黄　凯，董志强，任　人，张汇博

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳　712099)



基于电磁发射的两类脉冲电源中功率器件特性分析

黄凯，董志强，任人，张汇博

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099)

现阶段电磁发射研究主要集中在轨道炮与线圈炮两个领域，都需要脉冲功率电源提供发射能量。这两类电源在基本器件组成、电路拓扑中存在大量相同的地方，其中的功率器件主要由脉冲电容器、调波电抗器、晶闸管组件、续流组件和吸能电阻等组成，但由于这两类脉冲电源所处的工作环境不同，所以对功率器件的性能要求也有所区别。从轨道炮与线圈炮发射过程中的差异性入手，研究其对脉冲电源中功率器件性能的影响，并结合实际情况，分析了如何合理匹配功率器件性能参数，来满足不同发射条件下对脉冲电源的需求。

脉冲电源；线圈炮；轨道炮；功率器件；晶闸管；脉冲电感

脉冲电源作为电磁炮武器系统的基础组成部分，承担着输出脉冲成形电流，提供发射能量的任务。基于电容器储能的脉冲电源，是一种常用的产生脉冲大电流装置。电容器组作为能量储存元件，通过大容量的短路开关对负载放电，其基本电路形式为RLC回路放电。相比其他一些脉冲电源系统，主要有工作电压低，储能总量大，电流大，储能密度低等特点，非常适合用于电磁发射实验室研究，现阶段大部分电磁发射研究均是基于此类脉冲电源。通过调整脉冲电源系统中储能电容、晶闸管组件、硅堆组件、调波电感等关键器件参数，可使其适用于多种电磁发射系统[1]。

笔者的分析基于轨道炮与同步感应线圈炮两种电磁发射类型，虽然这两种脉冲电源在基本器件组成、电路拓扑中存在大量相同的地方，但其中的功率器件在一些具体参数和使用限制上还存在差别。

轨道炮发射时，电枢初速高、电流大，为使电枢在整个加速过程效率最优化，通常的做法是采用多个模块放电堆积平顶电流，电源中多模块并联工作，分时序放电，各模块输出电流基本相同，如图1所示。

同步感应线圈炮发射时，驱动线圈分级接力加速弹丸，脉冲电源各模块独立工作，每个模块只对其对应驱动线圈放电，各模块输出电流差异较大，如图2所示。

笔者从轨道炮与同步感应线圈炮对脉冲电源的需求入手，主要分析这两类电源中功率器件的异同点和其中影响脉冲电源性能的主要因素。

1　功率器件特性分析

通常来说，脉冲电源中的功率器件主要由脉冲电容器、脉冲电抗器、大功率晶闸管组件和大功率二极管组件、吸能电阻等部分组成。

1.1脉冲电容器

高压脉冲电容器是大多数脉冲功率系统的主要储能器件，与电感储能脉冲发生器相比，基于电容储能的脉冲电源所需的闭合开关，技术成熟度要远高于电感储能型电源所需的断路开关。另外，电容器的能量保存时间远大于电感储能装置，以上是电容储能型电源普及的主要原因。

脉冲电容器的集中参数电路模型如图3所示。

图3中串联电阻Rs一般为毫欧数量级，主要由导线、接片和电极构成；并联电阻R代表穿过绝缘介质和沿材料表面的电流泄露，与电容量、温度、电压、储能密度等因素有关；电感L依赖于电容器的内部结构，决定了输出电流的最大值Imax。

(1)

设计一个脉冲电源系统时，首先要确定系统的储能大小和额定电压，这些参数基本决定了脉冲电容器的选型。不论在线圈炮上使用，还是在轨道炮上使用，为使脉冲电容器在电源系统中长期稳定运行，延长脉冲电容器的使用寿命，降低使用中的故障率，还需注意以下几点：

