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1、毕业设计(论文)设计(论文)题目： 电磁发射用脉冲电源的设计 所在学院： 自动化与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气1001 学生姓名： 傅仕航 指导教师： 梅磊 起讫日期： 2013-122014-06 2014年6月I电磁发射用脉冲电源的设计摘 要随着电磁发射技术的不断发展，其在国防建设以及国民生产中的应用也越来广泛。高功率脉冲电源作为电磁发射技术的主要组成部分，也越来越受到人们的关注。为了满足空间电磁发射技术的需要，高精度脉冲电源系统就显得非常重要，而脉冲电源的主电路拓扑结构的设计就成了一个重要的研究问题。本论文主要介绍了电磁发射仿真实验中的脉冲电源系统的主电路的
2、拓扑结构、特性，并运用saber电路仿真软件对主电路进行理论仿真。主要完成的工作有：1.建立了脉冲电源主电路的数学模型：介绍了毫秒级（精确到百微秒级）脉冲电源系统的组成以及重要元件和相关参数进行介绍，同时分析了各个元件在主电路中所起到的作用，同时指明各元件的选择依据，通过理论上的软件仿真，从而确定了脉冲电源系统中各功率元件的参数。2.通过在saber电路仿真软件中对脉冲电源的电路拓扑结构的仿真，获得电路中不同线路电流、电压随着时间的变化曲线，从而确定它们在短时间内（毫秒或者微秒级）的变化效果，并对此进行分析，通过调节，最终获得最佳的脉冲电源主电路拓扑结构以符合电磁发射对脉冲电源的要求。关键词：
3、电磁发射、脉冲电源、拓扑结构、仿真39With the design of pulse power electromagnetic launchABSTRACTWith the continuous development of electromagnetic launch technology, its application in national defense construction and national production are more widely. High power pulse power as the main part of the electromagnet
4、ic launch technology, is becoming more and more get the attention of people.In order to meet the needs of space electromagnetic launch technology, high precision pulse power system is very important, and the design of the main circuit topology of pulse power supply is an important research question.
5、 This paper mainly introduced the electromagnetic emission experiments of pulse power system of main circuit topology structure, properties, and using saber circuit simulation software simulation was carried out on the main circuit theory. The main works are as follows:1. Established the mathematica
