馬山剛　于歆杰　李　臻

（電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)）　北京　100084）

用于電磁發(fā)射的電感儲(chǔ)能型脈沖電源的研究現(xiàn)狀綜述

馬山剛于歆杰李臻

（電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)）北京100084）

作為電磁發(fā)射裝置的基礎(chǔ)組成部分，高功率脈沖電源在很大程度上決定著電磁發(fā)射技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用潛能。關(guān)于脈沖電源的研究整體上可以分為三個(gè)階段，分別是基本拓?fù)鋯卧难芯?、脈沖電源模塊化研究以及多電源模塊協(xié)同工作的研究。電感儲(chǔ)能型脈沖電源具有較高的儲(chǔ)能密度，并且以靜態(tài)形式儲(chǔ)能，這些優(yōu)勢(shì)使其成為近期諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)電感儲(chǔ)能型脈沖電源基本拓?fù)鋯卧捌鋵?shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究取得了很大的進(jìn)展，然而對(duì)于電源模塊化及多模塊協(xié)同工作的研究尚處于初級(jí)階段。在綜述電感儲(chǔ)能型脈沖電源基本拓?fù)浼捌鋮⒘糠治雠c實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出將來(lái)研究的關(guān)鍵是如何將基本拓?fù)鋯卧K化、小型化，從而構(gòu)建多模塊協(xié)同工作的大電流脈沖電源系統(tǒng)，使其早日進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

脈沖功率電源電感儲(chǔ)能拓?fù)鋯卧K化

0　引言

電磁發(fā)射用脈沖電源一般由初級(jí)電源、中間儲(chǔ)能系統(tǒng)和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)三部分組成。由于電磁發(fā)射技術(shù)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)裝置體積和重量的要求非常高。脈沖功率電源在整個(gè)電磁發(fā)射裝置體積和重量中占最大份額。在電源系統(tǒng)中，儲(chǔ)能設(shè)備的體積和重量約占整個(gè)電源裝置的80%[1]。中間儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有電容儲(chǔ)能、電感儲(chǔ)能和旋轉(zhuǎn)機(jī)械儲(chǔ)能三種形式，理論上，三者的儲(chǔ)能密度比為1∶10∶1000。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)電容型脈沖電源做了大量的研究，已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)普遍獲得了實(shí)際電磁發(fā)射所需要的兆安級(jí)脈沖電流，并通過構(gòu)建脈沖電源模塊及多模塊協(xié)同工作力爭(zhēng)使系統(tǒng)模塊化、小型化[2,3]。但是由于電容本身儲(chǔ)能密度較低，限制了其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械儲(chǔ)能方式，由于其儲(chǔ)能密度大，很早就引起了關(guān)注，但由于其非靜止儲(chǔ)能，冷卻困難且需一次性存儲(chǔ)多次發(fā)射的能量，其致命缺陷是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且難以實(shí)施[4]。

電感型儲(chǔ)能系統(tǒng)相比電容儲(chǔ)能具有高一個(gè)數(shù)量級(jí)的儲(chǔ)能密度；相比旋轉(zhuǎn)機(jī)械儲(chǔ)能，由于其以靜止磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)能，易于冷卻且只需存儲(chǔ)一次發(fā)射的能量即可[5]。這些優(yōu)勢(shì)使電感型脈沖功率電源成為近年來(lái)諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。

電感儲(chǔ)能具有一個(gè)典型缺點(diǎn)，即在關(guān)斷大電感電流時(shí)，由于電流的突變和充電回路中的漏磁場(chǎng)能量，使得在關(guān)斷開關(guān)兩端產(chǎn)生很大的電壓，可能會(huì)超出半導(dǎo)體開關(guān)所能承受的范圍，因而關(guān)斷開關(guān)和關(guān)斷電路是電感儲(chǔ)能型脈沖電源的關(guān)鍵技術(shù)[6]。

縱觀技術(shù)較為成熟的電容儲(chǔ)能型脈沖電源的研究歷程，關(guān)于脈沖電源的研究整體上可以分為三個(gè)階段。其中基本拓?fù)鋯卧难芯渴堑谝浑A段，以基本拓?fù)鋯卧獦?gòu)建性能優(yōu)異的特定能級(jí)的電源模塊為第二階段，第三階段是多電源模塊協(xié)同工作產(chǎn)生電磁發(fā)射所需要的脈沖電流。

