张淼， 沈娜， 田慧

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)



电磁轨道炮发射过程中的分布式脉冲电源系统冲击特性研究

张淼， 沈娜， 田慧

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京 210094)

电磁轨道炮发射过程中，分布式脉冲电源系统在1～2 ms的时间内，将承受30 kA以上的脉冲电流以及5 kV以上的脉冲电压，对于电源系统关键部件的工作特性造成极大的影响，甚至引起失效。因此，研究分布式脉冲电源系统在电磁轨道炮发射过程中的冲击特性是十分重要的。建立包含动态变化负载的分布式脉冲电源系统模型，利用电路仿真Pspice软件对分布式脉冲电源系统的冲击特性以及关键部件失效后的工作特性进行仿真分析，并将分析结果与实验结果进行对比。研究结果表明：电磁轨道炮发射过程中，分布式脉冲电源系统的电容器组，在单一模块晶闸管发生击穿短路故障后，受到较大的反向电流和反向电压，会对储能电容器造成严重破坏；在单一模块调波电感器发生击穿故障后，会造成故障模块的输出电流波形与电容器输出电流波形脉宽相近，且造成输出电流波形脉冲宽度变小，峰值增大(即通过晶闸管电流的di/dt变大)，可能造成晶闸管高压硅堆正向过流烧毁。仿真结果与实验结果吻合程度很高，证明所建立电磁轨道炮电源模型与实际使用模型十分接近，分析得到的结果准确性更好、可信度更高。

兵器科学与技术； 电磁轨道炮； 分布式脉冲电源系统； 动态负载； 冲击特性

0 引言

电磁轨道炮(简称电磁炮)是以电能为发射能源，通过产生的电磁力将弹丸发射出去。为使弹丸具有较高的出口初速和较大的加速度，需要尽可能地提高电源的放电功率和减少放电时间，因此由多个电容型储能模块并联组成的高功率脉冲电源被广泛应用于电磁炮等领域[1]。

分布式脉冲电源系统的冲击特性是指电磁炮电源系统在关键器件发生故障后电源系统的异常输出状态。目前高功率脉冲电源储能器件主要是高储能密度的金属化膜电容器，它虽然能承受大电流的冲击，但承受反向电压的能力却很差，反向充电将导致其损坏[2]。在电磁炮工作时高功率脉冲电源的工作情况多数为欠阻尼振荡放电，放电时造成电容器反向充电，降低了储能利用效率，并对储能电容器造成损坏，因此安装续流电路来解决这一问题。高压硅堆拥有良好的单向导电性，作为续流开关可以使续流电路简单有效[3]。目前，脉冲电容储能方式的技术最为成熟，相应的充放电技术与开关也相对成熟，应用最为广泛，不但成为实验研究用电磁发射平台脉冲功率源的主流方案，而且成为未来工程应用的主要电源方案之一[4]。徐荣等[5]对于增强型电磁炮发射器的电磁场分布和电感梯度的影响因素进行了分析。陈树义等[6]对电磁发射脉冲功率源系统放电过程特性进行了分析，主要研究了分布式脉冲电源系统正常工作情况下的放电过程。张亚舟等[7]研制的电磁发射用13 MJ脉冲功率电源表明现有设计的脉冲电源系统已经可以满足电磁发射实验的需求。

目前国内外对电磁发射过程的电源特性研究已经发展到相当阶段，并取得了一定的成果。但从已有文献和公开报道可以看出，目前国内外对电磁炮电源特性的研究还有一些不足之处：在研究电源系统工作特性时，只是针对系统的正常工作特性进行研究，没有针对系统关键部件失效情况下的电源系统冲击特性进行具体研究，而研究电源系统关键部件失效情况下的冲击特性对于电源系统的优化以及防护设计，都有着重要的意义。本文主要研究电磁炮电源系统的冲击特性。建立分布式脉冲电源系统工作特性模型；针对电源实际使用过程中几种常见的关键部件失效情况进行仿真分析，建立电源的冲击特性模型；最后提出电源关键部件的防护设计建议。

1 分布式脉冲电源系统仿真模型建立

在理想条件下，电磁炮电源电路工作过程可分为两个阶段：1)在放电开关闭合时储能电容C经过脉冲形成电感器L对负载R放电，在储能电容C初次能量释放完毕之前(即电容器电压过0 V之前)，电路工作响应可视为电阻- 电感- 电容2阶电路的零输入响应；2)储能电容器C电能初次释放完之后，存储到脉冲形成电感器L的能量通过续流支路继续释放，电路可等效为电阻- 电感1阶电路。

