基于meat grinder with SECT電路的50kJ電感儲(chǔ)能型脈沖電源的研究

班 瑞， 于歆杰， 劉旭堃， 李 臻

(電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué)電機(jī)系， 北京 100084)

基于meatgrinderwithSECT電路的50kJ電感儲(chǔ)能型脈沖電源的研究

班 瑞， 于歆杰， 劉旭堃， 李 臻

(電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué)電機(jī)系， 北京 100084)

電感儲(chǔ)能型脈沖電源是目前電磁發(fā)射技術(shù)的研究熱點(diǎn)，提升裝置儲(chǔ)能密度對(duì)于推動(dòng)電感儲(chǔ)能型脈沖電源的應(yīng)用和研究具有重要意義。本文介紹了一種適用于電感儲(chǔ)能型脈沖電源的名為meat grinder with SECT的新電路，并對(duì)該電路進(jìn)行了詳細(xì)的原理分析，指出該電路兼具電流關(guān)斷能力強(qiáng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。通過仿真將meat grinder with SECT和STRETCH meat grinder、STRETCH meat grinder with ICCOS這兩種主流電路進(jìn)行了性能比較，發(fā)現(xiàn)meat grinder with SECT電路在保持電氣性能不變的同時(shí)，成本最低，體積最小?；趍eat grinder with SECT電路，本文研制了50kJ電感儲(chǔ)能型脈沖電源并進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

電感儲(chǔ)能型脈沖電源； meat grinder with SECT； 電磁發(fā)射； 脈沖電源

1 引言

電感儲(chǔ)能型脈沖電源因其儲(chǔ)能密度高，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多的關(guān)注，逐漸成為目前電磁發(fā)射技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。關(guān)于電感型脈沖電源的研究起步較晚，還處于電路拓?fù)浜驮囼?yàn)裝置的研究階段。

電感儲(chǔ)能型脈沖電源的電路拓?fù)渲饕袃纱箢悾夯趍eat grinder[2]的電路和基于XRAM[3]的電路，文獻(xiàn)[4]中比較了基于這兩種拓?fù)涞碾娐?。本文主要研究基于meat grinder的電路，meat grinder拓?fù)浠诖磐▔嚎s原理實(shí)現(xiàn)電流倍增，但是主開關(guān)在斷開時(shí)會(huì)承受極高電壓，不是一個(gè)實(shí)用的電路拓?fù)洹?/p>

為了解決meat grinder拓?fù)渲鞴茈妷焊叩膯栴}，美國(guó)IAT (Institute for Advanced Technology)實(shí)驗(yàn)室提出了STRETCH (Slow Transfer of Energy Through Capacitive Hybrid) meat grinder電路[5]。該電路使用IGCT作為主開關(guān)，引入了能量轉(zhuǎn)換電容來限制主管電壓，文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了其工作原理，這里不再贅述。由于使用IGCT作為主開關(guān)，STRETCH meat grinder電路的最大可關(guān)斷電流受制于IGCT的通流能力，該電路難以用來構(gòu)建大容量脈沖電源模塊。

為了提高電流關(guān)斷能力，清華大學(xué)提出了一種名為STRETCH meat grinder with ICCOS的改進(jìn)電路[6]。該電路使用晶閘管作為主開關(guān)，為了關(guān)斷晶閘管，引入了ICCOS[7]逆流回路。該電路的電流關(guān)斷能力遠(yuǎn)大于STRETCH meat grinder，更適用于構(gòu)建大容量系統(tǒng)，但由于引入了ICCOS逆流回路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

本文介紹了一種名為meat grinder with SECT (Self-charged Capacitor and Thyristors)的電路[8]，如圖1所示。該電路兼具電流關(guān)斷能力強(qiáng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。本文將對(duì)該電路進(jìn)行原理分析和性能分析，并與STRETCH meat grinder和STRETCH meat grinder with ICCOS進(jìn)行比較，最后基于該電路構(gòu)建50kJ電感儲(chǔ)能型脈沖電源。

