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脈沖功率電源中浪涌電壓分析與仿真

2014-09-10 07:20楊玉東
淮陰工學院學報 2014年3期
關鍵詞:浪涌二極管電感

楊玉東,金 魁

(淮陰工學院 電子與電氣工程學院,江蘇 淮安 223003)

0 引言

脈沖功率電源是電磁軌道炮的能量來源,主要由電容、開關、續(xù)流二極管、調波電感及一系列保護電路構成,實驗中發(fā)現(xiàn)在脈沖成形網(wǎng)絡放電過程中會發(fā)生半導體器件(如可控硅開關、續(xù)流二極管等)損壞現(xiàn)象[1-2]。眾所周知,半導體器件的損壞大多是流過器件的電流過大或反向電壓過高造成的。由于脈沖功率電源存在感性器件, 如調波電感、軌道等效電感、連線分布電感等,在電路狀態(tài)轉換過程中會存在電流和電壓過沖現(xiàn)象,稱之為浪涌現(xiàn)象。國內外文獻對脈沖功率電源中的浪涌現(xiàn)象分析很少,實驗過程中出現(xiàn)半導體功率器件的損壞一般歸納于器件的參數(shù)不匹配或制造工藝問題[3],林慶華、栗保明對脈沖功率電源中出現(xiàn)的振蕩電流進行了仿真分析,采用的是Pspice中二極管模型,模型本身存在缺陷,難于真實地反映實際問題[4]。Jin-Sung K等僅對多模塊脈沖功率電源時序放電存在的浪涌電壓進行了分析[5],認為浪涌電壓是由于后續(xù)放電模塊對前一放電模塊沖擊造成的,但對沖擊時間及影響效果未作討論。本文構建多模塊脈沖功率電源的二階電路,對激勵電壓和二階電路中二極管的電流波形進行HHT變換,尋找浪涌電壓產生的原因并提出抑制方法。

1 浪涌電壓產生原因

多模塊脈沖功率電源時序放電時,放電電流均在負載上產生電壓,負載電壓對各級模塊均會造成反向沖擊,以第一級模塊為分析對象,則根據(jù)電路等效原理,其它模塊在負載上產生的電壓是第一模塊的激勵源。以此類推,分析第N級模塊,則N-1級模塊在負載上的電壓是其激勵源。兩模塊脈沖功率電源如圖1所示,圖中U1~U4為根據(jù)大功率二極管的開關特性構建的等效PSPICE模型[6],該模型能夠反映大功率二極管的正向導通和反向恢復特性;開關K在實際測試過程中采用真空觸發(fā)管,在正常情況下加在真空觸發(fā)管兩端電壓低于觸發(fā)管放電值時,觸發(fā)管兩電極處于斷開狀態(tài),電極間具有很高的絕緣性能。當電壓高于觸發(fā)管放電值時,觸發(fā)管兩電極之間快速(數(shù)微秒)擊穿且以很低的內阻通過較大的脈沖電流。當電壓降低時,隨著通過電流的下降,觸發(fā)管兩電極間絕緣性能又快速(數(shù)微秒)恢復,觸發(fā)管兩電極又處于原來的斷開狀態(tài)。為了模擬真空觸發(fā)管這種工作過程,圖1中采用串聯(lián)一個二極管來近似等效。為了在分析過程敘述方便,設左邊的模塊為模塊一,右邊的模塊為模塊二,P1和P2點為測試點。電路參數(shù)如下:儲能電容C1、C2容量為1.2mF,調波電感L5、L6電感量都為20uH,二極管分布電容為0.12uF,連線分布電阻為2m。