将电路负载直接视作线性负载，便可将电路等效为一个电阻- 电感- 电容串联电路，如图1所示。

图1 电阻- 电感- 电容串联电路示意图Fig.1 Schematic diagram of R-L-C series circuit

分析此电路得

(1)

式中：UC为储能电容C两端的电压；i为通过整个串联电路的电流。

将其微分可得2阶常系数微分方程：

(2)

电路初始条件：

(3)

利用拉氏变换求解此方程可得到3种不同条件下电路的放电过程:

对于电磁炮而言，负载主要为电枢电阻、电枢电感和轨道电阻、轨道电感，其中电枢电阻约为12～34 μΩ，电枢电感约为10 nH，轨道电阻约为0.18 ～3.67 mΩ[9]. 在本文中取0.6 mΩ电阻和4.2 μH电感代替电磁炮初始负载，以0.79 μH/m的电感梯度和0.11 mΩ/m的电阻梯度作为动态负载的变化梯度，并根据文献[10]对电磁炮内弹道速度及位移的研究，采用分段接入的方法设计负载。根据设计电路参数(见图1)可以计算得出，在未加装续流电路的情况下，电磁炮电路系统处于欠阻尼情况，为振荡放电电路。为保护电容器组，应加装续流电路对电源系统进行保护，防止因振荡电路产生反向电流对储能电容器反向充电，而使电容器组遭到破坏。

利用电路仿真PSpice软件对电容型电源系统进行建模与仿真分析，建立单一电源模块模型如图2所示。

图2 单一电源模块电路模型Fig.2 Single power supply module circuit model

电路参数为：X1为晶闸管，D1为续流二极管，RL为电源负载，脉冲电容器C=1 mF，工作电压U=10 kV，脉冲电容器内阻R1=2 mΩ，杂扰电感L1=1 μH；晶闸管断态重复峰值电压11 kV，正向导通时间1 μs，反向关断时间1 μs；脉冲形成电感器L2=20 μH，脉冲形成电感器内阻R2=1.5 mΩ；电缆电阻R3=2 mΩ，电缆电感L2=0.1 μH；续流二极管保护电阻R4=20 mΩ.

其中负载部分采用动态变化负载作为研究对象，相比于静态负载，电磁炮的负载会随着电枢的运动而逐渐增大，因此动态负载更加符合实际情况，能够使仿真结果更加接近于真实情况，得到结论的可信度更高。

负载部分变化曲线及电路模型示意图(负载电路说明：将负载分段串联接入电路，在每段负载上并联闭合开关，在指定时刻打开开关)如图3所示。

图3 动态负载Fig.3 Dynamic load

单一模块正常工作电路波形分析如图4所示。图4(a)为单一电源模块电流波形，图中IMS为电源模块的输出电流；ITS为通过晶闸管的电流；IDS为通过续流电路的电流。图4(b)为单一电源模块储能电容器放电电压波形。

图4 电一电源模块工作输出波形Fig.4 Output waveform of single power supply module

建立多模块电容型脉冲电源结构如图5所示。

图5 多模块电源电路模型示意图Fig.5 Schematic diagram of multi-module power supply circuit model

图5中，模块总数为20，各单一模块结构与图2一致，多模块的放电时序为：第1、第2模块同步放电，第3～第20模块以150 μs的时序间隔放电。其中负载部分采用动态变化电阻作为研究对象，负载部分电路模型示意图如图3所示。

多个模块仿真后，输出电流波形如图6所示，从图中可以看出各模块之间的叠加现象，以及电流波形的“平台现象”。相比于恒定负载的电路仿真图，采用动态负载的电路仿真结果，与实测电磁炮发射过程中的电流输出波形更加近似，说明了本文在采用动态负载后的仿真结果可信度更高。

图6 多模块电源工作电流波形Fig.6 Multi-module power supply working current waveform

2 分布式脉冲电源系统冲击特性分析

在实际应用中高压硅堆会有损坏的情况，对于硅堆损坏，通常是因为结温过高引起的。结温过高的主要原因有：1)反向电压(或dU/dt)过高超出允许值，反向耗散功率过大，即反向过压热击穿；2)正向电流(di/dt)过高超出允许值，导通状态下损耗过大，即正向过流烧毁。图7为晶闸管两端的电压差值。

图7 晶闸管两端电压差Fig.7 Voltage between two ends of thyristor

通过对单个电源电容输出电压的分析，可以得到在闸管截止时刻，晶闸管所承受的最大反向电压上升率可达dU/dt=8.75×109V/s，这会造成晶闸管承受反向电压上升率过高而引起反向过压热击穿，造成晶闸管故障。

