一种真空触发开关脉冲电源系统研究

张亚舟， 李贞晓， 程年恺， 田慧， 栗保明

(1.南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京210094; 2.中国兵器科学研究院， 北京 100089)

一种真空触发开关脉冲电源系统研究

张亚舟1， 李贞晓1， 程年恺2， 田慧1， 栗保明1

(1.南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室， 江苏 南京210094; 2.中国兵器科学研究院， 北京 100089)

脉冲电源系统性能基本取决于放电开关的特性，真空触发开关因其具有工作电压范围宽、承载电荷量高、介质恢复迅速、结构紧凑等优点，可用于脉冲电源的主开关。采用RVU-43型真空触发开关研制了一套总储能2 MJ、额定工作电压13 kV的脉冲电源。电源系统由17个118 kJ电容储能模块并联组成，单个模块短路放电最大电流达52 kA，系统包含了充电、控制、测量子系统。电源在模拟负载上进行了单模块、系统同步与时序控制放电性能测试，并在电热化学发射装置上进行了发射试验。结果表明，系统输出的电流幅值较高且波形灵活可调，可靠性高，可满足电热化学发射试验的研究。

兵器科学与技术； 脉冲功率电源； 真空触发开关； 电容储能模块

0 引言

随着脉冲功率技术的发展和广泛的应用，在特种电源的控制方面如大功率激光器电源和电物理研究中的储能系统控制，以及电磁发射的能源控制等都对高性能开关提出需求。在真空开关与触发火花间隙技术基础上发展起来的真空触发开关(TVS)，因其具有工作电压范围宽、承载电荷量高、介质恢复迅速、结构紧凑等优点，被用于脉冲功率电源的主开关[1-3]。

20世纪60年代，美国通用电气公司的Lafferty对TVS进行了大量的研究与开发工作[4]。20世纪70年代，印度科学家Kamakshaiah等对应用不同触发材料的TVS进行了研究[5]，美国通用电气公司Rich等提出了多棒极型电极结构的TVS[6]，加速了其实用化进程。20世纪80年代，荷兰学者Vries等[7]和中国科学院的魏荣华等[8]对TVS进行了应用研究，取得大量的研究成果。20世纪90年代以来，TVS有了进一步的发展，国内对TVS的极性效应、初始等离子体不稳定现象和电极烧蚀特性等开展了理论与试验研究，并不断开发设计新型TVS[9-12]。与此同时，多个国家采用TVS作为主开关进行电源系统的研制。俄罗斯科学院电物理研究所采用TVS研制了9 MJ电源系统，系统最大工作电压25 kV，可输出近10MA电流[13]。德国TZN公司采用TVS为电热化学炮项目研制了由6个90 kJ模块组成的540 kJ电源系统，最大工作电压30 kV，21 kV时3个模块同步放电电流达70 kA[14]。韩国电工研究所采用TVS研制了由8个300 kJ模块组成的2.4 MJ脉冲电源系统，单个模块最大工作电压22 kV，最大工作电流150 kA，系统用于电热化学发射研究[15]。我国华中科技大学采用TVS研制了由10个50 kJ模块组成的500 kJ脉冲电源系统。单个模块最大工作电压13 kV，输出电流峰值达70 kA[16]。

本文针对电热化学发射研究的需要，基于RVU-43型TVS研制了一套由17个电源模块并联组成的脉冲电源系统。电源在模拟负载上进行了性能测试，并应用于发射试验，结果表明脉冲电源系统可以满足电热化学发射研究的需要。

1 真空触发开关

与电力电子器件相比，结构简单和成本低是TVS的最大特点。就导通和关断功能而言，目前采用电力电子器件需通过多只开关串并联应用以达到TVS的功率水平，同时需考虑均压保护电路，增加了开关的成本。在相同通流容量下，TVS的体积比火花隙开关缩小近50%，同时火花隙开关的电极需要定期清洗和更换，而TVS由于电弧电压低，电极烧蚀率低，主电极寿命一般不受限制。TVS触发电压低，也不易对周围环境产生电磁干扰[17]。

