電磁發(fā)射中電容電壓跌落與補償穩(wěn)壓技術(shù)研究

李貞曉，張亞舟，張之永

(1.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094；2.北京機械設(shè)備研究所，北京 100854)

電磁發(fā)射技術(shù)(electromagnetic launch, EML)是未來發(fā)射方式的必然發(fā)展趨勢，電磁發(fā)射的電能來自高功率脈沖電源(pulsed power supply, PPS)[1-5]。因為技術(shù)成熟度高和負載匹配能力強，電容儲能型脈沖電源(capacitor-based pulsed power supply, CPPS)在現(xiàn)今的電磁發(fā)射研究中使用最廣泛、工程化程度最高，正朝著結(jié)構(gòu)小型化方向發(fā)展，以滿足車、船等平臺運載的需求[5-9]。脈沖電容器是CPPS的儲能元件，在系統(tǒng)中的體積占比最大，主要使用了基于雙向拉伸聚丙烯(biaxially oriented poly propylene, BOPP) 薄膜制作的金屬化膜電容器，具有很高的儲能密度，國內(nèi)產(chǎn)品的儲能密度已近于3.0 MJ/m3[10-13]。

當(dāng)脈沖電源完成充電之后，通常會存在著一個放電觸發(fā)等待過程。從軍事運用的角度，放電觸發(fā)等待過程就是射擊等待過程，用于尋找和鎖定目標(biāo)，時長具有隨機性。電磁發(fā)射實驗發(fā)現(xiàn)，在射擊等待過程中脈沖電容器的電壓往往會出現(xiàn)明顯的跌落。電容電壓跌落會造成電源有效儲能密度的減小、影響系統(tǒng)效率，故穩(wěn)定電容電壓極其必要。當(dāng)前研究主要是通過改善金屬化膜電容器本身漏電特性來穩(wěn)定電壓。LI等從制造工藝的角度分析了不同浸漬材料對電容電壓穩(wěn)定的影響，并定性地指出電容電壓跌落與松弛極化、介質(zhì)泄漏的關(guān)系[14-15]；CHEN等分析了不同工作場強、溫度及充電歷程對電容電壓穩(wěn)定的影響[16]；朱博峰等從電導(dǎo)特性、自愈特性、極化特性及其與能量損失的相關(guān)性出發(fā)，論述了介質(zhì)薄膜電導(dǎo)率、松弛極化與電容電壓跌落的定量關(guān)系[17]。由于BOPP膜自身的耐壓特性決定了當(dāng)其工作在高儲能密度時不可避免地產(chǎn)生漏電損耗[10,14-17]，當(dāng)射擊等待時間相對較長時，上述研究所取得的效果會十分有限。因此，除了改善金屬化膜電容器自身的漏電性能以外，還應(yīng)積極探索新的穩(wěn)壓方法來抑制或減小電容電壓的跌落。筆者基于電壓監(jiān)測反饋原理，提出了一種通過電能補償實現(xiàn)電容電壓動態(tài)穩(wěn)定的方法，在射擊等待過程中能有效地將電容電壓穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)，為電磁發(fā)射中電容穩(wěn)壓提供了一種新的解決方案。

1 電壓跌落現(xiàn)象與原因

現(xiàn)有電磁軌道炮實驗系統(tǒng)的CPPS(記為PPSt)額定電壓為10 kV，由多個額定儲能為1 MJ的子電源并聯(lián)組成，每個子電源包含著20個性能與參數(shù)完全相同的脈沖功率模塊和1臺額定電流5.2 A的串聯(lián)諧振式高壓恒流充電機。在射擊等待過程中的電容電壓實測值如表1所示，同時該表也給出了計算而得到的跌落電壓、電能損失比例和等效泄漏電流。

表1 不同射擊等待時間的電容電壓及其計算參數(shù)

由表1可知，隨著射擊等待時間的增長：跌落電壓和電能損失的比例變大；電容電壓跌落速度變緩；等效泄漏電流(平均值)逐漸減小。

脈沖功率模塊的電路是一種帶有續(xù)流支路的RLC串聯(lián)電路，如圖1所示，C為脈沖電容器，S為主開關(guān)，L為調(diào)波電感器，D為續(xù)流硅堆。由于具有開關(guān)特性穩(wěn)定、易于操控、驅(qū)動功率小等優(yōu)點，目前國內(nèi)外較為成功的CPPS都采用大功率晶閘管開關(guān)作為主開關(guān)[6,13,18-21]。分析圖1電路可知，電容電壓跌落的原因與脈沖元件的漏電特性直接相關(guān)，電能損失的途徑主要包括脈沖電容器自身漏電和主放電開關(guān)漏電。