6、l model of pulse power main circuit: Introduces the composition of millisecond pulse power supply system and introduces the important components and related parameters, and analyzes the various elements play a role in the main circuit, at the same time, indicate the components selection basis,throug
7、h the theory of software simulation, which determine the pulse power supply power components of the system parameters.2. Through the saber in the circuit simulation software simulation of pulse power supply circuit topology, different line current and voltage in the circuit are obtained with the cha
8、nge of time curve, to identify them in a short period of time (milliseconds or microsecond) change effect, and by, adjusting, finally get the best pulse power main circuit topology structure to conform to the requirements of the electromagnetic emission of pulse power supply.Key words: electromagnet
9、ic launch, pulse power, topology structure, simulation目 录摘 要I第一章 绪 论11.1 课题的背景及意义11.1.1电磁发射技术的发展及背景意义11.1.2脉冲电源的背景和意义21.2课题的研究现状31.2.1电磁发射技术的国内外研究现状及应用31.2.2脉冲电源的应用及研究现状51.3课题的应用前景101.4 电磁发射用脉冲电源的设计课题的研究意义111.5本文结构12第二章 脉冲电源的原理132.1等效模型在电源电路中的应用132.2电磁发射对脉冲电源的要求162.3本文采用的脉冲形成系统的形式182.4脉冲电源的设计要求192.5
10、本章小结19第三章 脉冲电源的结构203.1概述203.2脉冲电源总体结构213.3脉冲电源的单个模块拓扑结构223.4脉冲电源的单个模块中各元器件的参数选择233.4.1储能电容器的参数设计233.4.2续流支路吸能电阻R243.4.3调波电抗器L243.4.4放电开关253.5脉冲电源的多个模块模型263.5.1多个模块串联结构拓扑263.5.2利用Marx发生器开关管273.6本章小结28第四章 脉冲电源单个模块结构的saber仿真294.1仿真电路的制定和元器件参数的选择294.2初始步长和瞬态分析终止时间的设置294.3仿真结果分析304.3.1脉冲电流波形304.3.2各支路电流和
11、电压波形324.4本章小结35第五章 总结和展望36参考文献37致 谢40南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1 课题的背景及意义1.1.1电磁发射技术的发展及背景意义伴随着物理技术不断的进步和发展，使目前发射装置如大炮、火箭等类型的发射器已经不能满足现代人类对发射能力需求的更高要求，正是在此情况下产生了新一代超高速的电磁发射推进技术。电磁发射技术的本质原理是洛仑兹定律：当电流流过磁场时，将会受到与电流、磁场均垂直的洛仑磁力，也就是物理学上的安培力，这个力会使得位于磁场中的带电物体做加速运动。带电物体可以是弹丸、飞机、导弹、炮弹、卫星、火箭等物体。电磁轨道发射技术产生的原因与军
