晶闸管关断特性在增强型轨道发射系统中的影响分析

李贞晓，张亚舟，倪琰杰，栗保明

（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏南京210094）

晶闸管关断特性在增强型轨道发射系统中的影响分析

李贞晓，张亚舟，倪琰杰，栗保明

（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏南京210094）

基于一种增强型轨道炮负载特性，从机理上分析了大功率晶闸管关断特性在增强型轨道发射系统中的影响。研究结果表明，增强型轨道炮发射过程中脉冲成形网络部分电能得不到有效利用，分析原因是增强型轨道炮的初始电感较大，导轨电流具有梯形波特性，从而使发射初始阶段后膛电压具有较高的幅值，导致该阶段放电的脉冲成形单元存储的电能没有释放完全，大功率晶闸管就因承受了反向电压而关断。通过对增强型轨道炮系统仿真和发射试验验证了上述结论。根据增强型轨道发射系统中脉冲成形网络的实际状况，对剩余电能再利用的方法进行了探讨。研究结论对大功率晶闸管在增强型轨道发射系统中的工程应用具有指导作用。

兵器科学与技术；晶闸管；脉冲成形网络；电磁发射；增强型轨道炮

0　引言

电磁发射技术是新概念发射技术发展的必然趋势。电磁轨道发射对电源的基本要求包括高功率、大能量、快放电和电流精确调节。由多个电容储能脉冲成形单元（PFU）组成的脉冲成形网络（PFN）能够满足上述要求，所以被广泛地用于电磁轨道发射的试验研究中，成为最有可能工程应用的主要电源方案之一［1-6］。

脉冲放电开关是PFN的关键元件之一。大功率晶闸管的性能和寿命近几年来得到了很大的提升，已被广泛地用作脉冲放电开关。国内外学者对晶闸管在PFN中的应用开展了大量的研究，认为其适用性好，优点包括:1）固有电感和电阻小；2）开通迅速、分散性小；3）触发功率小、控制方式灵活；4）抗电磁干扰能力强；5）结构紧凑、体积小、质量轻和抗振动性强；6）配套简单、平均成本低等。有关晶闸管的研究多在以传统轨道炮或模拟负载为供电对象的PFN系统或PFU模块中开展，研究内容包含了器件的原理特性、脉冲通流能力、热管理、适用性、可靠性、时序控制、过电压保护等诸多方面［7-17］。

本文基于一种增强型轨道炮的负载特性从机理上分析了晶闸管关断特性在增强型轨道发射系统中的影响，指出了在此发射工况下晶闸管匹配与应用所存在的不足，通过系统仿真和发射试验验证了研究结论，同时探讨和提出了消除晶闸管关断特性影响的方法。研究结论对晶闸管在增强型轨道发射系统中的应用具有指导作用。

1　系统原理、特性与影响分析

1.1增强型轨道发射系统

一种增强型轨道发射系统的原理如图1所示。图1虚框内右侧所示为发射器，它是一种串联式增强型轨道炮，由两根主导轨和两根副导轨（增强匝）组成，ig为导轨电流，ug为后膛电压。虚框内左侧是PFN，由多个PFU并联组成的，通过时序触发方式控制各PFU向轨道炮供电；图1中PFUk标记为编号为k（k=1，2，…，n）的PFU，Ck、SCRk、Lk、Dk、RDk依次表示PFUk的储能电容器、大功率晶闸管、调波电感器、续流二极管和缓冲电阻。

与传统型轨道炮相比，由于增强匝提高了身管的电感梯度，增强型轨道炮在同等炮口动能条件下发射所需脉冲电流小，有利于克服导轨烧蚀、电枢等离子体化等缺点，是电磁轨道发射技术重要发展方向之一［2，18-23］。

图1　增强型电磁轨道发射系统的原理图Fig.1 Schematic diagram of augmented railgun system

1.2发射器负载特性分析

1.2.1导轨电流

理想的导轨电流特性曲线如图1右上曲线所示，即发射器要求PFN提供的电流ig上升快速、具有平台特性（梯形电流波）。图1中tf为导轨电流上升时间，Ig为导轨电流的幅值（平顶值），td为导轨电流下降时间。