圖1 Meat grinder with SECT電路Fig.1 Meat grinder with SECT

2 Meat grinder with SECT電路分析

2.1 原理分析

Meat grinder with SECT電路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與STRETCH meat grinder一樣，不同之處在于用晶閘管TH1替代了IGCT作為主管，用晶閘管TH2替代了二極管，并且給C1預(yù)充了一定電壓。其與STRETCH meat grinder with ICCOS相比，則是去掉了ICCOS逆流回路，通過TH2和C1關(guān)斷主管。理論上，meat grinder with SECT電路的電流關(guān)斷能力與STRETCH meat grinder with ICCOS相當(dāng)，但電路保持了與STRETCH meat grinder類似的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

Meat grinder with SECT的工作過程可分為6個(gè)階段，分別是充電階段、關(guān)斷階段、換流階段、電感放電階段、自恢復(fù)階段和電感放電階段。

(1)充電階段

在開始工作時(shí)，觸發(fā)晶閘管TH1導(dǎo)通，電源US給電感充電，強(qiáng)耦合電感L1、L2中電流增加，等效電路如圖2所示。

圖2 Meat grinder with SECT工作階段1Fig.2 Stage 1 of meat grinder with SECT

(2)關(guān)斷階段

當(dāng)電感電流增加到給定值時(shí)，觸發(fā)TH2導(dǎo)通，由于uC1>US，TH1中電流瞬間降為0，電感L1和L2通過C1續(xù)流，表現(xiàn)為C1繼續(xù)給電感充電，uC1降低，電感電流繼續(xù)增大。當(dāng)uC1>US時(shí)，TH1承受反向電壓，若反向電壓持續(xù)時(shí)間大于晶閘管反向恢復(fù)時(shí)間，TH1關(guān)斷。當(dāng)uC1降為0時(shí)，關(guān)斷階段結(jié)束，這一階段等效電路如圖3所示。

圖3 Meat grinder with SECT工作階段2Fig.3 Stage 2 of meat grinder with SECT

(3)換流階段

換流階段等效電路圖如圖4所示。當(dāng)uC1降為0時(shí)，換流階段開始，D1導(dǎo)通，L2通過負(fù)載續(xù)流，L1中的大部分能量通過互感耦合到L2中，使L2電流開始倍增，L1中的漏感能量轉(zhuǎn)移到C1中，L1電流減小，C1反向充電。當(dāng)L1電流降為0時(shí)，iTH2=0，uTH2=uC1-uLoad，由于負(fù)載是小阻感，電壓較低，因此TH2承受反向電壓而關(guān)斷，換流過程結(jié)束。該過程與STRETCH meat grinder的換流階段原理相同。

圖4 Meat grinder with SECT工作階段3Fig.4 Stage 3 of meat grinder with SECT

(4)電感放電階段

換流結(jié)束后，電感L2通過負(fù)載放電，這是一個(gè)一階過程，等效電路如圖5所示。

圖5 Meat grinder with SECT工作階段4、6Fig.5 Stage 4,6 of meat grinder with SECT

(5)自恢復(fù)階段

換流過程中，C1吸收漏感能量而被反向充電，這部分能量可以再次被利用，回饋到負(fù)載上。觸發(fā)TH3，C1通過電感和負(fù)載反向放電，當(dāng)uC1為0時(shí)，iTH3達(dá)到最大，接著C1被正向充電，直到iTH3降為0，TH3關(guān)斷，自恢復(fù)過程結(jié)束，該過程等效電路如圖6所示。該過程不同于STRETCH meat grinder和STRETCH meat grinder with ICCOS，因?yàn)門H2的位置是一個(gè)晶閘管而不是二極管，因此TH3關(guān)斷后，TH2不導(dǎo)通，該過程結(jié)束。需要特別指出的是，C1先反向放電，再正向充電，在參數(shù)合適的情況下，C1的剩余電壓可能達(dá)到預(yù)充電壓。也就是說在一定條件下，C1的電壓可以自恢復(fù)，SECT中的self-charged capacitor即源于此。自恢復(fù)特性十分適合電磁軌道炮負(fù)載，具有實(shí)現(xiàn)C1一次充能，多次發(fā)射的潛力。

