电热化学发射用紧凑型脉冲电源模块
发布时间：2021-11-28 03:54
基于某大口径电热化学炮工程化研究的需求,开展了紧凑型脉冲电源模块的研究。根据之前发射试验所得结论,以及发射系统对重频连发能力和约束空间的要求,确定了脉冲电源模块的技术参数、电路拓扑和功率器件方案。针对功率器件的特点,提出了共用电极式一体化结构方案和主、被动相结合的内嵌式散热管理方案。通过结构和制造工艺的改进,使功率器件适应了火炮射击的强振动环境,并借助缩比样品验证了其抗振动冲击能力。运用多物理场仿真分析手段,在内嵌式散热结构设计、抗振动冲击试验、模块一体化结构设计等研究的基础上,设计和试制了储能密度高、适应强振动环境、具备重频连发能力的紧凑型脉冲电源模块,并通过模拟负载放电测试和电热化学炮发射试验验证了研究方案的可行性。紧凑型脉冲电源模块的储能密度为1.4 MJ/m3,在短路负载工况和自然冷却方式下能以6次/min的频率连续工作3次。研究结果有助于推进电热化学发射技术的工程化发展,同时也为今后发展大储能量、小型化脉冲电源提供了技术储备。
【文章来源】：高电压技术. 2020,46(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
电源模块的电路结构Fig.1Circuitstructureofpowermodule
?TL2分别表示冗余散热方案下和液冷散热方案下脉冲电感器内部最高温度随时间变化的计算曲线，TD1、TD2分别表示冗余散热方案下和液冷散热方案下整流管内部最高温度随时间变化的计算曲线，TS1、TS2分别表示冗余散热方案下和液冷散热方案下晶闸管内部最高温度随时间变化的计算曲线。根据仿真结果列出了3次连发短路放电过程中各器件内部的最高温度，如表1所示。由表1可知，在3次连发短路放电过程中，两种散热方案下电感器内部最高温度均低于线圈绝缘封装材料规定的长图3模块的一体化结构方案Fig.3Integratedstructureschemeofpowermodule图4短路负载工况下脉冲电流的仿真波形Fig.4Simulationwaveformofpulsecurrentundershort-circuitconditions图5功率器件的最高温度变化曲线Fig.5Maximumtemperaturecurveofpowerdevices期耐受温度(403.15K)，整流管和晶闸管内部最高温度也均低于半导体器件能可靠工作的结温(398.15K)，因此，放电过程不会出现电感器、整流管和晶闸管的过热损坏。公共负极公共阴极公共输出极1231：脉冲电容器2：晶闸管开关与续流硅堆3：脉冲电感器123
?范ú捎?2个额定储能225kJ、最高工作电压7.6kV的脉冲成形单元(pulseformingunit,PFU)共同组成电源模块，电路拓扑如图1所示，图中Ck(k=1,2)为脉冲电容器，SCRk为晶闸管开关，Lk为脉冲电感器，Dk为续流硅堆，BG+、BG–依次为电源模块输出端子的正、负极，G为发射器。电源模块中，单个PFU的电路参数设计如下：1）电容为7.8mF；2）电感为16μH；3）内阻≤5m。由电路参数和负载阻抗建立发射系统的放电模型，经仿真获得的电流见图2，图中igS是火炮电流，iP1、iP2依次是2个PFU的输出电流。图2还给出了由之前发射研究获得的能满足本阶段研究目标期望的典型脉冲电流ig0，以便对比分析。由图2可知，在2个PFU以330μs时序间隔放电的情况下，igS与ig0在半峰值时刻之前具有良好的一致性，而在临近放电结束时刻，二者才呈现较大的差距，原因是电热化学发射的核心部件是等离子体发生器，其属于电爆炸类型负载[8]，仿真模型无法准确模拟它的突变断弧过程。对火炮发射有效的电作用量主要在电流半峰值时刻之前，因此可知电源模块的电路参数设计合理。2.2功率器件根据电源模块的电路参数、仿真电流和工作电压，开展了功率器件的方案设计。器件选型方案如下：1）脉冲电容器，采用储能密度2.4MJ/m3的干式金属化膜电容器；2）脉冲电感器，采用储能密度图1电源模块的电路结构Fig.1Circuitstructureofpowermodule图2仿真电流波形与典型电流波形Fig.2Simulatedcurrentwaveformandtypicalcurrentwaveform
【参考文献】：
期刊论文
[1]轨道温度对电磁发射性能的影响[J]. 徐伟东,刘峰,袁伟群,王志增,徐蓉,严萍. 高电压技术. 2019(09)
[2]电感储能连续脉冲电源电路及参数分析[J]. 李海涛,张涛,安韵竹,张亚东,胡元潮,王钦冰. 高电压技术. 2019(03)
[3]电磁轨道炮枢轨的动态焦尔热特性[J]. 耿轶青,刘辉,马增帅,袁建生. 高电压技术. 2019(03)
[4]金属化膜电容器寿命预测方法[J]. 熊诗成,鲁军勇,郑宇锋,曾德林. 高电压技术. 2018(07)
[5]两相永磁被动补偿脉冲发电机研制[J]. 王昊泽,刘昆,张立,朱博峰. 高电压技术. 2018(03)
[6]电热化学发射中的过电压现象与机理研究[J]. 李贞晓,金涌,田慧,栗保明. 电工技术学报. 2018(05)
[7]电磁发射技术[J]. 马伟明,鲁军勇. 国防科技大学学报. 2016(06)
