無(wú)電抗器電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源

葉文怡 徐偉東 付榮耀 徐 蓉 嚴(yán) 萍

無(wú)電抗器電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源

葉文怡1,2徐偉東1,2付榮耀1,2徐 蓉1,2嚴(yán) 萍1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190 2. 中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190）

電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源是目前特種直線電機(jī)系統(tǒng)主要選用的電源類型。現(xiàn)階段脈沖功率電源小型化、輕量化的研究均著重于提升各器件的自身性能，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能密度的大幅提升。該文針對(duì)感性負(fù)載開展無(wú)電抗器電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源研究，進(jìn)一步提高電源的小型化、輕量化指標(biāo)，推導(dǎo)和研究晶閘管導(dǎo)通時(shí)延抖動(dòng)所帶來(lái)的影響，分析該型電源安全運(yùn)行的觸發(fā)方式與匹配負(fù)載，并通過試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。結(jié)果表明：無(wú)電抗器電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源可提升儲(chǔ)能密度，具備小型化和輕量化的潛力；同步觸發(fā)是實(shí)現(xiàn)無(wú)電抗器電容儲(chǔ)能型電源系統(tǒng)可靠運(yùn)行的條件，需要重點(diǎn)關(guān)注該型電源工作的抖動(dòng)性；通過理論和實(shí)驗(yàn)，分析和驗(yàn)證了抖動(dòng)對(duì)該型電源所帶來(lái)的影響，具有指導(dǎo)意義。

電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源 小型化 輕量化 導(dǎo)通時(shí)延抖動(dòng) 無(wú)電抗器

0 引言

基于脈沖電容器的脈沖形成單元具有運(yùn)行可靠和操作靈活的特點(diǎn)，特種直線電機(jī)系統(tǒng)多采用該型電源[1-3]。隨著研究的深入，特種直線電機(jī)系統(tǒng)的工程化應(yīng)用對(duì)脈沖功率電源的總體儲(chǔ)能密度、體積和質(zhì)量提出更高要求[4]。

脈沖電容器是脈沖電源單元模塊中體積、質(zhì)量占比最大的器件，通過提升脈沖電容器的儲(chǔ)能密度是目前實(shí)現(xiàn)單模塊小型化、輕量化的主流方案[5-7]。針對(duì)特種直線電機(jī)這一應(yīng)用場(chǎng)合，國(guó)內(nèi)外脈沖電容器的儲(chǔ)能密度基本已達(dá)到現(xiàn)有極值，進(jìn)一步上升空間有限[8-10]；而基于新材料的脈沖電容器研制尚處于起步階段，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用[11-14]。受限于脈沖電容器現(xiàn)有發(fā)展水平，脈沖功率電源進(jìn)一步小型化、輕量化需要從其他方向?qū)で笸黄啤?/p>

除涉及元件自身的體積和質(zhì)量外，脈沖功率電源的儲(chǔ)能密度也與電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。目前所采用的模塊拓?fù)渲饕譃閮煞N，如圖1所示。兩種拓?fù)渚?個(gè)主要元器件：脈沖電容器、晶閘管SCR、續(xù)流二極管VD和脈沖電抗器，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，普遍應(yīng)用于特種直線電機(jī)系統(tǒng)。

圖1 兩種電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源的模塊拓?fù)?/p>

負(fù)載特性是電源設(shè)計(jì)的前提。根據(jù)不同的負(fù)載特性，開展針對(duì)性的電源設(shè)計(jì)，可以達(dá)到系統(tǒng)的小型化、輕量化目的。

圖1所示電源模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于簡(jiǎn)單型特種直線電機(jī)，其脈沖電抗器的主要作用是中間儲(chǔ)能、調(diào)節(jié)脈寬和保障元件安全。相比簡(jiǎn)單型負(fù)載，增強(qiáng)型負(fù)載由于具備更高的初始電感值，在所有模塊同步觸發(fā)的條件下，初始電感0可用來(lái)代替單模塊中的脈沖電抗器，不影響系統(tǒng)的整體功能和安全性。

本文針對(duì)增強(qiáng)型負(fù)載，對(duì)同步觸發(fā)下無(wú)電抗器電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源（以下簡(jiǎn)稱無(wú)電抗器電源）開展研究。相比現(xiàn)有電源，無(wú)電抗器電源通過去除脈沖電抗器，減小了電源系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，具備提升脈沖功率電源小型化、輕量化工程需求的能力。