圖6 Meat grinder with SECT工作階段5Fig.6 Stage 5 of meat grinder with SECT

(6)電感放電階段

TH3關(guān)斷后，L2繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，等效電路與階段4相同，如圖5所示。

圖7為meat grinder with SECT電路電流波形圖，其中標(biāo)注了各工作階段與電流波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 Meat grinder with SECT電路電流波形Fig.7 Current waveforms of meat grinder with SECT

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于meat grinder with SECT電路，搭建了小系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)參數(shù)見表1。使用與試驗(yàn)相同的參數(shù)在Simplorer?11.0中對(duì)meat grinder with SECT和STRETCH meat grinder進(jìn)行仿真，試驗(yàn)和仿真負(fù)載電流波形如圖8所示。

表1 小系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experiment parameters of meat grinder with SECT

圖8 試驗(yàn)和仿真負(fù)載電流波形比較Fig.8 Load current waveforms of simulation and experiment

試驗(yàn)和仿真波形吻合較好，并且可以發(fā)現(xiàn)，meat grinder with SECT負(fù)載電流波形與STRETCH meat grinder相比有兩點(diǎn)明顯差異：①meat grinder with SECT負(fù)載電流波形上升沿較晚，這是因?yàn)樵陉P(guān)斷過程中，當(dāng)TH1被關(guān)斷后，電容C1繼續(xù)為電感充電，直到C1電壓為0時(shí)，負(fù)載電流才開始倍增；②meat grinder with SECT負(fù)載電流二次峰后沒有凹陷，這是因?yàn)樵陔A段5中，C1和電感、負(fù)載組成的高階振蕩過程只持續(xù)半個(gè)周期。對(duì)于軌道炮負(fù)載，meat grinder with SECT電路的波形更優(yōu)。

3 50kJ系統(tǒng)性能分析

在Simplorer?11.0仿真環(huán)境下，分別構(gòu)建基于meat grinder with SECT、STRETCH meat grinder和STRETCH meat grinder with ICCOS的電感總儲(chǔ)能為50kJ的系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)均相同。其中初級(jí)電容為103.8mF，預(yù)充1500V，電感總感值為4mH，L1感值1050μH，阻值46.5mΩ，L2感值304μH，阻值21mΩ，耦合系數(shù)0.95，充電時(shí)長(zhǎng)為24ms。

文獻(xiàn)[9]提出了8個(gè)電氣性能指標(biāo)，這里選擇3個(gè)最典型的指標(biāo)分析，分別是電流倍增系數(shù)、主管最大電壓和電容儲(chǔ)能比例。電流倍增系數(shù)指負(fù)載電流一次峰、二次峰和充電電流的比值，是衡量脈沖電源電流放大能力的指標(biāo)。主管最大電壓指電路工作過程中，主管兩端承受的最大電壓，是衡量電路拓?fù)涫欠駥?shí)用的最重要指標(biāo)之一，電路的主管最大電壓越低，對(duì)于主開關(guān)耐壓性能的要求越低，越適用于構(gòu)建大容量系統(tǒng)。電容儲(chǔ)能比例指在工作過程中電容的最大儲(chǔ)能占系統(tǒng)總儲(chǔ)能的比例，該指標(biāo)影響系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度。理論上電感的儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)高于電容，在總儲(chǔ)能固定的前提下，電容儲(chǔ)能所占比例越小，系統(tǒng)儲(chǔ)能密度越大。3種電路電氣性能比較見表2。

表2 3種電路電氣性能比較Tab.2 Electrical performances of 3 circuits

由于3種電路都基于meat grinder拓?fù)?，因此電氣性能比較接近。meat grinder with SECT的電氣性能與STRETCH meat grinder幾乎一致，STRETCH meat grinder with ICCOS電路主管電壓略低，但同時(shí)也減小了二次電流倍增系數(shù)，并且電容儲(chǔ)能比例稍高。仿真結(jié)果顯示，meat grinder with SECT電路在極大提高電流關(guān)斷能力的同時(shí)，仍然提供與STRETCH meat grinder幾乎一致的電氣性能，并且儲(chǔ)能密度略高于STRETCH meat grinder with ICCOS。

