劉建寶， 邵英， 秦昕昕

( 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

脈沖電源儲(chǔ)能電容反向充電電壓釋放方法

劉建寶， 邵英， 秦昕昕

( 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

在放電主開(kāi)關(guān)放置于儲(chǔ)能電容支路的脈沖功率電源放電過(guò)程中，儲(chǔ)能電容存在反向充電現(xiàn)象，反向電壓無(wú)法釋放，影響儲(chǔ)能電容的使用壽命，并降低了脈沖功率電源的使用效率。在詳細(xì)推導(dǎo)電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源放電過(guò)程的基礎(chǔ)上，分析影響儲(chǔ)能電容反向充電電壓的因素，討論降低儲(chǔ)能電容反向充電電壓的途徑，將放電主開(kāi)關(guān)放置于負(fù)載支路的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電容反向充電電壓的釋放。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：調(diào)整放電開(kāi)關(guān)位置后的脈沖功率電源負(fù)載電流特性與調(diào)整前基本一致，完全滿足電磁發(fā)射的需求；同時(shí)，反向電壓的及時(shí)釋放提高了儲(chǔ)能電容的使用壽命，增加了電磁發(fā)射系統(tǒng)的效率。

脈沖功率電源；儲(chǔ)能電容反向充電；脈沖成型網(wǎng)絡(luò)；續(xù)流硅堆；電磁發(fā)射

0 引 言

隨著電磁發(fā)射技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對(duì)于作為能量系統(tǒng)的脈沖功率電源技術(shù)提出了更高的要求。脈沖功率電源作為電磁發(fā)射系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，通常由脈沖電容器、調(diào)波電感、大功率放電開(kāi)關(guān)、大功率硅堆和吸能電阻組成[1-7]。大功率放電開(kāi)關(guān)是核心器件，目前，國(guó)內(nèi)外脈沖功率電源中使用的放電開(kāi)關(guān)主要有觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)(TVS)、固態(tài)開(kāi)關(guān)(RSD)、晶閘管(SCR)、引燃管、旋轉(zhuǎn)電弧開(kāi)關(guān)等，它們均具有單向?qū)ǖ墓残訹8-14]。而由脈沖功率電源供電的負(fù)載普遍是感性負(fù)載，儲(chǔ)能電容放電完成后，感性負(fù)載中存儲(chǔ)的能量必然會(huì)對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行反向充電，因此，目前脈沖功率電源在負(fù)載支路上普遍采用了并聯(lián)大功率硅堆的做法[1-7，15-16]，大功率硅堆起到兩個(gè)作用:一是抑制電容器反向充電,保護(hù)電容器；二是整流,調(diào)節(jié)脈沖電流波形。文獻(xiàn)[17-18]針對(duì)放電主開(kāi)關(guān)置于儲(chǔ)能電容支路的脈沖功率電源，對(duì)流經(jīng)硅堆的電流振蕩問(wèn)題進(jìn)行了分析，但未考慮電容器的反向充電問(wèn)題；文獻(xiàn)[19]對(duì)脈沖功率電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中主放電開(kāi)關(guān)放置位置進(jìn)行了討論，針對(duì)兩類PFN電路分析了硅堆位置對(duì)流經(jīng)放電主開(kāi)關(guān)電流的影響，得到放電主開(kāi)關(guān)放在電容支路的PFN電路結(jié)構(gòu)更為合理的結(jié)論，也未涉及電容器的反向充電問(wèn)題。而事實(shí)上，在負(fù)載支路并聯(lián)大功率硅堆的做法只能抑制而不能消除電容器反向充電，大功率硅堆及線路具有一定的阻抗，并且，儲(chǔ)能電容支路具有寄生電感，脈沖電容器反向充電現(xiàn)象必然會(huì)存在，如何釋放電容器反向充電電壓的問(wèn)題還沒(méi)有得到有效解決。

針對(duì)普遍采用的、放電主開(kāi)關(guān)置于儲(chǔ)能電容支路的電容儲(chǔ)能式脈沖功率電源，對(duì)其放電過(guò)程進(jìn)行了理論分析，討論了影響脈沖電容器反向充電電壓的各種因素，在此基礎(chǔ)上，提出了降低脈沖電容器反向充電的方法和釋放脈沖電容器反向電壓的途徑，為確定更為合理、實(shí)用的電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源的電路結(jié)構(gòu)提供了理論支持。