目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者圍繞克服電感儲(chǔ)能的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮其多方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)電感儲(chǔ)能型脈沖電源多種拓?fù)鋯卧M(jìn)行了較為深入的研究，研究重點(diǎn)側(cè)重于拓?fù)潋?yàn)證和小規(guī)模脈沖電源裝置（即拓?fù)鋯卧┑难兄?，?shí)驗(yàn)研究目的在于說明各自提出的拓?fù)涞膬?yōu)越性和更高能級(jí)裝置的實(shí)現(xiàn)。

構(gòu)建性能優(yōu)異的電源模塊是以對(duì)各拓?fù)鋯卧M(jìn)行參量分析研究為前提的，但是國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究很少，極少數(shù)文獻(xiàn)中也只是定性分析。國(guó)內(nèi)對(duì)電感儲(chǔ)能型脈沖電源的研究還處于起步階段，清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，基于理論和仿真，初步開展了多模塊協(xié)同工作的相關(guān)研究。然而缺乏拓?fù)鋯卧獏⒘糠治龊湍K化理論支撐的多模塊協(xié)同工作的研究?jī)H僅是不斷手工嘗試拼湊波形，工作量大且具有很大的隨機(jī)性，系統(tǒng)參數(shù)一旦發(fā)生變化，工作往往需要重新開始。

現(xiàn)階段的關(guān)鍵是如何將基本拓?fù)鋯卧K化、小型化，為構(gòu)建多模塊協(xié)同工作的大電流脈沖電源系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)，使其早日進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。因此科學(xué)、合理地構(gòu)建性能優(yōu)異的電感儲(chǔ)能型脈沖電源模塊是現(xiàn)階段亟需研究的重要課題。本文首先闡述兩種基本的電感儲(chǔ)能型脈沖電源拓?fù)浜蛶追N以此為基礎(chǔ)的衍生拓?fù)?，然后闡述對(duì)這些拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證及以此構(gòu)建小型電源系統(tǒng)的現(xiàn)有成果，最后闡述系統(tǒng)參量分析現(xiàn)狀及亟待研究的問題。

1　典型拓?fù)鋯卧?/h2>

meat grinder和XRAM是兩種基本的電流脈沖壓縮拓?fù)洹?guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都是基于這兩種基本拓?fù)浠蚧舅悸烽_展電感儲(chǔ)能型脈沖電源相關(guān)研究的。

1.1兩種基本拓?fù)?/p>

1.1.1meat grinder拓?fù)?/p>

meat grinder是利用磁通壓縮原理實(shí)現(xiàn)電流倍增的。圖1為其基本拓?fù)鋄7]。通過開關(guān)S1的閉合由Us給兩耦合電感L1和L2充電，當(dāng)L1和L2中的電流達(dá)到預(yù)定值時(shí)，S1打開，同時(shí)S2閉合。如果兩個(gè)電感是全耦合的，S1打開后，L1中的能量將會(huì)全部轉(zhuǎn)移到L2中，L2中的電流會(huì)急劇上升。由于L2與負(fù)載相連，負(fù)載中也就會(huì)得到急劇上升的脈沖電流。

圖1　meat grinder基本拓?fù)銯ig.1　Topology of meat grinder

但是實(shí)際的兩電感是很難做到全耦合的。當(dāng)L1斷開時(shí)，L1中的漏磁通將會(huì)試圖維持L1中的電流，從而在S1兩端產(chǎn)生高電壓。此外，對(duì)于大電流感性負(fù)載還有一個(gè)不容忽視的問題[8]：由于負(fù)載中的感性分量，突變的電流將會(huì)在負(fù)載兩端產(chǎn)生高電壓，一般地，為了得到較大的電流倍增效果，L1比L2大，這也同時(shí)帶來(lái)了電壓的倍增，倍增的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)加在S1兩端。所以，要重點(diǎn)考慮關(guān)斷開關(guān)S1的要求，即其關(guān)斷電流和耐受電壓。

1.1.2XRAM拓?fù)?/p>

XRAM電流倍增原理與MARX電壓倍增原理對(duì)偶。在MARX電路中，電容通過從電壓源并聯(lián)充電轉(zhuǎn)換為串聯(lián)放電，從而產(chǎn)生一幅值約為各電容電壓之和的輸出電壓。而在XRAM電路中，電感通過從電流源串聯(lián)充電轉(zhuǎn)換為并聯(lián)放電，從而產(chǎn)生一幅值約為各電感電流之和的輸出電流[9]，其基本拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2　XRAM基本拓?fù)銯ig.2　Topology of XRAM