在PPSt的脈沖功率模塊中，脈沖電容器采用了MKMJ-10型金屬化膜電容器，主開關(guān)采用了T100KPM型大功率晶閘管開關(guān)組件。脈沖電容器的漏電特性可由自放電實驗獲得，MKMJ-10型電容器自放電電壓曲線如圖2所示，uC為電容電壓，其在1、5、10 s的值依次約為9.98、9.84、9.73 kV，電磁損失比例依次約為0.008%、3.56%、5.70%。顯然，在自放電的初期uC跌落最快，而后漸緩，與表1所示的電壓跌落現(xiàn)象一致。對比表1和圖2的測試結(jié)果可知，脈沖電容器在自放電實驗中電壓跌落速度要低于射擊等待過程的跌落速度，原因是自放電時電容漏電可認為僅由元件自身的等效絕緣電阻決定，不存在主放電開關(guān)漏電途徑。晶閘管開關(guān)的漏電特性可由伏安特性測試獲得，T100KPM型開關(guān)組件的伏安測試結(jié)果表明，在標(biāo)稱電壓下其泄漏電流約為25.3 mA。

2 對出膛速度影響的分析

電容電壓跌落會降低發(fā)射時的有效電能，直接的影響是使電樞的出膛速度減小，由于不同應(yīng)用場合下射擊等待時間具有隨機性，這必然導(dǎo)致出膛速度的散布增大。為了觀察不同電壓跌落量對出膛速度一致性的影響，基于現(xiàn)有電磁軌道炮實驗系統(tǒng)，使用MATLAB/Simulink建立了軌道炮發(fā)射仿真模型。該仿真模型由CPPS電路和軌道炮(包括發(fā)射器和電樞)的機電動力學(xué)模型共同組成。

根據(jù)系統(tǒng)電路仿真的需要，采用受控電壓源模型描述了軌道炮的機電動力學(xué)特性，受控電壓源模型的控制方程為

(1)

式中：ug為受控電壓源的電壓(即軌道炮的電壓)；ig為導(dǎo)軌電流；R0、R′分別為發(fā)射初始電阻和導(dǎo)軌電阻梯度；L0、L′分別為發(fā)射初始電感和導(dǎo)軌電感梯度；v、x分別為電樞在膛內(nèi)的運動速度和位移，二者由下列兩式?jīng)Q定：

(2)

(3)

式中：m表示電樞的質(zhì)量；f為電樞在膛內(nèi)運動受到的阻力。

模型仿真參數(shù)設(shè)置如下：CPPS模型采用了PPSt的技術(shù)參數(shù)，其中脈沖功率模塊的儲能電容為1.0 mF、調(diào)波電感為20.0 μH、等效內(nèi)阻為6.4 mΩ，并將全部脈沖功率模塊分成了17個時序放電組，第1組包含40個，其余各組均包含10個，各組間的放電間隔時間均為150.0 μs；軌道炮模型采用了一個雙軌增強型軌道炮的技術(shù)參數(shù)，其中導(dǎo)軌有效長度為6.00 m，導(dǎo)軌電感梯度和電阻梯度分別為0.79 μH/m和0.11 mΩ/m；發(fā)射初始電感和初始電阻分別為4.20 μH和0.60 mΩ，它們是自PPSt匯流排至電樞裝填位置之間的電感和電阻；電樞質(zhì)量為0.769 kg；根據(jù)之前多次發(fā)射試驗的結(jié)果對仿真模型進行了校正，并將電樞在膛內(nèi)運動受到的阻力設(shè)置為0.055倍的電磁推力；仿真電壓依次為10.00、9.95、9.90、9.85 kV。

由仿真獲得的電樞在膛內(nèi)運動的速度曲線如圖3所示，v0、v1、v2、v3依次表示10.00、9.95、9.90、9.85 kV工作電壓下電樞在膛內(nèi)的速度曲線，出膛速度依次2 134.7、2 073.2、2 063.6、2 048.1 m/s。由仿真結(jié)果計算可知，當(dāng)電壓跌落量分別為50、100、150 V時電樞出膛速度下降率依次約為2.88%、3.33%、4.06%，電壓跌落使電樞的出膛速度出現(xiàn)了明顯的下降，增大了發(fā)射初速的散布。

