兩型PFN模塊的放電特性及優(yōu)化

王杰 魯軍勇 張曉 戴宇峰

摘要：為了更好地設(shè)計(jì)電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源的電路拓?fù)洌捎美碚摲治雠c仿真計(jì)算相結(jié)合的方法，從放電階段劃分、放電過程中脈沖電容器、續(xù)流二極管和晶閘管等關(guān)鍵器件的電壓、電流及能量損耗，以及放電效率等方面對(duì)兩型PFN模塊不同特性及各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了全面的對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明I型PFN在器件損耗、放電效率等方面比II型PFN更有優(yōu)勢(shì)。針對(duì)電容器反向電壓尤其是I型PFN反向電壓不能通過模塊自身釋放的問題，設(shè)計(jì)了多模塊脈沖功率電源的反向電壓釋放通道，其對(duì)II型PFN影響較小，但可將I型PFN模塊放電過程中產(chǎn)生的反向電壓回收利用并形成正向的電壓，這對(duì)具有連發(fā)功能需求的脈沖功率電源具有重要意義。

關(guān)鍵詞：脈沖功率電源;脈沖成型網(wǎng)絡(luò);能量損耗;放電效率;反向電壓釋放

DoI：10.15938/j.eme.2019.08.002

中圖分類號(hào)：TM89文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-449X（2019）08-0010-09

0引言

脈沖功率電源（pulsed power supply，PPS）是電磁發(fā)射裝置的重要組成部分，可為電磁發(fā)射提供高達(dá)數(shù)百萬(wàn)安培的脈沖電流。目前普遍采用的是多個(gè)模塊構(gòu)成的電容儲(chǔ)能型脈沖功率電源，單個(gè)脈沖功率電源模塊也叫脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（pulse forming net-work，PFN）模塊。其主要組成部分包括脈沖電容器、晶閘管、續(xù)流二極管及調(diào)波電感器。依據(jù)PFN模塊中續(xù)流二極管和晶閘管的位置關(guān)系，可分為I型PFN模塊和II型PFN模塊，因拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，在放電過程中的特性也不同。

現(xiàn)有PFN模塊的研究大多將放電過程分為2個(gè)階段，第一個(gè)階段電容放電，模塊中形成一個(gè)RLC回路;第二個(gè)階段續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感器放電，形成一個(gè)RL回路。這種放電階段劃分方法忽略了器件雜散參數(shù)的問題，也沒有考慮晶閘管和二極管導(dǎo)通和截止的動(dòng)態(tài)過程。

由于雜散參數(shù)的存在，兩型PFN模塊放電過程中都會(huì)在脈沖電容器上產(chǎn)生反向電壓，由于脈沖電容器一般為金屬化膜電容器，反向電壓會(huì)對(duì)金屬化膜電容器的自愈特性造成影響，導(dǎo)致壽命降低，因而需要避免電容器長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓。文獻(xiàn)[5-6]分析了反向電壓與雜散參數(shù)的關(guān)系，提出采用II型PFN來代替I型PFN。

電磁發(fā)射的效率首先決定于脈沖功率電源的放電效率，緊湊化集成的高效率PFN模塊是電磁發(fā)射裝置工程化應(yīng)用的必然需求。PFN模塊中各功率器件的能量損耗不僅與放電效率密切相關(guān)，模塊放電過程中器件還會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱，在循環(huán)浪涌模式下，往往容易造成熱量的積累，導(dǎo)致器件溫度升高，對(duì)器件的性能造成不利影響。

現(xiàn)有PFN模塊放電特性的研究更多集中于某型某個(gè)器件的電壓電流或溫度特性，但PFN模塊整個(gè)放電過程中的性能差異并未見全面報(bào)道。事實(shí)上兩型PFN各有其優(yōu)缺點(diǎn)，并不存在絕對(duì)的好與壞之分，因此本文從能量和效率的角度對(duì)兩型PFN模塊進(jìn)行對(duì)比，旨在對(duì)兩型PFN模塊放電過程中的特性做一個(gè)全面的分析，研究不同PFN模塊關(guān)鍵器件的工作狀況及其可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)放電過程中脈沖電容器的反向電壓?jiǎn)栴}，研究?jī)?yōu)化改進(jìn)的方法。

