张亚舟， 李贞晓， 田慧， 李海元， 栗保明

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)



基于反向开关晶体管的脉冲电源在电磁发射中的应用

张亚舟， 李贞晓， 田慧， 李海元， 栗保明

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)

为了进行电磁轨道炮发射机理研究，研制了一套基于反向导通双晶复合晶体管(RSD)全固态开关的电容储能型脉冲功率电源。RSD开关采用可控等离子体换流技术，具有全面积均匀同步导通、开通损耗小、功率大、换流效率高、寿命长的特点。电源系统由16个64 kJ储能模块并联组成，采用一体化紧凑设计，内嵌充电、控制、保护与测量功能。系统额定电压18 kV、总储能1 MJ，可通过时序控制对放电波形进行调节，短路同步放电峰值可达960 kA. 系统在20 mm口径电磁轨道炮上进行了多次发射试验，结果表明脉冲电源系统可靠性高，一致性好，输出波形灵活可调，满足轨道炮超高速发射研究的需要。

兵器科学与技术； 电磁发射； 脉冲功率电源； 反向开关晶体管

0 引言

电磁发射技术是一种利用电磁力做功将电源系统中的电能转化为有效载荷的动能，从而达到弹丸超高速发射的技术。电能的提供对于该项技术的研究与运用尤为重要[1-2]。高功率脉冲电源作为电能的来源组成结构形式较多，电磁发射用脉冲功率电源较多采用电容储能形式，多模块并联结构，通过电源模块时序放电实现超高速发射[3-4]。

放电开关作为脉冲电源的重要组成器件之一，制约着电源系统对负载提供能量的效率。电磁发射用脉冲功率开关需要具有上万伏的断态重复峰值电压，数百千安每微秒的峰值电流上升率，微秒级开通速度，较高重复频率与长寿命等特点。采用可控等离子层换流技术的反向导通双晶复合晶体管(RSD)开关具备以上特点，可应用于电磁发射用脉冲电源。

为了进行电磁轨道炮发射机理研究，本文采用RSD开关研制了一套结构紧凑、集成度高的电容储能型脉冲电源。电源系统经过多次性能测试，并应用于20 mm口径电磁发射试验，结果表明RSD开关脉冲电源可以满足电磁轨道炮超高速发射研究的需要。

1 RSD开关结构与原理

RSD开关是20世纪80年代末由俄罗斯阿·法·约飞物理科学研究院的Grekhov等基于可控等离子层换流原理首先提出的。RSD开关是一种类晶闸管器件，与传统晶闸管在门极附近先开通、再扩展到芯片全面积的工作过程不同，RSD工作过程可以分为预充和导通两个阶段。RSD开关的基本结构及原理电路如图1所示。

图1 RSD结构及原理电路Fig.1 Structure and schematic circuit of RSD

单只RSD是由数万只非对称p+-n-p-n+晶闸管与n+-p-n+晶体管多单元并联形成的两端结构，如同晶闸管断态一样，可承受数千伏的正向阻断电压。预充回路中，开关S闭合后，电容器C2产生一个1～2 μs脉宽，1.5～2 kA幅值的短时脉冲电流反向流经RSD，通过等离子体的双向注入，在高阻区形成一层很薄、浓度梯度很高的可控等离子层；主回路放电时，RSD外电压变为正向，结构中的等离子体在电场作用下再分布，使原本反偏的集电结倒向，RSD快速开通数十至数百千安的大电流。由于触发作用的均匀性，导通过程将在器件的全面积上均匀同步发生[5-12]。磁开关MS的作用是在预充电路工作时将主电路隔离开，同时还可以提高开关的开通速度[13-14]。

电磁发射脉冲功率电源中，常用开关有晶闸管开关、真空触发开关与RSD开关等。RSD开关应用于电磁发射脉冲电源具有如下优势：1) RSD开关基于等离子体换流原理实现全面积均匀同步导通，具有无开通时延的特点，可以满足电磁发射精准时序放电的要求。晶闸管开关和真空触发开关在开通时会有数微秒的开通延时，不利于模块时序放电的精准控制；2) RSD开关没有门极，是两端器件，更易组成堆体，理论上可以无限个串联使用，无需均压，有助于提高电磁发射系统的可靠性。晶闸管开关需采用门极触发方式导通，且串联使用时需并联均压保护电路以确保器件使用安全，应用较RSD开关复杂；3) RSD开关的换流特性使其残余电压在前沿只有很小的突升，导通时的换流损耗与准静态损耗相比很小。RSD开关的准静态情况持续时间出现在几个微秒以内，普通晶闸管开关这个过程约上百微秒，损耗更大一些。开关损耗小更有利于电磁轨道炮连续发射试验研究。真空触发开关则受限于电极烧蚀与内部真空维持状况，同时需要时间恢复到原始绝缘状态；4)多只开关串联使用时，晶闸管串联组需为每只器件提供一套独立驱动系统，而RSD串联组只需一套触发系统即可驱动整个串联组。触发电路相对简单，易于同步开通与集成设计。RSD开关的制作工艺也与传统半导体工艺相兼容。

