S1導通。

假設超導電感的儲能電流已預充至500 A，在t0=0時刻斷開K1和K2。第二級中晶閘管S2的觸發時刻如表1所示，其中uc1和iLs1分別為電容C1的電壓和超導電感Ls1的電流，Vcmax為C1電壓的最大值，負載電流脈沖波形的仿真結果如圖6所示。

表1 非同步放電模式中晶閘管S2的觸發時間

由仿真結果可以看出，在t1時刻觸發晶閘管S2時兩級模塊無延時放電(同步放電)，產生的電流脈沖峰值最大，為42.08 kA。隨著S2觸發時間的延遲(非同步放電)，在t1～t3區間的觸發時間內脈沖峰值逐步減小，脈沖半高寬逐步增大；在t4～t6區間脈沖峰值保持不變，其主要由第二級超導脈沖變壓器在t0到t1時刻內產生的脈沖和第一級產生的脈沖疊加而成，觸發時刻在t5以后產生的電流脈沖波形不理想。

圖6 非同步放電模式的負載電流脈沖波形Fig.6 Load current pulse with asynchronous discharge

3.3 同步放電模式仿真

由于圖4同步放電模式中各級超導脈沖變壓器的原邊共用一組電容器和放電續流回路，各級模塊的超導電感向電容器放電和電容器向各級模塊的超導電感反向放電過程都是同步的，與單級脈沖電源的放電過程基本相同，；因此，在該模式的仿真中，本文只考慮晶閘管S1在不同觸發時間下(或電容器延時向超導電感反向放電情況下)副邊電感產生的負載脈沖電流的特性。

保持每級的電路參數不變，同樣假設超導電感電流已預充至500 A，在T0=0時刻斷開K1和K2，放電過程開始。經過T1時刻，各級超導電感對脈沖電容C1充電結束，而通過仿真可知T1=0.65 ms。保持其他參數不變，取晶閘管S1的觸發時間T1、T2、T3、T4、T5、T6與表1所示S2的觸發時間相同，負載電流脈沖波形仿真結果如圖7所示。

圖7 同步放電模式的負載電流脈沖波形Fig.7 Load current pulse with synchronous discharge

從仿真波形可以看出，無延時觸發S1產生的電流脈沖幅值最大，為42.089 kA的單脈沖波形，延時觸發S1產生的是雙脈沖峰值波形，且隨著觸發時間的逐漸增大，脈沖的第一個峰值為30.7 kA保持不變，整個脈沖的半高寬逐漸增大，脈沖的第二個峰值和兩個峰值之間的波谷數值都逐步減小。

4 仿真結果分析

參照電磁發射的應用要求和文獻[15]的研究方法，從負載電流脈沖的幅值、半高寬、矩形面積比例和能量傳遞效率等4個參數來分析比較。矩形面積比例反映了脈沖電流的平頂度，其計算方法如圖8所示。以負載電流脈沖的峰值為矩形的頂端，以脈沖半高寬處的上升沿和下降沿對應時間作矩形的2個垂直邊，計算方波區域內電流脈沖的面積(如陰影部分)占矩形面積的比例。電磁發射系統對脈沖幅值和脈寬都有一定的要求，驅動負載最主要的部分可認為是該矩形區域的電流脈沖。定義能量傳遞效率為矩形內的電流脈沖傳遞給負載的能量占總儲能的比例。2種放電模式輸出的負載電流脈沖參數分別如表2和表3所示。

圖8 矩形面積比例計算方法示意圖Fig.8 Ratio of pulse area and rectangle areacalculation method schematic

觸發時刻幅值/kA半高寬/ms矩形面積比/%能量傳遞效率/%t142.0871.29581.14572.309t239.2411.52781.72274.787t336.1611.72884.31276.514t435.2871.89783.00377.428t535.2872.17578.03778.878t635.2872.62872.41683.327

