超导储能连续脉冲电源ICCOS模块参数分析

李海涛, 梁晓宇, 赵博, 王艳萍, 胡长勇

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博 255000; 2.国网山东电力公司泰安供电公司,山东 泰安 271000)

0 引 言

电磁发射需要采用瞬态功率非常高的高功率脉冲电源来驱动,由于电容储能在放电方面具有很高的灵活性,当前电磁发射用脉冲电源的主要储能方式为电容储能[1-2]。但是,电容储能需要高压电源充电,且储能密度相对较低,使脉冲电源的体积和重量都较大,限制了其在实际系统中的应用。为了提高电磁发射用脉冲电源的储能密度,旋转机械储能和电感储能引起了相关科研人员的兴趣[3-7]。旋转机械储能密度高于电容储能2个数量级以上,但是其为非静止储能,装置结构非常复杂,冷却困难;电感储能密度相对电容储能要高1个数量级,结构简单,易冷却,且具有较高的放电功率,成为近年来诸多学者的研究热点。而且,随着高温超导储能技术的日趋成熟,使电感储能脉冲电源技术展现了更大的发展潜力。

然而,在大电流或高能量的情况下,电感储能存在换流困难的问题,在很大程度上限制了电感储能脉冲电源的工程应用。为了解决电感储能脉冲电源的换流问题,德法联合实验室在多级电感串联充电并联放电的XRAM电路中采用通流能力大的晶闸管作为主开关,采用半导体开关反向换流(inverse current commutation with semiconductor devices,ICCOS)技术来实现晶闸管的关断[8]。目前,ICCOS换流技术已经成功应用于多个XRAM实验电路[9-11],最大关断电流达到了28 kA[12]。另外,清华大学将ICCOS换流原理应用于STRETCH meat grinder电路,提出基于ICCOS技术的STRETCH meat grinder电路以及多种衍生电路[13-14],进一步为电感储能脉冲电源提高电流关断能力和降低系统成本提供了技术借鉴。

基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源电路是电感储能脉冲电源的一种重要的发展类型[15-18]。该类型的电路主要用高温超导脉冲变压器的原边电感来储能,通过降压升流的方法来产生电流脉冲。随着超导技术的发展,超导线材的通流能力得到大幅提升,可使高温超导脉冲变压器电感线圈具有更高的储能密度。而且超导电感线圈的电阻为0,对初级充电电源的功率要求也大幅降低。不过,基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源电路仍然存在电感电路的换流困难问题。

鉴于ICCOS技术在换流方面的优势,文献[17]将ICCOS技术与高温超导脉冲变压器结合,提出一种基于ICCOS技术的超导电感储能连续脉冲电源电路。在该电路中,晶闸管作为电路的主开关(断路开关),用一个桥式电容转换电路作为ICCOS模块。其中,ICCOS模块是电路的核心部分,不仅要确保晶闸管能够可靠关断,还要限制晶闸管两端的电压不宜过高。因此,ICCOS模块参数的选择直接关系着该脉冲电源电路能否正常运行。为了准确把握ICCOS模块参数的选取,本文推导ICCOS模块中电容器最大电压及其第一周期的最小预充电压的计算方法,并采用数值计算和电路仿真的方法得出随电容值变化时电容器最大电压及其第一周期最小预充电压的变化趋势,最后实验验证分析结果的正确性。该工作可为该类脉冲电源的设计提供一定借鉴。

1 脉冲电源ICCOS模块工作原理

基于ICCOS模块的超导电感储能连续脉冲电源电路如图1所示。其中,ICCOS模块为晶闸管开关T2～T5和脉冲电容器C组成的一个桥式电容转换电路。电感L1和L2分别为超导脉冲变压器的一次绕组电感(超导电感)和二次绕组电感(常导电感)。根据ICCOS换流原理,电路在连续充放电工作时,需要在第一个周期对电容器C预充电,以完成对主开关T1的关断。

