一种新型应用于脉冲功率负载的电感电容脉冲形成电路外文翻译资料

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一种新型应用于脉冲功率负载的电感电容脉冲形成电路

B. Vural, Member IEEE, C. S. Edrington, Senior Member IEEE Center for Advanced Power System, Florida State University, Tallahassee, FL USA vural @ caps.fsu.edu, edrington @ caps.fsu.edu

摘要：许多可以在EMRG（电磁铁轨）烧制期间提供恒定电流以及在烧制后恢复电感存储元件中剩余的能量的电路已经被提出，并且在许多方面，用于EMRG的基于开关电感器的脉冲功率电源是基于电容的脉冲功率电源系统的替代。然而，使用电感器作为脉冲功率电源仍存在一些问题，在本研究工作中，提出了电感-电容脉冲形成网络电路的方案以解决这些问题。

关键词：EMRG 脉冲形成网络 能量回收

1 简介

EMRG是一种通过洛伦兹力原理加速电枢的装置，其描述了电流，磁场和力之间的关系，如图[1]，[2]所示。

图1 电磁轨道炮的原理

在EMRG中，用作“滑动开关”的电枢在两个平行的导电轨之间滑动； 电流（I）沿着一个轨道流过电枢并沿着另一个轨道返回。 在轨道中循环的电流产生磁通密度（B），在电枢上产生磁力（F）。该磁力与（发射器单位长度的电感）相关，电流可以表示为：

（1）

流经EMRG的电流值很高，从几百kA到几MA不等，以便获得电枢的高输出速度。此外，电流波形和发射效率之间的关系已经在之前的研究中阐述[3]，与EMRG相关联的大电流的要求迫使工程师在设计脉冲形成网络（PFN）的过程中在性能和效率之间进行选择。正是由于这个原因，科学家正在进行深入的研究，以便可以同时提高效率与性能。

用于EMRG的脉冲形成网络（PFN）具有独特的要求，包括非常低的阻抗，相对较长脉冲放电时间和高能量存储。用于EMRG的最常见类型的脉冲功率系统是电容和电感系统[1]，[2]，[4] - [6]。

基于电容器的PFN系统通常由多个单独的电容器组成并且同时放电以形成放电模块[4]，[5]，这些模块还提供输出脉冲的整形，以便提供更恒定的电流。 在电容PFN系统中，电流从零快速增加（小于1ms）到最大值，然后减小到零。因此，存储在EMRG电感中的能量可以减少到零并且效率提升。然而，由于电流的波形，电流的初始值和电容器的初始电荷量必须很高[1]，[2]。

在许多情况下，开关电感器是可供EMRG选择的电源。电感器可以存储足够的能量以供应EMRG使用，并且其可以用作低阻抗直流源以在点火操作期间递送能量。电感存储器本质上是静态的，相对容易冷却，并且可以使用低电压主电源为其供电。然而，使用电感作为EMRG的脉冲电源仍存在以下几个问题，在文献[2]，[6]，[7]均有阐述：

1）EMRG中的电流迅速增加，这可能导致电枢的启动问题[8];

2）电感脉冲功率系统固有的技术挑战是断路开关;

3）如果电源使用单个电感器，则放电结束后，在该电感器中仍将存留相当大量的能量（低效率）;

4）EMRG中的电流的急剧减小，与存储在充电电路中的磁能结合，使得当电枢离开轨道时在轨道和电枢之间产生非常大的电压。

而本次研究工作为这些问题提供了潜在的解决方案：

radic; 可以增加延迟阶段以帮助解决上述（1）中的问题;

radic; 当电容器电压降至零时，（2）中的断路开关可以打开;

radic; 存储电感器中剩余的能量可以经由附加组件恢复;

radic; 如果存储电感器电流的路径可以改变，则当电枢离开轨道时，感应高压将被禁止。

本文的组织如下：第二节描述了拟议的系统和方法；第三节说明了模拟结果和讨论的结果；然后第四部分提出了一些改进建议系统可能出现的问题的建议；最后，第五节给出结论。

2 系统描述和方法

用于EMRG的脉冲形成网络是基于使得其是高度模块化的以这样的设计理念而搭建的电路。电流脉冲的上升时间应该具有适当的时间延迟，并且其最终目的是使电流波形尽可能为矩形。

