董新营，李海

（武汉船用机械有限责任公司，湖北武汉，430084）

0 引言

根据现代电磁力驱动机制在轨道交通的发展现状，其高速运动特性有着巨大的潜在优势和广阔的应用前景。为满足工作时的超高功率密度，目前应用较成熟的解决方案主要是采用由多个电容供电单元时序控制并联组成的脉冲功率源系统。在实际工作中，电枢与运动轨道之间接触面都不可能是理想表面，必然存在微小的凹凸点从而导致接触面电流密度呈非均匀分布，继而引起接触面凸起处高温气化并等离子化发生电弧，从而不可避免地引发负载突变。本文针对电容供电单元建立了电路模型，分析了负载接触点发生电弧接触现象对电容供电单元产生的冲击，并研究了对冲击的抑制手段。

1 工作模型

某高速轨道列车采用脉冲直线电机作为驱动机构，其工作模型简化如图1 所示。图中电枢即为安装于列车上的驱动机构，实现向定向直线推力。

图1 简化工作模型图

图中I 为通过轨道与列车电枢的电流，B 为磁场示意，设备能量来自图中下方的脉冲功率源系统，由多个电容供电单元PFU 并联组成。每个PFU 的组成结构相同，主要元件包括储能电容C、脉冲成形电感C、晶闸管SCR 和二极管D。

PFU 中的晶闸管SCR 在程序的控制下分组触发，控制相应PFU 模块向执行机构供电。通过程序对各个模块的SCR 导通时间进行控制，即可实现装置对电源供电的脉宽和波形的控制。图中PFU 模块按照从1 到n 进行编号标记，Cn、SCRn、Ln、Dn、RDn依次表示相应编号储能单元中的储能电容、晶闸管、调波电感器、高压二极管和缓冲电阻。

电容储能模块支路中的高压二极管截止方向与供电方向相反，主要承担调节脉冲电流波形和保护电源的功能，避免电容出现反向充电。根据装置实际工作中的故障统计，二极管损坏现象较为频繁，远低于其预期使用寿命，且通常故障前负载端在工作中出现电弧，负载端的拉弧现象与高压二极管Dn 的故障存在较强的关联性。

高压二极管又称为硅堆，元件采用多只二极管（硅粒）封装而成，每个二极管之间为串联关系，从而实现对高电压的截止。由其物理特性可知，工作中出现损坏有两种可能：（1）加载在二极管两端的反向电压或工作电流超出额定值而被击穿；（2）虽然其反向电压或工作电流未超出额定值，但是因为冲击而产生的变化率（di/dt 或dv/dt）过大也可能导致损坏。下文将对PFU 单元电路建立仿真计算模型，对高压二极管在工作过程中承受的电流和电压冲击进行原因分析，寻找抑制冲击的方法。

2 电路模型建立与仿真

单个PFU 单元的电路模型如图2 所示，其中晶闸管简化为理想开关K，暂不考虑其触发导通与截止瞬间对电路的影响（导通瞬间存在电阻电感效应，而截止瞬间存在电容效应）。

图2 单个PFU 单元电路模型

Uc：激励电压；U：输出响应电压；Rc：电源侧线缆等效电阻；Lc：电源侧线缆等效电感；Rs：输出侧线缆等效电阻；Rp：支路线缆等效电阻；Le：输出侧线缆等效电感；RB：输出侧线缆等效电阻；Cp：二极管反向等效电容；C：供电电容；Ls：电感器。

由于工作中运动能量密度高而脉宽短，因此在模型中考虑到高频脉冲工况而针对每条支路均引入了设备线路本身携带的杂散电阻、电感。另外考虑到设备实物的线缆长度和布线方式已经对寄生电容采取了屏蔽抑制的手段，因此模型中未考虑支路的寄生电容。

二极管在两端电压方向与导通方向一致时，该元件可等效为理想二极管D 和等效电阻RD串联；而当二极管两端电压方向与导通方向相反时，则该元件可等效为电容CD。

在电容对外放电工作时，图中三条支路的电流IC、IS、ID即是仿真分析的对象。模型仿真中各参数设置如表1 所示。

表1 仿真参数设置表

为进行概念验证，仿真模型按控制程序所需的最简配置：即两个等参数PFU 单元并联为模型来分析二极管两端电压、电流的变化过程。将电容初始充电电压设置为10kV，T=0 时，PFU1模块晶闸管导通对外输出电能，PFU2处于截止状态不对外供电；T=0.4ms 时，在负载侧引入一次阶跃突变电压来模拟接触点的拉弧现象。

