電容型高功率脈衝電源控製電路設計
發布時間：2012-03-09
中心議題：
1 引 言
高功率脈衝電源（PPS）是為脈衝功率裝置負載提供電磁能量的裝置。由多個脈衝電容器組為儲能單元並聯組成的PPS,具有儲能簡單，造價低、波形靈活可調，所需充電功率小，抗幹擾能力強，方便運輸等突出優點，在電熱化學炮（ETcG）研究領域得到了廣泛應用。
實驗研究用的PPS通常由充電子係統、脈衝成形子係統、彙流排及大功率傳輸線、控製與測試子係統、屏蔽與接地子係統等幾部分組成。為了避開ETCG發射時劇烈的機械震動和強烈的電磁幹擾，實驗研究時PPS的控製子係統的電路通常采用遠方方式設計和使用。隨著ETCG朝實用化方向發展，需要ETCG與PPS諸係統集成一體，從而要求控製電路必須具有優良的抗機械震動性能，並能在強電磁幹擾環境中使用。
2 控製電路功能
PPS工作時，由控製電路對係統各階段狀態進行監測，並根據監測情況發指令進行係統狀態跳轉。
控製電路主要功能是實現PPS的充、放電電控製。
通常，充電子係統內部配有過電流、過電壓和過熱等故障保護或異常告警裝置。但這些裝置的保護範圍一般僅限於充電子係統內部，PPS放電時浪湧電壓等外部因素仍可能造成充電設備損壞。因此，在儲能單元和充電子係統間還需配置一些隔離和保護電路。圖1給出了用於ETCG研究的PPS所配置的充電隔離及保護電路。圖1中，充電隔離開關（Kc）和地絕緣隔離開關（Kg）在充電結束後打開，用以防止PPS放電時由負載等因素產生的浪湧高電壓通過充電子係統對地放電，可以避免因此所造成的充電設備絕緣損壞；充電輸出終端並聯了一小容量電容器（Cp）及其安全釋能電路（開關Kp、電阻Rp），目的在於防止空載誤充電，以避免在此情況下充電電路末端電壓急劇升高損壞充電設備。
脈衝電容器儲能後，由控製電路發送命令進行觸發放電（ETcG發射）。ETCG發射精度和一致性與PPS儲(chu)能(neng)量(liang)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)，電(dian)容(rong)器(qi)儲(chu)能(neng)大(da)小(xiao)與(yu)其(qi)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)的(de)量(liang)值(zhi)平(ping)方(fang)成(cheng)正(zheng)比(bi)，因(yin)此(ci)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)能(neng)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)量(liang)值(zhi)，這(zhe)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)與(yu)被(bei)充(chong)電(dian)容(rong)器(qi)組(zu)並(bing)聯(lian)"分壓器一電壓繼電器組"來實現，見圖2。
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工作中有可能因安全因素或異常情況需要取消ETCG發射，這種情況下電容器可能已經儲存了大量電能。此外，ETCG發射後電容器一般仍存儲著一些剩餘電能。因此，如圖2所示，PPS安裝了儲能安全釋放電路，Kd是安全釋能開關，其狀態受控於控製電路，Rd為安全釋能電阻。
因此，控製電路應具備如下基本功能：
（1）高壓繼電開關狀態控製。控製電路必須能使各高壓繼電開關通斷狀態正確對應於PPS的不同工作階段，見表1;（2）充電啟、停控製。充電設備將根據控製電路命令啟動或停止充電；（3）放電控製。在正常情況下，電容器組儲能結束後，PPS將根據控製電路命令啟動觸發放電（ETCG發射）；（4）急停控製。工作中，若係統某個部分（器件）發生異常或出現安全隱患，控製電路應具有使充電設備緊急停車功能，並能使電容器安全釋能。
- 探討電容型高功率脈衝電源控製電路設計
- 本文選用SSR進行了PPS控製電路設計
- 通過模擬實驗對基於SSR設計的控製電路進行試用和改進
1 引 言
高功率脈衝電源（PPS）是為脈衝功率裝置負載提供電磁能量的裝置。由多個脈衝電容器組為儲能單元並聯組成的PPS,具有儲能簡單，造價低、波形靈活可調，所需充電功率小，抗幹擾能力強，方便運輸等突出優點，在電熱化學炮（ETcG）研究領域得到了廣泛應用。