1兩型PFN模塊的放電過程分析

圖1為兩型PFN模塊的電路原理，其中C為脈沖電容器（也表示電容值），晶閘管T作為放電開關(guān)，D為續(xù)流二極管。PFN模塊中可能的電流支路有3條，分別為電容支路，其電流為ic;續(xù)流支路，電流為id;負(fù)載支路，電流為if，電流通過同軸電纜輸出到負(fù)載。I型PFN的晶閘管置于電容支路，續(xù)流支路在晶閘管和電感器之間，Ⅱ型PFN的晶閘管在負(fù)載支路，續(xù)流支路在晶閘管之前。

圖1中考慮了各個(gè)支路的雜散參數(shù)，其中Rc和Lc為電容支路等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感;Rd和Ld為續(xù)流支路等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感;尺，和Lf為負(fù)載支路等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。各支路等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感都包括支路上所有器件本身的雜散參數(shù)及線路雜散參數(shù)，比如Rf包含了調(diào)波電感器內(nèi)阻、同軸電纜電阻、負(fù)載電阻等，而Lf包括了調(diào)波電感、同軸電纜電感、負(fù)載等效串聯(lián)電感等。

根據(jù)電路原理，可將PFN模塊（I型和II型）的放電過程分為3個(gè)階段，分別如圖2～圖4所示。設(shè)電容器初始電壓為Uo，放電從零時(shí)刻開始，若令：

在simplorer中對(duì)兩型PFN模塊的放電進(jìn)行仿真，考慮實(shí)際器件和電纜雜散參數(shù)，仿真模型如圖5所示，圖中的電壓表分別用于測(cè)量電容器電壓uc、二極管電壓ud和晶閘管電壓ut，圖5采用的器件參數(shù)如表1所示。

兩型PFN模塊各支路電流和電容電壓如圖6所示，可看出兩型PFN模塊中都存在電容器反向電壓，但I(xiàn)型PFN中的反向電壓一直存在，而II型PFN模塊中的電容器反向電壓可通過模塊自身的電容一續(xù)流二極管支路釋放，釋放過程中由于雜散參數(shù)、反向電壓及電容和二極管形成的回路的欠阻尼特性，導(dǎo)致II型PFN的續(xù)流二極管存在幅值很高的浪涌電流，浪涌電流峰值甚至超過負(fù)載電流。

2兩型PFN模塊放電特性對(duì)比

2.1PFN模塊器件耗能及效率分析

對(duì)PFN模塊中各個(gè)器件及負(fù)載損耗的能量進(jìn)行研究，PFN模塊初始總儲(chǔ)能為

在不同的初始電容電壓下，PFN模塊的能耗和效率不相同，兩型PFN模塊放電效率隨初始電壓的變化如圖7所示。從圖中也可以看出，隨著電容初始電壓的增大，兩型PFN模塊放電效率都會(huì)提高，在相同初始電壓下I型PFN模塊比II型PFN模塊的放電效率更高。

當(dāng)初始電壓為10kV時(shí)，兩型PFN模塊各器件（及電纜和負(fù)載）耗能所占比例如圖8所示，其中Other主要是電容器的殘余電能，由于I型PFN放電過程結(jié)束后電容器上存在殘余的反向電壓，電容殘余電能達(dá)到初始電容總能量的2%左右，而II型PFN模塊電容基本沒有殘余電能。

可見兩型PFN模塊在放電過程中的能耗特性有一些區(qū)別，下面對(duì)PFN模塊各主要功率器件進(jìn)行具體的分析（設(shè)初始電壓uo為10kV）。

2.2兩型PFN模塊的電容器特性對(duì)比

PFN模塊放電過程中的電容電壓如圖9所示，兩型PFN模塊電容器都存在反向充電現(xiàn)象，但I(xiàn)I型PFN模塊可將反向電壓釋放，而I型PFN模塊的反向電壓將一直存在。

兩型PFN模塊放電過程中的電容電流及電容耗能如圖10所示，由于II型PFN模塊中電容支路始終存在，直到放電完畢，在放電第三階段，當(dāng)電容器產(chǎn)生反向電壓后，在電容及續(xù)流二極管形成的回路構(gòu)成RLC振蕩電路，電容電流存在的時(shí)間長(zhǎng)，因此電容自身的耗能也比I型PFN模塊電容耗能更多。而I型PFN模塊的電容電流只存在于第一和第二階段，電容電流無(wú)振蕩，耗能少。

