三种电感储能型脉冲电源电气性能的比较

初祥祥，于歆杰，刘秀成

(电力系统国家重点实验室，清华大学电机系，北京100084)

1 引言

随着半导体技术和超导技术的发展，电感储能型脉冲电源的储能密度优势日趋显著。研究电感储能型脉冲电源的单位和组织主要有美国的IAT和德法联合实验室ISL。

基于对传统 Meatgrinder电路的改进［1］，IAT 提出 STRETCH Meatgrinder［2］。采用 IGCT 作为主管，已成功研制3.8kA充电电流、20kA放电电流、1.5kJ电感储能型脉冲电源。他们正沿此技术路线，研制2MJ炮口动能的电磁发射系统。ISL基于ICCOS原理［3］，采用晶闸管作为主管先后设计了8级、20级XRAM［4-5］。已经成功研制了 3kA充电电流、60kA放电电流、4.7kJ的电感储能型脉冲电源。他们准备继续研制20级、总能量为0.5MJ的电磁发射系统。清华大学对于电感储能型脉冲电源进行了研究，采用IGCT作为主管，提出了一种新型的无互感的电感储能型脉冲电源拓扑［6］。

2 三种电路拓扑的工作原理

2.1 STRETCH Meatgrinder

最新 STRETCH Meatgrinder拓扑如图1所示［7］。电路工作可分为4个阶段。

第1阶段，初级电源给电感 L1、L2充电。Sop(IGCT)闭合，初级直流恒压源 us对电感 L1、L2进行充电，电感电流线性上升到给定电流值后，断开Sop。

图1 STRETCH Meatgrinder拓扑Fig.1 Topology of STRETCH Meatgrinder

第2阶段，类似 Meatgrinder。由于 L1、L2同时具有互感和漏感能量，下面依次分析二者的影响。

对于互感能量，Sop断开瞬间，L1、L2总磁链保持不变。电感一般取L1是L2的几十倍，因此L1中磁链减少导致L2磁链对应的电流iL2快速上升。这是负载电流倍增系数(负载获得电流峰值与一次电源供电峰值之比)的主要成分。在节点A处列写KCL有iLoad=iL2－ iL1。iL2增加，iL1减少，D1导通。

对于漏感能量，与之对应的电流只有一条通路，那就是沿着 D1、Load、C、D2、L1。电感 L1对电容 C 进行反向充电，电容电压从零开始下降，L1中的电流逐渐下降至零。电容C的存在限制了主管Sop电压，降低了IGCT的开关应力。当电感L1电流下降至零，二极管D2自然关断进入第3阶段。

第3阶段，电容电压恒定，延迟放电。iL1过零后，uC取得极值。虽然此时在T1上施加的是正向电压，但无触发脉冲，uC保持不变。负载电流完全由L2提供，处于一阶LR放电状态。触发延迟时间是一个可控的量，改变其长短可以得到不同的负载电流波形，给设计带来了一定灵活性。

第4阶段，人为触发 T1，电容 C放电。L1、T1、C、Load、D1组成放电回路。这个过程iL1为负值。由iLoad=iL2－ iL1可知，iL1有利于 iLoad增加。由于 iL2逐渐减少，iL1绝对值逐渐增大，iLoad出现一个峰。这个峰取决于二者变化速率，因此它并不是出现在iL1最大值的时刻。当uC过零后电容C正向充电，iL1逐渐减少至零;之后电容 C再次放电，放电回路为 C、D2、L1、D1、Load。uC过零后电容 C 再次反向充电，直至iLoad减少至零，uC保持不变的负电压，仅由L2给负载一阶放电。此后可以在适当时刻再触发T1重复3、4阶段。后文仿真只触发1次。