12、事应用相关。传统的化学能发射武器（火箭、火炮等），经历了比较漫长的发展过程。尽管常规的化学能武器相比于机械发射装置，在储能密度和功率密度方面高得很多，然而随着科学技术的进步，它已经不能满足人类对发射能力（超高速和超高能量）的更高要求1。因而新一代的超高速电磁发射技术就产生了。电磁轨道炮是通过电磁力的推进来发射的，从结构上来说可以分为三个部分：脉冲形成结构（Pulse forming structure，即PFS），大炮的炮体部分以及电枢部分2。脉冲形成结构是高功率脉冲电源的主要组成部分，作为电磁能输出的控制环节，通过储存初始的电能，并调节释放电能规律从而满足电磁轨道发射的基本需求。轨道炮的负载
13、是低阻抗的负载，虽然它对电压的要求不高，但是对电流要求却比较苛刻，固体电枢轨道炮的理想最佳驱动电流是梯形脉冲电流，其峰值要求几百 kA 至 MA，峰值上升时间比较短，峰值持续时间达到毫秒量级。要使电磁轨道发射技术的使用阶段进入空间武器装备化时期，脉冲电源系统要求高度的可靠性、高精确性、易控性以及高储能密度，并且具有可移动性、紧凑性，因而脉冲功率系统放电效率、能量储存密度和放电的灵活性、可靠性以及紧凑性和小型化必须得到提高。为了实现这一目标，需要对用于电磁轨道发射装置中的脉冲电源系统进行从整体结构到各器件的单元以及系统中的各种参数影响规律进行预先的研究，从而为设计系统和过程实现中出现的技术问题提
14、供解决途径。1.1.2脉冲电源的背景和意义现代电源技术是在主要应用电力电子半导体器件下，综合自动控制技术、计算机技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术，是属于电力电子与电力传动技术的范畴，是现代电力电子技术的具体应用。随着社会的高速发展，电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展又有效地促进了电源产业的发展。电源技术在社会发展中扮演了越来越重要的角色，无论是日常生活还是最尖端的科学都离不开电源技术的支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率（Labor productivity）的能力，即提高一个国家的单位能耗的产出水平，具有非一般的作用。到目前为止，电源已成为一种非常重要的科技
15、基础和产业，其总体发展趋势为高效、高频、低压、大电流化、高密度化和多元化。同时，它的封装结构和外形尺寸日趋国际化，为了适应全球一体化大市场的要求。电源设备是用来实现变换电能和传递功率，是一种技术含量很高、知识面很宽、更新换代很快的产品。现今已经广泛应用到农业、工业、运输、交通、能源、航天、航空、航运、信息、教育、国防、文化等领域。在信息化社会，上述各行各业都在迅猛发展，发展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求。如节电、节能、节材、减重、缩体、改善环境、防止污染、可靠、安全等。显而易见，电源技术的发展已经完全带动了相关技术方面的发展，而反过来相关技术方面的发展又推动了电源产业的发展。目前在电源
16、产业，有很多种电源产品和电源技术占主导地位。电源例如有中频感应加热电源，稳压线性电源、DC/DC开关电源、高频逆变式整流电源、交流变频调速电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、AC/DC开关电源，交流变频调速电源，中频感应加热电源、可靠高效低污染的光伏逆变电源、绿色照明电源，风光互补型电源等。电源技术诸如全谐振高频软开关变换技术、功率转换技术、电磁兼容技术、同步整流技术、功率因数校正技术、保护技术、脉宽调制技术数字化控制技术，智能监测技术，智能化充电技术、网络技术、功率因数校正技术，变频调速技术、微机控制技术、先进的工艺技术和集成化技术等各种形式的电源驱动技术。电力电子技术中的各种应用以及各种电