圖1 兩模塊脈沖功率電源

當模塊開始放電,負載電流迅速增加,然后逐漸衰減,如果是單模塊電路,則負載電流會衰減至零。而在多模塊時序放電電路中,當模塊一負載電流下降時模塊二接著放電,此時負載電流不會衰減至零,而是會迅速增加,這個突變增加的電流在負載上產生的電壓反向加載在模塊一的電感L5的右端,二極管在正向導通時被突然加了一個反向偏壓,并不會迅速截止,而是存在一個反向恢復過程,真空觸發(fā)管也不會立即完全截止,此時二極管反向分布電容Cd、真空觸發(fā)管反向電容Ck、導線分布電阻R1、調波電感L5構成了一個二階回路,輸入電壓即為負載RL兩端電壓,從而在截止二極管U2的負極產生較高的脈沖電壓,稱之為浪涌電壓。浪涌電壓的值有時很高,能達到負載電壓的兩倍且電壓變化率很大,若此電壓施加在二極管兩端極易造成二極管的反向擊穿,進而損壞儲能電容器。模塊一可等效為一個RLC串聯(lián)二階電路。C為二極管反向電容和真空觸發(fā)管分布電容的并聯(lián),電阻R為導線分布電阻,L為調波電感,u為負載上的壓降,是由模塊一和模塊二共同放電形成的,對于模塊一而言,模塊二放電形成的負載電壓則是激勵電壓。

在多模塊時序放電過程中,負載電壓是由多個脈沖電壓組成的,是一個非平穩(wěn)信號,由傅里葉變換理論可知,此信號可由多個正弦信號疊加逼近,為了分析方便,以輸入電壓為正弦信號為例作一般分析,再摔推廣到實際信號中去。電容兩端電壓的表達式可以表示為:

(1)

式中,U為激勵信號的振幅,p1、p2為二階電路的極點。由二階電路原理可得到電容兩端電壓uc與激勵電壓u之間的傳遞函數(shù)為:

(2)

(3)

式中,dQ為勢壘區(qū)每側存儲電荷的微增量,dVD為二極管兩端電壓的微增量。經理論推導可得:

(4)

式中,CB0為零偏置時的勢壘電容,VD為二極管兩端電壓,V0為建立勢壘電位(典型值為1V),m為結的梯度系數(shù),m=1/3~1/2,取決于摻雜情況,對于PIN二極管,其I區(qū)摻雜較低,m取1/2。由式(4)可知,當反向電壓增加時,二極管勢壘電容呈減小趨勢,電壓與電容變化呈非線性。

2 電路參數(shù)對浪涌電壓影響

由上述分析可知,浪涌電壓是由二極管反向電容、真空觸發(fā)管分布電容、連線電阻和調波電感組成的二階電路引起的,與二極管電容、電壓幅度和頻率有關。如果激勵電壓幅度不變、而電路參數(shù)不變,那么在某個固定的頻率上會產生電壓諧振,其響應電壓最大;如果激勵頻率變化、幅度變化,而電路參數(shù)不變,則在諧振頻率時刻產生的響應不一定最大;如果激勵頻率不變、激勵幅度不變,電路參數(shù)變化,則在某個時刻會產生諧振,出現(xiàn)最大的電壓響應;對于本文所研究的內容而言,激勵電壓的幅度、頻率是時變的,響應的電路參數(shù)也是時變的,因此出現(xiàn)較大的浪涌電壓響應時刻和幅度很難確定。激勵電壓幅度和頻率的變化與模塊間放電間隔時間有關,不同的時間間隔引起負載兩端電壓的頻率、幅度均不相同;不同的電壓加在二級管兩端,引起二極管的勢壘電容也不相同,由這些因素造成的浪涌電壓幅度及發(fā)生時間也各不相同。另外負載電阻發(fā)生變化,也會引起浪涌電壓,尤其是在負載發(fā)生突變時,如電樞離膛瞬間會在電路中引起極大的浪涌電壓,以下分別討論放電間隔時間和負載電阻突變對浪涌電壓的影響情況。

2.1 放電間隔時間對浪涌電壓影響

以圖1所示的兩模塊時序放電做分析,當兩模塊放電間隔時間分別為0.35ms、0.8ms時,得到負載電壓和模塊一續(xù)流二極管電流波形,采用HHT時頻分析方法對信號作時頻分析,HHT是目前較為常用的時頻分析方法,其時間分辨率優(yōu)于小波分析及其它時頻分析方法,其原理眾多文獻均有介紹[7-8],本文不再多加描述,得到的結果如圖2~5所示。