TVS主要由绝缘系统、主电极和触发极3部分组成。图1为RVU-43型TVS及其结构示意图。

图1 RVU-43型TVS及结构示意图Fig.1 RVU-43 TVS and its structure

绝缘系统包含主电极间的绝缘和触发极与主电极间的绝缘，绝缘体大都采用电真空陶瓷，触发极绝缘往往决定了TVS的工作寿命。TVS的静态真空度需维持在10-4Pa数量级以上，绝缘件与密封面还要有足够的抗拉强度，以承受大电流工作时产生的电磁力。

主电极的结构是由通载的电荷量电流密度与动态绝缘水平所决定的。如优先考虑载荷，可选用多个电极并列结构以增加燃弧面积；如加上动态绝缘前提，增加电弧面积也意味着增加了弧后击穿的概率。电极间距可决定动态绝缘水平，但在动态下并非间距越大越好，因为增加电弧长度就提高了电弧电压，增加了弧隙的输入能量，电极表面热载的增加也可能加大烧灼，影响弧后介质强度恢复。电极材料的选择也对耐电烧灼特性影响很大。

触发电极是决定TVS工作性能的关键元件之一。触发电极一般固定在一个主电极上，并通过外触发系统与主电极构成放电回路。外触发电路提供触发脉冲，在触发电极与主电极产生初始等离子体，由主电极间的电场和真空扩散作用，在主电极的阴极上形成自持放电的阴极斑点，从而实现TVS的导通。

RVU-43型TVS采用高强度的铬铜电极，多棒极并列结构，这种结构阳极和阴极各有多个交错排列的棒电极，电弧在这些棒电极中产生，由于导通面积大，可以减少导通大电流时的电极烧蚀[18-20]。开关主要特性如表1所示。

表1 RVU-43型TVS参数

2 脉冲功率电源系统

电热化学发射技术是依靠脉冲电源将电能输入到等离子体发生器，产生的等离子体引燃发射药从而推进弹丸的新概念发射技术[21]。等离子体发生器属于高阻抗负载，阻值一般为数十毫欧。现阶段炮尾输电装置尚未达到工程化应用水平，输电结构相对简单，存在较大的杂散参数，这些都对电源系统提出了较高的要求。脉冲电源系统研制主要面对的问题如下：1)为了维持和增强发射装置中的等离子体，电源需确保各模块根据设定的触发时间精准放电，触发时间间隔可调，根据不同负载的需求对放电波形进行调节，提供不同电压、电流、电流上升率和脉宽的电流波形，进而改善内弹道特性；2)TVS主电极间需维持高阻以保证时序放电时模块间不因相互干扰而发生自闪。触发电流不能过高，以免影响TVS寿命。TVS导通以及等离子体电爆炸会产生电磁干扰，影响系统可靠运行；3)电热化学发射时可能会在续流开关两端产生过电压，从而损坏器件，影响系统安全。为了确保输出较高的电流幅值，电源模块的内阻内感需要尽可能小。

针对上述难点，通过多种有效的技术方法研制了一套储能2 MJ的高功率脉冲电源。主开关选用具有较高工作电压与工作电流，大电荷转移量，上万次开关寿命与体积紧凑等优点的RVU-43型多棒极TVS[22-23]。电源系统主要由脉冲成形子系统、触发控制子系统和充电、测试子系统组成。

2.1 脉冲成形子系统

脉冲成形子系统由17个电源储能模块(PFU)并联组成，电路拓扑图如图2所示。

图2 脉冲电源电路拓扑图Fig.2 Schematic diagram of PPS circuit

图2中C为脉冲电容器，选用1 400μF/14 kV干式金属化膜高压电容器，储能密度达1.3 J/cm3. TVS为RVU-43型真空触发开关，最大工作电压30 kV，最大工作电流200 kA，开关在100 kA电流30 C电荷转移下寿命可达10 000次。为了确保系统运行可靠，通过对模块中电气参数进行计算，电感器L采用了散热效果好，受力均匀的50 μH/18 kV空心柱形结构电感。续流二极管D选用了6只直径100 mm，耐压3.1 kV，最大工作电流100 kA的平板式二极管串联组成堆体，每只二极管均并联了压敏电阻与阻容元件用于保护元器件，避免过压损坏。各模块采用低阻低感同轴电缆连接至汇流器，以减小模块内杂散参数对电流幅值的影响。多模块并联方式有利于放电波形的调节，以满足不同负载的需求。电源模块如图3所示。