1 脈沖功率電源放電過(guò)程分析

電容儲(chǔ)能式脈沖電源系統(tǒng)電路原理圖如圖1 所示，稱為開(kāi)關(guān)I型脈沖功率電源。圖中，C為儲(chǔ)能電容器，初始電壓為U0，內(nèi)阻為RC(含該支路線路電阻和放電開(kāi)關(guān)內(nèi)阻)，儲(chǔ)能電容器寄生電感為L(zhǎng)C(含該支路線路電感)；D2為續(xù)流硅堆，R0為吸能電阻和續(xù)流硅堆內(nèi)阻之和，L2為續(xù)流硅堆內(nèi)感及該支路線路電感之和；L0為調(diào)波電感；LL為電磁發(fā)射系統(tǒng)負(fù)載等效電感和線路電感之和；RL為電磁發(fā)射系統(tǒng)負(fù)載等效電阻、調(diào)波電感內(nèi)阻、線路電阻之和；放電開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)K和與之串聯(lián)的二極管D1等效。

在分析之前，作如下假設(shè)：(1)電路中的開(kāi)關(guān)、二極管均為理想器件。(2)電感和電容具有一定的內(nèi)阻，電容中存在寄生電感。(3)電磁發(fā)射系統(tǒng)負(fù)載等效電感和電阻是恒定的，不隨電樞在炮管內(nèi)的移動(dòng)而發(fā)生變化。

圖1 開(kāi)關(guān)I型脈沖電源系統(tǒng)電路原理圖Fig.1 Maincircuit of single model PFN

當(dāng)放電開(kāi)關(guān)閉合后，儲(chǔ)能電容開(kāi)始向電磁發(fā)射負(fù)載放電，其中，儲(chǔ)能電容支路電流用iC表示，吸能電阻和續(xù)流硅堆支路電流用iD表示，負(fù)載支路電流用iL表示。根據(jù)二極管D1、D2的導(dǎo)通狀態(tài)，可將開(kāi)關(guān)I型電容儲(chǔ)能式脈沖電源系統(tǒng)放電過(guò)程分為三個(gè)階段。

1.1 放電模態(tài)I [t0-t1]

在t0時(shí)刻，閉合開(kāi)關(guān)K，二極管D1導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容C開(kāi)始放電；在t1時(shí)刻，吸能電阻和續(xù)流硅堆支路電壓uab=0；在[t0-t1]期間，uab≥0，二極管D2截止，等效電路如圖2(a)所示，iD=0，iC=iL。

儲(chǔ)能電容支路與負(fù)載支路構(gòu)成RLC串聯(lián)二階電路，令R=RC+RL，L=L0+LL+LC。在圖1所規(guī)定的電壓電流的正方向下，按KVL可得

-uC+uR+uL=0。

(1)

其中

i=iC=iL=-CduC/dt，

uR=Ri=-RCduC/dt，

uL=Ldi/dt=-LCd2uC/dt2。

將uR、uL代入式(1)，得

(2)

圖2 脈沖電源放電各個(gè)階段的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of PFN

求得電容C上的電壓uC和電流i分別為

[ε(t-t0)-ε(t-t1)]，

(3)

[ε(t-t0)-ε(t-t1)]。

(4)

在此模態(tài)下，儲(chǔ)能電容處于放電狀態(tài)，電容電壓隨時(shí)間逐漸減小，在t1時(shí)刻，電阻RC和電感LC上的電壓之和正好與電容電壓大小相等、方向相反時(shí)，續(xù)流硅堆支路電壓uab=0，二極管D2處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，放電過(guò)程由放電模態(tài)I轉(zhuǎn)換到放電模態(tài)II。

1.2 放電模態(tài)II[t1-t2]

從t1時(shí)刻開(kāi)始，續(xù)流硅堆支路電壓uab≥0，二極管D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載支路的電流在通過(guò)續(xù)流硅堆支路續(xù)流的同時(shí)，給儲(chǔ)能電容反向充電，等效電路如圖2(b)所示，iL=iC+iD。t1時(shí)刻儲(chǔ)能電容放電過(guò)程基本結(jié)束，可忽略換路后儲(chǔ)能電容的初始電壓。建立換路后的簡(jiǎn)化運(yùn)算電路，如圖3所示，圖中L1=L0+LL，iL(t1)為t1時(shí)刻負(fù)載支路電流值。

