Chinese Journal of Ship Research
舰船特殊负载的电流型脉冲电源的设计与验证
严民雄，陈瑞，王伟，王五桂，胡锴
摘 要：［目的］为了突破特殊负载上舰的供电保障性问题，对特殊负载脉冲电源的储能方式和拓扑设计进行研究。［方法］以某特殊负载的电气参数和供电需求为例，采用储能密度较大的电容—电感混合储能方式，通过
拓扑设计，将传统的电压源型斩波电路改造成电流源型电路，利用电力电子器件和续流回路来控制存储于电感中的能量，从而满足特殊负载脉冲电流快速性的要求。通过电阻—电容—二极管（RCD）缓冲电路吸收主电路
中的漏感，以减小主开关的关断尖峰电压。［结果］仿真和试验的结果一致，表明通过参数设计的电源拓扑可成功输出幅值为1kA、频率为1~6 kHz、上升/下降时间均在100 μs以内、占空比为20%~50%的脉冲电流。［结论］基于电容—电感混合储能的电流型脉冲电源，通过合适的参数设计配置，可以解决频率千赫兹级、幅值千安级脉冲电流的供电保障性问题。关键词：电容—电感混合储能；RCD
缓冲电路；电流型脉冲电源中图分类号：U665 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01439 Design and verification of a current-pulsed power supply for special loads
Yan Minxiong*，Chen Rui，Wang Wei，Wang Wugui，Hu Kai China Ship Develepment and Design Center，Wuhan 430064，China Abstract：［Objectives］In order to make a breakthrough at the problem of power supply guarantee for ships with special loads, the energy storage mode and topology design of pulsed power supply for special loads were studied. ［Methods］Taking the electrical parameters and power supply demand of a typical special load as an example，a capacitive-inductive hybrid energy storage method with high energy storage density was adopted in this paper and the traditional voltage source chopper circuit was transformed into current source circuit through topology design. The energy stored in the inductor was controlled by power electronic devices and freewheeling circuits，and thus，the requirement of special load pulse current rapidity was met. The leakage inductance in the main circuit was absorbed by resistance-capacitance-diode （RCD） buffer circuit， which reduced the turn-off peak voltage of the main switch. ［Results］ The consistent results of simulation and tests show that the power supply topology designed by the parameters can successfully output the pulse current with an amplitude of 1kA，a frequency of 1 kHz to 6 kHz，the time of rising/falling within 100 μs and a duty ratio of 20%-50% .