A PEN电路的提出

在本研究中，提出了一种基于PFN电路可用于EMRG的L-C放电电路拓扑结构，如图2所示。

图2 已被提出过的供EMRG使用的PEN电路拓扑

通过闭合开关S来启动该PFN电路的操作（并且也因此将EMRG触发），使得电容器通过L和EMRG电感器传送其能量（图3）。 因此，EMRG中的电流平滑地增加，并且可以消除启动问题存在的风险。

图3 PEN工作的第一阶段

当电容器的电压下降到零时，开关断开。 然后电流流过L，EMRG和Crowbar二极管D2，如图4所示。

图4 PEN工作的第二阶段

如图4所示，电感器用作电流源，并且EMRG电流可以尽可能长地保持恒定。 在电枢离开轨道之后，EMRG作为开路开关，并且由于电感L中的电流而感应出高电压。当感应电压的电平达到的正向导通电压时，二极管被导通，并且电感中的残余能量开始流向电容，如图5所示。 因此，保留在电感中的能量被恢复。 此外，可以相应地减小电弧和EMRG上的损坏。

图5 PEN工作的第三阶段

B PFN电路的设计阶段

在过去的研究中，PFN电路的元件值和尺寸由电枢的动能决定。 然而，这不是EMRG的唯一关键参数。在所提出的PFN拓扑中，加速度是最重要的参数，并且要基于加速度计算其他参数。对于某个点火时间，电枢的速度可写为：

(2)

在这项研究中，目的是保持加速度恒定尽可能长，因此，（2）可以重写为:

(3)

加速度可以用（3）针对特定点火时间和速度来计算。 然后可以借助于（4）计算磁力。

（4）

可以用等式（1）和（4）计算用于达到该加速度所需的电流值。 这里，摩擦效应包括在具有（轨道的等效电感梯度）的方程中。近似等于[9]

（5）

然而，电流不能在发射期间保持恒定，并且根据（6）改变。

（6）

（6）中的和是EMRG电阻和存储和EMRG电感的和。 L可以在（6）的帮助下进行计算。最后，存储电容器的电容可以通过（7）进行计算：

(7)

这里，是电容器的初始电压（6000V），并且根据系统电压电平来确定。

3 仿真结果

仿真使用来自文献[3]和[10]（表I）中EMRG的实际参数来实现

表1 EMRG的参数

借助公式（1）-（5），计算电路中的元件值和其它参数，并列于表II中。

表2 PEN的参数

上述设计细节在已有的Matlab / Simulink仿真模型（图6）中被采用。

图6 PEN拓扑结构的Matlab / Simulink仿真模型

作为PFN拓扑电路的仿真的结果，电容器电压和电流，电感器的电流和EMRG电流在图7中给出。 图7中的曲线图为EMRG电路单次循环的结果。

图7 EMRG发射的仿真结果

在第一阶段中，开关闭合2秒时开始点火，然后电流开始上升并流过电容器，电感器和EMRG；同时，电容器电压降低。

当电压降至零时，开关打开，此时，电流流过电感器、EMRG和crowbar二极管，直到第二相的结束。如图7所示，第二阶段期间，电流线性变化，并且非常降低的很少。

当电枢退出电轨时，EMRG的电流下降到零，此时，电容器开始用保留在电感器中的能量充电，并且电感器电流开始减小，电容器继续充电，直到电感器的电流（或能量）完全耗尽。相反，保留在轨道电感器中的能量在轨道的分流电阻器中耗散。

在该过程完成之后，在电容器中累积的能量不等于电容器的初始能量（）。测量电容器两端的最终电压为5655V，并且存储的能量算出为。计算表明，电容器的初始能量的回收率为。