圖3 放電模態(tài)II的s域模型Fig.3 S domain model in discharge modal II

將圖3等效為兩個(gè)電源分別作用的形式，如圖4所示。

圖4 應(yīng)用疊加定理對(duì)圖3進(jìn)行等效Fig.4 Equivalent circuit of Fig.3

(5)

則電容上電壓uC1(t)的像函數(shù)UC1(s)為UC1(s)=IC1(s)/sC=

(6)

像函數(shù)IC1(s)對(duì)應(yīng)的電容支路時(shí)域電流iC1(t)逐漸減小至t2時(shí)刻為零，電容上的電壓uC1(t)從零開(kāi)始建立反向電壓，到t2時(shí)刻保持不變。

2)圖4(b)所示的電路中，因?yàn)槎O管D2的存在，在電壓源LCiL(t1)的作用下，續(xù)流硅堆支路斷路，電容支路電流iC2(t)對(duì)應(yīng)的像函數(shù)IC2(s)為

(7)

則電容上電壓uC2(t)的像函數(shù)UC2(s)為

UC2(s)=IC2(s)/sC=

(8)

像函數(shù)IC2(s)對(duì)應(yīng)的電容支路時(shí)域電流iC2(t)逐漸減小至t2時(shí)刻為零，電容上的電壓uC2(t)從零開(kāi)始建立反向電壓，到t2時(shí)刻保持不變。

綜合1)、2)分析，可得脈沖功率電源在放電模態(tài)II中，電容支路電流以及電容電壓像函數(shù)為

(9)

應(yīng)用拉氏逆變換，可得以零時(shí)刻為參照時(shí)刻的電容支路電流以及電容電壓為

(10)

則在[t1-t2]期間，電容支路電流和電容電壓可表示為

(11)

式中，ε(t)為單位階躍信號(hào)。

在t2時(shí)刻，儲(chǔ)能電容支路電流降為零，負(fù)載支路電流為iL(t2)，儲(chǔ)能電容反向充電過(guò)程結(jié)束，因?yàn)槎O管D1的限制，儲(chǔ)能電容反向電壓將保持不變。

1.3 放電模態(tài)III[t2～∞)

從t2時(shí)刻開(kāi)始，儲(chǔ)能電容反向充電已完成，二極管D1截止，儲(chǔ)能電容上的電壓保持在uC(t2)值不再變化，續(xù)流硅堆支路和負(fù)載支路構(gòu)成RL放電回路，等效電路如圖3(c)所示，此時(shí)，iC=0，iD=iL。負(fù)載支路電流變換情況描述如下：

(12)

考慮t2時(shí)刻負(fù)載支路的電流初始值iL(t2)，可得該回路的電流為

iL(t)=iL(t2)e-[(RL+R0)/(L0+LL+L2)](t-t2)ε(t-t2)。

(13)

通過(guò)以上的分析可知，在脈沖功率電源在放電模態(tài)II過(guò)程中，儲(chǔ)能電容存在反向充電現(xiàn)象，且因?yàn)榉烹婇_(kāi)關(guān)的單向?qū)ㄐ?，電容上的反向電壓無(wú)法釋放，而長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，會(huì)大大影響電容器的使用壽命，并且，降低電容器再次正向充電的效率。下面對(duì)影響儲(chǔ)能電容反向充電電壓的因素進(jìn)行分析，并提出釋放電容反向電壓的方法。

2 儲(chǔ)能電容器反向充電分析

2.1 影響儲(chǔ)能電容反向充電電壓的因素

根據(jù)式(5)～ 式(11)可知，儲(chǔ)能電容反向充電電流和電壓，不僅與脈沖電源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各電力器件參數(shù)有關(guān)，而且與t1時(shí)刻電感中的電流初始值iL(t1)成正比，與電容值C成反比。但是，iL(t1)是脈沖電源放電特性的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，由彈丸的加速特性所決定，不宜在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；電容值在容量一定的脈沖功率電源中是固定的。也就是，儲(chǔ)能電容反向電壓的降低不能以負(fù)載電流的減小和功率的降低作為代價(jià)，因此，在保證負(fù)載支路特性不變的情況下，只能從調(diào)整脈沖功率電源電容支路和續(xù)流硅堆支路寄生參數(shù)角度，研究影響儲(chǔ)能電容反向充電的因素。