2.2XRAM

基于ICCOS换流原理，ISL提出了XRAM电路，8级 XRAM电路拓扑结构如图2所示。

图2 8级XRAM电路拓扑Fig.2 Topology of eight stage XRAM

XRAM工作过程可分为3个阶段，电路工作前，电容Ck(k=1～8)上有预充电电压。

第1阶段，初级电源给 L1～8串联充电。触发晶闸管 Th1～Th8，恒压源 us给 L1～8串联充电，电感电流上升到指定电流值后，Th9闭合，进入第2阶段。

第2阶段，ICCOS换流。换流过程很短，可认为储能电感中电流基本不变，Lk、Dk2、Load、Th9、Ck构成 8 个并联放电回路。C1、Th9、Load、D82、us、Th1构成换流回路;另外，Ck、Thk(k=2 ～8)、D(k－1)2、Load、Th9构成换流回路。iCk从零开始上升，直至与晶闸管Thk电流相同时，Thk自然关断。由于 Ck仍有残压，继续放电，与 Thk反并联的二极管 Dk导通，对 Thk施加反压。只要这段时间大于晶闸管的关断时间tq就可以保证Thk可靠关断。为了更清楚说明与二极管Dk是如何关断的，分成 D1和 D2～8两类分别说明，这样分类主要考虑到二者承受的电压不同。对于D1，uD1=uC1－ uLoad－ us。uC1逐渐减少，us不变，uLoad是正值(负载为小阻感，电流一直增加，负载上的电压为正值)，因此uD1逐渐减少，直至为负值，D1承受反压而关断。对于二极管 D2～8，uDk=uCk－uLoad，同理分析Dk也会因承受反压而关断。

D1～8关断后，Lk、Ck、Th9、Load、Dk2构成二阶欠阻尼系统，uCk逐渐减少直至为零，反并联的二极管Dk1导通，进入第3阶段。

第 3 阶段，L1～8并联放电。

2.3 无互感的电感储能型脉冲电源

该拓扑如图3所示，工作可分为3个阶段。

第1阶段:Sop(IGCT)闭合，L1、L2被充电到指定电流，Sop断开同时Scl闭合，进入第2阶段。

图3 无互感的电感储能型脉冲电源拓扑Fig.3 Topology of non-mutual inductance PPS

第2阶段:L1先经过 Scl、Load、C回路对电容 C进行反向充电，iL1逐渐减少直至为零;接着 C通过Load、Scl、L1回路对 L1进行充电，uC逐渐减少，iL1从零减少为负值。uC过零，Dcb导通。

第3阶段:L1L2并联给负载供电。

3 基于Simplorer®仿真分析

为客观比较三种电路的优劣，仿真时保证三种电路电感初始储能约为1.9kJ，初级电源充电电流为 4.1kA，总电感值约 220μH。STRETCH Meat-grinder中 L1=158μH、L2=5.89μH(耦 合 系 数0.94)，C=800μF;XRAM共有 8级，每一级电感均为30μH，电容值均为140μF;无互感的电感储能型脉冲电源 L1=110.5μH、L2=110.5μH，电容 C=1000μF。负载参考IAT和ISL，采用电阻1mΩ、电感1μH的小阻感负载。初级电源采用123V的直流电压源。基于上述前提，在 Simplorer®8.0中进行仿真，主要比较主开关的电压波形和电流倍增系数。

关于STRETCH Meatgrinder与无互感的电感储能型脉冲电源的电感参数有一点说明。对于前者，L1是L2的几十倍，是为了得到较大的电流倍增系数。对于后者，若L1远大于 L2，需要较大电容值以限制主管电压，会失去电感储能密度的优势;反之，则L1能量消耗过快，因此选取二者相等。

3.1 STRETCH Meatgrinder仿真分析

基于 Simplorer® 对 STRETCH Meatgrinder进行了仿真，仿真结果如图4和图5所示。

图4 STRETCH Meatgrinder电压仿真波形Fig.4 Simulated voltage waves of STRETCH Meatgrinder

图5 STRETCH Meatgrinder电流仿真波形Fig.5 Simulated current waves of STRETCH Meatgrinder

0～7.55ms(t0－t1)，对应电路的第1阶段。

7.55 ～7.85ms(t1－t2)对应第2阶段。由于 C的限压，uSop=us－uC，约为1.2kV。这个阶段末负载电流波形出现了第一个峰19.5kA。

7.85 ～8.25ms(t2－t3)对应第3阶段。由于uC保持不变，uSop为电源电压和电感电压代数和，负载电流是一阶LR放电波形。

8.25 ～11ms(t3－仿真结束)对应第4阶段。

3.2 XRAM仿真分析

基于Simplorer®对8级 XRAM进行仿真，结果如图6和图7所示，所有的电容预充电电压均为1.5kV。

图6 8级 XRAM部分元件电压仿真波形Fig.6 Simulated voltage waves of 8 stage XRAM

图7 8级 XRAM部分元件电流仿真波形Fig.7 Simulated current waves of 8 stage XRAM

0～9.3ms(t0－t1)对应 XRAM的第1阶段。8个电感串联充电，电流逐渐上升到指定电流4.1kA后，触发Th9进入第二阶段。

9.3 ～9.5ms(t1－t2)对应ICCOS换流阶段。在这个过程中，Th1～Th9处于正向导通或者反向短路状态，因此承受较低电压，同时保证了 Th1～Th8可靠关断。uCk从预充值逐渐减少至零，iLoad上升到达峰值46.5kA。

