基于某大口徑電熱化學(xué)炮工程化研究的需求,開(kāi)展了緊湊型脈沖電源模塊的研究。根據(jù)之前發(fā)射試驗(yàn)所得結(jié)論,以及發(fā)射系統(tǒng)對(duì)重頻連發(fā)能力和約束空間的要求,確定了脈沖電源模塊的技術(shù)參數(shù)、電路拓?fù)浜凸β势骷桨�。針�?duì)功率器件的特點(diǎn),提出了共用電極式一體化結(jié)構(gòu)方案和主、被動(dòng)相結(jié)合的內(nèi)嵌式散熱管理方案。通過(guò)結(jié)構(gòu)和制造工藝的改進(jìn),使功率器件適應(yīng)了火炮射擊的強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境,并借助縮比樣品驗(yàn)證了其抗振動(dòng)沖擊能力。運(yùn)用多物理場(chǎng)仿真分析手段,在內(nèi)嵌式散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、模塊一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和試制了儲(chǔ)能密度高、適應(yīng)強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境、具備重頻連發(fā)能力的緊湊型脈沖電源模塊,并通過(guò)模擬負(fù)載放電測(cè)試和電熱化學(xué)炮發(fā)射試驗(yàn)驗(yàn)證了研究方案的可行性。緊湊型脈沖電源模塊的儲(chǔ)能密度為1.4 MJ/m3,在短路負(fù)載工況和自然冷卻方式下能以6次/min的頻率連續(xù)工作3次。研究結(jié)果有助于推進(jìn)電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)的工程化發(fā)展,同時(shí)也為今后發(fā)展大儲(chǔ)能量、小型化脈沖電源提供了技術(shù)儲(chǔ)備。 

【文章來(lái)源】：高電壓技術(shù). 2020,46(10)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

電源模塊的電路結(jié)構(gòu)Fig.1Circuitstructureofpowermodule

?TL2分別表示冗余散熱方案下和液冷散熱方案下脈沖電感器內(nèi)部最高溫度隨時(shí)間變化的計(jì)算曲線，TD1、TD2分別表示冗余散熱方案下和液冷散熱方案下整流管內(nèi)部最高溫度隨時(shí)間變化的計(jì)算曲線，TS1、TS2分別表示冗余散熱方案下和液冷散熱方案下晶閘管內(nèi)部最高溫度隨時(shí)間變化的計(jì)算曲線。根據(jù)仿真結(jié)果列出了3次連發(fā)短路放電過(guò)程中各器件內(nèi)部的最高溫度，如表1所示。由表1可知，在3次連發(fā)短路放電過(guò)程中，兩種散熱方案下電感器內(nèi)部最高溫度均低于線圈絕緣封裝材料規(guī)定的長(zhǎng)圖3模塊的一體化結(jié)構(gòu)方案Fig.3Integratedstructureschemeofpowermodule圖4短路負(fù)載工況下脈沖電流的仿真波形Fig.4Simulationwaveformofpulsecurrentundershort-circuitconditions圖5功率器件的最高溫度變化曲線Fig.5Maximumtemperaturecurveofpowerdevices期耐受溫度(403.15K)，整流管和晶閘管內(nèi)部最高溫度也均低于半導(dǎo)體器件能可靠工作的結(jié)溫(398.15K)，因此，放電過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)電感器、整流管和晶閘管的過(guò)熱損壞。公共負(fù)極公共陰極公共輸出極1231：脈沖電容器2：晶閘管開(kāi)關(guān)與續(xù)流硅堆3：脈沖電感器123

?范ú捎?2個(gè)額定儲(chǔ)能225kJ、最高工作電壓7.6kV的脈沖成形單元(pulseformingunit,PFU)共同組成電源模塊，電路拓?fù)淙鐖D1所示，圖中Ck(k=1,2)為脈沖電容器，SCRk為晶閘管開(kāi)關(guān)，Lk為脈沖電感器，Dk為續(xù)流硅堆，BG+、BG–依次為電源模塊輸出端子的正、負(fù)極，G為發(fā)射器。電源模塊中，單個(gè)PFU的電路參數(shù)設(shè)計(jì)如下：1）電容為7.8mF；2）電感為16μH；3）內(nèi)阻≤5m。由電路參數(shù)和負(fù)載阻抗建立發(fā)射系統(tǒng)的放電模型，經(jīng)仿真獲得的電流見(jiàn)圖2，圖中igS是火炮電流，iP1、iP2依次是2個(gè)PFU的輸出電流。圖2還給出了由之前發(fā)射研究獲得的能滿足本階段研究目標(biāo)期望的典型脈沖電流ig0，以便對(duì)比分析。由圖2可知，在2個(gè)PFU以330μs時(shí)序間隔放電的情況下，igS與ig0在半峰值時(shí)刻之前具有良好的一致性，而在臨近放電結(jié)束時(shí)刻，二者才呈現(xiàn)較大的差距，原因是電熱化學(xué)發(fā)射的核心部件是等離子體發(fā)生器，其屬于電爆炸類(lèi)型負(fù)載[8]，仿真模型無(wú)法準(zhǔn)確模擬它的突變斷弧過(guò)程。對(duì)火炮發(fā)射有效的電作用量主要在電流半峰值時(shí)刻之前，因此可知電源模塊的電路參數(shù)設(shè)計(jì)合理。2.2功率器件根據(jù)電源模塊的電路參數(shù)、仿真電流和工作電壓，開(kāi)展了功率器件的方案設(shè)計(jì)。器件選型方案如下：1）脈沖電容器，采用儲(chǔ)能密度2.4MJ/m3的干式金屬化膜電容器；2）脈沖電感器，采用儲(chǔ)能密度圖1電源模塊的電路結(jié)構(gòu)Fig.1Circuitstructureofpowermodule圖2仿真電流波形與典型電流波形Fig.2Simulatedcurrentwaveformandtypicalcurrentwaveform

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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