在參數(shù)相同的前提下，3種電路使用相同的電感和能量轉(zhuǎn)換電容，電路之間的體積和成本差異主要體現(xiàn)在開關(guān)器件和逆流電容上。根據(jù)仿真結(jié)果，分別對(duì)3種電路進(jìn)行器件選型，進(jìn)而可以較直觀地分析比較3種電路的體積和成本差別。

IGCT使用ABB公司的產(chǎn)品，晶閘管和二極管使用襄陽盛唐公司的產(chǎn)品。對(duì)于STRETCH meat grinder電路，需要使用1個(gè)IGCT，型號(hào)為5SHY5L4500；1個(gè)晶閘管，型號(hào)為KK1000A/3500V；1個(gè)二極管，型號(hào)為ZP1200-12。對(duì)于STRETCH meat grinder with ICCOS電路，需要使用3個(gè)晶閘管，其中1個(gè)KK2000A/3000V，兩個(gè)KK1000A/3500V；1個(gè)二極管，型號(hào)為ZP1200-12；逆流電容使用上海電容器廠生產(chǎn)的MKMJ-3-600，尺寸為210mm×123mm×112mm。對(duì)于meat grinder with SECT電路，需要3個(gè)晶閘管，其中1個(gè)KK2000A/3000V，2個(gè)KK1000A/3500V。

3種電路的開關(guān)器件和逆流電容的體積、成本見表3，器件尺寸來自于官方和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，價(jià)格來自市場(chǎng)報(bào)價(jià)。為了便于比較，這里只計(jì)算器件自身體積之和，不考慮器件布局不同帶來的影響。

表3 部分元件的體積和成本

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，meat grinder with SECT電路有最小的體積和最低的成本。與STRETCH meat grinder相比，meat grinder with SECT的晶閘管主開關(guān)體積和成本分別為IGCT的1/9和1/20。與STRETCH meat grinder with ICCOS相比，meat grinder with SECT無需額外的逆流電容，直接減小了約0.0029m3體積。由于晶閘管的通流能力遠(yuǎn)大于IGCT，meat grinder with SECT電路在不影響電氣性能的前提下提高了電路的電流關(guān)斷能力，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，成本低，體積小，具有較佳的綜合性能，十分適合構(gòu)建大容量電感儲(chǔ)能型脈沖電源系統(tǒng)。

4 50kJ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于meat grinder with SECT電路，構(gòu)建50kJ電感儲(chǔ)能型脈沖電源試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖9所示，系統(tǒng)參數(shù)見表4。

圖9 50kJ試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 50kJ experiment system

參數(shù)數(shù)值初級(jí)電源CS103.8mF,預(yù)充1550V能量轉(zhuǎn)換電容C11mF,預(yù)充2150V電感L12837μH,129mΩ電感L2724μH,26mΩL1和L2的耦合系數(shù)k0.9744充電時(shí)長(zhǎng)tc30ms小阻感負(fù)載RL,LL1.4μH,1mΩ

電感總感值為6.35mH，耦合系數(shù)達(dá)到了0.9744，由課題組自行研制，負(fù)載使用小阻感負(fù)載；電壓探頭使用OItek OIDP-100高壓差分探頭，電流探頭使用英國(guó)PEM公司的CWT150B羅氏線圈，使用NI PXI-5105數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，電感充電電流達(dá)到了4.16kA，負(fù)載得到了一次峰11.37kA、二次峰13.59kA的放電電流。系統(tǒng)總儲(chǔ)能為0.5×6.35×4.162=54.9kJ，達(dá)到了儲(chǔ)能50kJ的預(yù)期目標(biāo)。

圖10 50kJ系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment results of 50kJ system

