脈沖功率電源中浪涌電壓分析與仿真

楊玉東，金 魁

(淮陰工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

脈沖功率電源是電磁軌道炮的能量來源，主要由電容、開關(guān)、續(xù)流二極管、調(diào)波電感及一系列保護(hù)電路構(gòu)成,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在脈沖成形網(wǎng)絡(luò)放電過程中會(huì)發(fā)生半導(dǎo)體器件(如可控硅開關(guān)、續(xù)流二極管等)損壞現(xiàn)象[1-2]。眾所周知，半導(dǎo)體器件的損壞大多是流過器件的電流過大或反向電壓過高造成的。由于脈沖功率電源存在感性器件, 如調(diào)波電感、軌道等效電感、連線分布電感等，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中會(huì)存在電流和電壓過沖現(xiàn)象，稱之為浪涌現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)脈沖功率電源中的浪涌現(xiàn)象分析很少，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件的損壞一般歸納于器件的參數(shù)不匹配或制造工藝問題[3]，林慶華、栗保明對(duì)脈沖功率電源中出現(xiàn)的振蕩電流進(jìn)行了仿真分析，采用的是Pspice中二極管模型，模型本身存在缺陷，難于真實(shí)地反映實(shí)際問題[4]。Jin-Sung K等僅對(duì)多模塊脈沖功率電源時(shí)序放電存在的浪涌電壓進(jìn)行了分析[5]，認(rèn)為浪涌電壓是由于后續(xù)放電模塊對(duì)前一放電模塊沖擊造成的，但對(duì)沖擊時(shí)間及影響效果未作討論。本文構(gòu)建多模塊脈沖功率電源的二階電路，對(duì)激勵(lì)電壓和二階電路中二極管的電流波形進(jìn)行HHT變換，尋找浪涌電壓產(chǎn)生的原因并提出抑制方法。

1 浪涌電壓產(chǎn)生原因

多模塊脈沖功率電源時(shí)序放電時(shí)，放電電流均在負(fù)載上產(chǎn)生電壓，負(fù)載電壓對(duì)各級(jí)模塊均會(huì)造成反向沖擊，以第一級(jí)模塊為分析對(duì)象，則根據(jù)電路等效原理，其它模塊在負(fù)載上產(chǎn)生的電壓是第一模塊的激勵(lì)源。以此類推，分析第N級(jí)模塊，則N-1級(jí)模塊在負(fù)載上的電壓是其激勵(lì)源。兩模塊脈沖功率電源如圖1所示，圖中U1～U4為根據(jù)大功率二極管的開關(guān)特性構(gòu)建的等效PSPICE模型[6]，該模型能夠反映大功率二極管的正向?qū)ê头聪蚧謴?fù)特性；開關(guān)K在實(shí)際測(cè)試過程中采用真空觸發(fā)管，在正常情況下加在真空觸發(fā)管兩端電壓低于觸發(fā)管放電值時(shí)，觸發(fā)管兩電極處于斷開狀態(tài)，電極間具有很高的絕緣性能。當(dāng)電壓高于觸發(fā)管放電值時(shí)，觸發(fā)管兩電極之間快速(數(shù)微秒)擊穿且以很低的內(nèi)阻通過較大的脈沖電流。當(dāng)電壓降低時(shí)，隨著通過電流的下降，觸發(fā)管兩電極間絕緣性能又快速(數(shù)微秒)恢復(fù)，觸發(fā)管兩電極又處于原來的斷開狀態(tài)。為了模擬真空觸發(fā)管這種工作過程，圖1中采用串聯(lián)一個(gè)二極管來近似等效。為了在分析過程敘述方便，設(shè)左邊的模塊為模塊一，右邊的模塊為模塊二，P1和P2點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn)。電路參數(shù)如下：儲(chǔ)能電容C1、C2容量為1.2mF，調(diào)波電感L5、L6電感量都為20uH，二極管分布電容為0.12uF，連線分布電阻為2m。