［Conclusions］ The current-pulsed power supply based on capacitive-inductive hybrid energy storage can solve the problem of power supply guarantee of kHz-level and kA-level pulse current through proper parameter design and configuration. Key words：inductive-capacitive hybrid energy storage；RCD buffer circuit；current-pulsed power supply收稿日期：2018 - 09 - 21 网络首发时间：2019-12-9 8:50作者简介：严民雄，男，1992年生，硕士，助理工程师。研究方向：大功率电力电子变流技术。E-mail：641522160@qq.com陈瑞，男，1981年生，硕士，高级工程师。研究方向：船舶电气。E-mail：gangbb1981@126.com王伟，男，1977年生，高级工程师。研究方向：船舶电气。E-mail：hust_ww@163.com王五桂，男，1985年生，博士，高级工程师。研究方向：船舶电气。E-mail：woxinyouyou99@163.com胡锴，男，1983年生，硕士，高级工程师。研究方向：船舶电气。E-mail：iamhukai@163.com
0引言
随着舰船综合电力系统的发展，涌现了一大批瞬时大功率、暂态运行特点的特殊负载，这些特殊负载如果直接连接至电网，其瞬时高能量的释放易对电力系统产生冲击［1］，因此，特殊负载的供电保障性一直是近些年来研究的热点问题。特殊负载基本上由其脉冲电源供电，而脉冲电源一般3由初级电源、中间储能系统和脉冲形成网路这个部分组成。这其中中间储能方式及放电拓扑极为关键［2］。中间储能系统主要有电容型储能、电3感型储能和旋转机械储能 种形式。理论上，三1∶10∶100。者的储能密度比为迄今，对于电容型储能系统的研究已较为成熟，但电容本身储能密度较低，从而限制了其在实际系统中的应用；旋转机械储能方式的储能密度大，为非静止储能，冷却困难，需要一次性存储多次脉冲的能量，而其最大缺陷是结构非常复杂且难以实施［3］；电感型储能系统储能密度较高，为静态形式储能，易于冷却，因而成为近期研究的热点之一［4］。在初级电源方面，国内外学者和研究机构都Meat grinder XRAM 2是基于 和 这 种基本电流脉冲压缩拓扑开展对电感型储能脉冲电源的拓扑研究，且目前的研究都只考虑储能元件存储一次脉冲的能量，以进行间隔式储能及放电，并将脉冲电源模块化，通过多电源模块的协同工作产生负载需要的脉冲电流［5-6］。Meat grinder电路拓扑的基本原理是利用储能电感之间的磁耦合瞬时转移能量，从而形成脉冲电流［7］。该电路从原理上要求储能电感之间的磁耦合越强越好，但从空心电感的设计和制造角度看，上述要求较难实现。实际系统中线圈之间的受力比较复杂，对线圈的机械强度要求较高。XRAM电路的基本原理是电流倍增原理，电感通过从电流源串联充电转换为并联放电，从而产生电流倍增效果［8］，该电路的关键在于若干开关的协调配合，控制较为复杂。关断开关的关断电流和耐受电压的问题一直是电感型储能脉冲电源拓扑设计的研究重点［ 9 ］。美国的先进技术研究所（IAT）在 Meat grinder拓扑的基础上，引入电容用以回收漏磁和减缓电感电流的变化，形成了STRETCH meat grinder拓扑，成功减小了关断开关ISL的关断电压［ 9 ］。德国联合实验室（ ）提出了ICCOS关断技术［10］，清华大学于歆杰课题组将其