電感直徑為300mm，高220mm，體積約為0.0155m3，電感自身儲(chǔ)能密度達(dá)到了3.54MJ/m3。若把晶閘管和C1體積也考慮在內(nèi)，晶閘管、C1和電感組成的模塊總體積約為0.0269m3，元件總儲(chǔ)能密度為2.04MJ/m3。隨著初級(jí)電源預(yù)充電壓提高，儲(chǔ)能密度還可進(jìn)一步提升，這也印證了電感儲(chǔ)能型脈沖電源儲(chǔ)能密度高的優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

Meat grinder with SECT電路具有大電流關(guān)斷能力和簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在保持電氣性能不變的同時(shí)可以降低成本，減小系統(tǒng)體積，進(jìn)而提高儲(chǔ)能密度，非常適用于大容量高儲(chǔ)能密度電感儲(chǔ)能型脈沖電源。此外，該電路波形質(zhì)量更優(yōu)，C1自恢復(fù)特性具有實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射的潛力。

基于meat grinder with SECT電路構(gòu)建的50kJ試驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)過測(cè)試達(dá)到了54.9kJ的系統(tǒng)儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。元件儲(chǔ)能密度達(dá)到了2MJ/m3，隨著電壓等級(jí)和系統(tǒng)儲(chǔ)能的增大，儲(chǔ)能密度可進(jìn)一步提高，體現(xiàn)了電感儲(chǔ)能型脈沖電源儲(chǔ)能密度高的優(yōu)點(diǎn)。

[1] 李軍， 嚴(yán)萍， 袁偉群(Li Jun, Yan Ping, Yuan Weiqun).電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀(Electromagnetic gun technology and its development)[J].高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2014，40(4)：1052-1064.

[2] Zucker O, Wyatt J, Lindner K. The meat grinder: Theoretical and practical limitations[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1984, 20(2): 391-394.

[3] Ford R D, Hudson R D, Klug R T. Novel hybrid XRAM current multiplier[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1993, 29(1): 949-953.

[4] 初祥祥，于歆杰，劉秀成(Chu Xiangxiang, Yu Xinjie, Liu Xiucheng).三種電感儲(chǔ)能型脈沖電源電氣性能的比較(Electrical performance comparison of three inductive pulse power sources)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2012，31(3)：20-24.

[5] Sitzman A, Surls D, Mallick J. Stretch meat grinder: A novel circuit topology for reducing opening switch voltage stress[A]. IEEE Pulsed Power Conference[C]. 2005. 493-496.

[6] Yu X, Chu X. Stretch meat grinder with ICCOS[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2012, 41(5):1346-1351.

[7] Dedie P, Brommer V, Scharnholz S. ICCOS countercurrent-thyristor high-power opening switch for currents up to 28 kA[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 45(1):536-539.

[8] Yu X, Ban R, Liu X, et al. The meat grinder with SECT circuit[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2017, 45(7): 1448-1452.

[9] 丁健民, 于歆杰, 李臻(Ding Jianmin, Yu Xinjie, Li Zhen). 電感儲(chǔ)能型脈沖電源系統(tǒng)的半解析參數(shù)分析(Semi-analytical analysis on system parameters of inductive pulsed power supply)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(7):11-15.

Researchon50kJmeatgrinderwithSECTinductivepulsedpowersupply

BAN Rui, YU Xin-jie, LIU Xu-kun, LI Zhen

(State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing100084, China)

This paper introduces a novel circuit named meat grinder with SECT for developing inductive pulsed power supply. Detailed discuss shows that this circuit has large current turning-off ability and simple topology. A comparison with2mainstream circuits has been made, which shows that the meat grinder with SECT circuit decreases volume and price while keeping electrical performance at the same level. Based on meat grinder with SECT circuit, this paper developed a50kJ inductive pulsed power supply experiment system. Experiment results have reached expectation.

inductive pulsed power supply; meat grinder with SECT; electromagnetic launch; pulsed power supply

2017-05-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50877039)、 清華大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目(20121087927)

班 瑞 (1992-), 男, 陜西籍, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)；于歆杰 (1973-), 男, 貴州籍, 副教授, 博導(dǎo), 博士， 研究方向?yàn)闊o線電能傳輸、 脈沖功率技術(shù)。

10.12067/ATEEE1705008

1003-3076(2017)12-0053-06

TM91