表3 同步放電模式放電波形性能分析

可以看出，2種模式隨著觸發時間的增大，輸出負載電流脈沖的幅值都隨之減小，半高寬和能量傳遞效率都隨之增大。從能量傳遞效率來看，2種放電模式下都有10%以上的能量處于脈沖的非有效利用區域。非同步放電模式隨著觸發時刻的增大，矩形面積比例先增大后減小，并在t3附近達到最大，而同步放電模式隨著觸發時刻的增大，其矩形面積比例逐漸減小。整體上，非同步放電模式輸出的負載電流脈沖的矩形面積比例要高于同步放電模式；不過，非同步放電模式輸出的負載電流脈沖峰值、半高寬和能量傳遞效率都要小于同步放電模式。

5 結 論

本文將高溫超導脈沖變壓器模塊化，并結合XRAM電路的結構優點，對基于超導脈沖變壓器和電容器混合儲能模式進行了改進，仿真研究了2種脈沖電源模式的協調放電模式。可得結論如下：

1)利用XRAM結構建立基于多級超導脈沖變壓器的脈沖電源是可行的，能夠實現超導脈沖變壓器模塊的串聯充電儲能和并聯脈沖放電，有利于用較少的模式輸出大電流脈沖。

2)非同步放電模式在放電波形調制上比較靈活。兩級模塊的晶閘管無延時觸發時，產生的電流脈沖峰值最大。隨著晶閘管觸發時間的延時，脈沖幅值減小，半高寬和能量傳遞效率增大，而矩形面積比例先增大后減小。

3)同步放電模式無延時觸發晶閘管時產生的電流脈沖為單脈沖波形，與非同步放電模式在無延時觸發時產生的脈沖相同。在延時觸發晶閘管后，產生的是雙脈沖峰值波形，且隨著延時時間的增加，半高寬和能量傳遞效率增大，而脈沖幅值和矩形面積比例減小。

4)從整體上看，同步放電模式在輸出脈沖幅值、半高寬和能量傳遞效率等性能方面要優于非同步放電模式。2種放電模式產生的電流脈沖有10%以上的能量處于脈沖的非有效利用區域。研究快速回收或利用該部分的能量可作為下一步的工作。

[1] 郭芳,唐躍進,任麗,等.超導電感儲能脈沖輸出電路設計及其關鍵問題[J].華中科技大學學報(自然科學版),2009,37(1): 119-122. GUO Fang,TANG Yuejin,REN Li,et al.Design of pulse output circuits for superconducting inductive energy storage and its key problems[J].Journal of Huazhong University of Science & Technology (Natural Science Edition),2009,37(1): 119-122.

[2] 劉秀成,王贊基,李軍,等.新型電感儲能型電磁炮脈沖電源拓撲[J].電網技術,2009,21(3):103-106. LIU Xiucheng,WANG Zanji,LI Jun,et al.Circuit topology of a new inductive storage pulsed-power supply to drive railgun[J].Journal of Ballistics,2009,21(3):103-106.

[3] 李軍,嚴萍,袁偉群.電磁軌道炮發射技術的發展與現狀[J].高電壓技術,2014,40(4):1052-1064. LI Jun,YAN Ping,YUAN Weiqun.Electromagnetic gun technology and its development[J].High Voltage Engineering,2014,40(4):1052-1064.

[4] WECK W,EHRHART P,MüLLER A,et al.Demonstration of a superconducting inductive pulsed power supply at simulated load conditions[J].IEEE Transactions on Magnetics,1999,35(1): 383-387.

[5] FLOCH E,HIEBEL P,LAUMOND Y,et al.Modelization and test of a 500J superconducting pulsed power transformer[J].IEEE Transactions on Magnetics,1999,9(2): 1289-1292.

[6] DEDIé P,BROMMER V,SCHARNHOLZ S.Experimental realization of an eight-stage XRAM generator based on ICCOS semiconductor opening switches,fed by a magneto dynamic storage system[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(1): 266-271.