眾多電源模塊同步觸發(fā)及同時(shí)開通是一個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的工程難題。如何實(shí)現(xiàn)工程上的同時(shí)開通，即開關(guān)抖動(dòng)量關(guān)系到該種電源在感性負(fù)載條件下能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。本文所要解決的問題是：當(dāng)考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)，各模塊晶閘管的導(dǎo)通會(huì)存在μs級(jí)或亞μs級(jí)的延時(shí)，即晶閘管存在導(dǎo)通時(shí)延抖動(dòng)。基于電源實(shí)際運(yùn)行情況，通過理論分析電源與負(fù)載的匹配特性，確定電源拓?fù)洌⑻岢鲈撔碗娫吹闹攸c(diǎn)關(guān)注問題，開展初步驗(yàn)證。

1 同步放電初期的過程分析

圖2 無(wú)電抗器電源總拓?fù)?/p>

鑒于電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源的理論分析已基本完善[15-16]，針對(duì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在抖動(dòng)的無(wú)電抗器電源，僅分析同步放電的初期階段。

1.1 T0模塊

由于系統(tǒng)導(dǎo)通時(shí)延抖動(dòng)一般為μs級(jí)，因此設(shè)立假設(shè)前提1：負(fù)載在同步放電初期為靜態(tài)負(fù)載。這意味著電樞在裝填位置保持靜止，即

式中，cable-p、cable-p分別為匯流排與軌道之間并聯(lián)大電纜的電感和電阻；0、0分別為軌道的初始電感和初始電阻。

其中

由式（2）可知，增強(qiáng)型負(fù)載等效至電源側(cè)被放大0倍，這意味著同步觸發(fā)是無(wú)電抗器電源與感性負(fù)載匹配的前提。

求解T0模塊晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻（d0時(shí)刻）的電流上升率為

1.2 T1模塊

若共有1個(gè)T1模塊，d1時(shí)刻針對(duì)負(fù)載等效的域拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 Td1時(shí)刻T1模塊的等效拓?fù)?/p>

式中，0C、0C分別為T0模塊在d1時(shí)刻電容的初始電壓和回路內(nèi)電感的初始電流。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)立以下假設(shè)前提。

假設(shè)前提2：d1時(shí)刻電容的初始電壓0C近似為電容的預(yù)充電壓0，即

假設(shè)前提3：d1時(shí)刻電感的初始電流0C近似為其一階泰勒展開，即

基于以上三個(gè)假設(shè)前提，求解T1模塊晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的電流上升率，為

其中

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，即電容mF級(jí)，電感μH級(jí)，電阻mΩ級(jí)，延遲時(shí)間μs級(jí)，可知

1.3 Tk模塊

（1）負(fù)載在同步放電初期為靜態(tài)負(fù)載。

（2）dk時(shí)刻電容的初始電壓近似為電容的預(yù)充電壓，即

（3）dk時(shí)刻電感的初始電流近似為一階泰勒展開，即

同理可求解dk時(shí)刻T模塊晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的電流上升率。

其中

由式（19）可知，當(dāng)無(wú)電抗器電源的晶閘管存在導(dǎo)通時(shí)延抖動(dòng)時(shí)，最先觸發(fā)模塊（T0模塊）內(nèi)晶閘管的電流上升率是系統(tǒng)內(nèi)最大電流上升率。

2 無(wú)電抗器同步放電試驗(yàn)與驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

選取實(shí)驗(yàn)室晶閘管導(dǎo)通時(shí)延抖動(dòng)相對(duì)接近的13個(gè)模塊組成無(wú)電抗器電源。在1kV的電容預(yù)充電壓下，對(duì)膛口短路的增強(qiáng)型負(fù)載進(jìn)行同步放電試驗(yàn)。在相同負(fù)載和預(yù)充電壓下，與保留電抗器的傳統(tǒng)電源進(jìn)行同步放電試驗(yàn)對(duì)比。

試驗(yàn)采用的晶閘管所能承受的浪涌電流峰值為24kA，電流上升率限值為250A/μs。根據(jù)測(cè)量與計(jì)算，系統(tǒng)元件的主要參數(shù)見表1。

表1 同步放電試驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)