9.50ms(t2)以后，进入第3阶段。

3.3 无互感的电感储能型脉冲电源仿真分析

Simplorer®得到的仿真波形见图8和图9。

图8 互感电感储能型脉冲电源电压仿真波形Fig.8 Simulated voltage waves of non-mutual inductance PPS

图9 无互感的电感储能型脉冲电源电流仿真波形Fig.9 Simulated current waves of non-mutual inductance PPS

0～7.55ms(0－t1)是第1阶段。电感电流上升至指定电流4.1kA后，进入第2阶段。

7.55 ～8.6ms(t1－t2)是第2阶段。本阶段中出现的电流峰值为8kA。

8.6ms以后对应第3阶段。

4 三种拓扑主要电气性能指标比较

目前电感储能型脉冲电源存在的主要技术难题集中在充电技术、断路开关耐压和换流技术几个方面。实用发射系统中单级电源电流常常是百千安的级别。电感回路的换流容易产生过高的电压，当前的断流技术显得捉襟见肘。另外，目前初级电源的供电能力还有限，如何将初级电源几千安的电流进行倍增得到能够驱动负载的上百千安的电流也是另一个亟待解决的问题。换言之，提高电流的倍增系数值得深入研究探索。因此，主管耐压水平和负载电流倍增系数常常作为两个最重要的电气性能指标来衡量电感储能型脉冲电源的性能。结合仿真可以得到三种电路电气性能指标如表1所示。

表1 三种电路电气性能指标比较表Tab.1 Electrical performance comparison

从表1看出，IAT的STRETCH Meatgrinder和基于无互感的电感储能型脉冲电源的主开关管要承受1000多伏电压，并且可靠关断4kA电流。同时，为了主动关断充电电流，必须采用诸如 IGCT这种可控关断器件。相比之下，ISL的主开关管除Th9外仅需要承受几十伏电压、几千安的电流，而且可以采用像晶闸管这样非可控关断的器件。

从电流倍增系数这个指标来看，由于STRETCH Meatgrinder存在互感，使该拓扑的电流倍增系数比无互感大得多，因此前者有着更强的带负载能力。但互感的存在带来了设计和制作工艺上的困难。需要补充说明的是，三种电路得到的负载电流在十几或者几十千安的水平上，而实际应用中往往需要上百千安的电流，所以前文各电路只是作为其中的一个单元。STRETCH Meatgrinder和无互感的电感储能型脉冲电源拓扑决定了它们单个单元的电流倍增系数很难超过10。相比之下，XRAM单个单元的电流倍增是通过其级数来决定的，有多少级倍增系数就是多少，配置比较灵活。同时，换流电容残压使得电流倍增系数进一步增大。

5 结论

从主开关元件耐压水平来看，IAT提出的STRETCH Meatgrinder和无互感的电感储能型脉冲电源虽然引入了电容，但主开关管上仍需要承受kV量级电压，并且需要采用可控关断开关器件。XRAM利用ICCOS技术明显降低了主开关管电压应力，不必采用可控关断开关器件。就目前技术而言，断开4kA的IGCT价格昂贵，几乎达到了最先进的IGCT断流水平的上限。因此如何采用更为经济的方式代替IGCT及更合理的断流技术，很大程度上决定了实用性。

从负载电流倍增系数来看，从单个单元角度来讲，XRAM配置比较灵活，可以通过增加级数方便增加其带负载能力;STRETCH Meatgrinder的倍增系数也较大，一般电流倍增系数不会超过10;无互感的电感储能型脉冲电源由于没有互感作用，理论上可以证明其倍增系数不会超过2。

对于XRAM，因为文中每一级电容初始充电电压都相同，这样基本可以忽略电容对于充电过程的耦合作用。当需要调整各个电容的初始充电电压以降低电容初始储能占电感总储能的百分比时，这种耦合作用的存在甚至会导致XRAM无法正常工作。考虑合理的解耦手段也是下一步需要研究的。

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