脉冲电源中高压硅堆保护的研究.pdf

1、定 稿日期 ：2008-11-11作者简介 ：李贞晓 （1975-），男 ，山东临沭人 ，工程师 ，研究方向为电磁发射技术 。1 引 言由多个电容型储能模块并联组成的高功率脉冲电源 （PPS）广泛应用于电热化学炮 （ETCG）领域1。目前 PPS 储能器件主要是高储能密度的金属化膜电容器 ，它虽然能承受大电流的冲击 ，但承受反向电压的能力却很差 ，反向充电将导致其损坏2。 用于ETCG 研究时 ，PPS 工况多为 RLC 欠阻尼振荡放电 ，放电时存在电容器反向充电过程 ，降低了 PPS 储能利用效率 。 因此 ，必须采取措施来抑制电容器反向充电 。 为 PPS 安装短路续流开关 ，可以解决这一

2、问题3。由于高压硅堆具有优良的单向导电性 ，作为续流开关可使电路简单有效 。 但目前高压硅堆主要用于电力电子领域 ，当用于 PPS 时 ，其耐受冲击电流和冲击电压的能力尚嫌不足 ，难免会受到损坏 。为此 ，提出采用缓冲电阻抑制冲击电压和冲击电流的保护措施 ，以有效抑制系统振荡 ，保护硅堆免受损坏 。2 电源及其结构PPS 由 6 个电容型储能模块并联组成 ， 图 1 示出其中一个模块的结构 。 主要参数 ：脉冲电容器组Ck=1 200F，工作电压不高于 16 kV；脉冲形成电感器 Lk=20H，40H，80H，工作电流不大于 200 kA；续流高压硅堆 VDk的浪涌电流为 150 kA，反向重

3、复峰值电压为 16 kV，最高工作结温为 150 ；触发真空开关 TVSk的浪涌电流为 150 kA，电荷转移能力为 100 C，工作电压为 0.340 kV，触发电压为 48 kV，反向断流能力为 600 A/s。根据 ETCG 研究的需要 ，PPS 并联模块可选用同步放电方式或时序放电方式进行工作 。 ETCG 负载是等离子发生器 ，其固态电阻值约为 30 m。3 故障原因分析ETCG研究中高压硅堆多次出现损坏 。 在时序放电方式下 ，损坏主要发生在工作电压较高 （不低于12 kV）、放电时序间隔相较长 （不少于 100 s）的ETCG 工况下 ，大多为后放电模块的高压硅堆损坏 ；在同步放

4、电方式下 ，高压硅堆损坏次数相对较少 ，且仅出现在模块工作电压较高 （不低于 14 kV）、脉冲形成电感选取最小值 （20H）时 。对已损坏硅片的检测分析表明 ，高压硅堆损坏是由结温过高造成的 。 通常 ，结温过高的主要成因有 ：反向电压 （或 du/dt）超出容许值 ，反向耗散功率过大 ，即反向过压热击穿 ；正向电流 （或 di/dt）超出容许值 ，通态损耗过大 ，即正向过流烧毁4-5。在时序放电方式下 ，后放电模块触发前 ，考虑到TVSk的极间电容 CTk与高压硅堆结电容 CDk，此时模块可等效为图 2 所示系统 。该系统电压转移函数为 ：H（s）=Uo（s）Ui（s）=1LkCs2+Rk

5、Cs+1（1）式中 ：Rk为汇流排及 Lk支路等效电阻 ；Lk为汇流排及脉冲成脉冲电源中高压硅堆保护的研究李贞晓 ， 栗保明 ， 林庆华（南京理工大学 ， 江苏 南京 210094）摘要 ：阐述了导致高压硅堆损坏的原因 ，并对其导通前后的电路特征和过渡过程进行了分析 。 根据二阶系统特性 ，提出采用缓冲电阻的方法来抑制工作放电中出现的冲击电压和冲击电流 ，防止硅堆损坏 。 由于缓冲电阻增大了系统的阻尼比 ，因此有效地抑制了系统振荡 ，保护了硅堆 。 同时 ，仿真和实验验证了高压硅堆损坏原因分析的正确性 。关键词 ：电源 ； 脉冲 ； 保护 / 高压硅堆中图分类号 ：TM89 文献标识码 ：A

6、文章编号 ：1000-100X（2009）04-0047-03Research of Protection for High Voltage Diode-stacks in Pulse Power SupplyLI Zhen-xiao， LI Bao-ming， LIN Qing-hua（Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）Abstract：The reasons which result in the damage of the high voltage diode-stacks in pul

7、se power supply are analyzed，and then the crowbar circuits and its transient process are also discussed.In order to protect the high voltage diode-stacks，the resistors are applied to augment the damping ratio of the second-order system.The suppression measures for surge cur-rent and voltage are put

8、forward based on the characteristics of second-order system.Lastly，the validity of the reasons istestified by simulation and experiment.Keywords：power supply； pulse； protection / high voltage diode-stacks图 1 模块结构电力电子技术Power ElectronicsVol.43 No.4April，2009第 43 卷第 4 期2009 年 4 月47电 力电子技术Power Electron