圖2中，開關(guān)S1閉合、S2打開時(shí)，電感L1,L2,…,Ln組成串聯(lián)電路通過電源Us充電。當(dāng)電感中的電流達(dá)到預(yù)定值時(shí)，斷開S1、閉合S2，電感L1,L2,…,Ln組成并聯(lián)電路放電，負(fù)載電流為各電感電流相加，是急劇上升的脈沖電流。

很顯然，XRAM工作的基本要求是需要合適的關(guān)斷開關(guān)。與meat grinder拓?fù)湎嗨?，要重點(diǎn)考慮關(guān)斷開關(guān)S1的要求，即其關(guān)斷電流和耐受電壓。

1.2幾種衍生拓?fù)?/p>

由上分析，meat grinder和XRAM兩種基本拓?fù)涠夹枰攸c(diǎn)考慮關(guān)斷開關(guān)，可以說，關(guān)斷開關(guān)輔助關(guān)斷電路的性能直接決定單級(jí)電路的規(guī)模。

目前研究電感型脈沖電源的知名機(jī)構(gòu)主要有美國(guó)的IAT（Institute for Advanced Technology）和德法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室ISL（German-French Research Institute of Saint Louis）。他們分別基于meat grinder和 XRAM兩種不同的脈沖壓縮拓?fù)湔归_研究。IAT提出的STRETCH meat grinder拓?fù)?、ISL提出的ICCOS換流電路以及清華大學(xué)提出的ICCOS換流的STRETCH meat grinder拓?fù)浜蛦渭?jí)嵌入STRETCH meat grinder 的XRAM拓?fù)涠际且詢煞N基本拓?fù)錇榛A(chǔ)，以主要解決關(guān)斷開關(guān)問題為主要目的而提出的衍生拓?fù)洹?/p>

1.2.1STRETCH meat grinder拓?fù)?/p>

IAT對(duì)meat grinder基本拓?fù)溥M(jìn)行了改進(jìn)，提出了STRETCH（Slow Transfer of Energy Through Capacitive Hybrid）meat grinder拓?fù)鋄8]，其基本原理如圖3所示。為能夠主動(dòng)關(guān)斷充電電流，采用全控型器件IGCT作為關(guān)斷開關(guān)。與基本的meat grinder拓?fù)湎啾龋饕且胍粋€(gè)電容C用以回收漏磁通中的能量和減緩電感L1中的電流變化，從而減小關(guān)斷開關(guān)S1兩端的電壓。圖3中，電容C是并聯(lián)在電感L1和L2兩端，由于二極管VD1的存在，電感充電時(shí)與meat grinder拓?fù)渫耆嗤?。在IGCT關(guān)斷瞬間，由于L1和L2之間的耦合，使得L2中的電流突增，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使二極管VD2導(dǎo)通；而L1中的電流驟減產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使二極管VD1導(dǎo)通，給電感L1提供了一條導(dǎo)電通道，使電感中的漏磁能量轉(zhuǎn)移到電容C中，從而弱化了關(guān)斷開關(guān)的電壓。STRETCH meat grinder拓?fù)湓陔姼袃?chǔ)能系統(tǒng)中引入一個(gè)輔助電容，雖然其能量密度不及純電感系統(tǒng)，但可有效降低關(guān)斷開關(guān)兩端的電壓。通過在適當(dāng)時(shí)刻觸發(fā)晶閘管VT1可將電容收集的漏感能量釋放至負(fù)載，不僅增加了傳輸?shù)截?fù)載的能量，而且可以按需調(diào)整電流波形。

圖3　STRETCH meat grinder拓?fù)銯ig.3　Topology of STRETCH meat grinder

1.2.2ICCOS換流的XRAM拓?fù)?/p>

為了能夠關(guān)斷更大的電流和耐受更高的電壓，早就有學(xué)者對(duì)晶閘管換流進(jìn)行了研究。由于晶閘管是半控型器件，其關(guān)斷靠外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。ISL采用XRAM基本拓?fù)?，提出了一種晶閘管關(guān)斷電路，即ICCOS（Inverse Current Commutation with Semiconductor devices）[10]。圖4為ISL提出的ICCOS換流原理電路。