圖1 兩模塊脈沖功率電源

當(dāng)模塊開始放電，負(fù)載電流迅速增加，然后逐漸衰減，如果是單模塊電路，則負(fù)載電流會(huì)衰減至零。而在多模塊時(shí)序放電電路中，當(dāng)模塊一負(fù)載電流下降時(shí)模塊二接著放電，此時(shí)負(fù)載電流不會(huì)衰減至零，而是會(huì)迅速增加，這個(gè)突變?cè)黾拥碾娏髟谪?fù)載上產(chǎn)生的電壓反向加載在模塊一的電感L5的右端，二極管在正向?qū)〞r(shí)被突然加了一個(gè)反向偏壓，并不會(huì)迅速截止，而是存在一個(gè)反向恢復(fù)過程，真空觸發(fā)管也不會(huì)立即完全截止，此時(shí)二極管反向分布電容Cd、真空觸發(fā)管反向電容Ck、導(dǎo)線分布電阻R1、調(diào)波電感L5構(gòu)成了一個(gè)二階回路，輸入電壓即為負(fù)載RL兩端電壓，從而在截止二極管U2的負(fù)極產(chǎn)生較高的脈沖電壓，稱之為浪涌電壓。浪涌電壓的值有時(shí)很高，能達(dá)到負(fù)載電壓的兩倍且電壓變化率很大，若此電壓施加在二極管兩端極易造成二極管的反向擊穿，進(jìn)而損壞儲(chǔ)能電容器。模塊一可等效為一個(gè)RLC串聯(lián)二階電路。C為二極管反向電容和真空觸發(fā)管分布電容的并聯(lián)，電阻R為導(dǎo)線分布電阻，L為調(diào)波電感，u為負(fù)載上的壓降，是由模塊一和模塊二共同放電形成的，對(duì)于模塊一而言，模塊二放電形成的負(fù)載電壓則是激勵(lì)電壓。

在多模塊時(shí)序放電過程中，負(fù)載電壓是由多個(gè)脈沖電壓組成的，是一個(gè)非平穩(wěn)信號(hào)，由傅里葉變換理論可知，此信號(hào)可由多個(gè)正弦信號(hào)疊加逼近，為了分析方便，以輸入電壓為正弦信號(hào)為例作一般分析，再摔推廣到實(shí)際信號(hào)中去。電容兩端電壓的表達(dá)式可以表示為：

(1)

式中，U為激勵(lì)信號(hào)的振幅，p1、p2為二階電路的極點(diǎn)。由二階電路原理可得到電容兩端電壓uc與激勵(lì)電壓u之間的傳遞函數(shù)為：

(2)

(3)

式中，dQ為勢(shì)壘區(qū)每側(cè)存儲(chǔ)電荷的微增量，dVD為二極管兩端電壓的微增量。經(jīng)理論推導(dǎo)可得：

(4)

式中，CB0為零偏置時(shí)的勢(shì)壘電容，VD為二極管兩端電壓，V0為建立勢(shì)壘電位(典型值為1V)，m為結(jié)的梯度系數(shù)，m=1/3～1/2，取決于摻雜情況，對(duì)于PIN二極管，其I區(qū)摻雜較低，m取1/2。由式(4)可知，當(dāng)反向電壓增加時(shí)，二極管勢(shì)壘電容呈減小趨勢(shì)，電壓與電容變化呈非線性。

2 電路參數(shù)對(duì)浪涌電壓影響

由上述分析可知，浪涌電壓是由二極管反向電容、真空觸發(fā)管分布電容、連線電阻和調(diào)波電感組成的二階電路引起的，與二極管電容、電壓幅度和頻率有關(guān)。如果激勵(lì)電壓幅度不變、而電路參數(shù)不變，那么在某個(gè)固定的頻率上會(huì)產(chǎn)生電壓諧振，其響應(yīng)電壓最大；如果激勵(lì)頻率變化、幅度變化，而電路參數(shù)不變，則在諧振頻率時(shí)刻產(chǎn)生的響應(yīng)不一定最大；如果激勵(lì)頻率不變、激勵(lì)幅度不變，電路參數(shù)變化，則在某個(gè)時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生諧振，出現(xiàn)最大的電壓響應(yīng)；對(duì)于本文所研究的內(nèi)容而言，激勵(lì)電壓的幅度、頻率是時(shí)變的，響應(yīng)的電路參數(shù)也是時(shí)變的，因此出現(xiàn)較大的浪涌電壓響應(yīng)時(shí)刻和幅度很難確定。激勵(lì)電壓幅度和頻率的變化與模塊間放電間隔時(shí)間有關(guān)，不同的時(shí)間間隔引起負(fù)載兩端電壓的頻率、幅度均不相同；不同的電壓加在二級(jí)管兩端，引起二極管的勢(shì)壘電容也不相同，由這些因素造成的浪涌電壓幅度及發(fā)生時(shí)間也各不相同。另外負(fù)載電阻發(fā)生變化，也會(huì)引起浪涌電壓，尤其是在負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，如電樞離膛瞬間會(huì)在電路中引起極大的浪涌電壓，以下分別討論放電間隔時(shí)間和負(fù)載電阻突變對(duì)浪涌電壓的影響情況。