[8]电磁发射用13 MJ脉冲功率电源系统研究[J]. 张亚舟,李贞晓,金涌,罗红娥,田慧,栗保明. 兵工学报. 2016(05)
[9]电热化学发射中硅堆故障试验分析[J]. 李贞晓,张亚舟,高梁,金涌,栗保明. 兵工学报. 2015(04)
[10]电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J]. 李军,严萍,袁伟群. 高电压技术. 2014(04)
本文编号：3523651
【文章来源】：高电压技术. 2020,46(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
电源模块的电路结构Fig.1Circuitstructureofpowermodule
?TL2分别表示冗余散热方案下和液冷散热方案下脉冲电感器内部最高温度随时间变化的计算曲线，TD1、TD2分别表示冗余散热方案下和液冷散热方案下整流管内部最高温度随时间变化的计算曲线，TS1、TS2分别表示冗余散热方案下和液冷散热方案下晶闸管内部最高温度随时间变化的计算曲线。根据仿真结果列出了3次连发短路放电过程中各器件内部的最高温度，如表1所示。由表1可知，在3次连发短路放电过程中，两种散热方案下电感器内部最高温度均低于线圈绝缘封装材料规定的长图3模块的一体化结构方案Fig.3Integratedstructureschemeofpowermodule图4短路负载工况下脉冲电流的仿真波形Fig.4Simulationwaveformofpulsecurrentundershort-circuitconditions图5功率器件的最高温度变化曲线Fig.5Maximumtemperaturecurveofpowerdevices期耐受温度(403.15K)，整流管和晶闸管内部最高温度也均低于半导体器件能可靠工作的结温(398.15K)，因此，放电过程不会出现电感器、整流管和晶闸管的过热损坏。公共负极公共阴极公共输出极1231：脉冲电容器2：晶闸管开关与续流硅堆3：脉冲电感器123
?范ú捎?2个额定储能225kJ、最高工作电压7.6kV的脉冲成形单元(pulseformingunit,PFU)共同组成电源模块，电路拓扑如图1所示，图中Ck(k=1,2)为脉冲电容器，SCRk为晶闸管开关，Lk为脉冲电感器，Dk为续流硅堆，BG+、BG–依次为电源模块输出端子的正、负极，G为发射器。电源模块中，单个PFU的电路参数设计如下：1）电容为7.8mF；2）电感为16μH；3）内阻≤5m。由电路参数和负载阻抗建立发射系统的放电模型，经仿真获得的电流见图2，图中igS是火炮电流，iP1、iP2依次是2个PFU的输出电流。图2还给出了由之前发射研究获得的能满足本阶段研究目标期望的典型脉冲电流ig0，以便对比分析。由图2可知，在2个PFU以330μs时序间隔放电的情况下，igS与ig0在半峰值时刻之前具有良好的一致性，而在临近放电结束时刻，二者才呈现较大的差距，原因是电热化学发射的核心部件是等离子体发生器，其属于电爆炸类型负载[8]，仿真模型无法准确模拟它的突变断弧过程。对火炮发射有效的电作用量主要在电流半峰值时刻之前，因此可知电源模块的电路参数设计合理。2.2功率器件根据电源模块的电路参数、仿真电流和工作电压，开展了功率器件的方案设计。器件选型方案如下：1）脉冲电容器，采用储能密度2.4MJ/m3的干式金属化膜电容器；2）脉冲电感器，采用储能密度图1电源模块的电路结构Fig.1Circuitstructureofpowermodule图2仿真电流波形与典型电流波形Fig.2Simulatedcurrentwaveformandtypicalcurrentwaveform
【参考文献】：
期刊论文
[1]轨道温度对电磁发射性能的影响[J]. 徐伟东,刘峰,袁伟群,王志增,徐蓉,严萍. 高电压技术. 2019(09)
[2]电感储能连续脉冲电源电路及参数分析[J]. 李海涛,张涛,安韵竹,张亚东,胡元潮,王钦冰. 高电压技术. 2019(03)
[3]电磁轨道炮枢轨的动态焦尔热特性[J]. 耿轶青,刘辉,马增帅,袁建生. 高电压技术. 2019(03)
[4]金属化膜电容器寿命预测方法[J]. 熊诗成,鲁军勇,郑宇锋,曾德林. 高电压技术. 2018(07)
[5]两相永磁被动补偿脉冲发电机研制[J]. 王昊泽,刘昆,张立,朱博峰. 高电压技术. 2018(03)
[6]电热化学发射中的过电压现象与机理研究[J]. 李贞晓,金涌,田慧,栗保明. 电工技术学报. 2018(05)
[7]电磁发射技术[J]. 马伟明,鲁军勇. 国防科技大学学报. 2016(06)
[8]电磁发射用13 MJ脉冲功率电源系统研究[J]. 张亚舟,李贞晓,金涌,罗红娥,田慧,栗保明. 兵工学报. 2016(05)
[9]电热化学发射中硅堆故障试验分析[J]. 李贞晓,张亚舟,高梁,金涌,栗保明. 兵工学报. 2015(04)
[10]电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J]. 李军,严萍,袁伟群. 高电压技术. 2014(04)
本文编号：3523651
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