2 1 MJ脉冲功率电源系统

基于RSD开关诸多优点研制了一套储能1 MJ的高功率脉冲电源。电源系统主要由2个电源箱体，系统控制台与系统汇流器组成。每个电源箱体集成了1台高功率充电机、8个电源模块与8个RSD触发控制器。

2.1 脉冲电源模块

脉冲电源模块电路拓扑图如图2所示，主要参数如表1所示。图2中C为脉冲电容器，选用400 μF/18 kV的合成油浸渍聚丙烯薄膜绝缘型高压电容器，储能密度达1.3 J/cm3；VS为放电开关，选用10只直径63 mm、工作电压2.2 kV RSD开关串联组成堆体。

图2 脉冲电源模块电路拓扑图Fig.2 Schematic circuit diagram of PPM

参数数值储能/kJ64脉冲电容器电容/μF400脉冲电感器电感/μH25峰值电流/kA60放电时延范围/ms0～32

根据RSD开关的最大电流耐量经验公式[15]

(1)

式中：Im为RSD脉冲最大电流耐量(A)；K为结构因子，反比于基区宽度确定的工作电压；S为RSD芯片有效面积(cm2)；f为电流曲线因子，取值从方波曲线的1到正弦半波的0.66；tp为电流脉宽(s)。计算得到最大电流耐量为70 kA，满足模块设计要求。

RSD直接使用会导致续流电流反向流向电容器，对电容器反向充电，采用保护二极管VD1与RSD串联的方式，阻止反向电流流向RSD，确保负载R即使在模块放电前产生感应电压也不会使RSD导通。VD1采用10只直径50 mm、耐压2.2 kV的二极管串联组成。续流开关VD2选用10只直径76 mm、工作电压2.2 kV的二极管串联组成。两组开关的最大工作电流均为70 kA，但由于流经VD2的续流电流与流经VD1的初始放电电流相比持续时间更长，故VD2选用了阀片直径更大、通流能力更强的组件。为保护元器件，防止过压造成损坏，每只二极管均并联压敏电阻与阻容元件。L为脉冲电感器，采用25 μH/18 kV空心环形结构电感，绕组内芯采用玻璃纤维塑料，外部浇筑耐热化合物。 储能模块如图3所示，电感器与电容器分别位于模块最上方与最下方，开关与其他保护电路元件均被安装在电感器与电容器之间。每个模块均采用低感、低阻同轴电缆与汇流器连接，以降低系统中杂散参数，提高放电电流。在确保组件在电、热、磁、力场作用下可靠运行的前提下，所有组件紧密排列组装使电源模块体积大幅减小，提高了系统储能密度。

图3 脉冲电源模块Fig.3 Photo of PPM

2.2 充电系统

充电系统由两台高功率充电机组成。充电机采用体积小、效率高、适合宽范围变化负载的恒流充电方式，串联谐振充电电路由高速单片机进行控制。采用工频交流电供电，最大工作电压18 kV，工作频率15 kHz，输出电流2 A，功耗40 kW，可在30 s内完成充电。充电机采用风冷散热方式，安装IGBT温度检测装置，用于防止开关过热造成充电机损坏。

2.3 控制系统

控制系统包含充电机控制、充电电压监测、充电模块选择、紧急情况下电荷泄放、脉冲放电触发控制等。系统由计算机、控制台以及触发模块组成。控制台集成了无线路由器、通信转换器、千伏电压表、光隔离器、程序控制器等器件。计算机与控制台采用无线网络进行通信传输，加强了系统安全性及远程操控能力。控制台中各器件通过RS-485端口进行数据交换与通信，RS-485同样可以与其他外接控制及测量设备进行信息交互。控制模块通过光纤对充电机进行控制，同时实时采集充电电压，当检测到充电电压超过18.5 kV时，系统自动关闭充电机，并进行能量泄放，以保护充电系统与模块中电容器安全。控制模块对电源下达触发命令时，控制模块中的光隔离器通过光纤按照系统设置的触发时序对电源箱中的各RSD触发模块传输开通信号使电源放电。

2.4 测量系统

测量系统用于对电源的放电电压与电流进行测量。电压测量由高压探针、光纤隔离传输装置和数据采集器组成。高压信号经高压探针输出低电压信号，通过光纤隔离放大器传输后，传入数据采集系统。高压探针带宽为75 MHz，衰减比1 000∶1，最大输入直流电压20 kV. 光纤隔离放大器测量范围±100 mV～±50 V，可通过RS-232端口进行远程控制。电流测量由Rogowski线圈和数据采集器组成。线圈灵敏度为0.01 mV/A，单个电源箱测量最大峰值电流500 kA，带宽1 Hz～1.2 MHz.