2.1 放電間隔時(shí)間對(duì)浪涌電壓影響

以圖1所示的兩模塊時(shí)序放電做分析，當(dāng)兩模塊放電間隔時(shí)間分別為0.35ms、0.8ms時(shí)，得到負(fù)載電壓和模塊一續(xù)流二極管電流波形，采用HHT時(shí)頻分析方法對(duì)信號(hào)作時(shí)頻分析，HHT是目前較為常用的時(shí)頻分析方法，其時(shí)間分辨率優(yōu)于小波分析及其它時(shí)頻分析方法，其原理眾多文獻(xiàn)均有介紹[7-8]，本文不再多加描述，得到的結(jié)果如圖2～5所示。

圖2(a)為兩模塊間隔0.35ms的負(fù)載電壓，(b)圖為電壓信號(hào)的EMD分解，負(fù)載電壓可分解為四個(gè)IMF信號(hào)，分別如(c)、(d)、(e)、(f)圖所示，(g)、(h)、(i)、(j)圖是三個(gè)IMF信號(hào)的時(shí)頻分布。由時(shí)頻分布可知，在不同時(shí)刻負(fù)載電壓的幅度和頻率各不相同，由于模塊二是從0.35ms開始放電，對(duì)模塊一的影響應(yīng)從0.35ms之后進(jìn)行分析，由(g)圖可以看出，在0.35ms之后時(shí)間段內(nèi)負(fù)載電壓頻率在22Hz左右躍變，同時(shí)段還存在其它低頻成分，在0.35～1ms時(shí)間段內(nèi)，激勵(lì)電壓幅度范圍在0.2kV左右，之后，激勵(lì)幅度幾近為零。由上述分析可知，容易產(chǎn)生諧振現(xiàn)象的時(shí)間范圍是0.35～1ms，浪涌電壓幅度會(huì)較大。圖3是兩模塊間隔0.35ms時(shí)模塊中續(xù)流二極管的響應(yīng)電流，在0.35～1ms時(shí)間段內(nèi)二極管中電流頻率和幅度發(fā)生了很大變化，在這段時(shí)間內(nèi)，流過調(diào)波電感中的電流變化也是非常劇烈的，在電感兩端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)也會(huì)非常大，P1觀測(cè)點(diǎn)電壓及浪涌電壓如圖4所示。

圖2 負(fù)載電壓時(shí)頻(間隔0.35ms)

圖3 二極管電流時(shí)頻(間隔0.35ms)

圖4 不同間隔時(shí)間的浪涌電壓

圖5 負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生的浪涌電

圖4是兩模塊之間間隔0.35ms時(shí)觀察點(diǎn)P1電壓及浪涌電壓波形，間隔0.35ms時(shí)浪涌電壓達(dá)到9.5kV，已接近充電電壓10kV，隨著放電時(shí)間間隔加大，模塊一中真空觸發(fā)管已經(jīng)完全斷開，二極管也完全截止，此時(shí)模塊二放電已經(jīng)對(duì)模塊一不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。由以上分析可以得出如下結(jié)論：(1)浪涌電壓在模塊時(shí)序放電時(shí)容易產(chǎn)生，電壓幅值高、變化率大，這種情況下極易擊穿二極管，需要進(jìn)行抑制；(2)浪涌電壓發(fā)生時(shí)段處于待分析的模塊的電感放電期，在此期間二極管由正向?qū)ū环聪驈?qiáng)制截止，由于存在反向恢復(fù)時(shí)間，在恢復(fù)期內(nèi)的二極管反向勢(shì)壘電容不斷變化，由二極管反向電容、真空觸發(fā)管分布電容、調(diào)波電感構(gòu)成的二階回路會(huì)發(fā)生振蕩，在電容兩端電壓出現(xiàn)較高的電壓，一般情況下電壓低于激勵(lì)電壓，但在一定條件下會(huì)成倍增加。

2.2 負(fù)載電阻突變對(duì)浪涌電壓影響

電樞在運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)載的電阻是實(shí)時(shí)變化的，但由于軌道的電阻梯度較小，電樞在膛時(shí)電阻變化不太明顯，當(dāng)電樞離膛瞬間，電路中的負(fù)載電阻會(huì)發(fā)生突變，由于電感中電流不能突變，負(fù)載上的電壓會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，使得浪涌電壓增加。圖5是負(fù)載電阻增大時(shí)浪涌電壓變化情況。

