一種真空觸發(fā)開關(guān)脈沖電源系統(tǒng)研究

張亞舟， 李貞曉， 程年愷， 田慧， 栗保明

(1.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; 2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院， 北京 100089)

一種真空觸發(fā)開關(guān)脈沖電源系統(tǒng)研究

張亞舟1， 李貞曉1， 程年愷2， 田慧1， 栗保明1

(1.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; 2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院， 北京 100089)

脈沖電源系統(tǒng)性能基本取決于放電開關(guān)的特性，真空觸發(fā)開關(guān)因其具有工作電壓范圍寬、承載電荷量高、介質(zhì)恢復(fù)迅速、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可用于脈沖電源的主開關(guān)。采用RVU-43型真空觸發(fā)開關(guān)研制了一套總儲(chǔ)能2 MJ、額定工作電壓13 kV的脈沖電源。電源系統(tǒng)由17個(gè)118 kJ電容儲(chǔ)能模塊并聯(lián)組成，單個(gè)模塊短路放電最大電流達(dá)52 kA，系統(tǒng)包含了充電、控制、測(cè)量子系統(tǒng)。電源在模擬負(fù)載上進(jìn)行了單模塊、系統(tǒng)同步與時(shí)序控制放電性能測(cè)試，并在電熱化學(xué)發(fā)射裝置上進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)輸出的電流幅值較高且波形靈活可調(diào)，可靠性高，可滿足電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)的研究。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 脈沖功率電源； 真空觸發(fā)開關(guān)； 電容儲(chǔ)能模塊

0 引言

隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，在特種電源的控制方面如大功率激光器電源和電物理研究中的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制，以及電磁發(fā)射的能源控制等都對(duì)高性能開關(guān)提出需求。在真空開關(guān)與觸發(fā)火花間隙技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的真空觸發(fā)開關(guān)(TVS)，因其具有工作電壓范圍寬、承載電荷量高、介質(zhì)恢復(fù)迅速、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，被用于脈沖功率電源的主開關(guān)[1-3]。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)通用電氣公司的Lafferty對(duì)TVS進(jìn)行了大量的研究與開發(fā)工作[4]。20世紀(jì)70年代，印度科學(xué)家Kamakshaiah等對(duì)應(yīng)用不同觸發(fā)材料的TVS進(jìn)行了研究[5]，美國(guó)通用電氣公司Rich等提出了多棒極型電極結(jié)構(gòu)的TVS[6]，加速了其實(shí)用化進(jìn)程。20世紀(jì)80年代，荷蘭學(xué)者Vries等[7]和中國(guó)科學(xué)院的魏榮華等[8]對(duì)TVS進(jìn)行了應(yīng)用研究，取得大量的研究成果。20世紀(jì)90年代以來(lái)，TVS有了進(jìn)一步的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)TVS的極性效應(yīng)、初始等離子體不穩(wěn)定現(xiàn)象和電極燒蝕特性等開展了理論與試驗(yàn)研究，并不斷開發(fā)設(shè)計(jì)新型TVS[9-12]。與此同時(shí)，多個(gè)國(guó)家采用TVS作為主開關(guān)進(jìn)行電源系統(tǒng)的研制。俄羅斯科學(xué)院電物理研究所采用TVS研制了9 MJ電源系統(tǒng)，系統(tǒng)最大工作電壓25 kV，可輸出近10MA電流[13]。德國(guó)TZN公司采用TVS為電熱化學(xué)炮項(xiàng)目研制了由6個(gè)90 kJ模塊組成的540 kJ電源系統(tǒng)，最大工作電壓30 kV，21 kV時(shí)3個(gè)模塊同步放電電流達(dá)70 kA[14]。韓國(guó)電工研究所采用TVS研制了由8個(gè)300 kJ模塊組成的2.4 MJ脈沖電源系統(tǒng)，單個(gè)模塊最大工作電壓22 kV，最大工作電流150 kA，系統(tǒng)用于電熱化學(xué)發(fā)射研究[15]。我國(guó)華中科技大學(xué)采用TVS研制了由10個(gè)50 kJ模塊組成的500 kJ脈沖電源系統(tǒng)。單個(gè)模塊最大工作電壓13 kV，輸出電流峰值達(dá)70 kA[16]。