17、源系统中，开关电源技术始终均处于核心地位。相比大型电镀电解电源而言，传统的电路结构相当庞大，如果采取使用高顿开关的电源技术，那么重量和体积不仅会大幅度下降，而且可以极大提高电源的利用效率，从而可以节省材料和降低成本。在变频传动和电动汽车领域中，更是离不开不了开关电源器件的技术，通过开关电源可以来改变用电的频率，从而可以达到几乎接近于理想的驱动控制和负载匹配。高频开关电源器件的高科技术是各种大功率开关电源(如：高频率的加热电源、高温逆变焊机、高压电力操作电源、移动通讯电源、高温激光器电源等)的核心技术。目前，开关电源正朝着数字化、模块化、高频化、绿色化的方向发展。伴随着新型的电力电子器件和适用于
18、更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在社会的实际需求的推动下快速发展。在传统应用技术水平下，可调脉冲电源的研制由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大地发挥各种功率元器件的特性，使器件性能对开关电源性能影响减至最小，新型的控制技术和新型的电源电路拓扑，可使功率开关工作在零电流或零电压状态，从而可大大地提高开关电源的工作频率，从而提高其工作效率，设计出性能优良的开关电源。1.2课题的研究现状1.2.1电磁发射技术的国内外研究现状及应用就整个世界而言，现在至少有十几个国家在从事电磁发射的研究，美国和俄罗斯处于较领先的地位4，5。目前用于电磁发射的形式主要有电磁线圈炮、
19、电磁轨道炮、电热炮、电热化学炮等，他们的关键部分都是脉冲电源系统，特点都是工作电压高，输出脉冲功率高，输出脉冲电流大。脉冲功率源的形式有很多，以初级能源来分的话，有以电场形式储能的 Marx 发生器或电容器，脉冲变压器或具有磁能的电感器，具有一定转动惯量的机械能发电机以及各类化学能和核能装置。因为采用了化学能和核能等做初级能源时体积和重量都比较大大、成本高，所以通常采用储能电感、储能电容器和发电机作为初始能源。从储能密度上来看，按现有器件极限的电气强度来计算，电感、电容和发电机的最大储能密度分别为 640 MJ/m3、7MJ/m3和135MJ/m36，7。电容储能密度尽管比发电机低，但易于实现
20、，操作起来比较简单，而且有灵活的能源组成方案，可以以模块化的方式联合起来组成更大能量的储能设备。就从目前的研究进展来看，国外的研究重点主要放在电容器组储能单极发电机、补偿交流脉冲发电机和脉冲电源等方面。为了满足于电磁轨道的发射装置负载特性以及输出的波形可以灵活调节幅值高的脉冲电流，一般使用的脉冲电源系统由多个电容器储能的脉冲功率模块组成，同时通过采用时序控制每个模块的放电来实现不同类型的负载对波形的不同要求。西方国家中，美国已经陆续地展示了主要用于不同的作战任务的脉冲电源演示系统10，11，其使用的就是电容储能的脉冲形成结构。德法研究使用单台10.75kV 的电容器建立了高效灵活的 LRC 脉
21、冲成形电源结构，储能可以高达 50kJ，采用了半导体开关，峰值电流可以高达 50kA，而且整个电源系统可包含 200 个脉冲成形结构12。德国于 1998 年就开始能量密度为 2.4 MJ/m3的高能放电的电容器研究工作，并在 2002年研制了紧凑式的大功率放电装置13。韩国于2000年建立了300kJ的脉冲电源模块，充电电压为22kV，电流却高达150kA14，每个300kJ的模块结构采用了并联的6个50kJ/22kV的高压电容器，同时采用触发真空开关作为关合开关进行能量转换15，整个系统由八个模块组成，总储能为 2.4MJ。国外已经成功研制了储能密度为1.2 MJ/m3、充电电压为 16k
22、V、能量为 250kJ 的单 PFS 模块10，总的 PFS 模块能量合计已经高达 30MJ 的水平。在采用新分子工程技术，并不断生产工艺提高后，脉冲电容器储能密度便得到了进一步的提高，有利于实现脉冲电源系统结构的小型化与紧凑化。我国研究电磁发射技术的工作，因为受各方面外界条件因素的制约，虽然起步比较晚，起点比较低，但是发展非常快。1991 年中国科学院等离子体物理研究所，研制了一门长达 3.3m 的方膛电磁轨道大炮，它可以将 50g 弹丸加速到 3100m/s。中国科学院流体物理研究所也在 1991 年建立了目前国内第一台口径为 23mm 液体工质的电热化学发射实验仪器装置，电源总储能为 1