圖4　標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)ICCOS電路Fig.4　Standard and improved ICCOS circuits

圖4中，逆流電容C中有一定的預(yù)充電壓，晶閘管VT2、電阻R2和電容C為構(gòu)成ICCOS逆流回路主要元件。通過觸發(fā)主管VT1導(dǎo)通，初級(jí)電源Us給R1、L充電。在充電電流達(dá)到預(yù)定關(guān)斷電流時(shí)，觸發(fā)晶閘管VT2導(dǎo)通，由于逆流回路阻抗很小，產(chǎn)生快速增大的逆向電流通過主管VT1，使其總電流快速下降至維持電流以下而關(guān)斷，此時(shí)逆流電容C上的電壓仍為正值，而使主管VT1承受反壓而保證其可靠關(guān)斷。

相比圖4a的標(biāo)準(zhǔn)換流模式，圖4b所示的改進(jìn)型換流模式電路中由于其逆流回路包含負(fù)載，而使負(fù)載電流從換流開始就快速上升。在換流過程中VT1一直處于通態(tài)，僅承受導(dǎo)通壓降；VT1換流關(guān)斷后，uVT1=uC+uL-Us＞0，此時(shí)VT1的電壓也不高。因此整個(gè)過程VT1的電壓并不高，這是改進(jìn)換流模式的優(yōu)勢(shì)所在。

ISL將ICCOS換流原理應(yīng)用于XRAM拓?fù)渲校?1］，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　ICCOS換流的XRAM拓?fù)銯ig.5　Topology of XRAM with ICCOS

需要指出，圖5中共陽(yáng)極二極管VD13～VDn3并非ISL原始拓?fù)渲写嬖?，是清華大學(xué)于歆杰課題組根據(jù)研究結(jié)果加入的[12]，這樣可使C1～Cn完全與充電回路隔離。ICCOS換流的XRAM拓?fù)洌捎镁чl管為關(guān)斷開關(guān)，可關(guān)斷更大的電流和耐受更高的電壓。

1.2.3ICCOS換流的STRETCH meat grinder拓?fù)?/p>

STRETCH meat grinder拓?fù)淇捎行Ы档完P(guān)斷開關(guān)電壓，且具有較高的電流放大倍數(shù)，但由于采用全控型器件IGCT作為關(guān)斷開關(guān)，成本高且關(guān)斷電流較小。ICCOS換流的XRAM拓?fù)洳捎镁чl管作為關(guān)斷開關(guān)，相對(duì)而言，可降低成本且實(shí)現(xiàn)更大的電流關(guān)斷，但是其較高的電流倍增系數(shù)需不斷增加級(jí)數(shù)來(lái)獲得。

清華大學(xué)提出的ICCOS換流的STRETCH meat grinder拓?fù)鋵CCOS換流技術(shù)應(yīng)用于STRETCH meat grinder拓?fù)渲?，主管采用晶閘管代替IGCT，其拓?fù)淙鐖D6所示[13]。圖中，逆流電容C2中有預(yù)充電壓U0，晶閘管VT3、VT1、初級(jí)電源Us、電容C2以及負(fù)載RL和LL構(gòu)成ICCOS逆流回路。與標(biāo)準(zhǔn)STRETCH meat grinder電路相似，通過觸發(fā)主管VT1導(dǎo)通，初級(jí)電源Us給電感L1、L2充電。在充電電流達(dá)到所預(yù)定的關(guān)斷電流I0時(shí)，觸發(fā)晶閘管VT3導(dǎo)通，由于逆流回路阻抗很小，產(chǎn)生快速增大的逆向電流通過主管VT1，使其總電流快速下降至維持電流以下而關(guān)斷，此時(shí)逆流電容C2上的電壓仍為正值，并且高于初級(jí)電源電壓瞬時(shí)值，從而使主管VT1承受反壓而保證其可靠關(guān)斷。

圖6　ICCOS換流的STRETCH meat grinder拓?fù)銯ig.6　Topology of STRETCH meat grinder with ICCOS

將ICCOS關(guān)斷技術(shù)應(yīng)用于STRETCH meat grinder電路的新型脈沖功率電源拓?fù)洌染哂袠?biāo)準(zhǔn)STRETCH meat grinder（較大電流倍增系數(shù)和較小關(guān)斷開關(guān)電壓）的特點(diǎn)，又有ICCOS（采用晶閘管為關(guān)斷開關(guān)能關(guān)斷較大充電電流）的優(yōu)勢(shì)。