本文針對(duì)電熱化學(xué)發(fā)射研究的需要，基于RVU-43型TVS研制了一套由17個(gè)電源模塊并聯(lián)組成的脈沖電源系統(tǒng)。電源在模擬負(fù)載上進(jìn)行了性能測(cè)試，并應(yīng)用于發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)果表明脈沖電源系統(tǒng)可以滿足電熱化學(xué)發(fā)射研究的需要。

1 真空觸發(fā)開關(guān)

與電力電子器件相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低是TVS的最大特點(diǎn)。就導(dǎo)通和關(guān)斷功能而言，目前采用電力電子器件需通過(guò)多只開關(guān)串并聯(lián)應(yīng)用以達(dá)到TVS的功率水平，同時(shí)需考慮均壓保護(hù)電路，增加了開關(guān)的成本。在相同通流容量下，TVS的體積比火花隙開關(guān)縮小近50%，同時(shí)火花隙開關(guān)的電極需要定期清洗和更換，而TVS由于電弧電壓低，電極燒蝕率低，主電極壽命一般不受限制。TVS觸發(fā)電壓低，也不易對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾[17]。

TVS主要由絕緣系統(tǒng)、主電極和觸發(fā)極3部分組成。圖1為RVU-43型TVS及其結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 RVU-43型TVS及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 RVU-43 TVS and its structure

絕緣系統(tǒng)包含主電極間的絕緣和觸發(fā)極與主電極間的絕緣，絕緣體大都采用電真空陶瓷，觸發(fā)極絕緣往往決定了TVS的工作壽命。TVS的靜態(tài)真空度需維持在10-4Pa數(shù)量級(jí)以上，絕緣件與密封面還要有足夠的抗拉強(qiáng)度，以承受大電流工作時(shí)產(chǎn)生的電磁力。

主電極的結(jié)構(gòu)是由通載的電荷量電流密度與動(dòng)態(tài)絕緣水平所決定的。如優(yōu)先考慮載荷，可選用多個(gè)電極并列結(jié)構(gòu)以增加燃弧面積；如加上動(dòng)態(tài)絕緣前提，增加電弧面積也意味著增加了弧后擊穿的概率。電極間距可決定動(dòng)態(tài)絕緣水平，但在動(dòng)態(tài)下并非間距越大越好，因?yàn)樵黾与娀￠L(zhǎng)度就提高了電弧電壓，增加了弧隙的輸入能量，電極表面熱載的增加也可能加大燒灼，影響弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)。電極材料的選擇也對(duì)耐電燒灼特性影響很大。

觸發(fā)電極是決定TVS工作性能的關(guān)鍵元件之一。觸發(fā)電極一般固定在一個(gè)主電極上，并通過(guò)外觸發(fā)系統(tǒng)與主電極構(gòu)成放電回路。外觸發(fā)電路提供觸發(fā)脈沖，在觸發(fā)電極與主電極產(chǎn)生初始等離子體，由主電極間的電場(chǎng)和真空擴(kuò)散作用，在主電極的陰極上形成自持放電的陰極斑點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)TVS的導(dǎo)通。

RVU-43型TVS采用高強(qiáng)度的鉻銅電極，多棒極并列結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)陽(yáng)極和陰極各有多個(gè)交錯(cuò)排列的棒電極，電弧在這些棒電極中產(chǎn)生，由于導(dǎo)通面積大，可以減少導(dǎo)通大電流時(shí)的電極燒蝕[18-20]。開關(guān)主要特性如表1所示。

表1 RVU-43型TVS參數(shù)

2 脈沖功率電源系統(tǒng)

電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)是依靠脈沖電源將電能輸入到等離子體發(fā)生器，產(chǎn)生的等離子體引燃發(fā)射藥從而推進(jìn)彈丸的新概念發(fā)射技術(shù)[21]。等離子體發(fā)生器屬于高阻抗負(fù)載，阻值一般為數(shù)十毫歐。現(xiàn)階段炮尾輸電裝置尚未達(dá)到工程化應(yīng)用水平，輸電結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，存在較大的雜散參數(shù)，這些都對(duì)電源系統(tǒng)提出了較高的要求。脈沖電源系統(tǒng)研制主要面對(duì)的問題如下：1)為了維持和增強(qiáng)發(fā)射裝置中的等離子體，電源需確保各模塊根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)時(shí)間精準(zhǔn)放電，觸發(fā)時(shí)間間隔可調(diào)，根據(jù)不同負(fù)載的需求對(duì)放電波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供不同電壓、電流、電流上升率和脈寬的電流波形，進(jìn)而改善內(nèi)彈道特性；2)TVS主電極間需維持高阻以保證時(shí)序放電時(shí)模塊間不因相互干擾而發(fā)生自閃。觸發(fā)電流不能過(guò)高，以免影響TVS壽命。TVS導(dǎo)通以及等離子體電爆炸會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，影響系統(tǒng)可靠運(yùn)行；3)電熱化學(xué)發(fā)射時(shí)可能會(huì)在續(xù)流開關(guān)兩端產(chǎn)生過(guò)電壓，從而損壞器件，影響系統(tǒng)安全。為了確保輸出較高的電流幅值，電源模塊的內(nèi)阻內(nèi)感需要盡可能小。