23、MJ，可以使 32g 弹丸加速到 1900m/s。南京理工大学在 1995 年建立了电热化学炮的发射实验室，通过采用模块化结构，以程序控制的方式，可以提供最大电流峰值为 50300kA，脉宽为 0.53ms 的脉冲电流16。图1-1 一种脉冲功率源模块电路原理图1.2.2脉冲电源的应用及研究现状脉冲电源是各种电源设备中比较特殊的一种，顾名思义，它的电流或电压波形为脉冲状。如果按照脉冲电源的输出特性分类，有单向、双向、高频、低频、图1-2 各种脉冲波形高压、低压等不同的分类，具体选择怎样的输出电流、输出电压和开关频率，则需要根据具体的应用场合而定。如果按照脉冲波形分类，有梯形波、矩形波、锯齿波、
24、三角波等多种形式。由于矩形波具有较好的可控性以及易操作性，所以以这种波形的应用居多。追究其本质，脉冲电源实质上是一种通断的直流电源，它的基本工作原理是：首先经过慢性储能，使初级能源充有足够的能量，然后向中间储能和脉冲成形结构放电(或注入能量)，初级能量经过储存、转化、压缩形成脉冲等各种过程之后，于是形成了脉冲电源。脉冲电源的进步速度在一定的程度上对开关器件的进步速度有很强的依赖性，其在促进开关器件发展的时候却受制于开关器件的发展，尤其是大功率的脉冲电源对开关器件的发展具有更大的依赖性。鉴于开关器件对改善电路的性能，降低电路损耗和提高电流使用效率等方面都具有非常重要的作用，随着GTO、功率MOS
25、FET、绝缘栅双极晶体管IGBT等自关断全控型开关器件的标准模块化、复合化、功率集成化、智能化，脉冲电源各方面的性能都得以提高。由于脉冲电源断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用，其应用领域包括:脉冲电镀、工业废气处理、极性相和非极性相的相分离、高频脉冲感应加热、脉冲电解污水处理、产生高功率带电粒子束、高功率激光泵、静电除尘、电弧焊接、臭氧制取和表面热处理、电火花加工等。在军事上，脉冲电源还用于电磁脉冲模拟、电磁轨道炮、液电爆炸、粒子束武器等领域19。下面我们来介绍一下脉冲电源的几种基本的典型应用。l)电火花加工电火花加工就是利用热能和电能对器件进行加工的一门新工艺，主要包括电火花线切割
26、加工和电火花成型加工两个主要的组成部分，尽管两个加工方法在表现形式上有所差别，但它们在原理上是基本相似的。脉冲电源为电火花加工或电火花线切割提供击穿加工介质所需要的电压和能量，并在间隙击穿后提供能量以蚀除金属，它是影响加工工艺指标的关键设备之一，其性能的优劣直接影响放电加工的速度、稳定性、精度、工件表面粗糙度以及电极耐加工性。目前实验室常用的脉冲电源有非独立式和独立式两种，非独立式脉冲电源就是RC张驰式脉冲电源，而独立式脉冲电源则主要采用功率开关管来作为主回路结构的开关控制元器件。伴随着计算机控制技术的发展、电力电子技术的发展和现代控制理论的不断丰富，通过电火花来加工脉冲电源的技术也得到了很大
27、的进步和提升。其研究趋势主要有以下几方面的20，21，22，23；（1）节能型无限流电阻式。此电源的关键是通过采用限流电感这种电感不损耗能量，来替换限流电阻，从而达到节能。目前，国内哈尔滨工业大学研制过相应的电火花节能机床，国外的瑞士阿奇和三菱电机公司也有所涉猎。（2）电火花精微加工式。此电源的关键是通过控制脉冲放电的能量，提升表面加工质量。图1-3、图1-4所示为山东工业大学研制的电火花精微加工式电源示意图，与RC电源相比，其生产效率和加工质量要好很多。国外三菱公司推出了FS超精加工型配以专用的电极丝，可以加工微细表面，沙迪克公司的精加工的SQ电源，则可加工镜面。（3）智能化型。智能化的高频