然而，发射效率相对较低。 EMRG中消耗的总能量为，电枢的动能为，在这种情况下，效率大约为48.5％。然而，采用这种新方法获得的效率高于基于电容器的PFN拓扑电路的效率（在[4]中为30％）。此外，关于效率的主要问题源于电感器（存储和轨道电感器）中剩余的能量，因此，应当分析在电枢离开轨道之后来自电感器的回收能量的量。在电枢离开轨道的瞬间，电流水平为，其中电感器中剩余的能量（和）为。利用所提出的结构，回收了3,197.9kJ的能量。在这种情况下，回收效率为96.323％。虽然，上述提出的PFN拓扑电路提供了良好的性能，但仍可能存在与该拓扑有关的一些问题：

1.电容器需要在EMRG的每次点火之后充电;

2.第一阶段期间电流的上升时间长于预期时间;

3.由于功率电子器件的限制，可能不可能将实验提出的PFN拓扑实现为一个独立的单元。

在下一节中提供了一些解决这些问题的改进方法。

4 改进

为了提供对第一个问题（每次点火之后的充电需求）的解决方案，如图8所示增加了电流控制的dc-dc降压转换器。

图8.带有充点电容的PEN系统

在发射过程（包括能量恢复）完成后，添加dc-dc转换器以供使用。 转换器根据参考电流值对存储电容器充电。可以使用每次点火之间的时间差和电容器的初始值和最终值之间的电荷差（Q）来确定参考电流。 电容器存储的电荷值可以用下式估算：

（8）

电容器的初始和最终的电荷差为。根据电荷需求量和每次激发之间的时间（5s），参考电流将为（）。单次点火的模拟结果如图9所示。

图9 充电过程中电容器两端电压及流过电容的电流

从图中，我们可以清楚地看出，在第二次点火发射之前的时间（~5s）段内，电容器根据参考电流值进行完全充电。

这里，其目的并不是为该转换器提供有效的dc-dc降压转换器和控制方法，而是为了表明通过使用为了EMRG的所提出的PFN拓扑电路，可以使每次点火所需的能量在低电流水平下快速重新加载。因此，使用该方法有可能电磁炮的发射回合或单次齐射的数量。

要考虑的其他问题是电流的长上升时间和商用功率电子器件的限制。 因此，如图10中使用的是并联的小功率PFN单元，而不是使用一个高功率PFN。

图10 并联的小功率PEN单元

在并联系统中，每个PFN单元使用一个附加的二极管，以防止单元之间的循环电流。基于商业可用的电力电子器件的PFN系统实现了仿真，考虑到组件的电流和电压水平，PFN的参数重新计算如表3所示。

表3 单个PEN单元的元件参数

此处，电感值保持不变。相反，由于电流值减小，电感器尺寸小于前面提到的。此外，电容是（200/4）比之前的设计的电容值小50倍。 由于EMRG的总电流水平要求，需要并联（427/60）7个单元。在这种情况下，总电容预期为28mF，也低于先前的电容值。 图11显示了电容器的电压和电流，一个PFN电池的电感电流和EMRG电流的仿真结果。

图11 单个PEN单元运行的仿真结果

这里的结果波形与前面的类似。 然而，电流的上升时间（t）近似短于1ms。 此外，EMRG电流的波形更接近矩形。 当考虑实验结果，元器件值和和规模大小时，可以得出结论，并联使用小的PFN单元的方案将是更好的。

5 结论

在这项研究中，提出了一种新的PFN拓扑电路，并在不同情况下进行了模拟仿真，并且对模拟结果进行了全面的分析和讨论。所提出的系统的能量回收效率通过计算为96.323％。此外，本文还为潜在问题提供了一些解决方案。综合考虑上述所有的结果和分析，可以清楚地看到，所提出的拓扑电路从EMRG的效率和发射性能观点提供了许多优点。

6 参考文献

[I] M. E. Parten, 'Feasibility o

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