图3 脉冲电源模块Fig.3 118 kJ pulsed forming unit

2.2 触发控制子系统

触发控制子系统由时序控制器、高压触发器与系统控制台组成。

时序控制器可设置同步与时序工作方式，计算机将设置的时序通过RS-232接口载入时序控制器，时序控制器接收到启动信号后按设定的时序向高压触发器发送光脉冲信号。控制器时序范围可在1～32 000 μs之间选择，延迟步长为1 μs，以满足系统对触发精度与触发时间设置的需求，采用光纤触发控制可有效避免电磁干扰对触发系统的影响。时序控制器如图4所示。

图4 时序控制器Fig.4 Time sequence controller

高压触发器用于控制触发真空开关的闭合，每个TVS均有独立的触发装置进行控制，触发器具有光纤触发与手动触发两种触发模式。原理电路如图5所示。

图5中触发光信号到达光接收器后，C1中储存的能量以脉冲的形式经过变压器T1的原边释放并向晶闸管开关SCR1发出触发信号，开关导通后C2中储存的能量释放，依靠变压器T2的升压作用，使三电极火花间隙开关S1触发，C3中能量释放到T3的原边，随后TVS所在电源模块导通。T3为触发器与TVS之间的隔离变压器，用于保护触发器，防止电流流入。手动开关BS1工作原理与光触发方式相同。通过提高脉冲变压器的变比与使用带陡化间隙的TVS触发源可提高触发源的输出能量同时避免沿面金属蒸汽沉积对触发的影响，提高TVS的导通可靠性[24]。

图5 高压触发器电路图Fig.5 Circuit of trigger generator

系统控制台综合了充电子系统控制，充电电压监测，电源模块选择，紧急情况电荷泄放，脉冲放电触发控制等功能以确保系统的可靠运行。充电与控制系统如图6所示。

2.3 充电、测试子系统

充电子系统由两台高功率充电机组成。充电机采用体积小、效率高、适合宽范围变化负载的恒流充电方式，串联谐振充电电路。充电机由可编程逻辑控制器进行控制，工频交流电供电，最大工作电压14 kV，工作频率18 kHz，平均工作电流5 A，可在40 s内将电容器充电至13 kV. 充电机采用风冷散热方式，在充电机与电容器之间加装了隔离电阻和一台小型电容器用于防止充电线突然断路或电源放电时接地端电流流入充电机，从而损坏器件，同时安装了IGBT温度检测装置，用于防止开关过热工作[25]。

测试子系统用于对电源的放电电压与电流进行测量，由Rogowski线圈、高压探针、DC光纤隔离仪和PXI数据采集系统组成。电压测量由高压探针将高压信号变换成低电压，通过光纤隔离仪传入数据采集系统。光纤隔离仪用于隔离测试系统与高电压系统之间的电气连接，消除接地回路隐患。电流测量由Rogowski线圈、积分器、数据采集器组成。多种规格Rogowski线圈分别用于测量各单模块电流，多模块电流以及系统总电流。同时采用Labview图形化编程平台，设计了脉冲电源数据采集与处理软件[26]。

3 电源系统仿真与试验

3.1 电源模块性能测试

根据各元器件电气参数，使用Matlab/Simulink对电源系统进行仿真，并利用模拟负载对脉冲电源进行短路放电测试。图7为电源模块仿真与模拟负载放电试验输出电流波形图，图7中IS-L为流经电感器的仿真电流曲线，充电电压为13 kV时，电流峰值为55 kA.IL为电感器测得电流波形，即模块输出电流，ITVS为TVS测得电流波形，ID为二极管测得电流波形，UC为电容器电压值。当充电电压为13 kV时，电容器储能达118 kJ，模块峰值电流约为52 kA. 从图7中可以看出，测试电流与仿真电流趋势相同幅值略低，分析原因应是模块连接线缆中存在杂散电感与杂散电阻，以及电流存在趋肤效应等因素导致。