由图1可知，ig满足:

式中:ik是PFUk支路的输出电流。通过改变PFUk的充电电压和控制SCRk的导通时刻，PFN可以向导轨提供近似理想的梯形电流。

1.2.2后膛电压

基于具有梯形波特性的ig考察后膛电压特性。设增强型轨道炮的等效初始电阻为R0，等效初始电感为L0，导轨的等效电阻梯度为r′，等效电感梯度为l′，其中l′还包含了副导轨与主导轨间的互感梯度，电枢膛内位置为x（与装填点的距离），电枢与主导轨之间的接触电压为ua，发射过程中ug可以表示为

分析ig上升阶段（tf阶段）的ug.忽略电流趋肤效应及其他外因影响，假设发射过程中R0、r′、L0、l′等参数不发生变化。在ig上升阶段，电枢处于由静止到低速运动的状态，位移量小，可不考虑与x相关的乘积项，（2）式简化为

R0易于控制、通常为毫欧量级甚至更低，因此式中R0ig项比较小；在主导轨与电枢接触良好时，ua也非常小。为了利用较短长度的身管实现电枢的平稳加速，ig被要求在tf阶段具有较大的d ig/d t.由（3）式可知，L0对该阶段的ug具有决定作用，其大小主要由轨道炮类型以及电路连接方式决定。此处分析的是对激励的影响，故应将PFN输出端至导轨的供电线缆的杂散电感归算到L0中。传统轨道炮因只有两根主导轨、结构简单，L0较小，但增强型轨道炮存在增强匝，且导轨电流跨接结构复杂，L0比较大，由此可知增强型轨道炮在tf阶段具有高幅值的ug.这里假设L0为3μH，若轨道炮发射时要求Ig为2MA，tf为1 ms，则（3）式中仅L0d ig/d t项就高达6 kV.分析表明大型增强型轨道炮ig上升阶段ug可能高达十几个千伏。

分析ig平稳阶段的ug.当ig到达幅值Ig以后（2）式可以简化为

式中:v是电枢的运动速度。（4）式等号右侧后两项正常发射时数值非常小，右侧第一项l′设计值一般在1μH/m左右，电枢出膛速度v一般为2～2.5 km/s［2，4，16，23-25］，因此，与tf阶段相比，ig平稳后的ug将小得多。

1.3晶闸管关断特性的影响分析

1.3.1理想负载工况

晶闸管是半控型器件，开关特性简述如下:1）承受反向电压时不会开通；2）承受正向电压时仅在门极有触发电流的情况下才能开通；3）一旦开通，门极就失去控制作用，关断只能通过外加电压和外电路作用使流过元件的电流降到接近0的某一数值以下。

PFN的理想负载是近于短路的小电阻负载，分析此工况下晶闸管的匹配与应用情况。设Ck为Ck的电容，Lk为Lk的电感，rk为Ck支路杂散电阻（rCk）、SCRk通态电阻（rSCRk）、Lk支路杂散电阻（rLk）之和，ik、uCk、uLk、uRk依次为PFUk的输出电流、Ck端电压、Lk端电压、杂散电阻的电压，uCk0为PFUk的放电初始电压，SCRk导通后PFUk首先进行RLC 2阶放电，则ik为

1.3.2增强型轨道发射工况

受限于晶闸管的通流能力，现阶段应用于电磁发射的PFU存储的电能多为几十千焦到一、二百千焦，输出脉冲电流的峰值通常在一百千安左右或更小，波前时间一般为数百微秒［2，8-12］，因此中、大规模的发射系统需要数量很多的PFU并联时序放电。从简化系统、便于调控电流波形等方面考虑，通常使PFN中各PFU的结构与参数均相同。当负载（发射器、发射参数）相同时，若系统总储能和工作电压相同，PFN包含的PFU数量越多（即PFU储能小），PFU 2阶放电的固有频率也就越易于提高，PFN的时序触发放电控制点也越多，越易于进行波形调节以满足ig梯形特性的要求。

在数兆焦及以上炮口动能的发射工况下，PFN储能一般需达炮口动能3倍甚至更高，且需要的Ig高达几个兆安级，tf长达一、两个毫秒，由于PFU储能小、2阶放电的固有频率高，因此在tf阶段将需要多个PFU进行时序放电以满足ig梯形波特性的要求。若在tf阶段某一时刻共有m个PFU同时放电，则易知其中一个PFU放电等效负载的电阻分量和电感分量将增大m倍，而等效负载的电阻分量和电感分量即为轨道炮的R0和L0.设Cek、Lek、Rek依次表示此工况下PFUk的等效电容、等效电感、等效电阻，则Cek=Ck，Lek=Lk+mL0，Rek=rk+mR0.