Tab.1 Main parameters of the synchronous dischargepulsed power supply

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

傳統(tǒng)電源與無(wú)電抗器電源各模塊的電流波形分別如圖5a、圖5b所示。對(duì)于傳統(tǒng)電源，脈沖電抗器的容差會(huì)導(dǎo)致各模塊輸出的電流峰值不同；對(duì)于無(wú)電抗器電源，由于回路內(nèi)電感值減小，且各模塊與匯流排之間的小電纜長(zhǎng)度不一致，導(dǎo)致電流波形存在差異。其中，無(wú)電抗器電源電流下降沿的差異較大，部分模塊在電流下降沿階段非平滑下降，而是存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該轉(zhuǎn)折點(diǎn)的出現(xiàn)主要是由電流換路至續(xù)流二極管支路導(dǎo)致的。

根據(jù)圖5，在保留電抗器和去除電抗器的條件下，得到各模塊電流峰值的平均值分別為4.32kA、4.62kA。二者數(shù)值接近，且遠(yuǎn)小于晶閘管所能承受的浪涌電流峰值，這意味著系統(tǒng)內(nèi)晶閘管不會(huì)出現(xiàn)因電流峰值過大而損壞的情況。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析保持一致，即同步觸發(fā)是無(wú)電抗器電源與感性負(fù)載匹配的前提。

對(duì)于無(wú)電抗器電源，模塊1作為晶閘管最快導(dǎo)通的模塊，其導(dǎo)通時(shí)刻的電流上升率為系統(tǒng)內(nèi)最大電流上升率，與理論分析結(jié)論相符。

圖6 模塊1試驗(yàn)電流與計(jì)算值

由圖6可知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。這意味著，去除電抗器后，若晶閘管的電流上升率超過限值，過大的電流密度會(huì)使得導(dǎo)通區(qū)域局部溫度過高，可能導(dǎo)致晶閘管性能的退化甚至燒毀。為了保證無(wú)電抗器電源的安全運(yùn)行，需要重點(diǎn)考慮最先觸發(fā)模塊晶閘管的電流上升率。

3 小型化、輕量化水平對(duì)比

有電抗器、無(wú)電抗器電源模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。兩種電源模塊內(nèi)所采用的脈沖電容器標(biāo)稱值2mF、最大預(yù)充電壓3kV、儲(chǔ)能密度0.56MJ/m3。在最大預(yù)充電壓下，電源模塊總儲(chǔ)能9kJ。

圖7 兩種電源模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過測(cè)量與計(jì)算，兩種電源模塊的小型化、輕量化水平見表2。去除電抗器后，電源模塊體積儲(chǔ)能密度為0.32MJ/m3，提升了23.1%；質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度為0.26kJ/kg，提升了13.0%。

表2 兩種電源模塊的對(duì)比

Tab.2 Comparison of two pulsed power modules

4 結(jié)論

本文針對(duì)感性負(fù)載條件下的無(wú)電抗器電源開展研究，基于理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，所得結(jié)論如下：

1）同步觸發(fā)是無(wú)電抗器電源與感性負(fù)載匹配的前提。當(dāng)個(gè)模塊進(jìn)行同步放電時(shí)，感性負(fù)載等效至電源側(cè)被放大倍，可以替代單模塊電源中脈沖電抗器的功能。

2）當(dāng)考慮晶閘管導(dǎo)通時(shí)延抖動(dòng)時(shí)，最先觸發(fā)模塊的電流上升率是系統(tǒng)內(nèi)最大電流上升率，工作環(huán)境最惡劣，在電源設(shè)計(jì)時(shí)需要予以考慮。

3）去除電抗器后，電源模塊的體積儲(chǔ)能密度提升了23.1%；質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度提升了13.0%。

4）根據(jù)推導(dǎo)公式，為保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，負(fù)載初始電感越高，系統(tǒng)運(yùn)行越可靠。

[1] 李貞曉, 郝雙鵬, 馬富強(qiáng), 等. 電炮用脈沖電源模塊技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2020, 41(增刊1): 1-7.

Li Zhenxiao, Hao Shuangpeng, Ma Fuqiang, et al. Current situation and development of pulsed power supply module technology for electric gun[J]. Acta Armamentarii, 2020, 41(S1): 1-7.

[2] McNab I R. Pulsed power options for large EM launchers[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, 43(5): 1352-1357.

[3] McNab I R. Large-scale pulsed power opportunities and challenges[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(5): 1118-1127.

[4] 李軍, 嚴(yán)萍, 袁偉群. 電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 高電壓技術(shù), 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.

[5] 朱博峰, 魯軍勇, 張曉, 等. 高壓大容量金屬化膜脈沖電容器提高儲(chǔ)能密度的工藝改進(jìn)與試驗(yàn)研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 32(1): 20-25.