当晶闸管发生击穿短路故障时，晶闸管失去了应有的开关作用，此时电路结构符合电阻- 电感- 电容振荡电路，固有频率ω0和阻尼比ξ分别为

(4)

式中：L、C、R分别电路中的总电感、总电容和总电阻。

在本文的仿真过程中，假设t=0 ms时刻，晶闸管发生击穿短路故障。此时发生晶闸管击穿短路的模块的输出波形应为振荡波形如图8所示。

图8 晶闸管故障后输出Fig.8 Output waveform after thyristor breakdown

图8(a)为晶闸管发生击穿短路故障后，故障模块的输出波形，其中IMS1为该模块的输出电流，IDS1为通过续流二极管的电流，ITS1为通过晶闸管的电流。图8(b)为发生击穿短路故障后故障模块的电容器电压输出波形。图8(c)为发生击穿短路故障后多个模块的总输出电流波形。

在实际使用中调波电感往往会因为器件参数不达标，或者散热能力较差等原因，引发故障。当调波电感发生击穿故障时，此时调波电感击穿，电感值变小，所以电磁炮电源工作的第2阶段，即调波电感储能后，经由负载和续流电路放电阶段会有较大影响。因为调波电感电感值的下降，调波电感的储能能力变弱，所以该模块的输出主要是由电源第1阶段工作造成，因此发生调波电感击穿故障后，故障模块的输出电流波形与电容器的输出电流波形相近。且因为电感值的降低，根据(4)式可以得出电容器输出电流脉宽会变小，即故障模块的输出电流脉宽会变小。

在本文仿真过程中，假设调波电感发生故障后，由原来的20 μH变为1 μH，得到故障模块的输出波形如图9所示。

图9 调波电感故障后输出电流Fig.9 Output current waveform after inductance breakdown

图9(a)为调波电感发生故障后，故障模块的输出波形，其中IMS2为该模块的输出电流，IDS2为通过续流二极管的电流，ITS2为通过调波电感的电流。

3 冲击特性实验

为验证仿真结果的准确性，必须进行对照实验。实验系统采用的是由南京理工大学瞬态物理国家重点实验室牵头组建的13 MJ电容储能式电磁发射脉冲电源。该系统由220个模块单元组成，工作电压10 kV，最大峰值电流超过6 MA. 13 MJ电容储能式电磁发射脉冲电源采用矩阵式管理模块，将电源模块分为11组，每组有20个电源模块。每个模块为50 kJ脉冲电源模块[11]。

电磁炮电源实验系统在正常工作和发生故障后的实际表现如图10～图13所示。

图10 实测单一模块输出Fig.10 Measured single module output waveform

图11 实测总电源系统输出电流Fig.11 Measured output current waveform of power supply system

图12 实测晶闸管故障后输出Fig.12 Measured output waveform after thyristor breakdown

图12(a)为实测晶闸管发生击穿短路故障后，故障模块的输出波形，其中IME1为该模块的输出电流，IDE1为通过续流二极管的电流波形，ITE1为通过晶闸管的电流波形；图12(b)为发生击穿短路故障后，故障模块的电容器电压输出波形。

图13 实测调波电感故障电流输出Fig.13 Measured output current waveform after inductor breakdown

图13为实测调波电感发生故障后，故障模块的输出波形，其中IME2为该模块的输出电流，ITE2为通过调波电感的电流波形。

4 实验结果分析

从单一模块正常工作情况下的实验结果(见图10)与仿真结果(见图4)的对比可以看出：实测单个模块的最高输出电流为64 kA，仿真结果与实测结果相比略高为65 kA，这是由于在实际连接线缆中存在杂散电感和杂散电阻导致的[11]；实测单个模块正向输出最高电压为10 kV，反向最高电压为1 kV，仿真结果与实测结果相比十分吻合。

将正常工作情况下输出电流的实验结果(见图11)与仿真结果(见图6)进行对比，可以看出：实测分布式电源系统总输出电流波形为“平台”波形，电流最高值为200 kA，“平台”宽度约为2 ms，与仿真结果进行对比可以发现，输出电流波形和“平台”波形宽度与实测波形十分吻合，由此可以看出，使用动态负载后的电路仿真结果，可信度更高。输出电流值大于实测电流，这是由于实测中连接线缆中存在的杂散电感和杂散电阻造成的。

从晶闸管发生击穿短路故障后的实验结果(见图12)与仿真结果(见图8)的对比可以看出：实测晶闸管击穿短路故障后，储能电容器输出电压、电流，故障模块输出电流，续流电路输出电流波形，均为振荡波形；仿真结果波形与实测结果波形对比较为吻合。