2.3兩型PFN模塊的續(xù)流二極管特性對(duì)比

放電過程中兩型PFN模塊續(xù)流二極管兩端的電壓如圖11所示，而兩型PFN模塊二極管電流及其能量損耗如圖12所示。

由圖11可以看出，由于II型PFN模塊電容器與續(xù)流二極管直接并聯(lián)，電容電壓不能突變，因此續(xù)流二極管上的電壓也沒有突變，二極管在電容放電階段承受反向的電容電壓，當(dāng)電容器被反向充電時(shí)承受短暫的正向電容電壓，直到反向電容電壓被全部釋放;而I型PFN模塊的續(xù)流二極管在晶閘管導(dǎo)通前被隔離，二極管電壓為0，當(dāng)模塊被觸發(fā)，晶閘管導(dǎo)通后，續(xù)流二極管上的電壓由0迅速突變，晶閘管導(dǎo)通過程中二極管與電容器并聯(lián)，當(dāng)續(xù)流二極管導(dǎo)通而晶閘管截止之后，二極管電壓為0，直到放電結(jié)束。

從圖12可以看出，在放電第三階段，由于II型PFN模塊續(xù)流支路電流是反向電容支路電流與負(fù)載電流的疊加，續(xù)流二極管上產(chǎn)生峰值很大的浪涌電流，浪涌峰值高達(dá)114kA，該電流值遠(yuǎn)超過PFN模塊負(fù)載電流峰值，也大大高于二極管的正常工作電流，并伴隨極高的di/dt，這對(duì)二極管的性能提出了很高的要求;而由于I型PFN模塊的續(xù)流二極管無(wú)電流振蕩，當(dāng)其導(dǎo)通后續(xù)流二極管電流與負(fù)載電流相等，相對(duì)來說電流幅值和di/dt都較小，二極管上產(chǎn)生的能量損耗也要比II型PFN模塊小得多，因此其對(duì)二極管性能的要求比II型PFN模塊要低。

2.4兩型PFN模塊的晶閘管特性對(duì)比

兩型PFN放電過程中晶閘管的電壓如圖13所示，兩型PFN模塊晶閘管電流及耗能如圖14所示。

從圖13可以看出，在模塊被觸發(fā)前，晶閘管不導(dǎo)通，晶閘管兩端承受的電壓與電容電壓相等，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，兩型PFN模塊晶閘管的電壓都迅速降為晶閘管本身的前向?qū)▔航?，接近?。其中II型PFN模塊的晶閘管一直導(dǎo)通，直到放電結(jié)束，故II型PFN模塊的晶閘的電壓在放電過程中為前向?qū)▔航担烹娊Y(jié)束后電壓為0;而由于I型PFN模塊的晶閘管在電容支路，在續(xù)流二極管導(dǎo)通后，由于I型PFN模塊的電容器存在反向電壓，電容器與晶閘管串聯(lián)后再與續(xù)流二極管并聯(lián)，故其晶閘管兩端也將一直存在一個(gè)反向電壓。

從圖14中可以看出，第一和第二階段中兩型PFN的晶閘管都處于同樣的RLC電路中，電流及能耗相同。但I(xiàn)I型PFN模塊的晶閘管在整個(gè)模塊放電過程中都導(dǎo)通，其電流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，能量損耗也較多;而I型PFN模塊的晶閘管只在模塊放電的第一、第二階段導(dǎo)通，續(xù)流二極管導(dǎo)通后，晶閘管的電流迅速降為0，不參與模塊續(xù)流階段，故I型PFN模塊的晶閘管的能耗也小得多。

3PFN反向電壓的釋放

從以上分析可以看出，I型PFN在很多方面存在優(yōu)勢(shì)，比如電容器、二極管和晶閘管的耗能少，二極管電壓無(wú)突變，無(wú)浪涌電流等，但是I型PFN也存在問題，放電過程中的反向電壓，隨著電容初始電壓的增大，放電效率提高，但同時(shí)反向電壓也會(huì)線性增大，如圖15所示。