电源系统采用了模块紧凑化与系统集成设计，储能密度达0.5 MJ/m3. 分析了可能出现的故障，并设计了保护措施。电源系统结构原理框图如图4(a)所示，电源系统如图4(b)所示。

图4 电源系统原理图及照片Fig.4 Schematic diagram and photos of PPS

3 RSD电源系统试验

3.1 电源系统性能测试

利用模拟负载对脉冲电源进行短路放电测试，包括不同充电电压下电源同步与时序放电测试。图5为电源对模拟负载同步放电试验输出电流波形图，I1～I4分别为充电电压5 kV、10 kV、14 kV、18 kV时的放电波形，输出电流在0.15 ms左右达到峰值，峰值电流分别为303 kA、597 kA、832 kA、960 kA. 由图5可以看出18 kV放电电流幅值近乎达到兆安级。

图5 不同充电电压同步放电电流试验曲线Fig.5 Experimental current waveforms of PPS at different charging voltages

图6为充电电压为5 kV、10 kV、14 kV时电源对模拟负载进行时序放电波形，16个电源模块依次以时序间隔500 μs放电，测得电流峰值分别为57 kA、121 kA、172 kA. 从图6中可以看出，电流脉宽超过8 ms，各模块均能准确按照设定时间间隔放电。

图6 不同充电电压时序间隔500 μs放电曲线Fig.6 PPS experimental current waveforms of 500 μs time sequence at different charging voltages

3.2 电磁轨道炮发射试验

电磁轨道发射时，电枢速度瞬间从0加速到超高速，对轨道的冲击很大，为了获得平稳的加速过程，轨道内的理想电流波形为梯形。RSD开关脉冲电源用于电磁发射器并进行了多次超高速发射试验。发射器口径为20 mm，采用双轨结构设计，铝制U型电枢。通过对发射器相关参数测量，进行了发射时序优化计算。

试验使用14个模块进行时序放电，充电电压为14 kV，前3个电源模块采用同步放电，使放电电流迅速上升到一个较高的幅值，其余11个模块依据表2中时序间隔放电，将电流幅值维持在一个平台内，达到类似于梯形波的特点。发射试验采用前述Rogowski线圈测量电源系统电流，高压探针测量发射器炮口、炮尾电压，箔靶与数据采集器测量电枢速度。

表2 发射试验时序间隔时间

系统电流测量用于研究电源系统与负载匹配情况，图7为3次试验测得系统放电电流，电流峰值分别为166 kA、166 kA、168 kA.由图7可以看出，3次放电电流波形均类似于梯形波，电流在0.16 ms内迅速上升到130 kA，随后缓步上升，在0.9～1.8 ms时维持在160 kA平台附近。从2.3 ms开始电流下降缓慢是因为电枢出炮口后造成电阻上升，导致残余电能释放缓慢，可以看出2.3 ms前，3次放电电流趋势和幅值一致性较高，与负载匹配良好。

图7 汇流器端电流测量曲线Fig.7 Experimental current waveforms of busbar

炮口电压测量用于研究弹丸与轨道间接触情况，炮尾电压测量用于研究电枢在轨道中运行状态。图8中炮尾电压因前3个模块同步放电，使得第1个波形峰值达2.4 kV，其余模块放电时电压峰值最高为750 V，相比14 kV放电电压，由图8可以看出能量释放效率较高。炮口电压在1 ms内维持在一个固定区间，表明电枢与轨道接触较好。1 ms后电压开始随时间缓慢上升，这表明电枢与轨道之间接触出现间隙，接触电阻上升导致炮口电压上升。在2.3 ms时刻，炮口炮尾电压均有明显的突变，这表明此时电枢从炮口射出。

图8 发射器炮口和炮尾电压波形Fig.8 Experimental voltage waveforms of breech and muzzle

电枢速度采用三网靶定距测时原理进行测量。炮口与网靶距离s01=1 305 mm，各网靶间距为s12=520 mm，s23=870 mm，s34=520 mm，3次试验测得v12电枢速度分别为2 110 m/s、2 123 m/s和2 115 m/s，达到了超高速发射的要求。图9为v12电枢速度为2 115 m/s时的测速靶触发电压信号图，触发时间分别为245.8 μs、714.5 μs、1 000.7 μs.

图9 测速靶触发电压信号Fig.9 Trigger voltage signal of velocity-measuring system

RSD开关无开通延时，脉冲电源时序放电设置可精确到1 μs，各模块放电时延范围可在0～32 000 μs间进行设置，从而确保放电波形灵活可调。多次发射试验表明系统性能良好、可靠性较高，可以满足20 mm口径电磁轨道炮超高速发射研究的需要。

4 结论

1)基于RSD开关具有芯片全面积均匀同步导通、高耐压、易串联、通流强等优点，研制了一套采用RSD开关的脉冲电源。通过对RSD开关最大电流耐量计算，加装串联保护二极管、压敏电阻等方法确保电源系统运行可靠。

2)电源系统对模拟负载进行了同步与时序短路放电性能测试，并用于20 mm口径电磁发射试验。试验表明RSD开关脉冲电源触发准确，可以输出与负载特性相匹配的具有较高幅值、数毫秒脉宽、上升快速且有类梯形波特点的脉冲电流，一致性、可靠性较高，可以满足20 mm口径电磁轨道炮超高速发射研究的需要。

致谢 俄罗斯D. V. Efremov电物理科学研究所B. E. Fridman教授及其团队对本文中RSD开关电源研制提供的帮助与指导。

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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

国防“973”计划项目(6132270202)

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

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

TM833

A

1000-1093(2017)04-0658-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.005