1.2.4其他衍生拓?fù)?/p>

單級(jí)嵌入STRETCH meat grinder 的XRAM拓?fù)溆汕迦A大學(xué)于歆杰課題組提出。該電路結(jié)合兩種基本拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，將XRAM中的每一級(jí)用一個(gè)較低耦合系數(shù)的STRETCH meat grinder來(lái)代替，其拓?fù)淙鐖D7所示[14]。它既具有STRETCH meat grinder電流倍增系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，又具有XRAM易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電流的乘法倍增。作者通過理論分析和仿真計(jì)算已驗(yàn)證了其優(yōu)越性。

圖7　單級(jí)嵌入STRETCH meat grinder的XRAM拓?fù)銯ig.7　Topology of XRAM with STRETCH meat grinder

另外，清華大學(xué)還提出了一種無(wú)互感電感型脈沖電源拓?fù)鋄15]。

2　實(shí)驗(yàn)裝置研究

2.1IAT的實(shí)驗(yàn)研究

IAT在提出STRETCH meat grinder拓?fù)浜蟛痪茫?007年發(fā)表文獻(xiàn)陳述了成功研制3.78kA充電電流、20kA放電電流的1.5kJ電感型脈沖電源裝置[16]，整個(gè)裝置的實(shí)物如圖8所示。

圖8　IAT實(shí)驗(yàn)裝置[16]Fig.8　Experimental setup of IAT[16]

同年，IAT將上述裝置進(jìn)行了改進(jìn)和進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)［17］。其主要內(nèi)容是用GTO代替IGCT。采用GTO的一個(gè)主要問題是其在開始關(guān)斷前有一個(gè)較長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間延遲，并聯(lián)的GTO在存儲(chǔ)時(shí)間上的細(xì)微差別就會(huì)引起大問題，即后關(guān)斷的GTO必須要關(guān)斷可能比自己額定關(guān)斷能力大得多的電流。IAT重點(diǎn)研究了多個(gè)GTO并聯(lián)構(gòu)成關(guān)斷開關(guān)的同步性問題，關(guān)于此問題文獻(xiàn)[18]專門作了詳細(xì)的討論。

IAT一方面用實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證了STRETCH meat grinder拓?fù)涞幕竟ぷ髟恚涣硪环矫鎰t以研制的裝置成功發(fā)射了0.56m長(zhǎng)的小型軌道炮模型。IAT正沿著此技術(shù)路線研制更大的裝置以驅(qū)動(dòng)1m長(zhǎng)的軌道炮[17]。

2.2ISL的實(shí)驗(yàn)研究

早在2003年，ISL實(shí)驗(yàn)研究了晶閘管構(gòu)成的ICCOS換流裝置相比MOSFET組在關(guān)斷大電流方面的優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了兩個(gè)晶閘管串聯(lián)時(shí)可關(guān)斷18kA電流[10]。隨后ISL采用改進(jìn)的ICCOS換流結(jié)構(gòu)，兩個(gè)晶閘管并聯(lián)實(shí)現(xiàn)了28kA電流的關(guān)斷[19]。這個(gè)性能遠(yuǎn)優(yōu)于市場(chǎng)上可買到的功率半導(dǎo)體關(guān)斷開關(guān)，而且28kA不是物理極限，實(shí)驗(yàn)充分顯示了ICCOS換流的優(yōu)越性。

ISL以ICCOS換流作為XRAM拓?fù)渲械年P(guān)斷開關(guān)，分別研制了八級(jí)和二十級(jí)XRAM脈沖電源裝置。八級(jí)時(shí)可獲得32kA脈沖電流[11]，而二十級(jí)時(shí)可獲得60kA脈沖電流[20]。雖然只是驗(yàn)證性裝置，但為了使設(shè)備緊湊，獲得高的能量傳輸效率，ISL設(shè)計(jì)了環(huán)形結(jié)構(gòu)。圖9為二十級(jí)環(huán)形XRAM脈沖電源發(fā)生器的實(shí)物。

圖9　二十級(jí)環(huán)形XRAM脈沖電源發(fā)生裝置[20]Fig.9　Experimental setup of twenty-stage toroidal XRAM generator[16]