于是2阶放电时PFUk的输出电流i′k为

2阶放电时PFUk的电压平衡方程为

分析此工况下SCRk的开关过程及其关断特性产生的影响。为了简化讨论，这里不妨假设参与放电的PFUk的晶闸管通态过程被包含于tf之内。m个PFU在同一时刻触发放电，等效负载增大（但仍比临界阻尼负载小得多），由（6）式可知SCRk触发开通后PFUk放电不再满足近似等幅振荡放电的条件，而是变为幅值衰减较快的振荡放电。根据前述增强型轨道炮负载特性，tf阶段ug具有较高的幅值。比较（5）式与（6）式，考虑到ug相对较高将使u′k0数值变小，并注意到（5）式、（6）式中各参数取值的量级，则易知（6）式i′k的峰值较（5）式ik的峰值将小很多。ik的峰值变小意味着多个PFU同时放电时各PFU电感器能量中间变换的作用被弱化。忽略uRk的影响（因rk较小），分析（7）式可知，PFUk放电过程uCk和ug之差即为uLk，uLk与i′k之间满足Lkd i′k/d t，故当uCk等于ug时i′k达到峰值，而后i′k将衰减下降，uLk极性改变。由于i′k峰值小，uLk极性改变后的幅值也不大，在uCk略低于ug后SCRk便承受了反向电压而关断。此工况下高幅值的ug将使PFUk放电过程中SCRk承受反向电压关断时具有较大的uCk.结合（1）式分析可知，若发射工况相同，tf阶段某一时刻m值越大，i′k峰值就相对越小，SCRk承受反向电压关断时刻uCk则相应越高。由以上分析可得，tf阶段高幅值ug和多个PFU同时放电将带来一个不利的结果:在uCk较高时SCRk就承受了反向电压而关断，由晶闸管开关特性可知其关断状态将一直保持下去，这必然使Ck中存储电能得不到全部利用，即此工况下晶闸管关断特性将使得系统部分电能得不到释放与利用。

在ig到达Ig以后，Ck剩余电能能否继续释放与脉冲放电开关的特性直接相关。由于在ig达到Ig以后ug将大幅降低，如果脉冲放电开关采用无极性短路类型开关，则Ck在后续过程中会因uCk大于ug再次向导轨供电；分析表明，此时PFUk放电将伴随一个反向充电与脉冲放电相互交替的振荡过渡过程。

2　仿真与试验

基于某试验轨道发射系统进行仿真计算和试验研究，验证前述分析结论。试验系统的PFN额定储能为13MJ，额定工作电压为10 kV，由13个1MJ脉冲成形子系统（PFS）并联组成，每个PFS包括20个额定储能50 kJ的PFU.PFS如图2所示。PFU主要元件包括1台金属化膜电容器（1 mF/10 kV）、1只环氧浇筑箔式电感器（20μH/20 kV）、1个大功率晶闸管串联组件（100 kA/20 kV）、1个大功率二极管串联组件（100 kA/20 kV）等。试验系统的试验轨道炮是一个中口径串联增强型轨道发射试验装置，具备发射数兆焦动能、数千克质量电枢的能力。