圖2(a)為兩模塊間隔0.35ms的負載電壓,(b)圖為電壓信號的EMD分解,負載電壓可分解為四個IMF信號,分別如(c)、(d)、(e)、(f)圖所示,(g)、(h)、(i)、(j)圖是三個IMF信號的時頻分布。由時頻分布可知,在不同時刻負載電壓的幅度和頻率各不相同,由于模塊二是從0.35ms開始放電,對模塊一的影響應從0.35ms之后進行分析,由(g)圖可以看出,在0.35ms之后時間段內負載電壓頻率在22Hz左右躍變,同時段還存在其它低頻成分,在0.35~1ms時間段內,激勵電壓幅度范圍在0.2kV左右,之后,激勵幅度幾近為零。由上述分析可知,容易產生諧振現(xiàn)象的時間范圍是0.35~1ms,浪涌電壓幅度會較大。圖3是兩模塊間隔0.35ms時模塊中續(xù)流二極管的響應電流,在0.35~1ms時間段內二極管中電流頻率和幅度發(fā)生了很大變化,在這段時間內,流過調波電感中的電流變化也是非常劇烈的,在電感兩端產生的電動勢也會非常大,P1觀測點電壓及浪涌電壓如圖4所示。

圖2 負載電壓時頻(間隔0.35ms)

圖3 二極管電流時頻(間隔0.35ms)

圖4 不同間隔時間的浪涌電壓

圖5 負載突變時產生的浪涌電

圖4是兩模塊之間間隔0.35ms時觀察點P1電壓及浪涌電壓波形,間隔0.35ms時浪涌電壓達到9.5kV,已接近充電電壓10kV,隨著放電時間間隔加大,模塊一中真空觸發(fā)管已經完全斷開,二極管也完全截止,此時模塊二放電已經對模塊一不會產生較大的影響。由以上分析可以得出如下結論:(1)浪涌電壓在模塊時序放電時容易產生,電壓幅值高、變化率大,這種情況下極易擊穿二極管,需要進行抑制;(2)浪涌電壓發(fā)生時段處于待分析的模塊的電感放電期,在此期間二極管由正向導通被反向強制截止,由于存在反向恢復時間,在恢復期內的二極管反向勢壘電容不斷變化,由二極管反向電容、真空觸發(fā)管分布電容、調波電感構成的二階回路會發(fā)生振蕩,在電容兩端電壓出現(xiàn)較高的電壓,一般情況下電壓低于激勵電壓,但在一定條件下會成倍增加。

2.2 負載電阻突變對浪涌電壓影響

電樞在運動時負載的電阻是實時變化的,但由于軌道的電阻梯度較小,電樞在膛時電阻變化不太明顯,當電樞離膛瞬間,電路中的負載電阻會發(fā)生突變,由于電感中電流不能突變,負載上的電壓會在短時間內迅速增大,使得浪涌電壓增加。圖5是負載電阻增大時浪涌電壓變化情況。

3 浪涌電壓抑制方法

根據(jù)以上對浪涌電壓成因的分析,一般可以采取如下三種方法進行抑制[9]:(1)在二極管兩端串上阻容器件以破壞諧振條件,但這種方法需要耐壓值很高的電容器;(2) 采用壓敏電阻,通過設置合適的閾值,把浪涌電壓鉗制在安全范圍內,這種方式在低壓系統(tǒng)中較常采用,在高壓大電流系統(tǒng)中,其電壓鉗制能力和安全性很難預測;(3)直接在續(xù)流二極管兩端并聯(lián)電阻,這種方法安全有效,是最常采用的方法。對于時序放電引起的浪涌電壓,由于并接這個電阻,二極管突然反向截止時由電阻提供泄流通道,只要這個電阻取值較小(一般為歐姆級)就會減小電阻突變,從而減小浪涌電壓的幅度, 并接的電阻越小浪涌電壓的幅度就越小。對于負載電阻突變引起的浪涌電壓,在續(xù)流二極管兩端并接電阻后,二階回路的阻尼增大,抑制了振蕩,同時降低了浪涌電壓的幅度。在續(xù)流二極管兩端并接了30歐姆電阻和6歐姆電阻后的浪涌電壓波形如圖6所示。