9、icsVol.43 No.4April，2009第 43 卷第 4 期2009 年 4 月形电感器支路等效电感 ；Ui（s）为负载侧电压 ；Uo（s）为硅堆两侧电压 ；C为 CTk与 CDk的并联等效电容 。固有频率 0和阻尼比 分别为 ：0=1LkC姨， =Rk2CLk姨（2）参数实测表明 ，C0.1 F，Rk0.1 m，Lk大小基本等于脉冲形成电感器的量值 。因此 极小 ，几乎为零 。不妨视 为零 ，该电路可进一步等效成由 Lk和 C构成的二阶系统 。若系统输入幅值为 A 的阶跃电压 ，其阶跃响应为 ：h（t）=A（1-cos0t） （3）输出端电压将作等幅振荡 ，幅值为 2A。同理可得其

10、他激励的响应及超调量 。 图 3ac 为 Lk=20 H时 ，系统对输入峰值为 10 kV 的阶跃波 、方波和尖峰波的响应计算波形 。方波和尖峰波的脉宽为 10 s，表明在时序放电方式下 ，作用于后续模块硅堆上的冲击电压最高能达到两倍于负载电压的幅值 。图 3d 为 PPS 工作电压为 15 kV 时 ETCG 的负载电压 uL实测波形 。 可以看出 ，放电过程中存在着约数十微秒的 uL急剧升高波动阶段 ，其周期大于前述二阶系统的固有周期 。 这表明 uL的剧烈变化将对未触发模块硅堆产生较大时长的浪涌冲击 。 电压剧烈变化起因于等离子发生器中金属丝电爆炸 ， 此时金属丝将迅速发生相变 ， 阻值

11、将由初态的数十毫欧迅速增长到数百毫欧或更大 ， 然后又逐渐下降至数十毫欧 。 由于该过程中放电模块的 Lk使得负载电流不能突变 ，导致 uL随其阻值变化而波动 ，后放电模块的高压硅堆可能受到冲击电压作用而击穿损毁 。在同步放电方式下 ，PPS 放电过程与单个等容量储能模块放电等同 。 单个储能模块放电可等效为3 个过程 ，即触发真空开关导通且高压硅堆关断时RLC 欠阻尼振荡放电过程 、触发真空开关关断高压硅堆导通后的 RL 放电过程以及上述两过程中间的续流换路过渡过程 。 续流换路过渡过程中高压硅堆开始导通 ，但触发真空开关并没有同时关断 ，其等效电路如图 4a 所示 。 则导通过程中电流 i

12、d，正向偏置电压 -ud以及电容器电压 uC分别为 ：id=i-iC， -ud=Lddiddt+idrd+Uon， uC=ud（4）式中 ：Ld，rd分别为高压硅堆电极内连线寄生电感和导通电阻 ；Uon为高压硅堆开启电压 。高压硅堆导通初始 ，电容器支路电流仍非常大 。高压硅堆是结型功率器件 ，具有电导调制效应 ，导通过程 rd较高且恒定 ，同时由于 Ld的存在 ，ud中包含了电感分量 ，其值与 id的变化率成正比 。 当 id增大到一定值后 ，rd才随 id的上升而减小 。 式 （4）表明 -ud会随 id升高而增大 ，并在达到相对较高的幅值后才开始下降 。uC同步于 ud，当 -ud到达峰

13、值时 ，电容器已经反向储存了一部分能量 ；当 -ud下降时 ，电容器存储的能量经过续流电路进行释放 。假设高压硅堆为理想开启 ，则可视过渡过程始于电容器电压过零点 ，由于 Lk支路电流不能突变 ，故此时图 4a 电路可等效为图 4b 所示的二阶系统 ，其电流转移函数为 ：G（s）=Io（s）Ii（s）=1LdCks2+rdCks+1（5）式 （5）与式 （1）的形式完全相同 。 对该系统参数实测后计算得出 垲1。 因此 ，过渡过程中高压硅堆支路存在着剧烈的电流过冲衰减振荡 。 过渡过程中的冲击电流可能会造成由硅片管压降引起的损耗过大 ，从而烧毁硅片 。 此外 ，若高压硅堆续流时间过长或在较短时

14、间内连续进行多次 ETCG 发射 ，硅片也可能因热积累造成结温过高而损坏 。由上述分析可得如下结论 ：在时序放电方式下 ，后放电模块高压硅堆受到了负载金属电爆炸引起的冲击电压作用而损坏 ；当 PPS 工作电压较高 ，选择低值档 Lk时 ，高压硅堆损坏与续流换路过渡过程中出现的冲击电流密切相关 。4 保护措施研究高压硅堆损坏均由二阶系统欠阻尼振荡引起 。根据二阶系统特性 ，可通过增大 来抑制超调量 ，消图 2 TVS 导通前模块等效二阶电路图 3 系统响应计算波形和负载电压实测波形图 4 硅堆开启过渡过程48图 5 实测电压波形和实验电流波形脉冲电源中高压硅堆保护的研究除系统振荡 。考虑到 PP

