基于ICCOS的STRETCH meat grinder電路中逆流回路的探討

馬山剛 于歆杰 李 臻

（清華大學電機工程與應用電子技術(shù)系 電力系統(tǒng)國家重點實驗室 北京 100084）

0 引言

用于電磁發(fā)射的脈沖功率電源要求電流幅值在幾毫秒內(nèi)維持MA 級。電容、電感和旋轉(zhuǎn)電機是產(chǎn)生這樣的脈沖的三種基本電源類型。在很長一段時間內(nèi)，國內(nèi)外學者和研究機構(gòu)對電容型脈沖電源做了大量的研究。目前在實驗室內(nèi)普遍實現(xiàn)了MA 級的電容儲能型脈沖電流。但是由于電容儲能密度相對較低，決定了其很難在實際系統(tǒng)中得到應用。旋轉(zhuǎn)電機的儲能密度比電容儲能要高三個數(shù)量級。但由于其非靜止儲能，冷卻困難，且需一次性存儲多次發(fā)射的能量，故其結(jié)構(gòu)非常復雜而很難實施。電感型儲能系統(tǒng)相比于電容具有高一個數(shù)量級的儲能密度；相比于旋轉(zhuǎn)電機由于其以靜止磁場的形式儲能，易于冷卻且只需存儲一次發(fā)射的能量即可。這些優(yōu)勢使電感型脈沖功率電源成為近年來諸多學者研究的熱點之一[1,2]。

電感儲能型脈沖電源由于電流的突變和充電回路中的漏磁場能量，使得主開關關斷時在其兩端產(chǎn)生很大的電壓應力而超出半導體開關所能處理的能力，故關斷開關成為電感儲能系統(tǒng)的關鍵因素之一。由美國Sitzman 等提出的STRETCH meat grinder 電路在電感儲能系統(tǒng)中引入一個輔助電容，雖然其能量密度不及純電感系統(tǒng)，但可有效降低關斷開關兩端的電壓，而且可增加電流倍增系數(shù)。然而由于其關斷開關使用了IGCT，因而使最大可關斷電流被目前的器件限制在4kA 量級[3-5]。德法聯(lián)合實驗室Dedie 等采用串充并放的XRAM 電路拓撲，以晶閘管代替IGCT，應用ICCOS 換流技術(shù)，實現(xiàn)了關斷二十幾千安充電電流的能力[6-9]。由清華大學提出的基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 新型拓撲，將ICCOS 換流原理應用于STRETCH meat grinder電路中，不僅可有效提高關斷電流的能力，而且可明顯降低系統(tǒng)成本[10]。

在德法聯(lián)合實驗室已發(fā)表的文獻中，并未對ICCOS 逆流回路作詳細分析和優(yōu)化設計，只是提及在其特定系統(tǒng)中逆流能量大約比換流能量低一個數(shù)量級[6]。本文首先簡要介紹了基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 電路關斷大電流的基本原理，通過對此電路的初步實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。隨后說明了對系統(tǒng)逆流回路設計的必要性，并提煉出了基本設計約束。最后通過對逆流電容值及其預充電壓大小進行優(yōu)化分析和選取，得出了最小逆流能量直接決定于所關斷的電流大小，且受到一次直流電源電壓的影響，而與換流能量無關的結(jié)論。

1 基于ICCOS 的STRETCH meat grinder電路開斷電流原理

基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 拓撲將STRETCH meat grinder 拓撲中的主管采用晶閘管代替IGCT，并采用ICCOS 換流技術(shù)關斷主管，其拓撲如圖1所示。

圖1 基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 拓撲Fig.1 Topology of STRETCH meat grinder with ICCOS