針對(duì)上述難點(diǎn)，通過(guò)多種有效的技術(shù)方法研制了一套儲(chǔ)能2 MJ的高功率脈沖電源。主開關(guān)選用具有較高工作電壓與工作電流，大電荷轉(zhuǎn)移量，上萬(wàn)次開關(guān)壽命與體積緊湊等優(yōu)點(diǎn)的RVU-43型多棒極TVS[22-23]。電源系統(tǒng)主要由脈沖成形子系統(tǒng)、觸發(fā)控制子系統(tǒng)和充電、測(cè)試子系統(tǒng)組成。

2.1 脈沖成形子系統(tǒng)

脈沖成形子系統(tǒng)由17個(gè)電源儲(chǔ)能模塊(PFU)并聯(lián)組成，電路拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 脈沖電源電路拓?fù)鋱DFig.2 Schematic diagram of PPS circuit

圖2中C為脈沖電容器，選用1 400μF/14 kV干式金屬化膜高壓電容器，儲(chǔ)能密度達(dá)1.3 J/cm3. TVS為RVU-43型真空觸發(fā)開關(guān)，最大工作電壓30 kV，最大工作電流200 kA，開關(guān)在100 kA電流30 C電荷轉(zhuǎn)移下壽命可達(dá)10 000次。為了確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠，通過(guò)對(duì)模塊中電氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，電感器L采用了散熱效果好，受力均勻的50 μH/18 kV空心柱形結(jié)構(gòu)電感。續(xù)流二極管D選用了6只直徑100 mm，耐壓3.1 kV，最大工作電流100 kA的平板式二極管串聯(lián)組成堆體，每只二極管均并聯(lián)了壓敏電阻與阻容元件用于保護(hù)元器件，避免過(guò)壓損壞。各模塊采用低阻低感同軸電纜連接至匯流器，以減小模塊內(nèi)雜散參數(shù)對(duì)電流幅值的影響。多模塊并聯(lián)方式有利于放電波形的調(diào)節(jié)，以滿足不同負(fù)載的需求。電源模塊如圖3所示。

圖3 脈沖電源模塊Fig.3 118 kJ pulsed forming unit

2.2 觸發(fā)控制子系統(tǒng)

觸發(fā)控制子系統(tǒng)由時(shí)序控制器、高壓觸發(fā)器與系統(tǒng)控制臺(tái)組成。

時(shí)序控制器可設(shè)置同步與時(shí)序工作方式，計(jì)算機(jī)將設(shè)置的時(shí)序通過(guò)RS-232接口載入時(shí)序控制器，時(shí)序控制器接收到啟動(dòng)信號(hào)后按設(shè)定的時(shí)序向高壓觸發(fā)器發(fā)送光脈沖信號(hào)。控制器時(shí)序范圍可在1～32 000 μs之間選擇，延遲步長(zhǎng)為1 μs，以滿足系統(tǒng)對(duì)觸發(fā)精度與觸發(fā)時(shí)間設(shè)置的需求，采用光纖觸發(fā)控制可有效避免電磁干擾對(duì)觸發(fā)系統(tǒng)的影響。時(shí)序控制器如圖4所示。

圖4 時(shí)序控制器Fig.4 Time sequence controller

高壓觸發(fā)器用于控制觸發(fā)真空開關(guān)的閉合，每個(gè)TVS均有獨(dú)立的觸發(fā)裝置進(jìn)行控制，觸發(fā)器具有光纖觸發(fā)與手動(dòng)觸發(fā)兩種觸發(fā)模式。原理電路如圖5所示。

