电磁发射用13 MJ脉冲功率电源系统研究

张亚舟，李贞晓，金涌，罗红娥，田慧，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）

电磁发射用13 MJ脉冲功率电源系统研究

张亚舟，李贞晓，金涌，罗红娥，田慧，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）

随着电磁发射技术的发展，对脉冲功率电源特性的要求也越来越高，需要脉冲电流具有兆安级幅值、数毫秒脉宽、上升快速且有平顶波特点，为此研制了1套13 MJ、额定工作电压10 kV的电容储能型脉冲电源。电源系统采用多模块并联结构，由13个储能1 MJ脉冲成形子系统组成，每个子系统包含20个50 kJ脉冲电源模块，单个模块短路放电电流最大可达65 kA；充电系统由基于串联谐振变换器的高压充电机组成；控制系统具有两级控制结构，使用同步编码信号对各电源模块进行时序放电控制；测量系统采用PXI系统，主从式网络结构，可满足分布式测量需求。系统在模拟负载上进行了性能测试，在电磁发射装置上进行了实验研究。实验结果表明，13 MJ脉冲功率电源系统输出电流波形灵活可调、可靠性高，可以满足电磁发射实验的需求。

兵器科学与技术；电磁发射；电容储能；脉冲成形子系统

0 引言

电磁轨道炮利用电流与磁场的相互作用实现弹丸超高速发射，是电磁发射技术的一个重要发展方向，具有良好的应用前景。高功率脉冲电源（PPS）是电磁发射系统中的关键组成部分与能量来源，也是脉冲功率技术研究的重点［1-4］。

随着电磁发射技术的发展，对中口径电磁发射电源的性能要求也随之提高，需要电源在数毫秒内提供一个幅值较大、上升快速且具有平顶波特点的脉冲电流。为此研制了一套13 MJ电容储能型高功率脉冲电源，额定工作电压10 kV.电源系统工作稳定可靠，具有较强的抗干扰能力，可通过时序控制输出与轨道炮负载特性相匹配的兆安级脉冲电流。

1 系统结构与技术难点

电容储能型脉冲电源从功能上可以分为脉冲成形网络系统、充电系统、控制系统、测量系统等部分。脉冲成形网络因系统庞大、结构复杂，储能密度要求高，因此对系统在小型化、紧凑化设计方面提出了较高的要求；充电系统需采用高效率、快速充电技术并设计防护装置；控制系统需对放电开关进行精确控制，确保触发一致性；测量系统需要准确测量实验数据还需具备诊断功能，以便及时查找故障模块。同时，电源系统需考虑在强电磁环境下运行可靠［5］。

13 MJ脉冲功率电源的系统结构如图1所示，采用了多模块并联结构，将脉冲成形网络系统分为13个1 MJ的脉冲成形子系统（PFS），每个子系统由20个电源模块组成。充电系统由13台高压充电机组成，每台可为1个PFS进行充电。控制系统由1台远程控制计算机、13个PFS控制器、13个充电控制器、260个晶闸管触发器、控制软件组成。测量系统由1台远程测试计算机、13台PFS测试器、测量软件以及分布在系统中的电流、电压传感器组成。

图1　13 MJ脉冲功率电源系统结构框图Fig.1 B1ock diagram of 13 MJ PPS

2 系统设计

2.1脉冲成形网络

PFS由20个50 kJ脉冲电源模块（PPM）组成，以并联形式连接到PFS汇流器，再向外输出脉冲电流。PPM的主要参数如表1所示。

PPM原理电路如图2所示。主要元件包括：脉冲电容器C、调波电感器L、放电开关SCR、续流开关D、安全泄放电阻Rd、充电隔离开关Kc、安全泄放开关Kd、电流互感器MIi（i=1，2）等。所有电源模块均采用了相同的拓扑结构与技术参数，具有良好的兼容性。

表1　电源模块主要设计参数Tab.1 Design parameters of PPM

图2　脉冲电源模块电路原理图Fig.2 Schematic diagram of PPM circuit

PPM结构示意图如图3（a）所示，为使电源系统结构紧凑，采取的设计方法有：1）晶闸管SCR与续流二极管D进行一体化封装设计；2）根据半导体开关的外形结构，优化调整脉冲电容器、调波电感器、泄放电阻等元件的外形结构；3）充电隔离开关与安全泄放开关进行一体化设计。