根据PFN等效电路、轨道炮等效电路、电枢运动方程等建立了机电系统的仿真模型，并对模型作适当的简化。仿真算例设置如下:PFN工作电压为9 kV，模型主要参数如表1所示。全部PFU分17组进行时序放电，各组之间时间间隔均为150μs；设各PFS的PFU内部编号依次为1～20，第1组包含52个PFU，由每个PFS的1～4号PFU组成；第2组至第17组每组均包含13个PFU，由各PFS的1个PFU组成。仿真假定发射过程中电枢质量不变，并认为电枢在膛内运动过程中与导轨始终接触良好，忽略二者之间的接触电压，且认为二者之间的摩擦力不变。仿真计算采用Matlab/Simulink软件。模型参数设定说明如下:1）PFU模型中各支路的杂散电阻和电感计入仿真电路。杂散参数采用输出电流基频静态测量值；2）轨道炮机电模型的控制参数，如初始电感、初始电阻、电感梯度和电阻梯度采用导轨电流基频静态测量值。PFN汇流输出端至导轨尾端的连接线缆的等效电感与等效电阻计入轨道炮的初始电感与初始电阻，也采用基频静态测量值。

图2　1 MJ脉冲成形子系统Fig.2 1MJ pulse forming subsystem

表1　系统仿真模型的主要参数Tab.1 Key parameters of simulation model

发射试验研究使用了1 kg铝制U形电枢，PFN工作参数的设置与仿真算例完全相同。仿真计算和发射试验获得的结果与第1节理论分析所得结论一致，证明了发射初始阶段（tf阶段）放电的PFU电容器具有较高的剩余电压，也即晶闸管关断特性将使得系统部分电能得不到释放与利用。

仿真计算所得某一PFS的20个PFU的电容器电压（u1～u20）的曲线如图3所示。此算例下前5组PFU（即PFU1～PFU5）的电能不能得到完全释放，其剩余电压依次约为2.37 kV、4.00 kV、2.92 kV、1.62 kV、0.35 kV，该部分电能约占系统总储能的3.07％.

图3　PFU的电压仿真曲线Fig.3 Simulation voltages of PFUs

发射试验中部分PFU的电容器电压实测曲线如图4所示。受限于测量设备，试验仅选取了第1、4、9、14组PFU的电容器电压进行了测量，对应曲线依次标记为uT1、uT4、uT9、uT14.为了便于比较，图4同时给出了仿真所得对应各组PFU的电容器电压曲线，依次标记为uS1、uS4、uS9、uS14.实测曲线与仿真曲线基本一致。试验时PFU放电初始电压低于9 kV，是因为电容器存在泄漏电流，试验中PFU自充电完成到触发放电有长约5 s的触发命令等待时间。

图4　PFU的电压实测曲线与仿真曲线Fig.4 Experimental and simulation voltages of PFUs

图5　导轨电流和后膛电压的实测曲线与仿真曲线Fig.5 Rail currents and breech voltages for simulation and experiment

仿真计算与发射试验得到的导轨电流与后膛电压曲线如图5所示，iSg与uSg为仿真所得导轨电流与后膛电压波形，iTg与uTg为发射实测波形。仿真与发射试验的后膛电压波形均表明发射初始阶段其具有较高幅值，与前述理论分析一致。仿真与试验的导轨电流波形均具有平台特性，上升阶段二者波形比较吻合，随后出现较为明显的差别，特别在拖尾部分实测电流较仿真电流要小很多，最大差值约200 kA.分析认为主要原因包括:1）为了简化模型，仿真中各PFU采用了相同量值的杂散参数，而实际情况与之不同，受限于PFS架体结构，编号较小的PFU（触发时序在前）距离PFN汇流器较近、输出电缆较短，相应杂散参数较小，而编号较大的PFU距离汇流器较远、输出电缆较长，相应杂散参数则大得多（PFS架体结构与各PFU输出电缆情况如图2所示）；2）仿真模型中系统各处等效电阻和等效电感为特定频率下的静态测量值，而发射过程中系统各处电阻与电感是动态变化的，动态值与仿真参数存在差别；3）发射时各PFU电容器初始电压低于仿真电压；4）发射过程中存在铝制电枢烧蚀现象，运动过程中电枢与导轨可能变为电弧性接触。此外，仿真还无法模拟发射过程中电枢与导轨之间接触电压的变化、身管金属约束部件感应涡流对发射器性能产生的影响等。