3 浪涌電壓抑制方法

根據(jù)以上對(duì)浪涌電壓成因的分析，一般可以采取如下三種方法進(jìn)行抑制[9]：(1)在二極管兩端串上阻容器件以破壞諧振條件，但這種方法需要耐壓值很高的電容器；(2) 采用壓敏電阻，通過設(shè)置合適的閾值，把浪涌電壓鉗制在安全范圍內(nèi)，這種方式在低壓系統(tǒng)中較常采用，在高壓大電流系統(tǒng)中，其電壓鉗制能力和安全性很難預(yù)測(cè)；(3)直接在續(xù)流二極管兩端并聯(lián)電阻，這種方法安全有效，是最常采用的方法。對(duì)于時(shí)序放電引起的浪涌電壓，由于并接這個(gè)電阻，二極管突然反向截止時(shí)由電阻提供泄流通道，只要這個(gè)電阻取值較小(一般為歐姆級(jí))就會(huì)減小電阻突變，從而減小浪涌電壓的幅度, 并接的電阻越小浪涌電壓的幅度就越小。對(duì)于負(fù)載電阻突變引起的浪涌電壓，在續(xù)流二極管兩端并接電阻后，二階回路的阻尼增大，抑制了振蕩，同時(shí)降低了浪涌電壓的幅度。在續(xù)流二極管兩端并接了30歐姆電阻和6歐姆電阻后的浪涌電壓波形如圖6所示。

(a) 并接6歐姆電阻

(b) 并接30歐姆電阻

從圖6中可以看出，并接電阻降低了浪涌電壓的幅度，當(dāng)并接30歐姆電阻時(shí)，浪涌電壓由10kV降低至7.5kV。并接電阻越小浪涌電壓抑制效果越好，當(dāng)并接6歐姆電阻時(shí)浪涌電壓降低至5kV。仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[4、6]中的試驗(yàn)與仿真結(jié)果相吻合，證明了這種方法是有效的。但是在每個(gè)續(xù)流二極管的兩端加上電阻雖然可以抑制浪涌電壓，但是對(duì)實(shí)際負(fù)載獲得的功率會(huì)造成影響。電阻阻值越小負(fù)載獲得的功率就越小，這是因?yàn)榉烹姇r(shí)該電阻起到了分流的作用。因此電阻阻值大小在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要綜合考慮。

4 結(jié)論

浪涌電壓的產(chǎn)生是由多模塊放電過程中后續(xù)模塊放電對(duì)其它模塊造成的沖擊引起的。這些現(xiàn)象的發(fā)生都與阻尼二極管的分布參數(shù)和工作狀態(tài)有關(guān)，所以說一個(gè)較為準(zhǔn)確的二極管模型對(duì)仿真結(jié)果至為重要。從半導(dǎo)體內(nèi)部工作機(jī)理過程來看，在二極管從開通狀態(tài)向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)積于擴(kuò)散區(qū)的額外載流子需要一定時(shí)間抽走，并通過復(fù)合而逐漸消失，因此浪涌現(xiàn)象形成過程中二極管等效參數(shù)是變化的。本文建立了脈沖成型網(wǎng)絡(luò)的分布參數(shù)模型，通過理論計(jì)算結(jié)合仿真手段，分析了浪涌現(xiàn)象形成原因及發(fā)生的條件并提出了抑制方法。目前對(duì)浪涌電壓和電流有多種抑制方法和設(shè)備，但是對(duì)于大功率脈沖成型網(wǎng)絡(luò)而言，穩(wěn)定、簡(jiǎn)潔的保護(hù)電路可以減小系統(tǒng)的分布參數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董健年,李鴻志,栗保明.大功率二極管脈沖功率源中的過渡過程[J].彈道學(xué)報(bào),2001,3(11):41-42.

[2] Dethlefsen R,McNab I.Pulse power applications of silicon diodes in EML capacitive pulsers[J].IEEE Trans.on magnetics,1993,29(1):934-938.

[3] Rim G H, Cho C H, Choi YW,et al.Protection scheme of a charging and discharging system for a 500kJ capacitor bank[J].IEEE Trans On Magnetics,2001,37(1):389-393.

[4] 林慶華,栗保明.電容儲(chǔ)能高功率脈沖成形網(wǎng)絡(luò)浪涌過程分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2008,32(6):730-731.

[5] Jin-Sung K,Young-Ho C,Jeung-Ho C,et al.Analysis on high surge voltages generated in paralleled capacitor banks[J].IEEE Trans on magnetics,2003,39(1):422-426.

[6] 田敏,楊玉東,高安邦.大功率二極管PSPICE模型構(gòu)建[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,16(6):58-62.

[7] Jin-Sung K,Young-Ho C,Jeung-Ho C,et al.High current pulse forming by modualized capcitor banks[J].IEEE Trans on magnetics,2002,2(1):1205-1208.

[8] 劉霖雯,劉超,江成順.EMD新算法及其應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(2):446-448.

[9] 裴強(qiáng),胡波.Hilbert-Huang變換方法研究進(jìn)展[J].世界地震工程,2011,27(2):21-24.