2.1.1脉冲电容器

脉冲电容器选用了1台1 mF/10 kV，储能密度1.3 MJ/m3，使用寿命可达3 000次的干式金属化膜电容器。这种电容器具有高比能、低固有电感、高能量释放效率、长寿命等优点，利于电源实现小型化、轻量化和高可靠性［6-7］。同时金属化膜具有自愈特性，提高了系统的安全性，可通过监测电容量、介质损耗等电气参数随时掌握电容器的绝缘状况。

2.1.2调波电感器

调波电感器的作用是调节输出电流波形，同时也是能量输出元件，要求其具有很高的通流与耐冲击能力［8-9］。为此研制了一台20 μH/15 kV、环氧树脂浇筑、空心柱形结构箔式电感器，其可承受峰值100 kA、脉宽20 ms脉冲电流。电感器具有磁场集中、高比能、低内阻、热容性好、通流能力高、耐电动力冲击能力强等特点。

2.1.3放电开关

放电开关选用5只4英寸大功率快速晶闸管串联组成。单只晶闸管断态重复电压VDRM为4 kV，可承受浪涌电流ITSM＞70 kA，通态电流临界上升率di/dt＞1 kA/μs.晶闸管具有结构紧凑、固有电感和电阻小、开通迅速、触发功率小、控制方式灵活、抗电磁干扰能力强、抗振动冲击性能好等优点［10-13］。

图3　模块结构示意图与脉冲成形子系统照片Fig.3 Structure diagram of PPM and photo of PFS

采用串联方式应用晶闸管，需要考虑元器件开通一致性、静态均压、动态均压和浪涌电压的防护。为此设计了电流幅值大于4 A的晶闸管触发器，采用门极同步强脉冲触发电路，确保晶闸管开通特性一致，开通散布＜0.2 μs；同时晶闸管均并联500 kΩ均压电阻和30 Ω-0.33 μF的阻容元件，以满足元器件静态均压、动态均压和浪涌电压防护要求［14］。触发器采用不锈铁材料屏蔽盒，光纤触发控制的方式以避免电磁干扰。

2.1.4续流开关

续流开关选用5只4英寸大功率快速二级管串联组成，用于限制脉冲电容器反向存储能量、提高电能的转换效率［15-17］。二极管反向工作电压VRM为4 kV，可承受浪涌电流ITSM＞100 kA，耐受电流平方时间积最大值 maxI2t＞20 000 kA2s，同时并联了500 kΩ均压电阻和30 Ω-0.33 μF阻容元件以保护器件的安全。

2.1.5其他元器件

安全泄放电阻采用了200 kJ/10 kV复合陶瓷电阻，静态阻值约100Ω.具有无电感、抗冲击、耐高压的优良特性。充电隔离开关与安全泄放开关均采用了20 kV空气接触器，设计充电隔离为常开触点、安全泄放为常闭触点的一体化开关。电流互感器采用柔性结构的无源Rogowski线圈，建成的脉冲成形子系统如图3（b）所示。

2.2充电系统

充电机采用了与恒压充电方式相比，具有体积小、效率高、功率密度大、适合宽范围变化负载等优点的恒流充电方式［18-19］。充电机由工频交流电供电，输出电压0～12 kV，输出电流5 A.充电电路选择了串联谐振充电电路，开关频率fs为18 kHz，谐振频率fr为40 kHz，满足fs＜fr/2，确保电路在零电流关断不连续充电模式下工作。在整个工作周期内，开关管既能获得零电流开通，也能获得零电流关断，充电效率可达90%.当负载短路时，谐振电流的正半周可以在负半周全部返回电源，平均充电电流较小，回路电流波形正弦化使电磁干扰极小。同时可利用输出变压器的漏感作为谐振电感的一部分参与谐振，这种工作方式具有自动抵抗负载短路的优点。此外，在充电机输出端设计了保护电路和隔离硅堆，能有效防护因充电断路和外部电路失效造成的过电压对充电机内部元件的冲击，提高系统可靠性。

