电感储能型脉冲功率电源以储能密度高、结构简单和放电速度快等优势吸引了越来越多学者的关注，被广泛应用于等离子体物理、受控核聚变、高功率雷达和强脉冲电磁发射等领域．电感储能的关键技术难点在于断路开关在关断大电流时，漏磁场的能量会在断路开关两端感应出很高的电压[1]，因此研制性能优异的高功率断路开关是目前亟待解决的问题．近年来，大功率半导体开关在功率处理能力和开关速度方面取得显著进步，以其体积小、寿命长和可靠性高等优点，逐渐成为了脉冲功率开关的发展方向，并且大大拓宽了脉冲功率技术的应用范围．Meat grinder和XRAM是电感储能型脉冲功率电源的两种基本拓扑[2-3]，目前国内外诸多学者基于这两种拓扑深入研究了更具优越性的拓扑和更高能级的电源模块．文献[4]提出了STRETCH(电容器能量缓慢转移) meat grinder拓扑，将漏磁通的能量转移至电容器上，从而减小关断开关两端的电压应力．文献[5]构建四级XRAM发生器作为小口径轨道炮的脉冲电源，四个线圈被充电至200 kJ，能量密度达10 MJ / m3，用于电磁轨道炮供电，该电磁炮将33 g的弹丸加速至157 m/s．文献[6]将STRETCH meat grinder中的IGCT和二极管用晶闸管代替，并给能量转换电容预充一定电压，提出了meat grinder with SECT(自恢复电容器和晶闸管)，该拓扑关断电流能力强，结构相对简单，可以降低运行成本和提高储能密度．文献[7]将CPFU(电容脉冲成形单元)运用在meat grinder电路中，提出meat grinder with CPFU拓扑，其优势在于电容器预充电压的自恢复率较高，有利于整个电路的连续运行.文献[8]基于meat grinder with SECT，采用大匝比的耦合电感，利用反并联二极管的IGBT作为关断开关和换流开关，电路自恢复过程可自发进行，试验得出脉宽1.7 ms、峰值30.40 kA平滑的负载电流波形．以上基于meat grinder和XRAM的各种拓扑在放电电流波尾阶段均存在较大的剩余电流，为了应用于电磁发射装置中，须解决波尾电流造成炮口烧蚀降低发射精度的问题.本研究提出了一种可快速关断负载电流的新型拓扑，搭建电路仿真模型可在15 μs内关断负载电流，具有重频运行的潜力，达到了预期目标．1 三种拓扑的工作原理1.1　STRETCH meat grinder拓扑如图1所示，触发IGCT导通，直流电源(电压为US)给耦合电感L1和L2(耦合系数为k)充电，当充电电流达到指定水平时，关断IGCT．由于磁链守恒，L1中的磁链减少必然会导致L2的磁链增加．负载RL，LL和L2串联，因此负载电流急剧上升．此外，L1中的漏感能量会沿着L1-D2-RL-LL-C-D1-L1通路对电容C进行反向充电，当L1电流减小至零时，电容C电压达到反向最大值，二极管D1关断．电容C的存在降低了电流的衰减速度，从而限制了主开关S1两端的电压[9]．在D1关断后，电容电压达到反向最大，晶闸管T1虽承受正压，但此时无触发脉冲，因此不导通，此时仅有L2放电为负载提供电流．触发T1导通，电容C沿着C-LL-RL-D2-L1-T1-C回路放电，最终电容电压UC保持为不变的负电压．10.13245/j.hust.211102.F001图1STRETCH meat grinder拓扑1.2　meat grinder with SECT拓扑如图2所示，触发T1导通，直流电源开始对耦合电感进行充电．当通过L1和L2的电流增加到指定水平时，触发T2导通，电容C释放的逆流脉冲使主管电流瞬间降为零，此后C继续给电感充电直至电压降为零．储存在L1中的磁能大部分转移至L2中，从而导致L2-LL-RL-D-L2回路电流倍增，漏磁通能量转移至电容C中，C被反向充电直至T2关断[10].