1)脉冲电容器工作时自身输出电流要远小于Imax。

2)脉冲电容器工作时要尽量减小极性反转电压，当反转电压达到额定电压的60%时，电容器相对预期寿命降低90%[2]。

3)实际使用过程中还应尽量少地让脉冲电容器的充电电压达到满额定值状态。

1.2脉冲电抗器

脉冲电抗器在脉冲电源系统中起到调节波形、存储中间能量的作用。脉冲电抗器和脉冲电容器基本决定了整个电源系统对外输出电流波形的峰值与脉宽等参数。通常来说，比较便捷的方法是通过调整脉冲电抗器的电感量来实现对输出波形的调节。

大部分脉冲电源系统采用干式空心电抗器作为调波元件。空心电抗器对比铁芯电抗器，不存在磁性材料饱和问题，其电感值为常数，抗大电流冲击性能好，运行时振动噪声小，非常适合作为脉冲电源系统中的调波元件。在实际元件选取过程中，主要需要注意器件通流能力与耐压值等指标，通常单层绕制的线圈具有较高的通流与耐压指标[3]。

与轨道炮电源不同，在线圈炮电源中，由于驱动线圈本身就具有调波作用，一般情况下不再单独配置调波电感，需要注意的是，驱动线圈在工作时，内部会有弹丸通过，相当于驱动线圈内部存在金属材质的芯材，对比空心状态，其放电特性是有很大差别的。

使用Maxwell软件分别对轨道炮电感和发射时的驱动线圈进行电磁场有限元仿真，模型采用2-D轴对称瞬态电磁场求解器计算，电流激励为外电路输入，放电电路形式为典型脉冲电源电路，电路中储能电容器电容量2 mF，充电电压5 kV。为了更好地说明驱动线圈内部弹丸带来的磁场集中现象，模型中约束弹丸固定不动，其他仿真使用的参数如表1所示。

表1　两类脉冲电感有限元仿真参数

轨道炮放电时通过电感的电流波形如图4所示，其典型特征是电感为空芯。图5为轨道炮电感峰值放电时刻的磁感应强度分布。

线圈炮放电时通过驱动线圈的电流波形如图6所示，其典型特征为驱动线圈电感量与轨道炮电感相同，但驱动线圈内部固定有铜质弹丸。图7为驱动线圈峰值电流时刻的磁感应强度分布。

根据仿真结果分析，虽然激励源初始条件一样，驱动线圈与轨道炮电感绕制参数相同，但驱动线圈发射时峰值电流接近轨道炮的1.3倍，放电频率也低于轨道炮。这是由于弹丸产生的感应涡流场抵消了部分线圈内部磁场，从系统的角度看，可以等效看作降低了驱动线圈的电感量，从而提高了脉冲电源的峰值电流与放电频率。

由仿真结果可以看出，驱动线圈内部靠近弹尾部位产生了磁场强度集中现象，其局部瞬间磁感应强度达到了16 T，而轨道炮电感内部瞬间最大值仅为8 T，同时驱动线圈峰值电流也较轨道炮电感大，根据电磁力计算公式可得，驱动线圈局部峰值应力远大于轨道炮电感，并且存在应力集中现象。因此在设计驱动线圈时，一方面需要考虑引入弹丸后，驱动线圈对脉冲电源输出电流的影响；另一方面还要考虑由于应力集中对电感可靠性带来的影响。

1.3晶闸管组件与硅堆组件

晶闸管与二极管同属于半导体功率器件，由于单个半导体器件截止电压很难达到脉冲电源指标要求，所以一般情况下把半导体器件串联形成组件使用。

晶闸管组件工作时，可分为以下5种工作状态，即正向阻断状态、开通过程、导通状态、阻断能力恢复过程和反向阻断状态。在整个工作过程中，晶闸管要承受较大的浪涌电流、di/dt、正反向电压，对其工作寿命是一个严苛的考验[4]。

硅堆组件存在的主要目的是防止脉冲电容器反向充电，由大功率二极管串联组成，与晶闸管组件不同的是，晶闸管组件导通脉冲电流的上升期，而硅堆组件导通脉冲电流的下降期(续流阶段)。两种组件选型方法基本一致，但由于整流管元件内部只有1个PN结，并且不需要栅极沟道进行触发，故在同样尺寸的情况下，硅堆组件的通流能力要强于晶闸管组件。