(a) 并接6歐姆電阻

(b) 并接30歐姆電阻

從圖6中可以看出,并接電阻降低了浪涌電壓的幅度,當并接30歐姆電阻時,浪涌電壓由10kV降低至7.5kV。并接電阻越小浪涌電壓抑制效果越好,當并接6歐姆電阻時浪涌電壓降低至5kV。仿真結果與文獻[4、6]中的試驗與仿真結果相吻合,證明了這種方法是有效的。但是在每個續(xù)流二極管的兩端加上電阻雖然可以抑制浪涌電壓,但是對實際負載獲得的功率會造成影響。電阻阻值越小負載獲得的功率就越小,這是因為放電時該電阻起到了分流的作用。因此電阻阻值大小在實際應用時需要綜合考慮。

4 結論

浪涌電壓的產生是由多模塊放電過程中后續(xù)模塊放電對其它模塊造成的沖擊引起的。這些現(xiàn)象的發(fā)生都與阻尼二極管的分布參數(shù)和工作狀態(tài)有關,所以說一個較為準確的二極管模型對仿真結果至為重要。從半導體內部工作機理過程來看,在二極管從開通狀態(tài)向阻斷狀態(tài)轉換時,導通時儲積于擴散區(qū)的額外載流子需要一定時間抽走,并通過復合而逐漸消失,因此浪涌現(xiàn)象形成過程中二極管等效參數(shù)是變化的。本文建立了脈沖成型網(wǎng)絡的分布參數(shù)模型,通過理論計算結合仿真手段,分析了浪涌現(xiàn)象形成原因及發(fā)生的條件并提出了抑制方法。目前對浪涌電壓和電流有多種抑制方法和設備,但是對于大功率脈沖成型網(wǎng)絡而言,穩(wěn)定、簡潔的保護電路可以減小系統(tǒng)的分布參數(shù),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻:

[1] 董健年,李鴻志,栗保明.大功率二極管脈沖功率源中的過渡過程[J].彈道學報,2001,3(11):41-42.

[2] Dethlefsen R,McNab I.Pulse power applications of silicon diodes in EML capacitive pulsers[J].IEEE Trans.on magnetics,1993,29(1):934-938.

[3] Rim G H, Cho C H, Choi YW,et al.Protection scheme of a charging and discharging system for a 500kJ capacitor bank[J].IEEE Trans On Magnetics,2001,37(1):389-393.

[4] 林慶華,栗保明.電容儲能高功率脈沖成形網(wǎng)絡浪涌過程分析[J].南京理工大學學報:自然科學版, 2008,32(6):730-731.

[5] Jin-Sung K,Young-Ho C,Jeung-Ho C,et al.Analysis on high surge voltages generated in paralleled capacitor banks[J].IEEE Trans on magnetics,2003,39(1):422-426.

[6] 田敏,楊玉東,高安邦.大功率二極管PSPICE模型構建[J].哈爾濱理工大學學報,2011,16(6):58-62.

[7] Jin-Sung K,Young-Ho C,Jeung-Ho C,et al.High current pulse forming by modualized capcitor banks[J].IEEE Trans on magnetics,2002,2(1):1205-1208.

[8] 劉霖雯,劉超,江成順.EMD新算法及其應用[J].系統(tǒng)仿真學報,2007,19(2):446-448.

[9] 裴強,胡波.Hilbert-Huang變換方法研究進展[J].世界地震工程,2011,27(2):21-24.

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