基于反向開關晶體管的脈沖電源在電磁發射中的應用

張亞舟， 李貞曉， 田慧， 李海元， 栗保明

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室， 江蘇 南京 210094)

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基于反向開關晶體管的脈沖電源在電磁發射中的應用

張亞舟， 李貞曉， 田慧， 李海元， 栗保明

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室， 江蘇 南京 210094)

為了進行電磁軌道炮發射機理研究，研制了一套基于反向導通雙晶復合晶體管(RSD)全固態開關的電容儲能型脈沖功率電源。RSD開關采用可控等離子體換流技術，具有全面積均勻同步導通、開通損耗小、功率大、換流效率高、壽命長的特點。電源系統由16個64 kJ儲能模塊并聯組成，采用一體化緊湊設計，內嵌充電、控制、保護與測量功能。系統額定電壓18 kV、總儲能1 MJ，可通過時序控制對放電波形進行調節，短路同步放電峰值可達960 kA. 系統在20 mm口徑電磁軌道炮上進行了多次發射試驗，結果表明脈沖電源系統可靠性高，一致性好，輸出波形靈活可調，滿足軌道炮超高速發射研究的需要。

兵器科學與技術； 電磁發射； 脈沖功率電源； 反向開關晶體管

0 引言

電磁發射技術是一種利用電磁力做功將電源系統中的電能轉化為有效載荷的動能，從而達到彈丸超高速發射的技術。電能的提供對于該項技術的研究與運用尤為重要[1-2]。高功率脈沖電源作為電能的來源組成結構形式較多，電磁發射用脈沖功率電源較多采用電容儲能形式，多模塊并聯結構，通過電源模塊時序放電實現超高速發射[3-4]。

放電開關作為脈沖電源的重要組成器件之一，制約著電源系統對負載提供能量的效率。電磁發射用脈沖功率開關需要具有上萬伏的斷態重復峰值電壓，數百千安每微秒的峰值電流上升率，微秒級開通速度，較高重復頻率與長壽命等特點。采用可控等離子層換流技術的反向導通雙晶復合晶體管(RSD)開關具備以上特點，可應用于電磁發射用脈沖電源。

為了進行電磁軌道炮發射機理研究，本文采用RSD開關研制了一套結構緊湊、集成度高的電容儲能型脈沖電源。電源系統經過多次性能測試，并應用于20 mm口徑電磁發射試驗，結果表明RSD開關脈沖電源可以滿足電磁軌道炮超高速發射研究的需要。

1 RSD開關結構與原理

RSD開關是20世紀80年代末由俄羅斯阿·法·約飛物理科學研究院的Grekhov等基于可控等離子層換流原理首先提出的。RSD開關是一種類晶閘管器件，與傳統晶閘管在門極附近先開通、再擴展到芯片全面積的工作過程不同，RSD工作過程可以分為預充和導通兩個階段。RSD開關的基本結構及原理電路如圖1所示。

圖1 RSD結構及原理電路Fig.1 Structure and schematic circuit of RSD

單只RSD是由數萬只非對稱p+-n-p-n+晶閘管與n+-p-n+晶體管多單元并聯形成的兩端結構，如同晶閘管斷態一樣，可承受數千伏的正向阻斷電壓。預充回路中，開關S閉合后，電容器C2產生一個1～2 μs脈寬，1.5～2 kA幅值的短時脈沖電流反向流經RSD，通過等離子體的雙向注入，在高阻區形成一層很薄、濃度梯度很高的可控等離子層；主回路放電時，RSD外電壓變為正向，結構中的等離子體在電場作用下再分布，使原本反偏的集電結倒向，RSD快速開通數十至數百千安的大電流。由于觸發作用的均勻性，導通過程將在器件的全面積上均勻同步發生[5-12]。磁開關MS的作用是在預充電路工作時將主電路隔離開，同時還可以提高開關的開通速度[13-14]。