3　电能再利用方法探讨

发射初始阶段放电的PFU的一部分电能不能被利用，如何改善晶闸管的匹配效果，使剩余电能再次得到有效利用具有重要意义。

因ig达到Ig以后ug将大幅降低，后续发射过程中tf阶段放电的PFU电容器剩余电压将大于ug，据此分析认为，剩余电能再利用的一个可行方法是通过改进PFN的控制软件，设置二次放电时序对PFU进行晶闸管二次触发放电。晶闸管二次触发时刻应设置在ig达平顶以后的下降阶段（td阶段），因为该阶段ug已近乎最小（如图5所示）。基于第2节仿真算例对二次触发放电的效果进行仿真验证，将所有PFS的PFU1～PFU8按同编号同组分成8组进行二次触发放电，各组放电的时序间隔设为50μs，二次触发起点设定首次触发放电后的2.6ms时刻。该仿真算例所得曲线如图6所示，图6中u1～u8为各PFS的PFU1～PFU8的电容器电压，v1是没有二次触发放电的电枢出膛速度，v2是具有二次触发放电的电枢出膛速度。仿真表明，PFU的剩余电能获得了利用，电枢出膛速度由2 188.4 m/s提高到了2 265.3m/s，系统的发射效率由22.74％提高到了24.37％.

图6　二次触发放电仿真电压曲线和电枢速度曲线Fig.6 Simulation voltages of PFU1～8and simulation velocity of armature

另外，适当增大tf阶段放电的PFU的电容和电感，即对于这部分PFU进行技术参数优化，也可以有效地解决剩余电能的再利用问题。在额定电压不变的条件下，电容与电感增大意味着PFU储能变大，且其2阶放电等效电路的固有周期变长，即tf阶段放电的PFU向导轨供电的时间变长，从而使得在ig达到平顶后该部分PFU电压仍高于ug.这种方法当前阶段有较大难度，原因是一方面增大PFU储能必将对晶闸管通流能力提出更高的要求，另一方面与等参数PFU结构的PFN相比较，若这部分PFU参数与其他PFU参数不一致，将增加系统的复杂程度。

4　结论

1）理论分析、仿真和试验研究的结果表明，受晶闸管关断特性的影响，增强型发射系统中PFN的一部分电能得不到有效利用。增强型发射系统中发射初始阶段放电的PFU停止供电时其电容器具有较高幅值的端电压，原因主要是增强型轨道炮较大的初始电感和导轨电流的梯形波特性导致发射初始阶段后膛电压具有较高幅值，使得晶闸管在PFU的储能电容器电能没释放完毕就因承受了反向电压而关断。

2）对初始阶段放电的PFU的剩余电能再利用的方法进行了探讨。分析认为，一个可行的方法是对PFN的控制功能进行改进，借助软件实现晶闸管二次触发放电；采用仿真验证二次触发放电的效果。使发射初始阶段放电的PFU剩余电能再次得到有效利用将有助于提高发射效率，是下一步的研究重点。

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Analysis on the Influence of Turn-off Characteristics of Thyristor on Augmented Railgun

LI Zhen-xiao，ZHANG Ya-zhou，NI Yan-Jie，LI Bao-ming
（National Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Based on the load characteristic of an augmented railgun，the influence of turn-off characteristics of high power thyristor is analyzed.The research shows that part of electric energy in pulse forming network cannot be used effectively in the process of launching experiment.The major reason is that the initial inductance of augmented railgun is larger and the rail current is of trapezoidal wave.Thus the breech voltage of augmented railgun is higher at the initial phase of launch，leading to the situations when the high power thyristor is shutoff due to reverse voltage and the stored electric energy of pulse forming unit is not released entirely during discharging.The above conclusions are verified by the simulation and experiment of augmented railgun.According to the actual state of the pulse forming network in augmented railgun，the reuse of remaining energy is discussed.The research conclusion has a guiding role for the application of high power thyristor in augmented railgun system.

ordnance science and technology；thyristor；pulse forming network；electromagnetic launch；augmented railgun

TJ99

A

1000-1093（2016）09-1599-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.007

2015-06-23

国防科技预先研究基金项目（9140C300502130C30001）

李贞晓（1975—），男，博士研究生。E-mail:lizhxnjust@126.com；栗保明（1966—），男，教授，博士生导师。E-mail:libaoming@mail.njust.edu.cn