圖1中，除晶閘管VT3和逆流電容C2外，電路其余部分為一標準STRETCH meat grinder 電路。通 過觸發(fā)主管VT1導通，一次電源CS給電感L1、L2充電，在充電電流達到預定的關斷電流I0時，關斷VT1。如果兩個電感是全耦合的，L1中的能量將會全部轉(zhuǎn)移到L2中，L2中的電流會急劇上升。由于L2與負載相連，負載中也就會得到急劇上升的脈沖電流。但是實際的兩電感是很難做到全耦合的，當L1斷開時，L1中的漏磁通將會試圖維持L1中的電流，從而在VT1兩端產(chǎn)生高電壓。電容C就是給電感L1提供了一條導電通道，使電感中的漏磁能量轉(zhuǎn)移到C1中去，從而弱化了關斷開關的電壓應力。通過觸發(fā)VT2可將C1中的能量釋放到負載中去。

VT1的關斷利用的是ICCOS 換流原理。逆流電容C2中有預充電壓U0，晶閘管VT3、VT1、一次電源（超級電容）CS、連線電阻RS、電容C2以及負載RL和LL構(gòu)成ICCOS 逆流回路。觸發(fā)晶閘管VT3導通，由于逆流回路阻抗很小，產(chǎn)生快速增大的逆向電流通過主管VT1，使其總電流快速下降至維持電流以下而關斷，此時逆流電容C2上的電壓仍為正值，并且高于一次電源電壓瞬時值，從而使主管VT1承受反壓而保證其可靠關斷。

2 小電感系統(tǒng)初步實驗

以基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 電路的仿真數(shù)據(jù)為依據(jù)，在實驗室搭建了一個電感初始儲能為1kJ（1kA 充電電流和2mH 總電感）的小型系統(tǒng)，其總體實現(xiàn)如圖2所示。除了兩電感和負載自制外，其余器件均按照對應仿真數(shù)據(jù)進行選型。初步實驗是對自制的總電感為69.2μH 的小電感（L1=31μH，L2=8.1μH，耦合系數(shù)k=0.95）系統(tǒng)的驗證實驗。一次電源采用了1.6F、160V 的超級電容，實驗時操作程序為：零時刻，觸發(fā)主晶閘管VT1導通，延時t1后觸發(fā)逆流晶閘管VT3導通，再延時1ms 后觸發(fā)晶閘管VT2導通，通過改變延時t1大小或超級電容預充電壓US0來獲得不同大小的關斷電流I0。自制一小阻感負載（RL=1.4m?、LL=1.4μH）來模擬電磁軌道炮負載，用兩個羅柯夫斯基線圈分別測量充電電流和負載電流波形。實驗中逆流電容C2選用現(xiàn)有的210.4μF、耐壓7kV 的脈沖電容器。每次實驗前用專用直流源給C2預充一定的電壓U0。出于安全考慮，超級電容CS及電容C1和C2設置了放電回路。表1 為實驗值與仿真值（基于Simplorer?8仿真）的對比，括號外為實測值，括號內(nèi)為仿真值。圖3為典型電流波形對比結(jié)果。

圖2 1kJ 基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 系統(tǒng)總體實現(xiàn)圖Fig.2 An implementation of a 1kJ single-stage STRETCH meat grinder with ICCOS

表1 小電感系統(tǒng)實驗值與仿真值的比較Tab.1 Comparison of experimental and simulated data forthe small inductor system

圖3 典型電流波形實驗與仿真結(jié)果Fig.3 Typical experimental and simulated wavesforms

通過依次增大US0和t1值，實現(xiàn)了采用ICCOS換流技術(shù)對小電感STRETCH meat grinder 系統(tǒng)近1kA 充電電流的關斷。由表1 數(shù)據(jù)來看，關斷電流和負載電流的實驗值與仿真值都存在著較大誤差，其中負載電流的誤差主要是由于L2數(shù)值較小，使得微小的回路電阻就會引起較大的一階動態(tài)電流下降，以及受到回路中雜散電感等因素的影響，關于這一點將另外撰文討論。但初步實驗結(jié)果仍驗證了理論分析的正確性。