ISL正沿著此技術(shù)路線研制更高能級(jí)的脈沖電源裝置，總能量將超過0.5MJ[20]。

2.3其他研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

除IAT和ISL以外，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)也對(duì)電感型脈沖電源開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。

以色列早在20世紀(jì)90年代就研究了應(yīng)用GTO作為關(guān)斷開關(guān)的XRAM發(fā)生器[21,22]。

日本近期建立了一基于IGBT開關(guān)的十二級(jí)環(huán)形XRAM發(fā)生器，在液氮條件下獲得了490A的實(shí)驗(yàn)電流[23]。

國(guó)內(nèi)對(duì)電感儲(chǔ)能型脈沖電源的研究還處于起步階段。清華大學(xué)于歆杰課題組近期在實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)ICCOS換流的STRETCH meat grinder小型系統(tǒng)，其電感初始儲(chǔ)能為1kJ（1kA充電電流和2mH總電感）。實(shí)現(xiàn)了采用ICCOS換流技術(shù)對(duì)小電感STRETCH meat grinder系統(tǒng)近1kA充電電流的開斷。研究結(jié)果即將公布而且工作仍在繼續(xù)[24]。

山東理工大學(xué)李海濤等近期采用STRETCH meat grinder拓?fù)湓O(shè)計(jì)并研制了一個(gè)小型高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能脈沖變壓器，在77K和儲(chǔ)能電流96A的情況下，實(shí)驗(yàn)得到了2.35～3.04kA的電流脈沖輸出[25]。

3　參量分析

實(shí)驗(yàn)研究側(cè)重于拓?fù)潋?yàn)證和小規(guī)模脈沖電源的研制，用以說明各拓?fù)涞膬?yōu)越性和更高能級(jí)裝置的實(shí)現(xiàn)方案。而目前對(duì)于拓?fù)鋮⒘績(jī)?yōu)化分析很少，更多的只是定性說明。

IAT在提出STRETCH meat grinder拓?fù)鋾r(shí)，對(duì)其參量進(jìn)行了定性說明[8]，指出電路的工作性能取決于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的拓?fù)鋯卧獢?shù)、初始電流和各參數(shù)的取值，并且電路主要性能之間存在相互影響。

IAT在文獻(xiàn)[26]中以2MJ炮口動(dòng)能的STRETCH meat grinder電池-電感電磁發(fā)射系統(tǒng)為對(duì)象，分析了其總體效率和系統(tǒng)尺寸受電池和電感參量的影響。總結(jié)了充電時(shí)間、電池電壓和內(nèi)阻、電感電阻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能和尺寸的影響。研究表明，減小鋰離子電池的內(nèi)阻和使用液氮冷卻的鋁合金電感是提高系統(tǒng)總體效率和減小系統(tǒng)尺寸的有效途徑。該研究著眼于系統(tǒng)初級(jí)電源、充電時(shí)間、冷卻方式以及電感材料等宏觀條件進(jìn)行分析，而未對(duì)拓?fù)鋮?shù)對(duì)性能影響進(jìn)行定量研究。

ISL提出ICCOS換流結(jié)構(gòu)后，并未對(duì)ICCOS逆流回路作詳細(xì)的分析，只是提及在其特定系統(tǒng)中逆流能量大約比換流能量低一個(gè)數(shù)量級(jí)[19]。

ISL在構(gòu)建八級(jí)XRAM脈沖發(fā)生裝置后進(jìn)行了傳輸效率分析[11]，是在沒有對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化的前提下進(jìn)行了效率計(jì)算，說明雖然只是一個(gè)沒有進(jìn)行效率優(yōu)化的驗(yàn)證系統(tǒng)，但還是得到了較高的效率，在原理上確保即使在更高的能級(jí)系統(tǒng)，也可以得到較高的傳輸效率。

清華大學(xué)于歆杰課題組已經(jīng)開展了STRETCH meat grinder拓?fù)潢P(guān)鍵參數(shù)對(duì)電路主要性能影響的定量分析，給出了系統(tǒng)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)和三個(gè)主要性能之間的定量關(guān)系表達(dá)式[27]。這給STRETCH meat grinder系統(tǒng)參數(shù)選取和性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)。課題組正積極開展其他各拓?fù)涞膮⒘糠治鲅芯俊?/p>