電磁發射脈沖功率電源中，常用開關有晶閘管開關、真空觸發開關與RSD開關等。RSD開關應用于電磁發射脈沖電源具有如下優勢：1) RSD開關基于等離子體換流原理實現全面積均勻同步導通，具有無開通時延的特點，可以滿足電磁發射精準時序放電的要求。晶閘管開關和真空觸發開關在開通時會有數微秒的開通延時，不利于模塊時序放電的精準控制；2) RSD開關沒有門極，是兩端器件，更易組成堆體，理論上可以無限個串聯使用，無需均壓，有助于提高電磁發射系統的可靠性。晶閘管開關需采用門極觸發方式導通，且串聯使用時需并聯均壓保護電路以確保器件使用安全，應用較RSD開關復雜；3) RSD開關的換流特性使其殘余電壓在前沿只有很小的突升，導通時的換流損耗與準靜態損耗相比很小。RSD開關的準靜態情況持續時間出現在幾個微秒以內，普通晶閘管開關這個過程約上百微秒，損耗更大一些。開關損耗小更有利于電磁軌道炮連續發射試驗研究。真空觸發開關則受限于電極燒蝕與內部真空維持狀況，同時需要時間恢復到原始絕緣狀態；4)多只開關串聯使用時，晶閘管串聯組需為每只器件提供一套獨立驅動系統，而RSD串聯組只需一套觸發系統即可驅動整個串聯組。觸發電路相對簡單，易于同步開通與集成設計。RSD開關的制作工藝也與傳統半導體工藝相兼容。

2 1 MJ脈沖功率電源系統

基于RSD開關諸多優點研制了一套儲能1 MJ的高功率脈沖電源。電源系統主要由2個電源箱體，系統控制臺與系統匯流器組成。每個電源箱體集成了1臺高功率充電機、8個電源模塊與8個RSD觸發控制器。

2.1 脈沖電源模塊

脈沖電源模塊電路拓撲圖如圖2所示，主要參數如表1所示。圖2中C為脈沖電容器，選用400 μF/18 kV的合成油浸漬聚丙烯薄膜絕緣型高壓電容器，儲能密度達1.3 J/cm3；VS為放電開關，選用10只直徑63 mm、工作電壓2.2 kV RSD開關串聯組成堆體。

圖2 脈沖電源模塊電路拓撲圖Fig.2 Schematic circuit diagram of PPM

參數數值儲能/kJ64脈沖電容器電容/μF400脈沖電感器電感/μH25峰值電流/kA60放電時延范圍/ms0～32

根據RSD開關的最大電流耐量經驗公式[15]

(1)

式中：Im為RSD脈沖最大電流耐量(A)；K為結構因子，反比于基區寬度確定的工作電壓；S為RSD芯片有效面積(cm2)；f為電流曲線因子，取值從方波曲線的1到正弦半波的0.66；tp為電流脈寬(s)。計算得到最大電流耐量為70 kA，滿足模塊設計要求。

RSD直接使用會導致續流電流反向流向電容器，對電容器反向充電，采用保護二極管VD1與RSD串聯的方式，阻止反向電流流向RSD，確保負載R即使在模塊放電前產生感應電壓也不會使RSD導通。VD1采用10只直徑50 mm、耐壓2.2 kV的二極管串聯組成。續流開關VD2選用10只直徑76 mm、工作電壓2.2 kV的二極管串聯組成。兩組開關的最大工作電流均為70 kA，但由于流經VD2的續流電流與流經VD1的初始放電電流相比持續時間更長，故VD2選用了閥片直徑更大、通流能力更強的組件。為保護元器件，防止過壓造成損壞，每只二極管均并聯壓敏電阻與阻容元件。L為脈沖電感器，采用25 μH/18 kV空心環形結構電感，繞組內芯采用玻璃纖維塑料，外部澆筑耐熱化合物。 儲能模塊如圖3所示，電感器與電容器分別位于模塊最上方與最下方，開關與其他保護電路元件均被安裝在電感器與電容器之間。每個模塊均采用低感、低阻同軸電纜與匯流器連接，以降低系統中雜散參數，提高放電電流。在確保組件在電、熱、磁、力場作用下可靠運行的前提下，所有組件緊密排列組裝使電源模塊體積大幅減小，提高了系統儲能密度。

圖3 脈沖電源模塊Fig.3 Photo of PPM

2.2 充電系統

充電系統由兩臺高功率充電機組成。充電機采用體積小、效率高、適合寬范圍變化負載的恒流充電方式，串聯諧振充電電路由高速單片機進行控制。采用工頻交流電供電，最大工作電壓18 kV，工作頻率15 kHz，輸出電流2 A，功耗40 kW，可在30 s內完成充電。充電機采用風冷散熱方式，安裝IGBT溫度檢測裝置，用于防止開關過熱造成充電機損壞。