在脉冲电源使用环境中，半导体器件的损坏主要可以归结为电流损坏和电压损坏两大方面。电流损坏的主要原因是电流通过半导体PN结造成的温度升高，温度如果超过晶闸管允许结温，器件就会造成不可修复的损坏。电压损坏主要是由于串联组件电压分布不均造成的，主要与阻断状态的等效电阻与器件导通时刻的离散性有关。

如果需要在不同电源系统中互换半导体组件，在保证最大耐压值满足要求的前提下，可用晶闸管器件的通态平均电流IT(AV)来描述器件通流能力，作为电流考核指标。通常根据半导体器件的通态平均电流IT(AV)求出与其相对应的电流有效值，只要使实际的电流有效值等于额定电流IT(AV)时的电流有效值，管芯的发热是等效和允许的[5-8]。

一般把脉冲电源放电波形近似看作正弦半波，其电流有效值为

(2)

IT(AV)=I/1.57

(3)

式中，Im为正弦半波峰值电流。

1.4吸能电阻

吸能电阻与硅堆组件共同构成续流回路，在整个续流过程中，吸能电阻会消耗大部分续流能量，以降低硅堆组件通流强度，因此这两部分元件通常需要共同设计，其次不同的发射系统对续流电流的持续时间也有不同要求，需要通盘考虑[9]。

吸能电阻一般选取在几十毫欧量级，如选取过大，会造成脉冲电容器的反向电压过高，影响电容器寿命。如图8所示，3条曲线分别对应10、30、50 mΩ情况下，电容器两端反向电压的变化情况。可以看出，当吸能电阻为50 mΩ时，反向电压达到了1.5 kV，为电容器额定工作电压的30%，长期在这种环境下工作，会大大降低电容使用寿命[10]。

吸能电阻应采用无感法绕制，因为即使比较小的电感(μH级)引入续流回路内，也会造成续流电路的振荡，不利于电源的稳定运行。

采用Simulink软件对脉冲电源输出电流进行仿真，仿真中使用的脉冲电源容量为2 mF，电压为5 kV，脉冲成形电感为20 μH。图9为续流回路电感分别为1、2、3、5μH情况下，脉冲电源的输出电流波形。可以看出，随着续流回路电感的增加，输出电流振荡的幅度与频率均有较大增加，振荡的高频电流增加了电磁辐射风险，有可能影响电源系统中控制电路的功能。

2　功率器件互换时需要注意的问题

无论轨道炮电源还是同步感应线圈炮电源，其内部使用的功率器件类型是一样的，但是在电路结构、参数匹配上存在一些不同，在不优先考虑系统效率的前提下，对脉冲电源进行相应的改造，合理匹配系统中的功率器件，两种电源在某种程度上是可以复合使用的。当在两种电源系统中互换功率器件时，还应注意以下几点：

1)应明确电源系统储能和工作电压。两种电源系统如果工作电压不同，应采取就低原则，高电压指标的电源系统可工作在低电压电源系统中，但会损失部分容量。

2)当单模块输出电流达不到试验要求时，可使用多模块并联向负载供电。需要注意的是，在脉冲电源模块并联使用时，应确保系统采用单点接地方式，防止出现地线环流，造成电源系统中弱电测控设备的损坏。

3)两种电源系统复合使用时，应依据试验所需的电流峰值、脉宽等情况，调整调波电感的电感量。但在线圈炮系统中，由于驱动线圈已经起到了调波功能，一般不再单独配置调波电感。

4)半导体开关器件在电源系统总价值中占有很大的比重，当两种发射系统复合使用电源时，要避免出现开关器件损坏带来的损失。应分析使用环境变化对电源带来的影响，然后根据发射系统对电源能量输出要求的不同，核算电源系统中半导体器件能否满足指标，主要需要核算的指标包括：单管耐压、IT(AV)、di/dt、du/dt，必要的情况下可以加入专门的保护电路。

3　结论

笔者从线圈炮与轨道炮两种电源的差异性入手，对其中功率器件的工作特性进行了分析。通过分析可以看出，两种电源系统中的功率器件在制造原理、关键参数等方面存在相同的部分，但为了配合不同发射器需求，不可避免地存在一些差异，在对电源系统作出部分指标调整的前提下，具备相互之间替换使用的可能性。

在脉冲电源研制过程中，需要根据不同应用环境进行合理布局，重点应放在功率器件与使用环境的参数匹配。确保各部件工作在安全范围内，降低脉冲电源系统运行风险，延长使用寿命。

References)

[1]王莹,肖锋.电炮原理[M].北京:国防工业出版社,1995.