图1 基于ICCOS的超导电感储能连续脉冲电源电路Fig.1 Superconducting inductive repetitive pulsed power supply circuit with ICCOS module

电路的工作过程为:触发晶闸管T1导通后,初级电源Us对电感L1充电。当充电电流达到预定值,同时触发T2和T5导通,使具有预充电压的电容器C对L1放电,同时对T1施加反向电流,并使其承受一段时间反向电压,保证T1可靠关断。当C中电压过零时,L1极性发生反转,开始通过对C反向放电使其电流快速衰减。同时,L2在互感作用下感应出电流脉冲。该过程中,C对一次回路中的漏感能量进行回收以实现自充电,并限制快速变化的磁通在L1两端产生的过电压。当L1的电流衰减到0后,C保持一定的反向电压。此时,L2按RL指数规律对负载放电。当负载电流脉冲达到预定宽度,再次触发T1导通,使L1切换回充电状态,同时使二次回路中的剩余能量再次转移到L1中。图2为电路在连续运行状态下的典型电压电流波形。

图2 脉冲电源电路连续运行电压电流波形Fig.2 Voltage and current waveforms of the pulsed power supply circuit in continuous operation

可以看出,在电路连续工作的过程中,电容器C两端电压将发生有规律反转。电容器可起到限制主开关两端电压的作用,选取合适的电容值可以将主开关的电压限制在一定范围。而且电容器通过漏感能量获得的自充电压要远高于其对预充电压的要求,只要在第一个周期中电容器的预充电压能够将主开关关断,则后续周期中主开关均可被可靠关断。

2 电容器电压计算

在电感储能型脉冲电源中,电感电流的突变可能会导致主开关两端产生过电压,从而导致器件被击穿。面对这种情况,大多采用多个开关模块串联分压来提高主开关的耐压能力,从而达到保护器件的目的。因此,降低放电过程中主开关两端的电压,有利于减少主开关的串联模块数,提高脉冲电源的可靠性、降低实验成本。

由图1电路的工作原理可知,ICCOS模块中的电容器与超导储能电感L1在放电过程中为并联连接,其对L1的放电速度起到一定的减缓作用。晶闸管T1关断后,其两端的电压实际为电容器电压与初级电源电压之和。因此,电容器电压的求解是主开关电压求解的关键。

由于电容器用于晶闸管T1关断而消耗的能量相对于其预充电储能而言非常小,可近似认为在放电初始阶段电容器的能量全部转移至电感L1中。根据能量守恒原则,可得

(1)

式中:I0为第一周期主开关关断前L1的充电电流;Upre为电容器C预充电电压;I01为放电过程开始前电容器电压衰减为0时电感L1的电流,具体可表示为

(2)

由文献[18]推导可知,在放电过程开始后脉冲电源电路可等效解耦为二阶RLC子电路和一阶RL子电路,如图3所示。其中:Ueq为二次侧电路对一次侧的反电动势;Leq和Req分别为超导电感储能连续脉冲电源电路解耦后的等效参数。

由于导轨型电磁发射的负载阻抗值非常小,Ueq可以忽略不计。等效参数Leq和Req可分别表示为:

Ltot=L2+LL;

(3)

Rtot=R2+RL;

(4)

(5)

(6)

式中M为电感L1和L2的互感。

图3(a)电路电流的表达式为:

i1(t)=

(7)

Δ=L1Ltot-M2。

(8)

式中α、ωd和β为RLC子电路的特性参数,其表达式分别为:

(9)

(10)

(11)

(12)

根据式(7)电流公式,可通过积分得到电容电压为

uc(t)=

(13)

可以看出,电容器的电压Uc与电容值C成负相关关系,若要得到较低的最大电压Ucm,则不宜选取过小的电容值。另外,主开关的电压为电容器电压与初级电源电压之和,而由于超导电感的初级充电电源电压通常较低,则主开关的最大电压可近似等于电容器最大电压,即

Usm=Us+Ucm≈Ucm。

(14)