2.3 控制系統

控制系統包含充電機控制、充電電壓監測、充電模塊選擇、緊急情況下電荷泄放、脈沖放電觸發控制等。系統由計算機、控制臺以及觸發模塊組成?？刂婆_集成了無線路由器、通信轉換器、千伏電壓表、光隔離器、程序控制器等器件。計算機與控制臺采用無線網絡進行通信傳輸，加強了系統安全性及遠程操控能力?？刂婆_中各器件通過RS-485端口進行數據交換與通信，RS-485同樣可以與其他外接控制及測量設備進行信息交互?？刂颇K通過光纖對充電機進行控制，同時實時采集充電電壓，當檢測到充電電壓超過18.5 kV時，系統自動關閉充電機，并進行能量泄放，以保護充電系統與模塊中電容器安全?？刂颇K對電源下達觸發命令時，控制模塊中的光隔離器通過光纖按照系統設置的觸發時序對電源箱中的各RSD觸發模塊傳輸開通信號使電源放電。

2.4 測量系統

測量系統用于對電源的放電電壓與電流進行測量。電壓測量由高壓探針、光纖隔離傳輸裝置和數據采集器組成。高壓信號經高壓探針輸出低電壓信號，通過光纖隔離放大器傳輸后，傳入數據采集系統。高壓探針帶寬為75 MHz，衰減比1 000∶1，最大輸入直流電壓20 kV. 光纖隔離放大器測量范圍±100 mV～±50 V，可通過RS-232端口進行遠程控制。電流測量由Rogowski線圈和數據采集器組成。線圈靈敏度為0.01 mV/A，單個電源箱測量最大峰值電流500 kA，帶寬1 Hz～1.2 MHz.

電源系統采用了模塊緊湊化與系統集成設計，儲能密度達0.5 MJ/m3. 分析了可能出現的故障，并設計了保護措施。電源系統結構原理框圖如圖4(a)所示，電源系統如圖4(b)所示。

圖4 電源系統原理圖及照片Fig.4 Schematic diagram and photos of PPS

3 RSD電源系統試驗

3.1 電源系統性能測試

利用模擬負載對脈沖電源進行短路放電測試，包括不同充電電壓下電源同步與時序放電測試。圖5為電源對模擬負載同步放電試驗輸出電流波形圖，I1～I4分別為充電電壓5 kV、10 kV、14 kV、18 kV時的放電波形，輸出電流在0.15 ms左右達到峰值，峰值電流分別為303 kA、597 kA、832 kA、960 kA. 由圖5可以看出18 kV放電電流幅值近乎達到兆安級。

圖5 不同充電電壓同步放電電流試驗曲線Fig.5 Experimental current waveforms of PPS at different charging voltages

圖6為充電電壓為5 kV、10 kV、14 kV時電源對模擬負載進行時序放電波形，16個電源模塊依次以時序間隔500 μs放電，測得電流峰值分別為57 kA、121 kA、172 kA. 從圖6中可以看出，電流脈寬超過8 ms，各模塊均能準確按照設定時間間隔放電。

圖6 不同充電電壓時序間隔500 μs放電曲線Fig.6 PPS experimental current waveforms of 500 μs time sequence at different charging voltages

3.2 電磁軌道炮發射試驗

電磁軌道發射時，電樞速度瞬間從0加速到超高速，對軌道的沖擊很大，為了獲得平穩的加速過程，軌道內的理想電流波形為梯形。RSD開關脈沖電源用于電磁發射器并進行了多次超高速發射試驗。發射器口徑為20 mm，采用雙軌結構設計，鋁制U型電樞。通過對發射器相關參數測量，進行了發射時序優化計算。

試驗使用14個模塊進行時序放電，充電電壓為14 kV，前3個電源模塊采用同步放電，使放電電流迅速上升到一個較高的幅值，其余11個模塊依據表2中時序間隔放電，將電流幅值維持在一個平臺內，達到類似于梯形波的特點。發射試驗采用前述Rogowski線圈測量電源系統電流，高壓探針測量發射器炮口、炮尾電壓，箔靶與數據采集器測量電樞速度。

表2 發射試驗時序間隔時間

系統電流測量用于研究電源系統與負載匹配情況，圖7為3次試驗測得系統放電電流，電流峰值分別為166 kA、166 kA、168 kA.由圖7可以看出，3次放電電流波形均類似于梯形波，電流在0.16 ms內迅速上升到130 kA，隨后緩步上升，在0.9～1.8 ms時維持在160 kA平臺附近。從2.3 ms開始電流下降緩慢是因為電樞出炮口后造成電阻上升，導致殘余電能釋放緩慢，可以看出2.3 ms前，3次放電電流趨勢和幅值一致性較高，與負載匹配良好。

