由于电感储能型脉冲源单模块的能级受限，无法达到电磁发射的能量要求，需进行多模块协同工作的研究。而电感型脉冲源元件参数众多，工作过程复杂，且多模块运行中存在串扰，给系统设计带来很大的挑战。清华大学电机系科研团队以Meat Grinder with SECT电路为例，研究了并联、同步放电的多模块电感储能型脉冲电源的工作原理，提出了一套适用于多模块系统的优化方法，能够在固定能级和输出电流的约束下，给出储能密度最高的电感型脉冲源系统设计方案，得到的最优解性能优异，经验证，可以实现4.58MJ/m3的储能密度和158kA的电流输出。
蓝色电磁功率blue electromagnetic power
电磁发射是一种利用电磁能将弹丸以超高速发射的新型武器系统，由电磁发射器、高功率脉冲电源和测控系统等几部分组成。其中，高功率脉冲电源需要为负载提供持续几毫秒的兆安级电流，且体积要尽可能小，以保证武器系统的机动性和灵活性。电感储能型脉冲源（IPPS）凭借高储能密度的优势，成为极具研究价值和应用前景的脉冲电源类型。关于电感储能型脉冲电源的研究，可大致分为拓扑设计、模块构建和系统集成三个阶段。
（1）拓扑设计阶段
根据电路结构的不同，电感储能型脉冲电源可以分为两类：一种是XRAM类电路，由W. Koch等在1967年提出，利用电感电流的串充并放实现功率倍增。另一类是Meat Grinder类电路，由O. Zucker等在1980年提出，利用磁通压缩效应实现电流倍增。经过多次改进，能够显著改善主回路换流能力的Meat Grinder with SECT成为了目前最成熟的IPPS拓扑之一，如图1所示，本工作也将以该电路为例，进行具体分析。
图1 Meat Grinder with SECT电路拓扑
（2）模块构建阶段
在国内外研究者的努力下，多种类型的电感储能型脉冲源模块已经研制成功并可以稳定输出脉冲电流，但目前所实现的储能密度距离理论上限10MJ/m3还有很远。为了进一步提高性能，需要引入大规模优化算法来辅助设计。本课题组之前的研究探究了脉冲电容参数的选取与电源性能的关系，给出了单个电源模块的优化设计方法。
（3）系统集成阶段
需考虑实际发射的能级和工作场景需求。受半导体开关性能、材料机械力和加工工艺的限制，单个电感型脉冲源模块的能级和电流输出能力无法做到很大，为了达到电磁发射的能量和电流幅值要求，在实际发射时需要多个脉冲电源模块协同工作。
而电感型脉冲源电路工作过程较为复杂，电气及结构参数众多且大多数对模块性能的影响是间接且非线性的，这使得模块的设计非常困难。此外，包含多个模块的脉冲电源系统参数更多，运行过程更加复杂，这给系统设计带来了更大的挑战。
图2 脉冲源模块结构示意图
电力系统国家重点实验室（清华大学电机工程与应用电子技术系）的孙浩、于歆杰、李臻、李蓓、刘至真，在2023年第2期《电工技术学报》上撰文，基于Meat Grinder with SECT电路，探究了多模块电感型脉冲源的工作过程，经过磁路和电路的等效处理之后，将多模块系统的运行简化为单模块问题。
图3 多模块电感型脉冲源系统电路
此外，研究人员还建立了详细的多模块脉冲源系统的解算方法，可以利用最底层的几何和电气参数，求解得到各元件的性能，并计算得到脉冲源的输出电流等性能参数。基于此，他们使用遗传算法对系统参数进行了大规模优化，在充分考虑元件裕度、工程实现等的基础上，得到了储能密度最高的多模块电感型脉冲源系统的参数：使用8个分立的脉冲源模块，并联、同步为负载放电，可以实现4.58MJ/m3的储能密度和158kA的电流输出。
图4 脉冲源系统优化算法流程
表1 优化计算与仿真验证结果比较
研究人员表示，本工作虽然是基于特定拓扑Meat Grinder with SECT，但是对于电感型脉冲电源的其他拓扑，系统分析和优化的方法仍然适用。
本文编自2023年第2期《电工技术学报》，论文标题为“多模块电感型脉冲源系统的分析与优化”。
客服