XRAM STRETCH meat grinder分别应用于 拓扑和拓扑并进行了改进，一定程度上解决了关断电2流和耐受电压的问题［ 11-12］。该课题组还结合了STRETCH种基本拓扑的优点，提出单级嵌入meat grinder XRAM的 拓 扑 ，该 拓 扑 既 具 有STRETCH meat grinder电流倍增系数高的优点，又XRAM Meat具有 易于拓展的优点［ 13 ］。但鉴于grinder XRAM电路和 电路本身的原理特点，在实际工程中实现难度较大。为了突破特殊负载上舰的供电保障性问题，将对面向特殊负载的脉冲电源储能方式和拓扑设计进行研究。本文以某特殊负载的电气参数和供电需求为例，结合实际供电需求及其快速响应大电流的特点，采用电容储能作为初级电源，将电感型储能作为中间储能方式，形成储能密度大的电容—电感混合储能方式。通过拓扑设计，将传统的电压源型斩波电路改造成电流源型电路，利用电力电子开关器件来控制电流源供电路径的瞬时切换，从而简单有效地实现了频率千赫兹级、幅值千安级脉冲电流的输出，并通过电阻—电容—二极管（RCD）缓冲电路吸收主电路中的漏感，减小了主开关的关断尖峰电压。本文将对主电路拓扑的工作原理进行分析，对储能电容器组和储能电感进行参数设计，并配RCD置 缓冲电路，通过仿真和试验，验证电源拓扑设计的有效性，用以为特殊负载上舰的供电保障性问题提供新思路。
1 电流型脉冲电源的设计1.1 特殊负载的供电需求
特殊负载作为舰船电力系统的用电设备，可1以等效为阻抗模型，其电气参数如表 所示。由表可见：由于集肤效应，负载的电阻随着工作频率的升高而增大；由于涡流效应，负载的电感随着工2作频率的升高而略有下降。表 给出了特殊负载的供电需求。
1.2 电流型脉冲电源的供电方案
特殊负载要求的大电流为快速上升沿和下降沿的脉冲电流，为了减少特殊负载运行时对电网的冲击，采用了简单、经济且成熟的电容型储能器1初级电源供电方案，如图 所示。该方案由电容器组的充电电路给电容器组充电，当充至特定电压之后，断开充电开关，电容器组就可以为脉冲电源供电。2表 所示大功率脉冲电流型负载直接接入电网时会对电网产生冲击，因此需考虑储能形式和电力电子拓扑的设计。电容器组作为电压型储能装置已较为成熟，但难以控制放电电流，使其具有时效性，故本文利用电感这种中间储能装置，将电压型储能形式转换成电流型储能形式，并进行相应的电力电子拓扑结构设计。该设计通过控制信号驱动绝缘栅双极型晶体管（IGBT）及续流回路，从而形成特殊负载所需的脉冲电流，使其频率和幅值等满足要求。为了减少实际电路中寄生电感IGBT引起的关断电压对 器件的冲击，还需配置相RCD应的 缓冲电路对关断电压进行吸收。具体框2图如图 所示。2为了符合表 中特殊负载的供电要求，本文buck提出了一种基于 斩波电路改造后的电路拓3 Trig为触发信号。IGBT扑，如图 所示，图中 作为主开关器件，其控制信号由控制器输出。在此拓扑中，储能电感Lr、续流电阻Rr和续流二极管Dr组IGBT，成一个电流源。当需要输出电流时，开通强迫电流源切换到负载支路，从而实现负载电流IGBT，泄放的快速爬升。当不需要电流时，关断电阻 Rd和泄放二极管Dd组成一个放电时间常数很小的泄放支路来实现电流的快速下降。4个电流型脉冲电源的工作过程可以被分为0~T0 T0~T1阶段： 电流建立阶段、 电流下降阶段、T1~T2电流上升阶段、T2~T3电流保持阶段，其电流4 1个响应时序图如图 所示。电流建立阶段是第3阶段，而其他 个阶段则在电流型脉冲电源工作0.3 s的 内依次循环进行。考虑到负载电阻 R 较c小，为简化主电路拓扑分析，忽略了该电阻。U cT0 1 I = icoils ( T0 )= （ ） 1 L + Lc r A；icoils式中： I1为脉冲电流幅值， 为负载线圈电流，A；T 为储能电感充电时间，s；U 为电容器组0 c起始电压，V；L H为负载线圈电感值，。c在电流建立阶段，IGBT接收到时间长度为T0的开通信号，储能电容C 放电并建立 icoils 。经1Lr电流的建立可以被看作如式（ ）所示的线性增长过程。在此阶段之后，电流型脉冲电源就可以被看作一个电流源，即可输出和触发信号为同频率、同占空比的大电流脉冲序列。在 T0时刻，IGBT开始从控制器接收到触发信IGBT号。在 接收到关断信号后， L 的电流 i ( t) r r
4图 电流型脉冲电源的电流响应时序图Fig.4 Current response graph of current-pulsed power supply
迅速切换至 R 所在支路维持电流，而 icoils ( t ) 迅速r 4 IGBT通过 Rd所在支路泄放电流（图 中 i为经过r的电流，iR 为经过 R 的电流，u 为触发信号电d Trig d 将会如式（2）所压值）。因为 R 比 R 小，所以 icoils r d 0示呈指数下降到 ，而 i 将会在电流下降阶段r式（3）所示下降到如 I2 。- t Lc τ1 2 icoils ()=I t 1e τ = （ ） 1 Rd