3 穩(wěn)壓技術(shù)研究

3.1 反饋補償穩(wěn)壓

發(fā)射時穩(wěn)定的電容電壓能夠減小電樞出膛速度的散布，具有很高的工程應(yīng)用價值。脈沖元件的高壓漏電特性使得電容電壓跌落不可避免，因此，除了改善脈沖元件自身的漏電性能以外，還應(yīng)積極尋找新的穩(wěn)壓方法來減小電壓跌落的影響。

基于電壓監(jiān)測反饋技術(shù)提出了一種通過電能補償實現(xiàn)電壓動態(tài)穩(wěn)定的方法，其工作原理為：在射擊等待過程中對電容電壓實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)其下降到預(yù)先設(shè)定的允許跌落下限值，便立即啟動充電機為脈沖電容器充電，進行電能補償。實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)壓功能的電能補償電路主要由分壓器、電壓采樣與比較電路、充電機等部件組成。為了不受等效泄漏電流變化的影響，該項技術(shù)要求充電機的輸出電流要遠大于放電觸發(fā)等待過程中CPPS的等效泄漏電流。

為了驗證反饋補償穩(wěn)壓方法的可行性，首先設(shè)計了一套電能補償電路對1臺基于5.0 mF/10 kV金屬化膜電容器組建的脈沖功率模塊開展了動態(tài)穩(wěn)壓研究。電能補償電路主要包括1個由SCTA39-10M型高精度高壓無感電阻制作的分壓器、1個基于AD586型高精度基準源與OP07C型高靈敏度運算放大器等元件設(shè)計的采樣比較電路、1臺額定電流為5.0 A的高壓恒流充電機。單模塊電容補償穩(wěn)壓實驗現(xiàn)場如圖4所示。

實驗獲得的電容電壓曲線如圖5所示，符號uCm為采取穩(wěn)壓措施后的電容電壓曲線，uC為沒有采取保壓措施的電容電壓曲線。實驗設(shè)定電容電壓的允許跌落下限值為80 V，實測所得uCm的最小值為9.906 kV，即實際跌落量約為94.0 V，二者出現(xiàn)偏差的原因是由于充電隔離硅堆開啟電壓的影響所導(dǎo)致。實驗結(jié)果表明，反饋補償穩(wěn)壓方法具有可行性。

3.2 電壓隨動電路設(shè)計

中、大規(guī)模的CPPS擁有數(shù)量眾多的脈沖功率模塊，其脈沖電容器的漏電特性不會相同，且相互隔離，因此，在射擊等待過程中各脈沖功率模塊的電容電壓必然存在差別。若對所有的電容電壓進行采樣，不僅會使系統(tǒng)變得異常復(fù)雜，而且花費巨大，故難以踐行。為此，設(shè)計了一種適用于多脈沖功率模塊組態(tài)電源電容電壓采樣的電壓隨動電路，它與反饋補償電路一起串聯(lián)工作就能實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)壓功能。

電壓隨動電路如圖6所示，由隨動電容器Cf、限流電阻器Rf和隨動隔離硅堆Df等組成，其中Cf用于電壓跟隨和取樣，Rf用于限制隨動電流if，防止過電流造成充電隔離硅堆dk(k=1, 2, …,n)的損壞，Df用于Cf的充電隔離。電壓隨動原理如下：脈沖電容器Ck的電壓uCk和Cf的電壓uf在CPPS儲能結(jié)束之后均開始跌落，初期uf的跌落速度較uCk慢很多，當(dāng)uCk與uf之間電壓差大于dk的開啟電壓以后，Cf就會為Ck充電，uf會跟隨uCk的變化，于是通過取樣uf就實現(xiàn)了對uCk的監(jiān)測。

由圖6可知，為了使uf快速跟隨uCk作同步變化，應(yīng)使Cf的漏電特性優(yōu)于Ck，并根據(jù)Cf的取值選擇合適阻值的Rf。由電壓隨動電路拓撲可知，Cf對Ck充電的電路可簡化等效為一個RC電路，令Cf?Ck，并且忽略dk的開啟電壓，則在放電觸發(fā)等待過程中uf與uCk之間的電壓差Δu為

(4)

式中，τ稱為隨動時間常數(shù)，其值為

τ=RfCf.