3 逆流回路優(yōu)化

圖4a 為ICCOS 逆流回路，逆流脈沖電流i2參考方向如圖中所示。超級電容CS兩端電壓記為uS，逆流電容C2兩端電壓記為u2。逆流脈沖的幅值及能量主要取決于逆流電容C2值及其預充電壓U0，初步實驗中C2電容值固定（210.4μF），而U0的選取是在效仿了文獻[6]中實驗時使其系統(tǒng)逆流能量大約比換流能量低一個數(shù)量級的做法的基礎上，盡可能取了較大值以保證可靠關斷預定電流。由于用于電磁發(fā)射的脈沖電源對于效率和體積等性能的要求較高，對逆流電容C2值及其預充電壓U0進行理論分析和優(yōu)化選取是必要的。

圖4 ICCOS 逆流回路電感充電回路Fig.4 ICCOS and charging current circuit

從以上分析可知，對基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 電路逆流回路的優(yōu)化實質(zhì)上就是主要對C2及U0進行優(yōu)化取值以使逆流能量盡可能小。圖5為充電電流和ICCOS 逆流脈沖波形圖，由此可提出逆流關斷的兩個基本約束：

（1）為使所需要的逆流能量盡可能小，逆流脈沖應在盡可能短的時間內(nèi)上升至預定關斷電流值I0，記此時刻為t1。在逆流脈沖大于I0期間存在某一時刻t2，此時C2的電壓u2(t2)與一次電源電壓uS(t2)值相等。

（2）由于VT1有一定的反向恢復時間tr，為保證其可靠關斷，t2與t1的時間間隔應不少于tr。

圖5 充電電流和逆流脈沖波形Fig.5 Waveforms of charging current and countercurrent pulse

在圖4a 的逆流回路中，基于疊加定理，當單獨考慮逆流脈沖時應將一次電源CS視為短路，并記R=RS+RL，可列出逆流關斷條件數(shù)學表達式為

其中

對式（4）中的uS(t2)需要說明的是，由于以超級電容為一次電源，在圖4b 所示的電感充電回路中，當給較大的電感L1、L2充較大電流時，超級電容的電壓跌落就不能忽略，充電回路為一個二階欠阻尼電路，uS是一個隨時間變化的電壓，其求解方程與式（1）同解。

對于本文所開展的小電感初步實驗系統(tǒng)而言，CS=1.6F，其初始電壓US0=160V，RS=12m?，L1=31μH，L2=8.1μH，k=0.95，總電感Ltot=69.2μF，RL=1.4m?，LL=1.4μH，C2=210.4μF，主管VT1的反向恢復時間tr=20μs（型號為KKA2000—12，廠家盛唐電源提供），對其進行數(shù)值計算，結(jié)果見表2。

表2 小電感系統(tǒng)不同U0時的最大I0(C2=210.4μF)Tab.2 The maximum ofI0under variousU0for the smallinductor system(C2=210.4μF)

從計算結(jié)果可知，對于具體的系統(tǒng)在C2值確定的前提下，不同的預充電壓U0所能關斷的最大電流I0（對應于最大關斷能量）是可以計算的。

而對于前述基于ICCOS 的STRETCH meatgrinder 小電感系統(tǒng)，C2值也不確定，圖6為關斷不同充電電流值時的（U0,C2）組合曲線，并標出了最小逆流能量值，單位為J。為便于比較分析，典型充電電流取值與表2 中的最大可關斷電流一致。

圖6 小電感系統(tǒng)在不同I0時的（U0,C2）組合曲線Fig.6 The(U0,C2)composite curve under variousI0for the small inductor system

將圖6的計算結(jié)果列于表3。與表2 相比，相同關斷電流所需要的逆流能量更小，說明了在C2恒定時盡管能找到不同預充電壓下的最大關斷電流，但其對應的逆流能量并不是最小的。而且對于小電感系統(tǒng)，隨著預關斷電流的增大，所需要的最小逆流能量也在增大，但逆流能量相對于關斷能量的比值在不斷減小。

表3 小電感系統(tǒng)不同I0時的最小逆流能量Tab.3 The minimum of countercurrent energyunder variousI0for the small inductor system

