中国科学院电工研究所科研团队提出一种提升电磁发射用脉冲功率电源小型化与轻量化水平的优化拓扑-无电抗器电容储能型电源

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电磁轨道发射电源的小型化、轻量化水平制约着电磁轨道发射技术的实用化进程。中国科学院电工研究所科研团队在电磁轨道发射系统感性负载特性研究基础上，开展无电抗器电容储能型脉冲功率电源的研究，分析该型电源的触发方式、匹配负载、以及导通时延抖动所带来的影响，并通过试验进行对比和验证。结果表明，在感性负载条件下，无电抗器脉冲功率电源系统在小型化与轻量化方面具有较大提升。

研究背景

电容储能型脉冲功率电源由多个脉冲形成单元构成，具备运行可靠、操作灵活、便于扩展的优点，广泛应用于电磁轨道发射系统中。现阶段，电容储能型脉冲功率电源的小型化、轻量化研究着重于缩小各元件的体积和质量；其中，提升脉冲电容器的储能密度是目前的主流方案，而毫秒级脉冲电容器的储能密度已达到现有极值，小型化与轻量化水平的提升空间有限。

论文所解决的问题及意义

电源应根据负载特性开展针对性设计。现有负载可分为简单型和增强型两大类，与简单型负载相比，增强型负载具备更高的初始电感值。在同步触发下，增强型负载的初始电感可取代电源的电抗器，提升电源系统小型化与轻量化水平。

工程应用中，实现多个脉冲形成单元的同步触发及同步开通具有较高难度，各单元内晶闸管的导通会存在微秒级或亚微秒级的延时，即晶闸管存在导通时延抖动。对于无电抗器电容储能型脉冲功率电源，抖动下晶闸管的安全运行是该型电源在感性负载条件下能否成功应用的关键。

论文方法及创新点

1、同步放电初期的理论分析

根据电源系统实际运行情况，为化简公式计算，在理论分析中提出以下3个假设前提：（1）负载在同步放电初期为静态负载；（2）各脉冲形成单元的初始电压近似为电容的预充电压；（3）各脉冲形成单元的初始电流近似为一阶泰勒展开。

基于以上3个假设前提，可得到同步放电初期电源系统内各晶闸管电流上升率的表达式。根据实际应用场合，即电容毫法级、电感微亨级、电阻毫欧级、晶闸管导通时延抖动微秒或亚微秒级，可知：当电源系统内存在导通时延抖动时，最先导通晶闸管的电流上升率是系统内最大电流上升率。

2、同步放电试验与验证

图1  同步放电试验系统

选取实验室抖动范围接近的13个单元构成同步放电试验系统，如图1所示。在1000V的电容预充电压下，当采用传统拓扑（有电抗器）时，各单元输出电流峰值的平均值为4.32kA；当采用优化拓扑（无电抗器）时，各单元输出电流峰值的平均值为4.62kA。可知：在同步触发的条件下，两种拓扑的晶闸管电流峰值均远小于浪涌电流峰值，这意味着晶闸管不会出现因电流过大而损坏的情况。

当去除脉冲电抗器后，系统内最先导通模块（模块1）内晶闸管的电流上升率最大，如图2所示。在同步放电初期，最先导通晶闸管电流上升率的试验值与理论计算值相符，如图3所示。

图2  同步触发下无电抗器电源各模块电流波形

图3  最先导通晶闸管试验电流与计算值的对比

3、小型化与轻量化水平对比

两种拓扑的脉冲形成单元相关参数如表1所示。当去除脉冲电抗器后，电源单元体积储能密度提升23.1%，质量储能密度提升13.0%。

表1  小型化与轻量化水平对比

结论

本文针对感性负载提出了无电抗器电容储能型脉冲功率电源，较大提升了电源系统小型化与轻量化水平。理论分析与试验结果表明：同步触发是实现该型电源可靠运行的基础；导通时延抖动的存在使得晶闸管在同步放电初期的电流上升率增大，其中，最先导通晶闸管的电流上升率是系统内最大电流上升率，需要重点关注。

团队介绍

中国科学院电工研究所极端电磁环境科学技术研究部先后承担国家863计划、973计划、中科院先导项目、预研项目、中科院重点部署项目、国家自然科学基金重点项目、杰出青年基金、优秀青年基金、国际合作交流项目和英国皇家学会牛顿高级学者项目等40余项。团队长期致力于电磁发射技术研究，推动我国电磁发射技术发展，多项指标处于国内外一流水平。

叶文怡

助理工程师，研究方向为电磁发射技术、脉冲功率技术等。

徐伟东

副研究员，硕士生导师，研究方向为电磁发射技术、特种电源技术等。

付荣耀

高级工程师，研究方向为电磁发射技术、特种电源技术等。

徐蓉

副研究员，硕士生导师，研究方向为高电压绝缘技术、脉冲功率技术等。

严萍

研究员，博士生导师，团队负责人，研究方向为高电压绝缘技术、脉冲功率技术和电磁发射技术等。

本文编自2023年第6期《电工技术学报》，论文标题为“无电抗器电容储能型脉冲功率电源”。

引用本文

叶文怡, 徐伟东, 付荣耀, 徐蓉, 严萍. 无电抗器电容储能型脉冲功率电源[J]. 电工技术学报, 2023, 38(6): 1564-1570. Ye Wenyi, Xu Weidong, Fu Rongyao, Xu Rong, Yan Ping. Non-Inductor Capacitive Pulsed Power Supply. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(6): 1564-1570.

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