触发T3导通，电容C沿着C-LL-RL-D-L1-T3-C放电，此时负载电流等于一、二次电感电流之和，半个周期后，回路电流降为零．T3关断，电容C恢复为正电压．此后电路中仅有L2给负载供电，直至负载电流为零．10.13245/j.hust.211102.F002图2meat grinder with SECT拓扑1.3　meat grinder with CPFU拓扑如图3所示，充电和换流过程与SECT拓扑基本相同，当T2关闭后，T3虽承受正向压降，但此时触发脉冲还未来临，仍不导通．负载电流仅包括L2提供的电感分量．触发T3后，电容器C中的能量沿着C-LL-RL-D-L-T3-C路径释放至负载(L为辅助电感)，L2仍然给负载供电，此时负载电流包括C提供的容性分量和L2提供的感性分量．由于二极管的单向导电性，因此二阶振荡过程仅持续半个周期．在UC从负电压变为零最终变为正电压后，T3关断，仅有L2给负载供电，直至负载电流降为零．若最终UC电压等于甚至高于预充电压，则实现预充电压的自恢复[7]．10.13245/j.hust.211102.F003图3meat grinder with CPFU拓扑2 仿真分析搭建电路仿真模型比较三种拓扑的电气性能．为了保证对比的客观性，仿真时三种拓扑的设计参数保持相同．初级电感L1电感值为1 mH,电阻值为0.04 Ω．次级电感L2电感值为0.2 mH,电阻值为0.007 Ω．耦合系数k取0.95．充电电流为1 178 A,系统初始储能1.42 kJ．2.1　波形分析如图4所示，三种拓扑的负载电流(I)波形的趋势基本一致，SECT和CPFU负载电流相对于STRETCH波形更加平滑，这是因为STRETCH的换流支路开关由晶闸管和二极管并联组成，因此电容C可以进行整个周期的二阶振荡过程，而SECT和CPFU的换流支路开关仅有晶闸管，只能持续半个周期．此外，由于负载所受电动力大小与电流平方成正比，根据电流波形易知SECT和CPFU拓扑传输给负载的能量更多，因此系统效率高于STRETCH拓扑．10.13245/j.hust.211102.F004图4三种拓扑的负载电流波形2.2　电气性能指标根据文献[11]提出的八项指标中的三项，即电流放大系数、主管峰值电压和电容储能比例，计算得出三种拓扑的电气性能指标．一、二次电流放大系数为负载电流一、二次峰值与充电电流比值．主管峰值电压为直流电源支路换流开关两端承受的正反向峰值电压．电容储能比例为能量转换电容C在系统运行过程中的最大储能与初始电感总储能之比．由表1可知：meat grinder with SECT拓扑具有较高的电流放大系数，带负载能力较强；meat grinder with CPFU拓扑的最大优势在于能够有效降低电容储能比例，从而充分发挥电感储能的优势．然而这两种拓扑较STRETCH meat grinder拓扑，晶闸管均要承受一定的反向电压，在更高能级的电源装置中将会对主管的耐压能力要求更高．10.13245/j.hust.211102.T001表1三种拓扑电气性能指标性能指标STRETCHSECTCPFU电流放大系数一次3.103.102.93二次4.143.683.68主管峰值电压/V正向435.7420.6502.1反向0.0-271.1-232.4电容储能比例/%18.1117.834.433 快速关断负载电流的新型拓扑3.1　拓扑结构及其工作原理上述拓扑运用在电磁发射中，由于脉冲电流波尾时间过长，电枢出膛时仍有较大残余电流，因此将在膛口形成膛口电弧，产生的膛口电弧在一定程度上会影响电枢出膛速度，降低初速精度．