图7 电源模块电流与电压实测曲线Fig.7 Measured current and voltage waveforms of PFU

3.2 电源系统放电试验

对电源系统进行了仿真并在模拟负载上进行了同步放电与时序放电试验。图8为电源系统充电8 kV时，17个模块同步放电波形图。IPPS为电源系统电流，电流峰值为491 kA.IS-PPS为电源系统仿真电流，电流峰值为510 kA.IPFU1～5～IPFU14～17为汇流装置测得的多模块组电流。

图8 电源同步放电电流曲线Fig.8 Measured current waveforms of PPS

对电源系统进行时序放电仿真与性能测试，按表2中的时间间隔设置时序控制器。图9为电源系统充电电压7 kV时，时序放电电流仿真与测试波形，IS-PPS为仿真电流波形，峰值电流为203 kA，IPPS为试验测得电流，峰值电流为196 kA，对比仿真与试验波形可以看出各电源模块均按照设定的时间顺序准确放电，受杂散参数的影响，仿真结果略高于试验结果。

表2 时序放电间隔

图9 电源时序放电电流曲线Fig.9 Current waveforms of PPS

电源系统最多可通过17个模块进行时序放电，各模块触发精准，触发时间间隔范围宽，具有数百千安峰值电流与数毫秒脉宽的波形调节能力。

3.3 电热化学发射试验

采用2 MJ电源系统进行电热化学发射试验，图10为电热化学发射试验测得放电电压UC与电流IETC波形。试验采用10个电源模块，充电电压为9.3 kV，放电电流峰值为160 kA，脉宽约为1.9 ms，发射效果良好，能够满足电热化学发射研究的需要。

图10 发射试验电压、电流波形图Fig.10 Measured voltage and current waveforms of launching test

4 结论

1)TVS因具有承受电压高、工作电压范围宽、主间隙介电强度恢复迅速、不易受外界环境影响、导通电流大等优点，可用于主放电开关。多棒极型TVS主电极由多对棒状电极组成，电极正负交叉，呈环形排列，通过增大导通面积使得通流能力变强，减少了导通大电流时电极烧蚀现象，有利于开关寿命的延长，适合应用于脉冲电源系统。

2)采用RVU- 43型多棒极TVS研制了一套总储能2 MJ、额定工作电压13 kV的脉冲电源系统。电源系统由17个118 kJ电源模块并联组成，包含充电、控制与测量子系统。电源在模拟负载上进行了单模块、系统同步与时序放电性能测试，测试结果与仿真结果一致性较高。发射试验结果表明电源系统性能良好，可靠性高，可满足电热化学发射研究的需要。

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Research on a Triggered Vacuum Switch Pulsed Power Supply

ZHANG Ya-zhou1, LI Zhen-xiao1, CHENG Nian-kai2, TIAN Hui1, LI Bao-ming1

(1.National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China;
2.Ordnance Science and Research Academy of China, Beijing 100089, China)

The performance of pulsed power supply (PPS) depends on the basic characteristics of the discharge switch. Triggered vacuum switch (TVS) has the advantages of wide working voltage range, high transfer charge, quick dielectric recovery and compact structure. A 2 MJ PPS with rated operational voltage of 13 kV which uses RVU-43 TVS was developed. The PPS is of multi-module parallel structure and composes of 17 118 kJ capacitor-based pulsed power modules. The maximum short-circuit discharge current of every module is about 52 kA. The system is composed of charging, control and measurement subsystems. The synchronous and time sequence discharge tests under dummy load are made for PPS, and PPS is launched from an electrothermal chemical (ETC) launcher. The experimental results show that PPS can output high amplitude and flexible current wave, and has high reliability for ETC launch research.

ordnance science and technology; pulsed power supply; triggered vacuum switch; capacitor-based pulsed power module

2016-12-20

张亚舟(1987—)，男，博士研究生。E-mail：zyzrb@163.com

栗保明(1966—)，男，教授，博士生导师。E-mail：baomingli@njust.edu.cn

TM833

A

1000-1093(2017)08-1469-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.08.002