28、脉冲是根据加工的状态，自动选择最佳脉冲参数的一类电源，与传统的等能量或等频域的脉冲信号电源相比，大大提高了自动化程度，加工过程一直处于优化状态，使加工状态稳定持续。（4）无电解型。这种电源在加工过程中无电解，不会产生电解变质层，从而可以升工件的表面器件加工质量。国外的一些公司诸如三菱电机公司，沙迪克公司都研制过此类电源。图1-3 电火花加工示意图图1-4 精微加工脉冲电源原理示意图2)脉冲电镀电源传统的电镀电流一般采用直流电流，采用脉冲电镀可以产生比直流电镀更优化的性能。脉冲电镀可以高效地控制金属电沉积，可以通过改变脉冲参数来改善电镀层的物理性能和化学性能，从而不仅可以节省贵金属的使用还可以获
29、得功能性镀层。脉冲电流的波形通常有方波、锯齿波、三角波和阶梯波等，但是就目前的市场应用情况而言，在工业生产中应用最为普遍的方波脉冲，所以高校和企业对脉冲电镀的研究也多围绕方波进行展开。由方波脉冲演变过来的脉冲形式有叠加性的直流脉冲、间断性脉冲和周期性换向脉冲。叠加性的直流脉冲主要是在直流基波的基础上叠加了方波脉冲。目前这种方法在国内市场上应用比较多，其中大多数都是以获得高度致密性同时具有一定的光洁度的镀层为目的。间断性脉冲是周期性的一种脉冲中断，因为存在间断时间，比较容易恢复放电离子，可以使得极限脉冲电流的密度得以提高23。半个世纪以来，在环境污染治理保护领域中，脉冲电源的技术得到了蓬勃的发展
30、，表现出了应用前景的广阔性，因而脉冲电源的技术在环境工程方面的应用也逐渐成为各国学术的研究热点。主要表现在以下几个方面24。(1)脉冲电晕等离子体法净化工业废气利用等离子体脉冲电晕法使废气得以进化是近十年刚刚兴起的一项新技术，是目前各国环境污染治理方面新兴技术方法的研究重点。这类脉冲电源常见的形式结构有脉冲变压器式电源、磁压缩式电源和空心变压器(Tesla)谐振充电式电源。其中脉冲变压器式电源技术比较成熟，于是获得了广泛的应用，其结构原理图如图1-5。从国内外目前的研究情况来看，可以利用纳秒级高压脉冲电晕放电产生等离子体化学技术净化的废气有:二氧化硫、氮氧化物（NOx）、甲苯（C6H5CH3）
31、、二甲苯、二氯甲烷（CH2Cl2）、己醇(C6H13OH)等。脉冲电晕等离子体法脱氮脱硫的技术在市场上具有很强的应用前景，也是国内外普遍关注的重点研究方向。八国集团中的美国、俄罗斯、日本、意大利、荷兰等国积极开展研究，中国也曾将该研究列为“九五”计划攻关项目。脉冲电晕等离子体法脱硫脱氮技术的主要研究重点是如何研制高压窄脉冲电源、如何使反应器结构优化、如何脱硫脱氮、如何理解等离子体化学反应机理以及如何选取添加剂等。图1-5 脉冲变压器式脉冲电源(2)高压脉冲放电废水处理鉴于实现高能化用高电压与绝缘技术比较容易实现，近年来将高电压与绝缘技术用于处理比较难以处理工业污水的研究已经激发了国内外研究者们
32、的很大的兴趣。李劲、李胜利两人提出了高压脉冲放电等离子体水处理技术。高压脉冲放电废水处理技术主要是利用以下四种效应:臭氧杀菌、高能电子轰击、放电等离子体中产生的活性自由基的作用、紫外线的光化学处理作用。高压脉冲放电等离子体水处理技术使得放电生产的臭氧与水直接融合作用，可以极大地简化了传统臭氧净水技术中气体干燥、电极冷却和水气混合等程序，可以使装置体积变小，不仅避免了臭氧质量浓度随时间的递增而衰减，而且可以充分发挥放电产生的活性粒子的净化效果。所以，与以前的臭氧净水方法相比较而言，高压脉冲等离子体水处理显然具有更好的市场应用前景。高压脉冲放电废水处理的研究重心主要集中在高等离子体生成法的优化设计
33、和压脉冲电源的设计。(3)脉冲静电除尘传统静电除尘通常采取直流高压的供电方式。在这样的供电方式下，粉尘层等效电容效应容易引起反电晕现象，会导致除尘率的下降。当用脉冲电源供电时，除尘器上面的粉尘层的等效电容在脉冲施加期间内仅仅会充上很少的电荷，在脉冲消失后所充电荷基本放完，所以除尘器的粉尘层上面不会因为积累电荷形成的高电压而使粉尘造成反电晕现象。因此与常规的直流电源供电除尘器相比，脉冲供电电源除尘器的除尘效果会更好。此外，对于不同的电阻率的粉尘，可以采取改变直流电流的基压、电压脉冲频率以及占空比，使得达到更好的除去灰尘的效果。利用脉冲静电来除尘的技术是目前市场上的一种非常领先的空气净化技术，若可