调波电感发生击穿故障后的实验结果表明，在调波电感发生击穿故障后，故障模块的输出电流波形脉宽与电容器的输出电流波形脉宽相近，仿真结果(见图9(a))也表明故障模块输出波形脉宽与电容器的输出电流波形脉宽相近，且脉宽宽度与实验结果相近均在0.3 ms左右。

从图8(c)仿真结果可以看出，在单个模块发生晶闸管击穿短路的情况下，短路时刻会对整体输出电流波形造成影响，但是对整体的发射效率影响并不明显。

从图9(b)仿真结果可以看出，在单个模块发生调波电感击穿的情况下，故障模块触发时刻对整体输出电流波形有十分明显的影响，此刻总体输出电流值会高于正常值20%. 之后由于故障模块输出波形宽度变小，后续模块的叠加电流低于正常值，且总输出电流波形中存在电流下降的过程，电磁炮的整体发射效率会低于正常发射效率。

通过实验结果与仿真结果的对比可以看出，仿真结果与实验结果较为吻合，证明了仿真结果的可靠性。

5 结论

通过上述的分析仿真和实验结果可以得到以下结论：

1)在单一模块晶闸管发生击穿短路故障后，晶闸管失去开关作用，电容器的输出为振荡电流和振荡电压，反向电压最高值可达5～6 kV，这会严重影响反向电压承受能力较弱的储能电容器，影响其使用寿命，甚至造成破坏；

2)在单一模块调波电感发生击穿故障后，调波电感失去对电源输出波形的整形能力，使得电源模块难以得到理想的脉冲输出波形；而且调波电感发生故障后，故障模块的输出电流会严重高于正常输出电流，最高输出电流可达120 kA，近似正常输出电流最高值的2倍，输出电流的上升时间约为正常工作情况下的1/2，这会使得电流通过晶闸管的di/dt增大，对于模块中的晶闸管器件有较大影响，有可能造成高压硅堆的正向过流烧毁。

3)从上述的分析和结果来看，分布式脉冲电源系统的冲击特性会对电源系统造成严重破坏，所以对于分布式脉冲电源系统关键部件的保护是十分必要的。对于晶闸管可以采用动态和静态均压电路以限制晶闸管出现过电压的情况，采用合理数值电感的脉冲电感以限制电流上升率di/dt和脉冲峰值电流，设计合理的散热器以保证晶闸管工作在适宜的温度范围内。对于脉冲电感器，应当适当提高电感器的设计参数，增强电感器对过电压和过电流的耐性，并设计合理的散热装置，确保电感器不会因为过电压、过电流或者是高温而产生击穿故障。

本文通过对电磁炮电源系统在关键部件失效后的工作特性进行分析，获得了分布式脉冲电源系统的冲击特性模型，所得结论可以为今后电磁炮分布式脉冲电源系统的设计提供参考。

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Analysis of Impinging Characteristic of Distributed Power Supply Systemduring Launching of Electromagnetic Rail-gun

ZHANG Miao, SHEN Na， TIAN Hui

(State Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094， Jiangsu, China)

During the launching of electromagnetic rail-gun, the distributed power supply system would suffer more than 30 kA pulse current and more than 5 kV pulse voltage within 2 ms, which has great effect on the critical components of power supply system. Research on the impinging characteristic of distributed power supply system during the launching of electromagnetic rail-gun is very important. A distributed pulse power supply system model with dynamic load variation is established. The impinging characteristics of the distributed pulse power supply system and its working characteristics after the failure of critical components are simulated using Pspice software, and the analysis results are compared with the experimental results. The results show that, during the launching of electromagnetic rail-gun, the capacitor bank of distributed power supply system would suffer large reverse current and reverse voltage after thyristor breakdown, which causes serious damage to the capacitor bank. After the wave modulated inductance is breakdown, the output waveform pulse width of fault module is similar to the output waveform of capacitor bank, and it causes the pulse width of output waveform decrease peak value increase(di/dtof current that though the thyristor increase), it may cause the high voltage silicon rectifier stack of thyristor positive flow burned. The simulated results are in good agreement with the experimental results, which proves that the power model of electromagnetic rail gun is very close to the practical model, and the result is more accurate and credible.

ordnance science and technology; electromagnetic rail-gun; distributed power supply system; dynamic load; impingement characteristic

2016-08-01

武器装备预先研究项目(9140C300106150C30001)； 中央高校基本科研业务费专项项目(30915011334)

张淼(1990—)， 男， 硕士研究生。 E-mail: 348603088@qq.com

沈娜(1979—)， 女， 副研究员， 硕士生导师。 E-mail: snbox@njust.edu.cn

TJ866

A

1000-1093(2017)05-0859-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.004