根據(jù)拉普拉斯變換的線性性質(zhì)的齊次性，像函數(shù)UC(s)越小，則其原函數(shù)uc(t)越小。從式(6)可知，隨著續(xù)流硅堆支路電抗R0+sL2越小，UC1(s)越?。桓鶕?jù)式(8)，儲(chǔ)能電容漏感LC越小，UC2(s)越??；增大儲(chǔ)能電容支路的內(nèi)阻RC，UC1(s)和UC2(s)都會(huì)降低，但同時(shí)影響了脈沖功率電源的放電特性，降低了功率脈沖的最大電流值，因此，不能從調(diào)整RC的角度去影響儲(chǔ)能電容的反向充電電壓。

理論上，當(dāng)吸能電阻和續(xù)流硅堆內(nèi)阻之和R0，續(xù)流硅堆內(nèi)感及該支路線路電感之和L2，以及儲(chǔ)能電容漏感LC均為零時(shí)，儲(chǔ)能電容不存在反向充電現(xiàn)象。但是，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，續(xù)流硅堆和線路均存在電阻和寄生電感，儲(chǔ)能電容一定存在寄生電感，在圖1所示的脈沖電源電路結(jié)構(gòu)下，儲(chǔ)能電容必然會(huì)存在反向充電現(xiàn)象，并且，由于放電主開(kāi)關(guān)的單向?qū)щ娦?，?chǔ)能電容支路電流iC不能為負(fù)值，反向電壓無(wú)法釋放。

2.2 儲(chǔ)能電容反向電壓的釋放

在保證脈沖電源負(fù)載支路電流的電流特性的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容支路電流導(dǎo)通的雙向性， 釋放儲(chǔ)能電容上的反向電壓，選擇將放電主開(kāi)關(guān)置于負(fù)載支路的脈沖功率電源結(jié)構(gòu)，稱之為開(kāi)關(guān)Ⅱ型脈沖功率電源，如圖5所示。

開(kāi)關(guān)II型脈沖電源的放電過(guò)程依然可以分成三個(gè)階段進(jìn)行分析，放電模態(tài)I和放電模態(tài)II放電過(guò)程不發(fā)生變化，等效電路如圖2(a)和圖2(b)所示。在放電模態(tài)III時(shí)，續(xù)流硅堆支路和負(fù)載支路構(gòu)成RL放電回路的同時(shí)，具有反向電壓的儲(chǔ)能電容支路與續(xù)流硅堆支路構(gòu)成了RLC放電回路，其等效電路如圖6所示。儲(chǔ)能電容上的反向電壓得到了釋放。

圖5 開(kāi)關(guān)Ⅱ型脈沖電源電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Main circuit ofadjusted PFN

圖6 開(kāi)關(guān)II型脈沖功率電源放電模態(tài)III等效電路Fig.6 Equivalent circuit of switch II PFN in model III

3 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)以上分析進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在圖1和圖5表示的開(kāi)關(guān)I型和開(kāi)關(guān)II型脈沖功率電源電路結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 脈沖功率電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of pulsed power supply system

圖7為開(kāi)關(guān)I型脈沖功率電源儲(chǔ)能電容電壓變化仿真曲線圖，其中圖7(a)為續(xù)流硅堆支路寄生電感L2=0時(shí)，續(xù)流硅堆支路電阻R0對(duì)儲(chǔ)能電容反向充電電壓影響的對(duì)比圖從仿真結(jié)果可以看出，R0越小，儲(chǔ)能電容反向充電電壓越?。粓D7(b)為R0=0時(shí)，續(xù)流硅堆支路寄生電感L2對(duì)儲(chǔ)能反向充電電壓影響的對(duì)比圖，可以看出，L2越小，儲(chǔ)能電容反向充電電壓越??；圖7(c)為R0=0，L2=0時(shí)，儲(chǔ)能電容寄生電感LC對(duì)儲(chǔ)能反向充電電壓影響的對(duì)比圖，可以看出，在續(xù)流硅堆支路不存在阻抗時(shí)，儲(chǔ)能電容仍然會(huì)出現(xiàn)反向充電現(xiàn)象，儲(chǔ)能電容寄生電感L2越小，儲(chǔ)能電容反向充電電壓越小。