以超級電容作為一次電源時，要求其儲存能量要遠大于電感的充電能量。這樣才能使電感的充電時間盡可能短，從而減小對主管的電壓應力和回路能量損耗。實際系統(tǒng)所用的1.6F、160V 的超級電容，其最大儲能約為20kJ。表3 中小電感系統(tǒng)各關斷電流對應的關斷能量是遠小于此值的，是符合實際應用的。

對于較大的電感，如2mH 電感系統(tǒng)，其關斷電流與表3 中小電感系統(tǒng)電流具有相當數(shù)值時，由于電感充電能量較大，則需要相應提高超級電容的儲能。圖7為2mH 電感系統(tǒng)在關斷與小電感系統(tǒng)相同數(shù)值電流時，逆流回路參數(shù)的優(yōu)化曲線，并標出了最小逆流能量值，單位為J。

圖7 2mH 電感系統(tǒng)在不同I0時的（U0,C2）組合曲線Fig.7 The(U0,C2)composite curve under variousI0for 2mH inductor system

將圖7的計算結(jié)果列于表4。由表4 可以得到隨著關斷電流的增加，所需要的最小逆流能量也在增加。但是與表3 中小電感系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)相比，關斷能量大幅增加而所需要的最小關斷能量卻幾乎對應不變。這說明所需要的最小逆流能量與預關斷的電流直接相關，與對應的關斷能量是沒有關系的，表3 和表4 的最小逆流能量的差別是由于使用的超級電容不同及其給電感充電時產(chǎn)生不同的壓降所致。

表4 2mH 電感系統(tǒng)不同I0時的最小逆流能量Tab.4 The minimum of countercurrent energyunder variousI0for 2mH inductor system

4 結(jié)論

在對基于ICCOS 的STRETCH meat grinder 電路理論分析和初步實驗驗證的基礎上，提出開展其ICCOS 逆流回路設計對可靠關斷大電流和系統(tǒng)優(yōu)化具有重要意義。逆流回路的設計關鍵是對逆流電容及其預充電壓的優(yōu)化選取，使關斷不同能級系統(tǒng)的不同電流所需要的逆流能量盡可能小。

本文提出了ICCOS 逆流回路的基本設計約束，仿真結(jié)果表明，最小逆流能量與所要關斷的能量無關，而與關斷電流直接相關，并因所使用的一次電源的影響而有差別。

[1]McNab I R.Developments in pulsed power technology[J].IEEE Transactions on Magnetics,2001,37(1):375-378.

[2]Kanter M,Pokrvailo A,Shaked N,et al.Factors in inductive storage system design[C].Tenth IEEE Inter- national Pulsed Power Conference,1995,1:186-191.

[3]Sitzman A,Surls D,Mallick J.Stretch Meat Grinder:a novel circuit topology for reducing opening switch voltage stress[C].Proceedings of 13th IEEE International Pulsed Power Conference,Monterey,CA,2005:493-496.

[4]Sitzman A,Surls D,Mallick J.Design,construction,and testing of an inductive pulsed-power supply for a small railgun[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(1):270-274.

[5]Sitzman A,Surls D,Mallick J.Modification and testing of a battery-inductor repetitive pulsed power supply for a small railgun[C].2007 IEEE Pulsed Power Conference,Albuquerque,2007:1793-1798.

[6]Scharnholz S,Brommer V,Buderer G,et al.High- power MOSFETs and fast-switching thyristors utilized as opening switches for inductive storage systems[J].IEEE Transactions on Magnetics,2003,39(1):437-441.

[7]Dedie P,Brommer V,Scharnholz S.Experimental realization of an eight-stage XRAM generator based on ICCOS semiconductor opening switches fed by a magnetodynamic storage system[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(1):266-271.

[8]Dedie P,Brornmer V,Scharnholz S.ICCOS counter- current-thyristor high-power opening switch for currents up to 28 kA[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(1):536-539.

[9]Dedie P,Brommer V,Scharnholz S.Twenty-stage toroidal XRAM generator switched by countercurrent thyristors[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2011,39(1):263-267.

[10]Yu Xinjie,Chu Xiangxiang.STRETCH meat grinder with ICCOS[C].IEEE Transactions on Plasma Science,2013,41(5):1346-1351.