實驗研究用的PPS通常由充電子係統、脈衝成形子係統、彙流排及大功率傳輸線、控製與測試子係統、屏蔽與接地子係統等幾部分組成。為了避開ETCG發射時劇烈的機械震動和強烈的電磁幹擾，實驗研究時PPS的控製子係統的電路通常采用遠方方式設計和使用。隨著ETCG朝實用化方向發展，需要ETCG與PPS諸係統集成一體，從而要求控製電路必須具有優良的抗機械震動性能，並能在強電磁幹擾環境中使用。
2 控製電路功能
PPS工作時，由控製電路對係統各階段狀態進行監測，並根據監測情況發指令進行係統狀態跳轉。
控製電路主要功能是實現PPS的充、放電電控製。
通常，充電子係統內部配有過電流、過電壓和過熱等故障保護或異常告警裝置。但這些裝置的保護範圍一般僅限於充電子係統內部，PPS放電時浪湧電壓等外部因素仍可能造成充電設備損壞。因此，在儲能單元和充電子係統間還需配置一些隔離和保護電路。圖1給出了用於ETCG研究的PPS所配置的充電隔離及保護電路。圖1中，充電隔離開關（Kc）和地絕緣隔離開關（Kg）在充電結束後打開，用以防止PPS放電時由負載等因素產生的浪湧高電壓通過充電子係統對地放電，可以避免因此所造成的充電設備絕緣損壞；充電輸出終端並聯了一小容量電容器（Cp）及其安全釋能電路（開關Kp、電阻Rp），目的在於防止空載誤充電，以避免在此情況下充電電路末端電壓急劇升高損壞充電設備。
圖1 充電隔離保護電路
脈衝電容器儲能後，由控製電路發送命令進行觸發放電（ETcG發射）。ETCG發射精度和一致性與PPS儲(chu)能(neng)量(liang)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)，電(dian)容(rong)器(qi)儲(chu)能(neng)大(da)小(xiao)與(yu)其(qi)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)的(de)量(liang)值(zhi)平(ping)方(fang)成(cheng)正(zheng)比(bi)，因(yin)此(ci)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)能(neng)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)量(liang)值(zhi)，這(zhe)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)與(yu)被(bei)充(chong)電(dian)容(rong)器(qi)組(zu)並(bing)聯(lian)"分壓器一電壓繼電器組"來實現，見圖2。
圖2 充電電壓測控與安全釋能電路
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工作中有可能因安全因素或異常情況需要取消ETCG發射，這種情況下電容器可能已經儲存了大量電能。此外，ETCG發射後電容器一般仍存儲著一些剩餘電能。因此，如圖2所示，PPS安裝了儲能安全釋放電路，Kd是安全釋能開關，其狀態受控於控製電路，Rd為安全釋能電阻。
因此，控製電路應具備如下基本功能：
（1）高壓繼電開關狀態控製。控製電路必須能使各高壓繼電開關通斷狀態正確對應於PPS的不同工作階段，見表1;（2）充電啟、停控製。充電設備將根據控製電路命令啟動或停止充電；（3）放電控製。在正常情況下，電容器組儲能結束後，PPS將根據控製電路命令啟動觸發放電（ETCG發射）；（4）急停控製。工作中，若係統某個部分（器件）發生異常或出現安全隱患，控製電路應具有使充電設備緊急停車功能，並能使電容器安全釋能。
表1 被控繼電開關狀態
3 控製器件選用
ETcG發射特點不僅是高電壓、強電流，而且伴隨著強烈的機械震動。因此，選用控製器件時必須兼顧器件的電磁兼容（EMC）性能和抗震動性能。
實驗研究用PPS的控製電路一般為遠方模式，可以采用單片機等微控製器（MCU）或者電磁式繼電器（EMR）進行電路設計。但係統一體集成時，ETCG發射所引起的強震動、強電磁幹擾將致使MCU不能正常工作甚至損壞，同樣，由於具有金屬線圈和機械觸點，EMR也難免發生誤動作或損壞。
調查發現，固態繼電器（SSR）可在強震動工況下使用。作為一種由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件，SSR近年來在民用工控領域得到了廣泛應用。它是依靠半導體器件和電子元件的電、光特性來完成隔離和繼電切換功能的。由於沒有電磁線圈，且不含運動零部件，因而它不怕劇烈的機械震動。根據文獻[4]所進行的電磁抗幹擾能力測試與給出的EMC抗幹擾標準，SSR也具有良好的EMC性能，在類似於ETCG工況的電磁環境中使用完全合適。因此，電路設計時控製器件選用了SSR.