2.3控制系统

控制系统主要功能包括参数设置、充电控制、放电控制、急停控制和数据采集控制。电源系统采用两级控制结构，远程控制装置是第1级控制设备，包括一体化设计的远程控制计算机和操作面板。操作面板与主控计算机采用RS-485通信方式交换控制信息，通过光纤通信方式管理13个PFS控制器与充电机控制器，在发出放电指令同时通过光纤通信启动测量设备进行脉冲放电数据采集，PFS控制器是本地分控装置，为第2级控制设备。通过光纤与20个PPM晶闸管触发器进行连接，采用屏蔽电缆实现对PPM充电隔离开关与安全泄放开关的控制，通过远程控制计算机可查看晶闸管触发器、充电隔离开关、泄放开关的状态。

电源的时序控制由远程控制计算机采用光纤通信方式同步向各PFS控制器发送脉冲放电时钟起点信号，选用一致性高的通信模块，确保传输距离相等、参数相同，从而实现对时序放电的精确控制。时钟起点信号为编码信号，只有满足编码的信号才能被控制器识别，控制器接收到时钟起点信号后以该信号为时间基准，根据设定的时间顺序依次触发各PPM晶闸管触发器，确保脉冲放电具有较好的时间一致性和较强的抗干扰能力［20-21］。

2.4测量系统

测量系统采用PXI总线数据采集系统，主从式网络结构，通过光纤网络通信方式组网连接。系统包括1台远程测试计算机、13台PFS测试器以及光电隔离仪、电流、电压传感器组成。主要测量参量有：脉冲电容器充电与放电电压、脉冲电容器输出电流、脉冲成形子系统汇流器输出电流、系统汇流器输出电流、负载电压、负载电流等。电压采用具有纳秒级上升时间、高阻率高压探针进行测量，电流采用Rogowski电流互感器进行测量［22-23］。

测量系统软件由图形化编程语言Labview实现，主要包括数据分析软件、主机测量软件和子机测量软件。主机测量软件负责脉冲成形子系统以及负载数据的处理，具有采样通道选择、采样设置、子系统电压与电流采集、负载电压与电流采集等功能；子机测量软件负责单个子系统数据的管理，具有采样通道选择、采样设置、模块电压电流采集等功能。测量系统同时兼备故障诊断功能，可以通过测量软件快速找到故障模块。

3 仿真与实验

3.1脉冲电源模块与子系统仿真

根据各元件电气参数，使用Mat1ab/Simu1ink对电源模块以及系统进行仿真。PPM的仿真结果如图4（a）所示，IL为电感器测得电流波形，即模块输出电流，IC为电容器测得电流波形，ID为二极管测得电流波形，UC为电容器电压值。通过仿真可知，充电电压10 kV时，PPM峰值电流约为67 kA，半峰值脉宽接近1 ms.

对13 MJ电源系统进行时序放电仿真，设置充电电压为10 kV，13个PFS同时开始放电，每个PFS中的20个模块放电间隔时间为200 μs，放电电流波形如图4（b）所示，电流近似一个平顶波，峰值可达2.7 MA.

3.2模拟负载放电实验

利用高功率模拟负载对13 MJ脉冲电源进行了多种性能测试实验，主要包括PPM放电性能测试、PFS放电性能测试、多PFS并联放电性能测试与系统放电性能测试。

图4　电源模块与系统仿真曲线Fig.4 Simu1ated waveforms of PPM and PPS

图5为50 kJ电源模块对模拟负载短路放电实验输出电流与电压波形。工作电压10 kV时，模块输出的脉冲电流幅值约65 kA，实验结果与仿真结果进行对比发现，实验电流较图4（a）中仿真电流幅值略低，这是因为连接线缆中存在杂散电感和杂散电阻，电流存在趋肤效应等因素导致的。