圖5中觸發(fā)光信號(hào)到達(dá)光接收器后，C1中儲(chǔ)存的能量以脈沖的形式經(jīng)過(guò)變壓器T1的原邊釋放并向晶閘管開關(guān)SCR1發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，開關(guān)導(dǎo)通后C2中儲(chǔ)存的能量釋放，依靠變壓器T2的升壓作用，使三電極火花間隙開關(guān)S1觸發(fā)，C3中能量釋放到T3的原邊，隨后TVS所在電源模塊導(dǎo)通。T3為觸發(fā)器與TVS之間的隔離變壓器，用于保護(hù)觸發(fā)器，防止電流流入。手動(dòng)開關(guān)BS1工作原理與光觸發(fā)方式相同。通過(guò)提高脈沖變壓器的變比與使用帶陡化間隙的TVS觸發(fā)源可提高觸發(fā)源的輸出能量同時(shí)避免沿面金屬蒸汽沉積對(duì)觸發(fā)的影響，提高TVS的導(dǎo)通可靠性[24]。

圖5 高壓觸發(fā)器電路圖Fig.5 Circuit of trigger generator

系統(tǒng)控制臺(tái)綜合了充電子系統(tǒng)控制，充電電壓監(jiān)測(cè)，電源模塊選擇，緊急情況電荷泄放，脈沖放電觸發(fā)控制等功能以確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。充電與控制系統(tǒng)如圖6所示。

2.3 充電、測(cè)試子系統(tǒng)

充電子系統(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。充電機(jī)由可編程邏輯控制器進(jìn)行控制，工頻交流電供電，最大工作電壓14 kV，工作頻率18 kHz，平均工作電流5 A，可在40 s內(nèi)將電容器充電至13 kV. 充電機(jī)采用風(fēng)冷散熱方式，在充電機(jī)與電容器之間加裝了隔離電阻和一臺(tái)小型電容器用于防止充電線突然斷路或電源放電時(shí)接地端電流流入充電機(jī)，從而損壞器件，同時(shí)安裝了IGBT溫度檢測(cè)裝置，用于防止開關(guān)過(guò)熱工作[25]。

測(cè)試子系統(tǒng)用于對(duì)電源的放電電壓與電流進(jìn)行測(cè)量，由Rogowski線圈、高壓探針、DC光纖隔離儀和PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。電壓測(cè)量由高壓探針將高壓信號(hào)變換成低電壓，通過(guò)光纖隔離儀傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。光纖隔離儀用于隔離測(cè)試系統(tǒng)與高電壓系統(tǒng)之間的電氣連接，消除接地回路隱患。電流測(cè)量由Rogowski線圈、積分器、數(shù)據(jù)采集器組成。多種規(guī)格Rogowski線圈分別用于測(cè)量各單模塊電流，多模塊電流以及系統(tǒng)總電流。同時(shí)采用Labview圖形化編程平臺(tái)，設(shè)計(jì)了脈沖電源數(shù)據(jù)采集與處理軟件[26]。

3 電源系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)

3.1 電源模塊性能測(cè)試

根據(jù)各元器件電氣參數(shù)，使用Matlab/Simulink對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并利用模擬負(fù)載對(duì)脈沖電源進(jìn)行短路放電測(cè)試。圖7為電源模塊仿真與模擬負(fù)載放電試驗(yàn)輸出電流波形圖，圖7中IS-L為流經(jīng)電感器的仿真電流曲線，充電電壓為13 kV時(shí)，電流峰值為55 kA.IL為電感器測(cè)得電流波形，即模塊輸出電流，ITVS為TVS測(cè)得電流波形，ID為二極管測(cè)得電流波形，UC為電容器電壓值。當(dāng)充電電壓為13 kV時(shí)，電容器儲(chǔ)能達(dá)118 kJ，模塊峰值電流約為52 kA. 從圖7中可以看出，測(cè)試電流與仿真電流趨勢(shì)相同幅值略低，分析原因應(yīng)是模塊連接線纜中存在雜散電感與雜散電阻，以及電流存在趨膚效應(yīng)等因素導(dǎo)致。

圖7 電源模塊電流與電壓實(shí)測(cè)曲線Fig.7 Measured current and voltage waveforms of PFU

3.2 電源系統(tǒng)放電試驗(yàn)

對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行了仿真并在模擬負(fù)載上進(jìn)行了同步放電與時(shí)序放電試驗(yàn)。圖8為電源系統(tǒng)充電8 kV時(shí)，17個(gè)模塊同步放電波形圖。IPPS為電源系統(tǒng)電流，電流峰值為491 kA.IS-PPS為電源系統(tǒng)仿真電流，電流峰值為510 kA.IPFU1～5～I(xiàn)PFU14～17為匯流裝置測(cè)得的多模塊組電流。