[7] LIEBFRIED O,BROMMER V.A four-stage XRAM generator as inductive pulsed power supply for a small-caliber railgun[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2013,41(10): 2805-2809.

[8] SITZMAN A,SURLS D,MALLICK J.Design,construction,and testing of an inductive pulsed-power supply for a small railgun[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(1): 270-274.

[9] YU X,CHU X.Stretch meat grinder with ICCOS[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2012,41(5): 1346-1351.

[10] LI H,WANG Y,ZHU Y,et al.Design and testing of a high temperature superconducting pulsed power transformer[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2012,22(2):5500205.

[11] LI H,WANG Y,CHEN W,et al.Inductive pulsed power supply consisting of superconducting pulsed power transformers with marx generator methodology[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2012,22(5): 5501105.

[12] 李海濤,王豫,陳維榮,等.基于meat-grinder脈沖電源的感應線圈炮發射性能仿真分析[J].高電壓技術,2013,39(4): 916-922. LI Haitao,WANG Yu,CHEN Weirong,et al.Simulative performance analysis of synchronous induction coilgun based on inductive-capacitive hybrid meat-grinder pulsed supply[J].High Voltage Engineering,2013,39(4): 916-922.

[13] 李海濤,王豫,董亮,等.基于超導儲能電感的meat-grinder脈沖電源[J].高電壓技術,2014,40(4):1127-1133. LI Haitao,WANG Yu,DONG Liang,et al.Superconducting inductive-capacitive hybrid meat-grinder pulsed supply[J].High Voltage Engineering,2014,40(4): 1127-1133.

[14] DEDIé P,BROMMER V，SCHARNHOLZ S.Twenty-stage toroidal xram generator switched by countercurrent thyristors[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2011,39(1): 263-267.

[15] YU X,LIU H,LI J,et al.Discussion on the discharging effects of two stretch meat grinder modules with different triggering delays[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2015,43(5): 1469-1473.

Collaborative discharging characteristics of multi-stage superconducting pulsed power transformers

LI Hai-tao， ZHANG Cun-shan， LI Zhen-mei， ZOU Guo-feng， GAO Ming-liang， HU Yuan-chao

(School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China)

To explore the multi-stage superconducting inductive pulsed power technology,two pulsed power supply modes based on multi-stage superconducting pulsed power transformers (SPPTs) were designed with XRAM method.Firstly,a single-stage pulsed power supply using a SPPT and a capacitor hybrid energy storage system were introduced.Then,two pulsed power supply modes based on two-stage SPPTs were designed with the XRAM method.According to the characteristics of the two modes,the discharging methods were analyzed and simulations were carried out.Finally,the output characteristics of the two modes were analyzed by four criterions.The four criterions are the value of the amplitude of load current,the duration at half of the peak value,the ratio of load current pulse area and its maximum rectangle area at the current level of half of the peak value,and the ratio of the energy consumed at the same current level and the total energy.The simulation result indicates that the two pulsed power supply modes are feasible.On the whole,the output performance of the synchronous discharging mode for multi-stage SPPTs with XRAM method is better than the asynchronous discharging mode except for the ratio of load current pulse area and its maximum rectangle area.

pulsed power supplies; pulse shaping circuits; inductive energy storage; superconducting transformers; current pulse

2015-12-04

國家自然科學基金(51407112)；山東省自然科學基金(ZR2016EEQ20)

李海濤(1984—)，男，博士，研究方向為超導儲能脈沖功率技術； 張存山(1965—)，男，博士，教授，研究方向為特種電機與控制技術、電力電子技術； 李震梅(1965—)，女，教授，研究方向為脈沖功率與檢測技術； 鄒國峰(1984—)，男，博士，研究方向為信號檢測與處理； 高明亮(1985—)，男，博士，研究方向為信號檢測與處理； 胡元潮(1988—)，男，博士，研究方向為高電壓與絕緣技術。

李海濤

10.15938/j.emc.2017.05.009

TM 833

A

1007-449X(2017)05-0066-07