因此,在选择ICCOS模块电容值时,应综合考虑ICCOS模块的关断功能与限压功能,确保电路的平稳可靠运行。

3 电容器预充电压选取

ICCOS模块中的电容器应产生足够的电流脉冲使流过主开关晶闸管的电流为0,且晶闸管电流过零之后,还应承受一段时间的反向电压。这要求电容器电压在晶闸管过零后仍高于初级电源电压。超导电感对初级电源的电压要求较低(几伏至几十伏),这有利于降低电容器的预充电压,从而降低预充能量,提高电感储能脉冲电源系统的能量密度。

根据文献[19]的方法,主开关反流关断过程等效电路如图4所示。其中:Lc是线路和电容器的寄生电感;Upre为预充电压;晶闸管T1视为理想开关。

图4 主开关反流关断过程的等效电路Fig.4 Equivalent circuit of the turn-off process of the main switch

由于Lc非常小,且产生反流脉冲ic的时间非常短,ic在晶闸管T1的电流过零之前可以近似认为是线性变化的,其变化率可表示为

(15)

假设反流关断阶段的起始时间为t1,晶闸管电流过零的时间为t2,则反向电流脉冲的时域可表示为

(16)

电容器从产生反向电流脉冲到主开关晶闸管电流过零的时间段为反向电流脉冲的上升时间,即

(17)

式中I0为第一周期主开关关断前L1的充电电流。tr时间段内的电容器电压变化量可表示为

(18)

在t2时刻电容器的电压可表示为

uc(t2)=Upre+Δu1。

(19)

晶闸管T1电流过零后,仍要承受一段反向恢复时间tq的反向电压才能可靠关断。对于快速晶闸管,tq仅为数十微秒,又因为预充电压相对较低,故可认为晶闸管在反向恢复阶段L1的电流不变。

根据电容器的电压电流关系,tq时间段内电容器的电压变化量Δu2为

(20)

假设在t3时刻晶闸管T1完全关断,电容器的剩余电压为

uc(t3)=uc(t2)+Δu2。

(21)

根据晶闸管的关断条件,若uc(t3)高于Us,则晶闸管T1能够可靠关断。由式(18)～式(21)可得电容器的预充电压需要满足的条件为

(22)

式(22)中,tq取决于晶闸管元件特性,预充电压Upre主要受电容值C、电源电压Us和充电电流I0的影响。在实际系统中,Us和I0一定的情况下,ICCOS模块的参数设计应考虑电容器预充电压Upre和电容值C的关系。此外,考虑实际开关器件存在一定的导通压降和寄生参数,而且很难获得精准的晶闸管反向恢复时间,因此在实际应用中需要在式(22)中对电容器预充电压适当增加一定裕量。

4 仿真与实验

4.1 仿真分析

为了验证ICCOS模块中电容器最小预充电压和放电过程中电容器最大电压计算方法的正确性和有效性,本文基于实验室现有小型高温超导脉冲变压器参数进行了相关的仿真对比。

小型高温超导脉冲变压器线圈如图5所示。其原边总匝数为160匝,由高温超导带材Bi2223/Ag绕制。其副边总匝数为12匝,由铜板切割而成。液氮下测得线圈参数如表1所示,仿真和实验中的其他电路参数如表2所示。

表1 高温超导脉冲变压器的参数

表2 仿真和实验中的电路参数

图5 小型高温超导脉冲变压器实物Fig.5 Photo of the small high temperature superconducting pulsed transformer

电路仿真选用Simplorer软件平台,电路中所有开关的导通压降和导通电阻都选择默认参数值,分别为0.8 V和1 mΩ。通过在仿真中多次调整预充电压值,确定不同电容值对应的最小预充电压值。图6为不同电容值情况下对电容器预充电压的计算和仿真结果对比。

图6 电容器预充电压的计算和仿真结果Fig.6 Calculation and simulation results of the capacitor pre-charged voltage