(5)

根據(jù)RC電路的放電理論，通常只需經(jīng)過3τ的時間，即可忽略uf與uCk偏差。因此，當(dāng)τ遠小于電容電壓的允許跌落下限所對應(yīng)的射擊等待時間時，就能在極短時間內(nèi)實現(xiàn)uf對CPPS中眾多電容電壓的最小值跟隨。另外，為了防止dk過流損壞，應(yīng)使if的最大值小于dk的耐受電流，if的最大值為

(6)

式中，Un為CPPS的額定電壓。

3.3 穩(wěn)壓改造與實驗結(jié)果

對PPSt開展了動態(tài)穩(wěn)壓技術(shù)改造，為其各子電源分別配置了一套電能補償電路和電壓隨動電路，并根據(jù)動態(tài)穩(wěn)壓原理修改了充、放電控制程序。電能補償電路的分壓器、電壓采樣與比較電路采用的元件與3.1節(jié)所述元件相同，而充電機直接使用了子電源的高壓恒流充電機。電壓隨動電路如圖7所示，安裝于子電源的高壓恒流充電機的內(nèi)部，圖7右下側(cè)部分為PPSt的子電源及其恒流充電機(局部)。

隨動電路中隨動電容器選用了MJMK-15P型高性能脈沖電容器，其電容為2.50 μF，漏電特性優(yōu)于MKMJ-10型金屬化膜電容器；限流電阻器由多只大功率被釉電阻器串、并聯(lián)而成，其電阻為5.0 Ω，功率容量足夠大，不會因隨動電容器持續(xù)放電而發(fā)熱損壞；隨動隔離硅堆由多只IXYS DSAI7-18A型高壓二極管串聯(lián)組成，其開啟電壓略小于充電隔離硅堆的開啟電壓。由式(5)可知，隨動時間常數(shù)τ僅為12.5 μs，因此，隨動電容電壓與脈沖功率模塊電容電壓實現(xiàn)一致變化的時間極短，能滿足電壓快速跟隨的要求。

穩(wěn)壓改造之后的發(fā)射實驗表明，補償穩(wěn)壓方法取得了令人滿意的結(jié)果。為了控制電樞出膛速度下降率，根據(jù)前文發(fā)射仿真的結(jié)果，希望穩(wěn)壓改造能使設(shè)計等待過程中電容電壓跌落量不大于50 V(額定電壓的0.5%)?？紤]到充電隔離硅堆開啟電壓的影響，穩(wěn)壓改造將電容電壓的允許跌落下限值設(shè)定為30 V。由發(fā)射實驗獲得的電容電壓實測曲線如圖8所示，t1為系統(tǒng)首次停充時刻，t2為發(fā)射時刻，T為射擊等待時間，在長約6.05 s的放電觸發(fā)等待過程中共進行了5次補償充電，電容電壓uC始終大于9.95 kV，即電壓跌控量被控制在額定電壓的0.5%范圍以內(nèi)。

4 結(jié)論

1)以電磁發(fā)射用脈沖電源為研究對象，分析了造成電容電壓跌落的原因，指出電容電壓跌落主要是由于脈沖電容器自身漏電和主放電開關(guān)漏電所致?；谠鰪娦碗姶跑壍琅趯嶒炏到y(tǒng)建立了仿真模型，計算了不同電容電壓跌落量下的電樞出膛速度及速度下降率。電容電壓跌落會導(dǎo)致電樞出膛速度減小、散布增大，影響發(fā)射的一致性。

2)提出了一種通過電能補償實現(xiàn)電容電壓動態(tài)穩(wěn)定的方法，設(shè)計了電能補償電路和適用于多脈沖功率模塊組態(tài)電源電容電壓采樣的電壓隨動電路，對現(xiàn)有脈沖電源進行了穩(wěn)壓技術(shù)改造，并開展了補償穩(wěn)壓實驗。結(jié)果表明，補償穩(wěn)壓方法效果顯著，在射擊等待過程中能將電容電壓穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。補償穩(wěn)壓能夠不受射擊等待時間的影響，提高脈沖電源放電電壓的一致性，具有較高的工程應(yīng)用價值。對脈沖電容器穩(wěn)壓而言，該補償穩(wěn)壓方法具有通用性。