图5　电源模块电流、电压实测曲线Fig.5 Fxperimenta1 current and vo1tage waveforms of PPM

图6为单个PFS在充电电压10 kV时对模拟负载时序放电电流波形，20个电源模块以时序间隔200 μs放电测得的电流波形，电流峰值约为200 kA. 图6与图4（b）中电源系统仿真波形进行对比可以看出，放电波形均近似为平顶波，趋势相同，单个1 MJ PFS试验电流幅值与13 MJ系统仿真电流幅值近似于倍数关系。系统受杂散参数与电流趋肤效应等因素影响，等效后试验数据略小于仿真结果。

图6　脉冲成形子系统电流实测曲线Fig.6 Fxperimenta1 current waveform of PFS

3.3电磁发射实验

使用13 MJ脉冲电源进行了电磁发射实验，实验电流波形如图7所示。

脉冲电源工作电压为7.5 kV，各PFS内前4个PPM时序放电间隔为10 μs，其余PPM以时间间隔120 μs依次放电。图7（a）为系统汇流器的输出电流波形（ILoad）。图7（b）为单个PFS汇流器输出电流波形（IPFS1）以及20个PPM输出电流波形（IPFS1-1，IPFS1-2，…，IPFS1-20），从图中可以看出电源输出的脉冲电流峰值约为1.05 MA，半峰值脉宽约为3.5 ms，具有较好的平顶波特性。发射实验达到了预期的目标，效果良好。

4 结论

电源模块通过晶闸管与二极管一体化封装、优化元件外形结构、充电泄放开关一体化设计等方法使系统结构更加紧凑，采用高储能密度的干式金属化膜电容器，提高了系统储能密度。串联谐振充电机提高了系统充电效率，电磁干扰极小，同时设计了提高系统可靠性的保护装置。控制系统使用同步时钟编码信号，对各模块进行精准的时序放电控制，触发模块采用光纤通信、加装屏蔽盒以避免电磁干扰。测量系统采用具有高采样率的PXI数据采集系统、主从式网络结构实现整个系统的数据采集，同时具有故障诊断功能。电源通过模拟负载实验，验证了电源满足设计要求，电路仿真与实验结果一致性较高。发射实验表明，13 MJ脉冲电源工作稳定，性能良好，可靠性高，可以满足中口径电磁轨道发射研究的需要。

图7　电磁轨道炮发射实验波形Fig.7 Fxperimenta1 waveforms of FML test

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Research and Development on a 13 MJ Pulsed Power Supply for Electromagnetic Launcher

ZHANG Ya-zhou，LI Zhen-xiao，JIN Yong，LUO Hong-e，TIAN Hui，LI Bao-ming
（Nationa1 Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Techno1ogy，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

With the deve1opment of the e1ectromagnetic 1aunch techno1ogy，the requirement of the pu1se power supp1y（PPS）is increasing，of which the output current is required to have MA 1eve1 amp1itude，pu1se width of severa1 mi11iseconds，rapid rising and f1at-topped wave.A 13 MJ capacitor-based PPS of which rated operationa1 vo1tage is 10 kV was deve1oped.The PPS is of mu1ti-modu1e para11e1 structure and composes of 13 1 MJ pu1se forming subsystems.Fach subsystem has 20 50 kJ pu1se power modu1es.The maximum short-circuit discharge current of every modu1e is about 65 kA.Charging system adopts high vo1tage capacitor charging power supp1y based on series resonance converter.Contro1 system has two-1eve1 contro1 structure which uses a synchronized code signa1 to contro1 the sequentia1 discharging.Measurement system based on PXI system and master-s1ave network structure can satisfy the requirements of distributed measurement.The performance of the system is test under artificia1 1oading，and the experimenta1 research on e1ectromagnetic 1aunching device is carried out.The experimenta1 resu1ts show that 13 MJ PPS has high re1iabi1ity and meets the requirements of FML experiment，and its output current waveform is f1exib1e and adjustab1e.

ordnance science and techno1ogy；e1ectromagnetic 1auncher；capacitor energy storage；pu1se forming subsystem

TM833

A

1000-1093（2016）05-0778-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.05.002

2015-07-02

张亚舟（1987—），男，博士研究生。F-mai1：zyzrb@163.com；栗保明（1966—），男，教授，博士生导师。F-mai1：baoming1i@njust.edu.cn