仿真结果显示,电容从50 μF变化到300 μF,需要的预充电压从122 V降低到29 V。可以看出,当电容值增大时,关断主开关晶闸管所需要的预充电压逐渐降低,且电容值越大,预充电压降低的趋势越平缓。仿真结果的曲线总体上在公式推导结果的曲线之上,但两者差距不大且具有相同的变化趋势,初步证明了电容器预充电压计算方法是可行的。

为了与后面实验部分形成统一,仿真过程中采用的预充电压值为理论电压的1.5倍以上,与后文实验部分的预充电压值相同。图7为电容器电压峰值的电路仿真与公式推导结果对比。仿真结果显示,电容从50 μF增大到300 μF时,电容最大电压从427 V降低到217 V。整体上公式推导结果与仿真结果的差距较小,且两者随电容值的变化具有相同的变化趋势。当电容值较小时,通过增大电容值来降低电容最大电压的效果越明显。

图7 电容最大电压的计算和仿真结果Fig.7 Calculation and simulation results of the maximum capacitor voltage

由以上仿真结果可以看出,ICCOS模块中电容器的取值与主开关的关断和对主开关的限压2种功能密切相关,且都随着电容值的增大而降低,整体趋势呈现明显的非线性。由于原边电感为超导电感,对初级电源要求较低,因此,电容器预充电压远小于其电压峰值,这使得连续脉冲输出模式的起动较为容易。

4.2 实验验证

为了验证仿真和公式推导结果,搭建了实验电路,如图8所示。其中初级充电电源采用5 V恒压电源,主开关及ICCOS模块中的晶闸管都选用MTK-220型晶闸管模块(其通流为220 A,耐压为1 600 V,反向恢复时间为60 μs),电容器由3个100 μF、耐压为4 000 V的脉冲电容器通过串并联组合以获得不同的电容值,负载用1 mΩ的采样电阻来模拟。

图8 实验电路Fig.8 Experimental circuit

实验电路的控制信号由FPGA产生,晶闸管触发信号脉宽1 ms,连续脉冲频率5 Hz。信号采集系统由多通道数据采集卡USB-6351和Labview软件平台构成。因实际电路存在较多寄生参数干扰,最初电容器预充电压选择理论值附近时,主开关晶闸管关断的可靠性较低,容易使充电电流超过超导线圈的临界电流。为确保主开关晶闸管可靠关断,实验中电容器的预充电压值调整到理论值的1.5倍以上。不同电容值下的实验波形如图9所示。可以看出,电容值较小时对预充电压和最大电压的影响较明显,随着电容值的增加,对预充电压的要求明显降低,不需要预充过大电压就可以保证脉冲电源电路可靠运行,而且主开关的电压也可以限制在较低的范围。

图9 不同电容值下的实验波形Fig.9 Experimental waveforms with different capacitance

图10为电容器相同预充电压下,最大电容电压值实验结果、公式计算结果和仿真结果对比图。因为实际电路存在较多寄生参数,计算推导过程中进行了一定的等值忽略及开关动态特性的影响,与预充电压的理论计算曲线存在一定误差,使计算曲线略低于仿真曲线。可以通过选取一定裕量来实现主开关晶闸管的可靠关断。从对比结果来看,电容器最大电压与仿真和计算结果在可接受的范围内,其趋势一致,初步验证了理论分析的有效性。

图10 电容最大电压变化曲线Fig.10 Maximum voltage variation curve of capacitor

5 结 论

本文针对用于超导电感储能型重复频率脉冲电源的ICCOS模块开展研究,从可靠关断主开关晶闸管和限制主开关电压两个方面分析了ICCOS模块中电容器的影响,并建立了小型实验平台,对不同电容值情况进行了测试。可以得出:

1)ICCOS模块中电容器预充电压的取值与其电容值呈负相关,且具有明显的非线性;

2)电容值是影响主开关电压峰值的重要因素,随着电容值的增大,开关电压峰值将迅速下降且下降趋势逐渐放缓。仿真和实验结果初步验证了理论分析的有效性,可以为超导电感储能型重复频率脉冲电源用ICCOS模块参数的选择提供一定的参考。