-( 1 - D )Ts Lr τ2 （3） I2 = i ( T1)= I1e τ2 = r Rr为负载续流支路时间常数，s；τ2式中：τ1 为储能电感续流支路时间常数，s；I2 为储能电感保持电流A；T （脉冲过渡电流幅值）， 为负载脉冲电流周s期，s。在电流上升阶段，IGBT接收到开通信号。续流电流 iRr 下降到0，而 i 上升至 I 。因为上升coils 2阶段时间较短，而且储能电感也有维持电流的特性，所以在该阶段 i 可以被看做是常数 I2 。如式r （4）所示，储能电容电压Uc和续流电流 iR 与 Rr的r乘积均施加于LC上，因此 icoils 的上升时间小于电流建立阶段对应的时间。
dicoils ( t) 4 U + iR ( t ) R = Lc （ ） c r dt r在电流保持阶段，iR 已经下降至0，主电路回r到电流建立阶段时的电路形式。考虑到icoils将会和电流建立阶段一样从I2开始线性增长，可由式（5） ΔT。如果 Rr可得到上一阶段的电流上升时间 按6）配置，icoils照式（ 在一个触发信号周期TS之后会等于I1。考虑到储能电容C的电压可在一个周期TS内基本保持稳定，ir便也可以维持在预设电流I1上下很小的纹波范围内。因此，电流型脉冲电源0.3 s 1将会在 的运行时间内持续输出幅值为kA、频率为1~6 kHz的脉冲电流。( I1 - I2 )( L + L c) 5 r DT = DT - （ ） s Uc
U2 DT L
（6） R = e τ3 - 1 τ = c c r 3 Rr I为换流时间常数，s。式中，τ3综上，式（1）~式（6）量化了电流型脉冲电源的工作原理，可用于指导电流型脉冲电源的搭建和调试工作。从式（1）可以看出，预设电流I1与电流建立时间 T0和 Uc的乘积呈线性正相关。式（ 2） 3）则和式（ 指出了足够大的 Rd可保证负载电流要求的下降时间Td，适当的 Rr能够使在每个周期内的电流幅值保持稳定。式（4）显示出足够高的Uc和 I1与 Rr可使脉冲电流上升时间ΔT很短。从式（5）和式（6）可以看出，续流电阻应当进行合理配置以便电流型脉冲电源适用于不同频率和不同占空比，并应基于如下准则：占空比D越大，周期T S越大，所需要的Rr就应越小。
1.4 储能电容和储能电感器的参数设计
储能电容的参数设计取决于电流型脉冲电源中电阻的耗能，电阻耗能大，储能电容则在每个工作周期内需要储存的能量就越大。在电源拓扑设计及分析中，Rc被忽略了，然而Rc，Rd和 Rr将会造成存储在电容中的电能有所损耗，从而在电源0.3 s的运行过程中电压有所下降，输出的脉冲电流幅值也逐渐降低。根据电能传导和转化的关系，储能电容一定要满足式（7）。式（7）括号中的3 IGBT项分别表示在 开通期间Rc的电能损耗、在IGBT关断期间Rr的电能损耗以及在IGBT关断期间 Rc和 Rd的电能损耗。实际上，在电流型脉冲电RCD源的实现过程中还搭建了 缓冲电路，其中也有电阻，因为缓冲电路中电阻损耗的电能较少，故此处忽略不计。0.3fI12[2DT R + 2 ( 1 - D )T R + L c] s c s r （7） C ηU c2为脉冲电流频率，Hz；η式中：f 为储能电容的电能损耗率。由式（1）可推导出式（8）： U cT0 8 L = -L （ ） r c I1
由此可知，对电流型脉冲电源而言，储能电感一般选取较大的，以保证能存储多次脉冲的能量，故起始充电过程可以近似线性化处理。储能电感的大小决定了在固定的储能电容起始电压下，充电过程中电流的上升速率，同时决定了电流型脉冲电源运行过程中脉冲电流幅值的波动性。若储能电感选取较大，脉冲电流幅值 I1则会较稳定，在起始电压不变的情况下，其起始充电过程更长；若储能电感选取较小，在起始电压不变的情况下，其起始充电电流爬升更快，但脉冲电流幅值波动较大。故储能电感的参数设计需综合考虑充电过程中电流的上升速率和脉冲电流幅值的波动性。
1.5 RCD缓冲电路的配置
由于特殊负载需实现幅值为千安级、上升和100 μs下降时间为 的供电需求，所以电力电子器10 MA/s件均需耐受 的脉冲电源电流变化率。而在实际电路中存在寄生电感，包括主回路电感L1、续流电阻寄生电感L2和泄放电阻寄生电感L3。故RCD搭建时还需考虑配置相应的 缓冲电路对关IG⁃断尖峰电压进行吸收，以减少关断尖峰电压对BT 5器件的冲击。图 所示为电流型脉冲电源的实IGBT际电路图。在 关断的瞬间，由于寄生电感的IGBT作用， 两端会形成很高的关断尖峰电压， RCD缓冲电路中的缓冲电容C1和缓冲二极管D1则可以形成一个吸收支路来减小关断尖峰电压； IGBT而在 开通的瞬间，缓冲电容C1、缓冲电阻 R1 IGBT和 则会形成一个支路进行关断电压释放。因RCD此，关断电压就可以周期性地被 缓冲电路吸5 中，iC1收。图 为经过C1的电流；iL1 为经过L1的电流；uC1 为C1的两端电压；u 为IGBT两端电压。T