剩余能量可能会造成炮口烧蚀，大大降低能量利用率和发射效率[12]，因此限制膛口电弧的出现对于整个电磁发射系统具有积极作用．本研究在已有的meat grinder with SECT circuit电源拓扑基础上，提出了一种可快速关断负载电流的新型拓扑，电路原理图如图5所示．10.13245/j.hust.211102.F005图5快速关断负载电流的新型拓扑该新型拓扑在SECT拓扑上增加一对晶闸管并联支路，并将原先和负载串联的二极管替换为晶闸管．电容器C上预先充电使其达到一定电压值，最终负载出膛瞬间L2上剩余的磁场能量可转移至电容器C中储存，从而实现预充电压自恢复．具体工作流程可分为以下7个阶段．a．充电阶段．触发晶闸管T1导通，电源US向串联电感充电，强耦合电感L1和L2中的充电电流近似线性增加．当充电电流达到指定值时，触发T2和T6，充电阶段结束．b．关断阶段．触发T2和T6后，T2立即导通，T6不会立即导通，此时UC＞US，逆流回路等效阻抗很小，T1电流急剧下降至零．若晶闸管反向恢复时间低于T1反向电压持续时间，则其可靠关断．电感L1和L2通过电容C续流，电容C继续给电感充电，UC降低，电感电流继续增大．等效电路如图6所示(图中箭头为电流流向，下同)．10.13245/j.hust.211102.F006图6关断阶段等效电路图 c．换流阶段．当UC降为零时，L1中电流开始下降，L1中的大部分能量通过互感耦合到L2中，此时T6具有触发信号且承受正向电压，故T6导通，L2电流开始倍增，电容器C反向吸收L1中的漏磁通能量；当L1电流降为零时，T2因承受反压而关断，换流过程结束．等效电路如图7所示．10.13245/j.hust.211102.F007图7换流阶段等效电路图 d．电感放电阶段．在换流结束后，UC达到反向最大值，此时电路中仅有L2给负载供电．e．电容放电阶段．触发T3导通，电容器通过C-LL-RL-L1-T3-C完成一次充放电过程，最终电流降为零，UC为一正值，T3承受反压关断．f．负载电流关断阶段．该阶段可分为两个子过程，如图8所示．由于负载阻抗较小，因此电容C放电产生的电流快速抵消电感L2产生的电流，T6电流迅速下降为零而关断，从而达到削弱负载波尾电流的目的．在负载切除后，电容C通过T4和L2开始积累反向电压，电流降为零时，T4承受反压而关断．10.13245/j.hust.211102.F008图8负载电流关断阶段等效电路图 g．自恢复阶段．触发T5导通，电容C再次沿着如图9所示路径完成极性反转，最终UC为一正值，如果参数设置合理，那么电容电压可恢复至预充电压．10.13245/j.hust.211102.F009图9自恢复阶段等效电路图3.2　13 kA系统仿真结果在Simulink平台中建立仿真模型，设置各元件电气参数：初级电源为预充1.5 kV的8 mF脉冲电容器；能量转换电容C为1.2 mF，预充1.5 kV；L1电感值为1 mH，电阻值为30 mΩ；L2电感值为0.1 mH，电阻值为3 mΩ；耦合系数k取0.9；L电感值为1 mH；负载电阻RL为1.5 mΩ，电感LL 为1 μH．设置晶闸管触发时刻，仿真中各晶闸管均只触发一次．T1~T6触发时刻依次为0，9，12，16，18，9 ms．能量转换电容C的引入会影响主开关的关断问题，其电容取值和预充电压也会影响整个系统的电容储能比例．耦合电感L1的电感值通常是L2的几倍，并且两电感须有较高的耦合系数，L2的电阻值也会影响每一阶段的能量转换效率，电感量会影响储能．综合考虑晶闸管的通流能力和耦合电感设计因素，耦合系数k取0.9．在Simulink中运行该仿真模型，得到的负载电流波形如图10所示，初步实现15 μs内关断负载波尾电流．