15、S 中脉冲电容器 、电感器 、硅堆等器件参数无法改变 ，这里采用缓冲电阻来增大。 在图 2 系统中 ，若采用串联方法增大后续放电模块的 Rk，即可增大 ，但由于负载电阻 RL很小 ，这样后放电模块存储的电能将大部分消耗在 Rk上 ，同时整个放电波形也将因之而改变 ，显然不可取 。可行的解决方法是给硅堆并联一个电压缓冲电阻 Rus。 由于Rus垌RL，所以 ETCG 工作基本不受影响 。并入 Rus后 ，该系统的电压转移函数变为 ：H（s）=Uo（s）Ui（s）=1RusRk+RusLkCs2+RkRusC+LkRk+Russ+1（6）比较式 （1），（6）可以看出 Rus增大了 ，减小了系统振

16、荡频率 。 计算表明 ，Rus越小 ，对冲击电压的抑制效果越好 。同样 ，可直接在高压硅堆支路或电容支路中串入一个电流缓冲电阻 Ris来增大图 4 系统的，抑制续流换路过渡过程中出现的冲击电流 。 比较后发现 ，缓冲电阻应置于高压硅堆支路中 。若在电容支路串入电阻 ，该电阻不仅消耗掉大量电能 ，而且会降低模块放电电流峰值 ，对 ETCG 工作影响甚大 ；在高压硅堆支路串入 Ris，基本不改变模块对负载作用的脉冲电流波形 ，ETCG 工作基本不受影响 。5 保护电阻选择缓冲电阻虽然能避免高压硅堆损坏 ，但同时也消耗了 PPS 存储的能量 ，降低了 PPS 储能利用效率 ，从而影响 ETCG 工作

17、 。计算表明 ，放电时消耗在Rus上的能量随其减小而增大 ，消耗在 Ris上的能量随之增大而增大 。因此 ，需要综合考虑能量损失和缓冲抑制的关系 。 在满足防护要求的情况下 ，Rus应当尽量选大 ，而 Ris应尽量取小 。兼顾电动力和欧姆热 ，要求两种电阻无感 、热容量大且机械强度高 。该模块中分别选取 Rus=8 ，Ris=20 m。6 实验验证在工作电压为 5 kV 的条件下 ，进行了 1 个储能模块对等离子发生器的放电实验 。 实验时给等离子发生器并联了 1 个未储能模块 （未采取保护措施 ）。图 5a 为放电时储能模块电容器电压 uC，负载电压uL，未储能模块的高压硅堆电压 ud的实测

18、波形 。实测结果验证了过电压冲击产生的机理 。图 5b 为选取 Ris=20 m，电压为 15 kV，电感为20 H 情况下 ，单个模块对等离子发生器放电时 ，uC，uL，ud对应的电流实验波形 ，可见缓冲效果良好 。7 结束语从机理上解析了在 ETCG 工作情况下 ，高压硅堆损坏的原因 ，并提出了相应的保护措施 。除理论分析外 ，还通过仿真和实验进行了分析验证 。为了提高系统存储电能的利用效率 ，还需要进一步优化缓冲电阻的选择 。实施缓冲保护措施后 ，有待于继续观察高压硅堆工作情况 。 由于 PPS 放电过程非常复杂 ，因此它对高压硅堆的影响还需进行更深层的研究 。参考文献1 Yun Sik

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20、Capacitor BankJ.IEEE Trans. on Magnetics，2001，（37）：389-393.4 林渭勋 .现代电力电子技术 M.北京 ：机械工业出版社 ，2006：11-15.5 王兆安 ，黄 俊 .电力电子技术 M.北京 ：机械工业出版社 ，2002：11-14.（上接第 43 页 ）高压侧电路工作的要求 。5 结 论太阳能电源系统在日照充足时直接为高压侧电路供电 ，夜间或日照条件不足时采用锂电池供电 ，同时能及时为锂电池补充电能 ，使系统在不同工况下均能可靠工作 。 采用单片机实现锂电池的智能充电管理 ，根据锂电池状态改变充电策略 ，因而延长了锂电池的使用寿命 。

21、参考文献1 李红斌 ，刘延冰 ，张明明 .电子式电流互感器中的关键技术 J.高电压技术 ，2004，（10）：46.2 刘 丰 ，卢启柱 ，毕卫红 ，等 .采用激光供能方法的光纤电流互感器 J.仪表技术与传感器 ，2007，（5）：56.3 李芙英 ，陈永亭 .应用于光电式电流互感器的悬浮式电源的设计 J.继电器 ，1999，（1）：4042.4 Appelbaum J，Khouzam K Y，Dagan Y.Photovoltaic Systemsfor Electrolysis using a Maximum Power Point TrackerA.2006 IEEE 24th Convention of Electrical and ElectronicsEngineers in IsraelC.2006：21-24.5 马宏伟 ，李 彬 .矿用锂电池充电保护电路的研制 J.工矿自动化 ，2006，（4）：79-81.49