清華大學(xué)在提出無(wú)互感電感的型脈沖電源拓?fù)浜螅诜抡?，分析了電感、耦合系?shù)和電容等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，討論了多個(gè)電源模塊并聯(lián)運(yùn)行的問題[28]。

4　研究前景

電感儲(chǔ)能比電容儲(chǔ)能具有更高的儲(chǔ)能密度，但是在技術(shù)上不如電容儲(chǔ)能成熟，正處于發(fā)展階段。

雖然當(dāng)前高能電池等儲(chǔ)能設(shè)備得到了很大的發(fā)展，但是其功率密度還遠(yuǎn)不足以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)實(shí)際的軌道炮系統(tǒng)。解決這個(gè)問題的有效途徑就是采用脈沖壓縮電路，即在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)充電后快速放電。基本的脈沖壓縮拓?fù)溆衜eat grinder和XRAM兩種。電感儲(chǔ)能在技術(shù)上主要的困難在于工作過程中開斷巨大的高壓直流大電流。因此，近年來(lái)提出的所謂新型拓?fù)涠际窃趦煞N基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，為改善換流性能而得到的改進(jìn)拓?fù)洹?/p>

各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)自己所提出的拓?fù)涓倪M(jìn)都作了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。IAT采用GTO作為關(guān)斷開關(guān)很大程度上提高了拓?fù)鋯卧膯渭?jí)容量，ISL通過不斷增加級(jí)數(shù)提高了系統(tǒng)容量。然而不同于電容儲(chǔ)能型脈沖電源，電感儲(chǔ)能型脈沖電源受初級(jí)電源及關(guān)斷開關(guān)等因素的限制，直接由單元拓?fù)潆y以構(gòu)成較高能量的電源模塊。用相對(duì)較小能量的模塊單元構(gòu)成脈沖電源有利于電流饋入的精細(xì)調(diào)整，但是不利于能量規(guī)模的擴(kuò)大和運(yùn)行［29］，而且更為重要的是，此時(shí)電感儲(chǔ)能相對(duì)于電容儲(chǔ)能在儲(chǔ)能密度方面的優(yōu)勢(shì)無(wú)從發(fā)揮。

由于電磁發(fā)射技術(shù)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，在滿足電氣性能要求的前提下，裝置的體積和重量是決定其能否進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段的重要因素。因此以基本拓?fù)鋯卧獮榛A(chǔ)構(gòu)建較高能級(jí)的電源模塊，充分發(fā)揮電感儲(chǔ)能密度方面的優(yōu)勢(shì)，使其模塊化、小型化是目前電感儲(chǔ)能電源亟待研究的方向，也是其早日進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段的關(guān)鍵。

不容忽視的是，雖然采用超導(dǎo)體和過冷金屬構(gòu)造電感本身會(huì)引入新的問題，然而為了減小線圈損耗，提高能量傳輸效率，構(gòu)建電氣與非電性能優(yōu)異的電源模塊，超導(dǎo)儲(chǔ)能電感脈沖電源必將是今后研究的熱點(diǎn)之一。

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A Review of the Current Research Situation of Inductive Pulsed-Power Supplies for Electromagnetic Launch

Ma ShangangYu XinjieLi Zhen
（State Key Laboratory of Power SystemTsinghua UniversityBeijing100084China）

As the fundamental part of the electromagnetic launching devices, high pulsed power supplies mainly determine the research progress and application potential of electromagnetic launch technology. In general, study of pulsed power supplies can be divided into three stages, i.e. the study of topology units, modularity research and multiple modules cooperative work. Since inductors are relatively more energy dense than capacitors and inductive store is static in nature, inductive pulsed-power supplies become one of the hot topics recently. At present, the domestic and foreign research institutions and scholars have made great progress in researching the basic topology units and its experimental verification of inductive pulsed-power supplies. However, it takes no systematic study of modularity and multiple modules cooperative work, still at the initial research stage. Based on the review of the current research situation about basic topology units and its experimental verification, this paper presented that further studies will focus on the modularization design, miniaturization, and construction of high pulsed power system by multiple modules cooperative work, in order to accelerate its process of the practicality.

Pulsed-power supplies, inductive energy storage, topology units, modularity

TM919

馬山剛男，1983年生，博士研究生，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)。（通信作者）

于歆杰男，1973年生，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸和脈沖功率技術(shù)。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377087）。

2014-3-11改稿日期 2014-10-11