圖8 電源同步放電電流曲線Fig.8 Measured current waveforms of PPS

對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)序放電仿真與性能測(cè)試，按表2中的時(shí)間間隔設(shè)置時(shí)序控制器。圖9為電源系統(tǒng)充電電壓7 kV時(shí)，時(shí)序放電電流仿真與測(cè)試波形，IS-PPS為仿真電流波形，峰值電流為203 kA，IPPS為試驗(yàn)測(cè)得電流，峰值電流為196 kA，對(duì)比仿真與試驗(yàn)波形可以看出各電源模塊均按照設(shè)定的時(shí)間順序準(zhǔn)確放電，受雜散參數(shù)的影響，仿真結(jié)果略高于試驗(yàn)結(jié)果。

表2 時(shí)序放電間隔

圖9 電源時(shí)序放電電流曲線Fig.9 Current waveforms of PPS

電源系統(tǒng)最多可通過(guò)17個(gè)模塊進(jìn)行時(shí)序放電，各模塊觸發(fā)精準(zhǔn)，觸發(fā)時(shí)間間隔范圍寬，具有數(shù)百千安峰值電流與數(shù)毫秒脈寬的波形調(diào)節(jié)能力。

3.3 電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)

采用2 MJ電源系統(tǒng)進(jìn)行電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)，圖10為電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)測(cè)得放電電壓UC與電流IETC波形。試驗(yàn)采用10個(gè)電源模塊，充電電壓為9.3 kV，放電電流峰值為160 kA，脈寬約為1.9 ms，發(fā)射效果良好，能夠滿足電熱化學(xué)發(fā)射研究的需要。

圖10 發(fā)射試驗(yàn)電壓、電流波形圖Fig.10 Measured voltage and current waveforms of launching test

4 結(jié)論

1)TVS因具有承受電壓高、工作電壓范圍寬、主間隙介電強(qiáng)度恢復(fù)迅速、不易受外界環(huán)境影響、導(dǎo)通電流大等優(yōu)點(diǎn)，可用于主放電開關(guān)。多棒極型TVS主電極由多對(duì)棒狀電極組成，電極正負(fù)交叉，呈環(huán)形排列，通過(guò)增大導(dǎo)通面積使得通流能力變強(qiáng)，減少了導(dǎo)通大電流時(shí)電極燒蝕現(xiàn)象，有利于開關(guān)壽命的延長(zhǎng)，適合應(yīng)用于脈沖電源系統(tǒng)。

2)采用RVU- 43型多棒極TVS研制了一套總儲(chǔ)能2 MJ、額定工作電壓13 kV的脈沖電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)由17個(gè)118 kJ電源模塊并聯(lián)組成，包含充電、控制與測(cè)量子系統(tǒng)。電源在模擬負(fù)載上進(jìn)行了單模塊、系統(tǒng)同步與時(shí)序放電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較高。發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果表明電源系統(tǒng)性能良好，可靠性高，可滿足電熱化學(xué)發(fā)射研究的需要。

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Research on a Triggered Vacuum Switch Pulsed Power Supply

ZHANG Ya-zhou1, LI Zhen-xiao1, CHENG Nian-kai2, TIAN Hui1, LI Bao-ming1

(1.National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China;
2.Ordnance Science and Research Academy of China, Beijing 100089, China)

The performance of pulsed power supply (PPS) depends on the basic characteristics of the discharge switch. Triggered vacuum switch (TVS) has the advantages of wide working voltage range, high transfer charge, quick dielectric recovery and compact structure. A 2 MJ PPS with rated operational voltage of 13 kV which uses RVU-43 TVS was developed. The PPS is of multi-module parallel structure and composes of 17 118 kJ capacitor-based pulsed power modules. The maximum short-circuit discharge current of every module is about 52 kA. The system is composed of charging, control and measurement subsystems. The synchronous and time sequence discharge tests under dummy load are made for PPS, and PPS is launched from an electrothermal chemical (ETC) launcher. The experimental results show that PPS can output high amplitude and flexible current wave, and has high reliability for ETC launch research.

ordnance science and technology; pulsed power supply; triggered vacuum switch; capacitor-based pulsed power module

2016-12-20

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)08-1469-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.08.002