圖7 開(kāi)關(guān)I型脈沖功率電源儲(chǔ)能電容電壓變化曲線Fig.7 Voltage waveforms of switch I PFN

圖8為開(kāi)關(guān)I型和開(kāi)關(guān)II型脈沖功率電源電流仿真波形對(duì)比圖?？梢钥闯?，放電開(kāi)關(guān)位置調(diào)整后，儲(chǔ)能電容支路電流iC(t)出現(xiàn)了負(fù)值，為釋放儲(chǔ)能電容反向電壓提供了通道。

圖8 脈沖功率電源電流波形Fig.8 Current waveforms of PFN

圖9為開(kāi)關(guān)II型脈沖功率電源儲(chǔ)能電容上電壓變化的仿真和實(shí)驗(yàn)波形，在較短的時(shí)間(約為1 ms)內(nèi)，儲(chǔ)能電容電壓從負(fù)的最大值變化到零。

圖9 開(kāi)關(guān)II型脈沖功率電源儲(chǔ)能電容電壓變化曲線Fig.9 Voltage waveform of capacitor in switch II PFN

圖10為開(kāi)關(guān)II型脈沖功率電源負(fù)載電流的仿真波形和試驗(yàn)波形。仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形具有一定的差異，主要原因是實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)參數(shù)在測(cè)量過(guò)程中會(huì)存在一定的誤差。

圖10 開(kāi)關(guān)II型脈沖功率電源負(fù)載電流波形Fig.10 Load current waveforms of switch II PFN

4 結(jié) 論

在電容儲(chǔ)能型高功率脈沖功率電源中，由于續(xù)流硅堆支路存在寄生電阻和電感，儲(chǔ)能電容存在寄生電感，導(dǎo)致了儲(chǔ)能電容存在反向充電現(xiàn)象。在分析開(kāi)關(guān)I型脈沖功率電源儲(chǔ)能電容充放電機(jī)理的基礎(chǔ)上，討論了電容反向充電電壓值與續(xù)流硅堆支路阻抗以及儲(chǔ)能電容寄生電感的關(guān)系。在開(kāi)關(guān)I型脈沖功率電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，儲(chǔ)能電容放電主開(kāi)關(guān)的單向?qū)щ娦?，?chǔ)能電容支路電流不能為負(fù)值，反向電壓無(wú)法釋放，不僅會(huì)影響儲(chǔ)能電容再次充電的效率，而且會(huì)影響儲(chǔ)能電容的性能。采用放電主開(kāi)關(guān)置于負(fù)載支路的開(kāi)關(guān)II型脈沖功率電源結(jié)構(gòu)形式，為儲(chǔ)能電容反向充電電壓的釋放提供了回路，降低了反向充電電壓對(duì)儲(chǔ)能電容的影響。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了上述儲(chǔ)能電容反向充電電壓釋放方法的可行性，為改善高功率脈沖功率電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了一種理論支持。

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Releasingmethodforreversechargingvoltageofstoredenergycapacitorinpulsedpowersupplysystem

LIU Jian-bao， SHAO Ying， QIN Xin-xin

(College of Electrical Engineering,Navy University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The reverse charging of stored energy capacitor will occur in the course of discharging in the pulse power supply system.And the reverse voltage on the stored energy capacitor has no way be released due to unidirectional break over character of power switch,so the stored energy capacitor will be damaged and the efficiency of power will be reduced.The discharging course of the stored energy capacitor was analyzed and the factors effecting reverse voltage were discussed in this paper.In order to release the reverse voltage on the capacitor,the power switch was adjusted from capacitor spur track to load spur track.The results of simulation and experiment show that the load current characteristics are identical between the rectified pulsed forming network(PFN) and the primary PFN.So the rectified PFN meet the requirement of electromagnet launching system,and at the same time the longevity of stored energy capacitor and the efficiency of electromagnet launching system are increased.

pulsed power supply; reverse charging of stored energy capacitor; pulsed forming network; crowbar diode; electromagnetic launching

(編輯：劉素菊)

2017-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51207162)

劉建寶(1978—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)槊}沖功率電源、信號(hào)檢測(cè)與控制； 邵 英(1970—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置； 秦昕昕(1978—)，女，碩士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

劉建寶

10.15938/j.emc.2017.08.006

TM 86

:A

:1007-449X(2017)08-0041-07