WANG Ying, XIAO Feng. Principle of electric gun[M]. Beijing:National Defense Industry Press, 1995.(in Chinese)

[2]BLUHM H. 脉冲功率系统的原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社,2008:51.

BLUHM H.Principles and applications of pulsed power systems[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2008:51.(in Chinese)

[3]MCLYMAN C.变压器与电感器设计手册[M].第3版.北京:中国电力出版社,2009:308-310.

MCLYMAN C. Transformer and inductor design manual[M]. 3rd ed. Beijing: China Electric Power Press, 2009: 308-310.(in Chinese)

[4]王兆安,刘进军.电力电子技术[M]. 第5版.北京:机械工业出版社,2009:204-205.

WANG Zhao’an, LIU Jinjun. Power electronic technology[M].5th ed. Beijing: China Machine Press, 2009:204-205.(in Chinese)

[5]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南：第1册[M].北京:机械工业出版社,2001.

LI Hong. Guide for application of devices and integrated circuits for power electronic devices：the first volume[M]. Beijing: China Machine Press, 2001.(in Chinese)

[6]张仁豫,陈昌渔,王昌长.高电压试验技术[M]. 第3版.北京:清华大学出版社,2009:61-63.

ZHANG Renyu, CHEN Changyu, WANG Changchang. High voltage test technique[M]. 3rd ed. Beijing: Tsinghua University Press, 2009:61-63.(in Chinese)

[7]NILSSON J, RIEDEL S. 电路[M]. 第8版.北京:电子工业出版社,2008.

NILSSON J, RIEDEL S. Electric circuits[M]. 8th ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008.(in Chinese)

[8]刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京:国防工业出版社,2005.

LIU Xisan. High power pulse technology[M].Beijing:National Defense Industry Press, 2005.(in Chinese)

[9]潘军.一种高性能快速晶闸管串联使用保护技术及其应用[J].工业加热，2005，34(5)：48-49.

PAN Jun. A protection technique and application of high performance fast thyristors in serial[J]. Industrial Hea-ting, 2005，34(5)：48-49.(in Chinese)

[10]屈春华.晶闸管串联应用时均压配对方法的探讨[J].电力电子技术，1996(3)：67.

QU Chunhua. Discussion on the method of mean pressure matching in tandem application[J].Power Electronics，1996(3)：67.(in Chinese)

The Analyses on the Power Components Characteristics of Two Types of PPS for Electromagnetic Launching

HUANG Kai，DONG Zhiqiang，REN Ren，ZHANG Huibo

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang, Shaanxi 712099, China)

Currently the studies of the electromagnetic launch focus on the field of coilgun and railgun, whose energy is supplied by the pulse powers. There are a large number of similarities in the ba-sic components and circuit topology of the two types of powers. The pulse power components have be made up of pulse capacitor, wave modulated reactor, thyristor components, freewheeling components, and energy absorption resistance, etc. Because of the different work environments required for the two types of pulse powers, there are some differences in performance requirements made of the pulse power components, too. A study is made of the effect of the power components from the perspective of the launch process variability between the coilgun and the railgun. An analysis is made of how to match the power components reasonably in combination with reality conditions, in order to satisfy the demand for the pulse power in deferent launch conditions.

PPS; coilgun; railgun; power component; thyristor; pulse inductance

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.002

2015-03-02

黄凯(1982—)，男，硕士研究生，主要从事脉冲功率与电磁发射研究。E-mail：hoko21@sina.com

TJ393

A

1673-6524(2016)02-0005-05