2 仿真和试验验证
采用电流型电容—电感混合储能方式，将传统的电压源型斩波电路改造成了电流源型电路，利用电力电子器件和续流回路来控制存储于电感中的能量，实现频率千赫兹级、幅值千安级的脉冲电流输出，将脉冲电流的上升和下降时间控制在100 μs RCD以内，并利用 缓冲回路的配置，解决10 MA/s了实际电路中存在的寄生电感和 的电流变化率导致对电力电子器件的冲击问题。为了验Matlab/Simu⁃证储能和脉冲电源的设计，本文利用link 6 7所软件进行了仿真计算，搭建了如图 和图3所示的电路及电源实物，各元器件的参数如表示。其中，主开关器件选用了反向重复峰值电压3 300 V 1500A为 、连续正向直流电流为 、型号FZ1500R33HE3 IGBT为 的 。仿真和试验结果如8 8（a）、图 8（c）、图 8（e）为利用图所示。其中，图Matlab/Simulink 8（b）、软件电路仿真的结果，图8（d）、图8（f）则为搭建电源实物后进行试验验图证的结果。在保持仿真和试验初始条件一致的情况下Uc=280 V、控制信号为起始（即储能电容起始电压
T0=2.5 ms、频 1.85 kHz建立电流时间 率为 的方波T=150 ms），对脉冲、电源运行时间 仿真和试验结果进行了对比分析： 1）如图8（a）和图8（b）所示，在电源接收到触150 ms发脉冲信号的 内，仿真和试验结果显示电源均响应控制信号并产生了脉冲电流。但对比仿4 ），Uc，真与试验结果中的全运行周期参数（见表
Ir，缓冲电容尖峰电压Us的幅值基本一致。Uc表征了电压型初级储能装置所存储的能量，Ir则表征了电流型中间储能装置所存储的能量，而Uc则表IGBT RCD征了 关断过程中 缓冲电路所吸收的能量。2）如图8（c）和图 8（d）所示，仿真结果和试2.5 ms验结果均显示了电源需要 的电流建立时4间，如表 所示，在该时间段内，仿真和试验中该di/dt 0.48 A/μs。阶段的电流爬升速度 基本一致，约为根据式（1），将电流建立过程线性化处理，可以得di/dt≈0.63 A/μs，但在实际电路中，电流建立过出程呈现出指数上升的趋势，其爬升速率由储能电感、负载线圈电感值和负载线圈电阻值共同决定。在理论分析中，由于忽略了负载线圈电阻值的影响，故分析得出的电流爬升速率比仿真和试验结果要大。3 8（e 8（f）所）如图 ）和图 示，在电源稳定工作期间，电源输出电流是与控制信号同步的准方波电流。试验和仿真结果均显示脉冲电流上升时≈80 μs 5 D=50%，间 DT ，而根据式（ ）分析，按照f=1.85 kHz，Uc=280 V，则可得出 ≈100 μs。频率取 DT而实际电路中，在电源稳定工作期间，Uc＜280 V， ＜100 μs。试验和仿故实际电路中脉冲电流的DT Td≈80 μs，按真结果均显示脉冲电流的下降时间照工程经验，该电流下降时间约为泄放回路时间3~5常数的 倍。按照泄放回路负载线圈和泄放电阻阻抗参数计算得出泄放回路的时间常数为24.94 μs，按 3照 倍的时间常数计算可得出电流的Td≈80 μs。
3结语
本文以某特殊负载的电气参数和供电需求为例，结合实际的脉冲供电需求快速响应大电流的特点，对初级储能选用成熟的电压型储能方式——电容器组，而中间储能选用储能密度较大的电流型储能装置——电感器组，并存储多个脉冲的能量，设计了一种基于电容—电感混合储能的电流型脉冲电源拓扑结构，简单有效地实现了频率千RCD赫兹级、幅值千安级的脉冲电流输出。通过
缓冲电路吸收主电路中漏感的能量，有效减小了10 MA/s快速响应的 电流型脉冲电源电流变化率对电力电子器件的冲击。最后，通过仿真和试验验证了电流型脉冲电源设计的有效性。本文面向特殊负载并基于电容—电感混合储能的电流型脉冲电源设计进行了研究，为特殊负载上舰的供电保障性问题提供了新思路，但该电源目前只输出千安级脉冲电流，若要达到更大的脉冲电流，则需要考虑将脉冲电源模块化，以及多电源模块协同工作，而这将是下一步研究的方向。
参考文献：