當(dāng)電容器初始電壓為10kV時(shí)，反向電壓高達(dá)1220V，I型PFN模塊放電結(jié)束后電容殘余電能達(dá)到3.7kJ，這對(duì)電容器的安全使用是一個(gè)巨大的隱患，因此本文提出一種新的電路拓?fù)鋵?duì)此進(jìn)行改進(jìn)，釋放反向電容電壓，回收殘余的電能。

對(duì)于單個(gè)PFN模塊，增加額外的反向電容電壓釋放通道必然會(huì)增大PFN模塊的體積和重量，不利于緊湊集成，但對(duì)于由多個(gè)PFN模塊構(gòu)成的脈沖功率電源，若增加如圖16所示的反向電容電壓釋放通道，則平均下來每個(gè)PFN模塊增加的體積和重量都不會(huì)很大。

從圖中可以看出，PFN模塊放電過程在很短時(shí)問（10ms以內(nèi)）內(nèi)完成，其中II型PFN模塊組成的脈沖功率電源反向電壓主要通過模塊內(nèi)部的電容一二極管支路釋放，在很短的時(shí)間內(nèi)反向電容電壓就降到0，反向電壓持續(xù)時(shí)間短，在反向電壓釋放通道形成的電流很小（小于1A）;而I型PFN模塊構(gòu)成的脈沖功率電源只能依靠模塊外部的反向電容電壓釋放通道進(jìn)行釋放，釋放過程中在該通道形成了高達(dá)1276A的大電流，這個(gè)電流又會(huì)給所有電容器充電，在電容器上形成905V的正向電壓（因釋放通道的存在，電容器上的反壓也會(huì)比前述的1220V要?。?，反向電壓釋放的時(shí)間大約為0.5s左右。

可見反向電壓釋放通道對(duì)II型PFN影響不大，但可以將I型PFN放電過程中形成的反向電壓釋放并形成正向的電壓，這對(duì)脈沖功率電源的影響有兩方面，一是秒級(jí)的釋放時(shí)間延長(zhǎng)了脈沖功率電源工作的總時(shí)間，二是有利于下一次的充電，對(duì)于需具有連續(xù)充放電功能的脈沖功率電源，第一次放電形成正向電壓后下一次充電的時(shí)間可以縮短。

此外，反向電壓回收利用可以進(jìn)一步提高總的放電效率，I型PFN組成的脈沖功率電源放電效率將會(huì)比II型PFN更高，對(duì)于上述仿真，考慮到能量回收之后，I型PFN脈沖電源的放電效率可達(dá)到79.9%，II型PFN脈沖電源的放電效率則為78.2%，可見I型PFN脈沖電源的放電效率更高。

4結(jié)論

本文對(duì)兩型PFN模塊的放電特性進(jìn)行了研究，對(duì)比了兩型PFN的放電過程及主要功率器件的電流、電壓和能耗特性，與II型PFN模塊相比，I型PFN模塊對(duì)負(fù)載的放電效率更高，電容和二極管電流無(wú)振蕩，二極管和晶閘管的能耗小，有利于器件保護(hù)，但I(xiàn)型PFN模塊也存在二極管電壓突變的問題。

針對(duì)電容器反向電壓尤其是I型PFN反向電壓不能釋放的問題，本文還為多模塊脈沖功率電源設(shè)計(jì)了反向電壓釋放通道進(jìn)行優(yōu)化，仿真表明其可以將反向電容電壓有效釋放，其中對(duì)I型PFN組成的脈沖電源影響更大，不僅可以釋放反向電壓，還能進(jìn)行能量回收，可進(jìn)一步提高脈沖電源的放電效率，這對(duì)需連續(xù)充放電的脈沖功率電源有重大意義;而II型PFN反向電壓主要靠模塊自身釋放，增加了模塊中器件的損耗，反向電壓釋放通道對(duì)II型PFN影響較小。

從本文的研究可以看出，兩型PFN各有其優(yōu)缺點(diǎn)，從放電效率及主要功率器件損耗的情況來看，則I型PFN在多模塊脈沖功率電源中具有一定的優(yōu)勢(shì)，且通過反向電壓釋放通道可有效解決反向電容電壓?jiǎn)栴}。