34、以将此先进的技术和工业生产中的脱硫脱氮技术相互结合应用，同时使用毫秒级、微秒级甚至纳秒级的脉冲开关电源给予供电，就可以实现除去灰尘技术和脱硫脱氮技术的一体化应用，可以极大地提高工业生产效率。就目前而言，无论是欧美还是国内，静电电除尘脉冲电源主要都采取在直流电流基础电压上迭加脉冲电压的研究方法，如图1-6所示，这种电源方案设计要求利用两台变压器组成两套电源，两套电源中一套用于产生直流基压脉，另一套用语产生脉冲电压，因此这两套电源的控制系统和内部结构都比较复杂，价格比较昂贵，所以这些方面在一定程度上限制了它的推广应用。图1-6 静电除尘脉冲电源示意图1.3课题的应用前景以脉冲电源设计的电磁发射的成
35、本远比火箭推进剂的成本低;而且在发射过程中的可控性能和安全性能也是化学发射器所不能及的。1）科研中的应用。在许多领域内要用到超高速运动的物体，用来研究材料状态方程等等，比如用超高速的弹丸模拟研究高速冲击粒子对宇宙飞船材料的影响。当小弹丸被加速到50km/s的时候去冲击核聚变燃料时，就会引发热核聚变，那么这将会使热核聚变这种核能转化变为可控制的。实际上目前人类的科研水平还不足以把一颗小弹丸从初速0加速到50km/s，因而用脉冲电源设计的电磁发射装置是帮助促成这种试验的高效工具8。2）电装甲防护中的应用。伴随着各种反坦克武器的出现，坦克装甲的防护要求也越来越高。传统的方法是采用增加装甲钢厚度，但这
36、并不是很理想的方法，并没有什么科技含金量。因此一种新型的防护方法电装甲防护就应运而生了，按照防护方式的不同可以分为主动式和被动式。其中美国陆军TACOM提出的两种全电坦克方案就是采用电装甲防护17，18。3）航空弹射器中应用。在航空母舰上由于航空母舰上的甲板长度有限，为了缩短舰载飞机起飞的跑道和起飞时间，常常使用蒸汽式弹射器，这种弹射器的效率比较低、体积庞大而且成本很高。重接式弹射器的能量转化效率比这种老式的弹射器可以提高十几倍，系统的质量可以减到5%左右，对弹射器的发展具有重大意义，在3s内使得一架36t的战斗机以227km/h的速度弹射出去。另外弹射器也能应用在小型航天飞机发射系统和微重力
37、试验抛射器等方面的领域内。电磁发射用脉冲电源的设计的意义和应用潜力现在尚很难估计，在各类国防武器、科学试验、航天和航空领域内有极其广泛和深远的应用前景9。1.4 电磁发射用脉冲电源的设计课题的研究意义由于脉冲电源拥有广阔的应用领域，因此研制高效、高可靠性、输出特性优良、智能化的脉冲电源对工程应用有重要的实际意义。同时，脉冲电源的研究设计电力电子、自动控制理论技术、电磁理论、新型功率开关器件的应用、优化、材料科学、电路系统建模等各个方面内容，因而脉冲电源的研究具有广泛的理论意义和学术意义。当下，国内对脉冲电源的研究与应用多数集中在高压、高频、智能化等方面，已经取得了一定的理论研究成果和很好的实际
38、操作应用价值，本文在参考了几篇相关脉冲电源设计思想的基础上，计划尝试一下在脉冲电源的高效、高频、智能化方面，主要是为了尽量地提高脉冲电源的频率、效率，从而提高电源的可操作性。其中通常研制的脉冲电源的技术指标为：输出电压：5-30V并且连续可调输出电流：5A脉冲频率：1KHz，5KHz、10KHz，20KHz，50KHz，100KHz，200KHz、500KHz、1MHz可选。输出占空比：10KH-100KHz在10%-100%以10%为级数逐级可调，200KHz、1MHz为50%的固定占空比。与相关类型电源相互比较而言，本脉冲电源的研制本着体积小、效率高的宗旨，同时对脉冲电源的频率性能提出了比
39、较高的要求，另外本电源的频率调整范围宽，占空比覆盖面广，能控性好，容易升级维护，具有很大的优越性。1.5本文结构第二章介绍了脉冲电源的基本原理，第三章介绍了脉冲电源的基本结构，第四章利用saber仿真软件对单个模块脉冲电源结构进行仿真。第二章 脉冲电源的原理脉冲电源本质上就是使脉冲功率能量压缩的电气装置，其中高功率脉冲电源应用范围很广，比如电磁武器中所使用的脉冲电源就是这一种，这种电源通常能够在10-9一10-3s的短暂时间内不间断地产生1-109J的能量或者更大的能量。脉冲电源具有多重形式，比如：磁通压缩式发电机、电容储能式、增频发电机、电感储能式、高压发电机，其中电容储能放电式脉冲电源应用