采用Matlab-Simulink 软件对PFU 脉冲单元建模如图3 所示，分别分析在T=0-0.4ms 期间未发生拉弧现象以及0.4ms 发生拉弧后模块各支路电流的变化。

图3 等参数PFU 单元并联模型

PFU 模块采用离散计算模式，步长设置为0.1μs，支路电流仿真结果见图4。图中可见二极管支路电流ID、电感电流IS和电容电流IC随时间的变化过程。

图4 支路电流仿真

从仿真结果可见，图两条支路电流曲线在开始放电后约0.2ms 时刻二极管两端电压方向从方向转变为正向时，电流ID变化率di/dt 急剧增大。出现过冲然后调整的现象，其中本文关注的二极管电流ID在达到最大值后，出现了约0.05ms时长的振荡现象，随后衰减稳定。在0.4ms 引入阶跃信号后，ID 迅速下降至0 后不再变化。因此可判断，负载端出现拉弧导致的变化不致引起二极管支路电流变化率di/dt 的突变。

FTU1二极管支路电压Ud仿真结果见图5。图5 中电压U 在0.4ms 时间点发生的阶跃信号即为人为引入模拟电弧的阶跃电压。观察PFU1二极管支路两端的电压Ud，二极管支路承受着快速换向的电压工况，从而在此时间中，高压二极管D 的损坏风险大大增加。

图5 FTU1 模块支路电压仿真

3 抑制方法分析与仿真

针对上文的电路中关注二极管部分，简化为标准RLC电路模型如图6 所示，采用标准二阶电路系统来进行分析。

图6 电路模型

图7 加入电阻保护后电路模型

在上图模型电路中，设传递函数=G(s)、谐振频率=ωn、系统阻尼比=ζ。则其数学模型如下：

当晶闸管触发时，电容开始对外放电，此时二极管可以等效为结电容CD，CD开始进入充电状态。由于CD电容值不大，因此充电时间很短，CD充电时长可视为0，在二极管导通前ID≈0，IC=IS。

当二极管电压UO换向时，二极管导通，电流IC在减小的同时ID迅速增加。由于晶闸管SCR 不可能在瞬间断开，电路在此时间转变成对电容C 的充电电路，RC、RD和LC构成如图6 的二阶电路。按照同样的元件参数，计算回路阻尼比ζ ≈ 0.3。在如此小的阻尼比状态下，回路中的环流IC的阶跃过程必然将产生过冲量，然后经回路振荡衰减后趋向于零。

由于振荡是因为电路本身的特性产生，无法彻底消除，因此可以考虑提高系统阻尼比减弱振荡幅值的方法对二极管进行保护。从可靠性、成本和负责程度来考虑，用电阻并联进行保护的方式实现更简单易行，简化为标准RLC 电路模型如7 所示。

系统阻尼比在电路改变后发生变化，传递函数为：

考虑到RP远大于电路上的杂散电阻R，因此可以近似认为：

因此阻尼比ζ 近似计算如下：

与采取电阻并联之前相比，阻尼比公式中增加了第二项。基于本装置电路模型的参数，选择合适的RP即可将系统阻尼比提高到过阻尼状态。

由图8 可见，在二极管支路采取并联电阻保护手段后，FTU1模块的二极管支路电压振幅得到了极大地抑制，其最大电压峰值从19000V 降至14000V 附近，而且第二个波次振荡峰值即降至约11000V。电压在约2ms 时间内经2 至3次振荡后即稳定，系统的收敛性得到了很大的提高。

图8 采用电阻保护前后FTU1 模块支路电压

4 结论

根据上述分析，在采用电容供电模式的电路中，负载侧拉弧导致的电压变化会在二极管回路中引起电压振荡，从而提高了高压二极管的工作风险，降低了元件工作寿命。针对此风险，采取并联电阻的方式可以抑制电压振荡的幅值，提高收敛的速度，但是始终无法完全消除。另外，本文仅基于二阶电路理论对这种多组电容模块并联供电的模式分析研究，考虑到电弧所处的等离子状态以及空间电磁感应效应的对系统的影响，还有待于从电磁学的角度对系统的耦合性开展更深一步的研究。