圖7 匯流器端電流測量曲線Fig.7 Experimental current waveforms of busbar

炮口電壓測量用于研究彈丸與軌道間接觸情況，炮尾電壓測量用于研究電樞在軌道中運行狀態。圖8中炮尾電壓因前3個模塊同步放電，使得第1個波形峰值達2.4 kV，其余模塊放電時電壓峰值最高為750 V，相比14 kV放電電壓，由圖8可以看出能量釋放效率較高。炮口電壓在1 ms內維持在一個固定區間，表明電樞與軌道接觸較好。1 ms后電壓開始隨時間緩慢上升，這表明電樞與軌道之間接觸出現間隙，接觸電阻上升導致炮口電壓上升。在2.3 ms時刻，炮口炮尾電壓均有明顯的突變，這表明此時電樞從炮口射出。

圖8 發射器炮口和炮尾電壓波形Fig.8 Experimental voltage waveforms of breech and muzzle

電樞速度采用三網靶定距測時原理進行測量。炮口與網靶距離s01=1 305 mm，各網靶間距為s12=520 mm，s23=870 mm，s34=520 mm，3次試驗測得v12電樞速度分別為2 110 m/s、2 123 m/s和2 115 m/s，達到了超高速發射的要求。圖9為v12電樞速度為2 115 m/s時的測速靶觸發電壓信號圖，觸發時間分別為245.8 μs、714.5 μs、1 000.7 μs.

圖9 測速靶觸發電壓信號Fig.9 Trigger voltage signal of velocity-measuring system

RSD開關無開通延時，脈沖電源時序放電設置可精確到1 μs，各模塊放電時延范圍可在0～32 000 μs間進行設置，從而確保放電波形靈活可調。多次發射試驗表明系統性能良好、可靠性較高，可以滿足20 mm口徑電磁軌道炮超高速發射研究的需要。

4 結論

1)基于RSD開關具有芯片全面積均勻同步導通、高耐壓、易串聯、通流強等優點，研制了一套采用RSD開關的脈沖電源。通過對RSD開關最大電流耐量計算，加裝串聯保護二極管、壓敏電阻等方法確保電源系統運行可靠。

2)電源系統對模擬負載進行了同步與時序短路放電性能測試，并用于20 mm口徑電磁發射試驗。試驗表明RSD開關脈沖電源觸發準確，可以輸出與負載特性相匹配的具有較高幅值、數毫秒脈寬、上升快速且有類梯形波特點的脈沖電流，一致性、可靠性較高，可以滿足20 mm口徑電磁軌道炮超高速發射研究的需要。

致謝 俄羅斯D. V. Efremov電物理科學研究所B. E. Fridman教授及其團隊對本文中RSD開關電源研制提供的幫助與指導。

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Application of Pulse Power Supply with RSD Switch in Electromagnetic Launch

ZHANG Ya-zhou, LI Zhen-xiao, TIAN Hui, LI Hai-yuan, LI Bao-ming

(National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

A capacitor-based pulsed power supply (PPS) with reversely switched dynistor (RSD) is develop to study the launch mechanism of electromagnetic railguns. The RSD for which controlled plasma converter technology is used shows the following characteristics: simultaneous switching response in whole area, lower switch-on losses, higher power capacity, higher current transfer efficiency and long service life. A multi-module parallel structure with sixteen 64 kJ pulse power modules is applied. PPS adopts a compact and integrated design as well as built-in functions, such as charging, control, protection and measurement. Operational voltage of PPS is 18 kV, the stored energy is 1 MJ, the discharge waveform can be adjusted through the sequential control, and the short-circuit synchronization discharge peak current is 960 kA. Several launch tests were conducted on 20 mm caliber electromagnetic launching (EML) device with PPS, The experimental results show that the system has high reliability, and is capable of outputting adjustable current waveform. PPS can fulfill the research needs of hypervelocity launch experiment in EML.

ordnance science and technology; electromagnetic launcher; pulsed power supply; reversely switched dynistor

2016-09-06

國防“973”計劃項目(6132270202)

張亞舟(1987—)，男，博士研究生。E-mail：zyzrb@163.com

栗保明(1966—)，男，教授，博士生導師。E-mail：baomingli@njust.edu.cn

TM833

A

1000-1093(2017)04-0658-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.005