4 控製電路設計
圖3是基於PPS控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)要(yao)求(qiu)，采(cai)用(yong)經(jing)驗(yan)法(fa)設(she)計(ji)的(de)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)。需(xu)要(yao)指(zhi)出(chu)，為(wei)了(le)讓(rang)被(bei)控(kong)繼(ji)電(dian)開(kai)關(guan)通(tong)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)信(xin)息(xi)實(shi)時(shi)地(di)反(fan)饋(kui)於(yu)控(kong)製(zhi)環(huan)節(jie)，係(xi)統(tong)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)高(gao)壓(ya)繼(ji)電(dian)開(kai)關(guan)（Kc、Kg、Kd、Kp）均帶有位置行程輔助開關。
圖3（a）中，KM1-4為SSR,SB1-4為自鎖按鈕。係統上電後，通過按鈕SB1啟動KM1和KM2,這樣Kd將首先得電動作，隨後Kc、Kg、Kp也相繼動作，為下一步進行的充電工作做好了準備。圖3（b）中，Kc和Kg啟動采用了位置接點Kdl,同樣Kp啟動也采用了位置接點Kcl和Kgl,這樣設計目的是使控製電路具有了邏輯動作與防誤閉鎖功能。此時隻要充電設備自檢正常（圖3（a）中"充電機正常"接點閉合），則燈HI 1指示可以進行充電，通過按鈕SB2啟動KM3便可對脈衝電容器組進行充電。脈衝電容器電壓達到預設值後，KV動作，常閉接點KV1斷開致使KM2失電，則Kc、Kg、Kp相繼返回，同時Kp返回又使KM3失電，這樣Kc、Kg斷開，充電機停止工作，滿足了係統放電前提。此時燈HL1熄滅、KV2接通，燈HL2指示充電完畢，通過按鈕SB3啟動KM4則可進行ETCG發射。
若遇到異常需要工作急停，僅需通過按鈕SB4使KM1失電即可。KM1失電將使得Kd複位閉合，脈衝電容器中存儲的能量便通過電阻Rd安全釋放；同時，由於位置接點Kdl斷開，Kc、Kg、Kp相繼複位，係統從而完全停止運行。在ETCG發射完畢後SB4還被用作狀態複位按鈕。
5 電路試用及改進
將圖3電路組裝於鋼箱內，安裝在電容8 000uF、脈衝成形電感10uH、工作電壓15 kV的PPS上，通過模擬ETCG工況對電路進行了試用。
試用期間電路出現了SSR誤動作問題。統計發現，出現SSR誤動的工作次數約占總工作次數的7%.分析表明，SSR誤動作的原因來自PPS充放電所產生的強電磁幹擾，與機械震動無關。SSR通常因DC輸入側或AC輸出負載側出現了較大電磁噪音（或浪湧）而誤動作。PPS中，被控高壓繼電開關（Kc、Kg、Kd、Kp）采用的是大功率電磁鐵開關，線圈通斷電和強電磁幹擾必然會生成電磁噪音或浪湧。此外，控製電源、控製線路也會因強電磁幹擾而出現諧波與噪音。
如圖4所示，針對PPS充放電所產生的強電磁幹擾，在控製電路中為SSR增裝了浪湧吸收等輔助保護電路。電阻Ru和吸收電路Rs-Cs用來防止負載所造成的SSR誤動；Ru用於吸收SSR斷開時繼電開關線圈的殘存能量以及因電磁幹擾產生的感應能量，能有效抑製因此所產生的電磁噪音與浪湧；Rs~Cs是SSR負載側浪湧吸收電路。電阻Rv作用是使SSR輸入端在SB斷開時具有相同電位，能防止輸入側噪音所引起的SSR誤動。
控製電路改進後試用沒有再次出現SSR誤動作，這說明其可以滿足ETCG與PPS一體化集成要求。
根據PPS控製電路功能要求和ETCG實用化方向發展要求，本文選用SSR進行了PPS控製電路設計，並通過模擬實驗對基於SSR設計的控製電路進行了試用和改進。與其他控製器件相比，SSR具有優良的抗震動性能和較強的電磁兼容能力，應用於強震動環境下的電控領域前景廣闊。
ETcG發射特點不僅是高電壓、強電流，而且伴隨著強烈的機械震動。因此，選用控製器件時必須兼顧器件的電磁兼容（EMC）性能和抗震動性能。
實驗研究用PPS的控製電路一般為遠方模式，可以采用單片機等微控製器（MCU）或者電磁式繼電器（EMR）進行電路設計。但係統一體集成時，ETCG發射所引起的強震動、強電磁幹擾將致使MCU不能正常工作甚至損壞，同樣，由於具有金屬線圈和機械觸點，EMR也難免發生誤動作或損壞。
調查發現，固態繼電器（SSR）可在強震動工況下使用。作為一種由固態電子元件組成的新型無觸點開關器件，SSR近年來在民用工控領域得到了廣泛應用。它是依靠半導體器件和電子元件的電、光特性來完成隔離和繼電切換功能的。由於沒有電磁線圈，且不含運動零部件，因而它不怕劇烈的機械震動。根據文獻[4]所進行的電磁抗幹擾能力測試與給出的EMC抗幹擾標準，SSR也具有良好的EMC性能，在類似於ETCG工況的電磁環境中使用完全合適。因此，電路設計時控製器件選用了SSR.