Zhu Bofeng, Lu Junyong, Zhang Xiao, et al. Crafts improvement and experimental research for increasing energy storage density of high-voltage-capacity metalized film pulse capacitor system[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2020, 32(1): 20-25.

[6] Jow T R, MacDougall F W, Ennis J B, et al. Pulsed power capacitor development and outlook[C]//2015 IEEE Pulsed Power Conference (PPC), Austin, TX, 2015: 1-7.

[7] 李化, 李智威, 黃想, 等. 金屬化膜電容器研究進(jìn)展[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償, 2015, 36(2): 1-4, 18.

Li Hua, Li Zhiwei, Huang Xiang, et al. Research progress on metallized film capacitors[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2015, 36(2): 1-4, 18.

[8] 李化, 王文娟, 李智威, 等. 2.7MJ/m3高儲(chǔ)能密度脈沖電容器的研制[J]. 高壓電器, 2016, 52(3): 69-73, 80.

Li Hua, Wang Wenjuan, Li Zhiwei, et al. Development of high energy density (2.7MJ/m3) pulse capacitor[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 52(3): 69-73, 80.

[9] Macdougall F, Ennis J, Yang Xiaohui, et al. High energy density capacitors for pulsed power applications[C]//2009 IEEE Pulsed Power Conference, Washington, 2009: 774-778.

[10] MacDonald J R, Schneider M A, Ennis J B, et al. High energy density capacitors[C]//2009 IEEE Electrical Insulation Conference, Montreal, 2009: 306-309.

[11] 李化, 方田, 張晨晨. 電容器級(jí)新型儲(chǔ)能電介質(zhì)的儲(chǔ)電性能研究[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償, 2021, 42(2): 54-58.

Li Hua, Fang Tian, Zhang Chenchen. Study on electrical storage performance of capacitor level new energy storage dielectrics[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation, 2021, 42(2): 54-58.

[12] 葉潤(rùn)峰, 裴家耀, 鄭明勝, 等. 高介電聚丙烯基納米復(fù)合薄膜介電及儲(chǔ)能性能抗老化特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(16): 3529-3538.

Ye Runfeng, Pei Jiayao, Zheng Mingsheng, et al. Anti-aging characteristics of dielectric and energy storage of high dielectric polypropylene based nanocomposite films[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(16): 3529-3538.

[13] Liu Biao, Yang Minhao, Zhou Wenying, et al. High energy density and discharge efficiency polypropylene nanocomposites for potential high-power capacitor[J]. Energy Storage Materials, 2020, 27: 443-452.

[14] 沈忠慧, 江彥達(dá), 李寶文, 等. 高儲(chǔ)能密度鐵電聚合物納米復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 物理學(xué)報(bào), 2020, 69(21): 105-117.

Shen Zhonghui, Jiang Yanda, Li Baowen, et al. Research progress of ferroelectric polymer nanocomposites with high energy storage density[J]. Acta Physica Sinica, 2020, 69(21): 105-117.

[15] 徐麟, 張軍, 劉佳, 等. 脈沖功率源瞬態(tài)反向過電流機(jī)理及優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(S2): 629-635.

Xu Lin, Zhang Jun, Liu Jia, et al. Mechanism and optimization of transient reverse overcurrent in pulse power system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S2): 629-635.

[16] 彭之然, 劉華, 汪光森, 等. 基于多模塊分時(shí)放電半解析模型的脈沖電源觸發(fā)策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(增刊1): 54-61.

Peng Zhiran, Liu Hua, Wang Guangsen, et al. Trigger strategy of pulsed power supply based on the semi-analytical model of sequentially-triggered power units[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(S1): 54-61.

Non-Inductor Capacitive Pulsed Power Supply

Ye Wenyi1,2Xu Weidong1,2Fu Rongyao1,2Xu Rong1,2Yan Ping1,2

（1. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. Key Laboratory of Power Electronics and Power Drive Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China）

Capacitive pulsed power supply, miniaturization, lightweight, turn-on delay jitter, non-inductor

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211788

TM833

2021-11-04

2021-12-06

葉文怡 女，1992年生，助理工程師，研究方向?yàn)榇箅娏髅}沖放電技術(shù)及應(yīng)用。E-mail：yewenyi@mail.iee.ac.cn

嚴(yán) 萍 女，1965年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣技術(shù)、脈沖功率技術(shù)和電磁發(fā)射技術(shù)等。E-mail：pingyan@mail.iee.ac.cn（通信作者）

（編輯 赫 蕾）