10.13245/j.hust.211102.F010图10负载电流波形该新型拓扑的电气性能指标计算结果为：电源供能为9 kJ；初始储能为4.18 kJ；充电电流及充电时间分别为2.238 kA和9.81 ms；充电效率为46.45%；负载电流一次峰值及放大倍数分别为8.32 kA和3.72；负载电流二次峰值及放大倍数分别为13.41 kA和5.99；主管VT1承受最大正反向电压分别为5.643和2.500 kV．其中电源供能为初级电源的最大储能，充电效率为电感初始总储能与电源供能之比．仿真结果显示：新型拓扑在满足快速关断负载电流的同时，仍具备较强的电流放大能力，主管承受峰值电压也控制在半导体开关可承受范围内．值得一提的是：如图11所示，能量转换电容的电压(U)最终稳定在1.717 kV，电压自恢复率高达114%，可节省电容器的充电时间，具有重复运行的潜力．10.13245/j.hust.211102.F011图11能量转换电容电压波形3.3　参数影响新型拓扑的电气性能取决于多种参数，其中能量转换电容值和电感耦合系数对系统性能具有至关重要的影响．长期以来，减小主管峰值电压和提高负载电流峰值一直是围绕电感储能型脉冲功率电源的技术难点[13-14]．通过参数扫描，本研究针对上述两个参数和两个性能指标之间的关系进行了仿真分析．a.电容参数的影响由于在meat grinder拓扑结构中引入了能量转换电容，在放电过程中起到回收漏磁通能量以及减缓电感电流下降速度的作用，因此势必会对负载电流脉冲峰值和主管承受电压产生一定的影响．本研究仿真了电容参数对负载电流脉冲峰值(Imax)和主管承受峰值电压(Umax)的影响，其仿真结果如图12所示．10.13245/j.hust.211102.F012图12电容参数的影响由图12可知：随着电容参数的增大，负载电流的脉冲峰值变化不大，而主管承受电压峰值显著降低，因此从降低主管承受峰值电压的角度，选取的电容参数越大越好．b.耦合系数的影响根据换流阶段的分析可知：电感间的磁耦合作用是电流倍增的关键因素，虽然理论上储能电感之间耦合越紧密越好，但是生产制造出耦合系数为1的储能电感不切实际．漏感的存在会导致系统电能传输效率降低，漏磁通能量导致主管两端出现过电压问题也是meat grinder电路的缺点之一．由图13可知：随着耦合系数的增大，负载电流脉冲峰值和主管承受峰值电压均呈现明显上升，因此当主管耐压能力较强时，提高耦合系数有利于增大负载电流脉冲峰值．从电感线圈的设计制造角度来看，高耦合系数对线圈机械强度的要求也会提高，因此耦合系数的选取须根据系统性能和工艺水平等因素综合考虑．10.13245/j.hust.211102.F013图13耦合系数的影响4 结语本研究基于simulink平台对比了STRETCH meat grinder，meat grinder with SECT和meat grinder with CPFU三种拓扑的电气性能．STRETCH meat grinder和meat grinder with SECT带负载能力较强，meat grinder with CPFU可有效降低电容储能比例．以上三种拓扑应用于电磁发射装置中均存在脉冲电流尾部脉宽过长导致炮口烧蚀的问题，本研究基于meat grinder with SECT提出一种可快速关断负载电流的新型拓扑，基于Simulink平台验证了仿真模型的可行性，通过参数扫描分析了电容参数和耦合系数对负载电流脉冲峰值和主管承受峰值电压的影响．研究结果表明：电容参数对负载电流脉冲峰值影响不大，但电容值越大主管承受峰值电压越低；提高耦合系数可增强电流放大能力，同时主管承受峰值电压也会升高．在大容量电感储能型脉冲功率电源系统中，可以选择较小的电容参数和较高的耦合系数．