4 控製電路設計
圖3是基於PPS控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)要(yao)求(qiu)，采(cai)用(yong)經(jing)驗(yan)法(fa)設(she)計(ji)的(de)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)。需(xu)要(yao)指(zhi)出(chu)，為(wei)了(le)讓(rang)被(bei)控(kong)繼(ji)電(dian)開(kai)關(guan)通(tong)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)信(xin)息(xi)實(shi)時(shi)地(di)反(fan)饋(kui)於(yu)控(kong)製(zhi)環(huan)節(jie)，係(xi)統(tong)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)高(gao)壓(ya)繼(ji)電(dian)開(kai)關(guan)（Kc、Kg、Kd、Kp）均帶有位置行程輔助開關。
圖3（a）中，KM1-4為SSR,SB1-4為自鎖按鈕。係統上電後，通過按鈕SB1啟動KM1和KM2,這樣Kd將首先得電動作，隨後Kc、Kg、Kp也相繼動作，為下一步進行的充電工作做好了準備。圖3（b）中，Kc和Kg啟動采用了位置接點Kdl,同樣Kp啟動也采用了位置接點Kcl和Kgl,這樣設計目的是使控製電路具有了邏輯動作與防誤閉鎖功能。此時隻要充電設備自檢正常（圖3（a）中"充電機正常"接點閉合），則燈HI 1指示可以進行充電，通過按鈕SB2啟動KM3便可對脈衝電容器組進行充電。脈衝電容器電壓達到預設值後，KV動作，常閉接點KV1斷開致使KM2失電，則Kc、Kg、Kp相繼返回，同時Kp返回又使KM3失電，這樣Kc、Kg斷開，充電機停止工作，滿足了係統放電前提。此時燈HL1熄滅、KV2接通，燈HL2指示充電完畢，通過按鈕SB3啟動KM4則可進行ETCG發射。
圖3 基本控製電路
[page]若遇到異常需要工作急停，僅需通過按鈕SB4使KM1失電即可。KM1失電將使得Kd複位閉合，脈衝電容器中存儲的能量便通過電阻Rd安全釋放；同時，由於位置接點Kdl斷開，Kc、Kg、Kp相繼複位，係統從而完全停止運行。在ETCG發射完畢後SB4還被用作狀態複位按鈕。
5 電路試用及改進
將圖3電路組裝於鋼箱內，安裝在電容8 000uF、脈衝成形電感10uH、工作電壓15 kV的PPS上，通過模擬ETCG工況對電路進行了試用。
試用期間電路出現了SSR誤動作問題。統計發現，出現SSR誤動的工作次數約占總工作次數的7%.分析表明，SSR誤動作的原因來自PPS充放電所產生的強電磁幹擾，與機械震動無關。SSR通常因DC輸入側或AC輸出負載側出現了較大電磁噪音（或浪湧）而誤動作。PPS中，被控高壓繼電開關（Kc、Kg、Kd、Kp）采用的是大功率電磁鐵開關，線圈通斷電和強電磁幹擾必然會生成電磁噪音或浪湧。此外，控製電源、控製線路也會因強電磁幹擾而出現諧波與噪音。
如圖4所示，針對PPS充放電所產生的強電磁幹擾，在控製電路中為SSR增裝了浪湧吸收等輔助保護電路。電阻Ru和吸收電路Rs-Cs用來防止負載所造成的SSR誤動；Ru用於吸收SSR斷開時繼電開關線圈的殘存能量以及因電磁幹擾產生的感應能量，能有效抑製因此所產生的電磁噪音與浪湧；Rs~Cs是SSR負載側浪湧吸收電路。電阻Rv作用是使SSR輸入端在SB斷開時具有相同電位，能防止輸入側噪音所引起的SSR誤動。
控製電路改進後試用沒有再次出現SSR誤動作，這說明其可以滿足ETCG與PPS一體化集成要求。
圖4 控製輔助電路
6 結束語根據PPS控製電路功能要求和ETCG實用化方向發展要求，本文選用SSR進行了PPS控製電路設計，並通過模擬實驗對基於SSR設計的控製電路進行了試用和改進。與其他控製器件相比，SSR具有優良的抗震動性能和較強的電磁兼容能力，應用於強震動環境下的電控領域前景廣闊。
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