40、较为广泛，它的电路原理图如下所示:图2-1 电容储能放电式脉冲电源的电路原理图这种类型的脉冲电源系统中，通常电容是作为电源提供电能的储能元件，这种元件储存的能量基本上是以电能这种能量形式来实现。在电磁发射之前，首先通过使用直流高压电源给储能电容元件充满电荷，从而为电磁发射提供足够的能量。上面电路原理图中的字母S表示电源中的半导体的开关电源器件，它的开通与关断由电源中的信号触发控制电路来控制。字母L表示电源电路中的可变调波电感，其用来调节电流峰值和脉冲电流的前沿陡度。电路图中的二极管D的作用是用来组成电路中电容放电后的电路的续流回路。电枢和弹丸在电路中多数情况下是以负载的方式存在，其通过吸收被电
41、容所储存的电能，同时将它转化成为本身的机械能，从而使弹丸得以加速以及发射。2.1等效模型在电源电路中的应用储能电容放电式这种结构形式的脉冲电应用广泛，其工作原理为:储能电容器C先通过直流高压电源充电，充满电后，电容器两端的端电压就可以达到峰值，当开关S被控制电路触发导通时，电容器会立即向负载放电，通过续流回路来实现。其中，电容器C被要求是无电感或低电感的电容器，L为线路、电容器、负载、开关等固有电感的电感的和，通常情况下,会选择纯阻性的线性负载作为电路中的负载，将这些器件串联后构成的工作电路，这样就可以等效成为一个RLC放电回路。以下对该RLC串联放电电路进行原理分析。此RLC电路的方程为：
42、（2.1）对其取微分，得到的常系数微分方程： （2.2）电路的临界比为=0.5R，当开关S在t=0时刻触发导通时，电路中的电流i(0)=0，电容C的电压为Uc(0)=U0，根据这些初始条件，可求得电路方程在不同条件下的三种解：1）当1时，为过阻尼状态： (2.10)此时的电流为非周期性脉冲电流，其最高峰值和达到时间分别如下： (2.11) (2.12)比较上述结果，我们可以通过归纳得出以下三点结论，即无论电路中的放电脉冲电流是非周期性的还是周期性的，它们的共同点均是：（1）脉冲电流的最高峰值Im与电容器储能值W有一定关系。通过提高电容器的初始充电电压U0，或者增加电容C的电容值大小，都可以使I
43、m增大。（2）脉冲电流的最高峰值Im也也与放电脉冲回路中的电阻R值有一定关系，电阻值R越小，f()越大，而Im也越大。（3）脉冲电流的陡度峰值只由电容器的初始充电电压U0和放电脉冲回路的电感L决定，而与放电脉冲回路中的电阻值R的大小无关。适当提高电压值，或尽量减小电感值L，都可以增加脉冲电流的陡度。因此，在设计脉冲电源的过程中，应当充分考虑RLC串联电路的个性特点及其工作原理，尽力提高充电的电压和储能电容器的电容值（可以采用并联电容的办法），从而减小回路中的电阻和回路中的电感，并尽力削弱电路中的分布电阻和杂散电感的影响，这样便可以改善电源的储能、电流峰值和电流陡度等关键参数，从而可达到提高电源
44、电路系统的总体性能的目的。2.2电磁发射对脉冲电源的要求脉冲电源可以在比较长期的时间里把聚积起来的能量在非常短的时间之内转化成其他形式的能量放出去，因而可以产生短期内的高功率，一般情况下可以达到兆瓦到太瓦的功率等级。在发射轨道电磁炮时，由电源系统提供高能量（通过瞬间放电来完成），该能量通过电磁力作用在固体电枢上(当使用等离子体形式的电枢时成为Lorentz力25），推动加速电枢或弹丸，以Lorentz力这种形式把电源释放出来的电能转化成为弹丸和电枢的机械能。在这个过程中，给弹丸加速的力可以用对x的导数表示: (2.14)式中，Ls-定子驱动（驱动导轨或线圈）的电感；-电源释放的能量；Is-定子
45、驱动的电流；x-炮管长度La-电枢电流；M-定子驱动和电枢相互之间的互感。相比于轨道炮而言，如果假设在发射期间定子被驱动的电流Is、电枢的电感La为常量，并满足Is=Ia=I，则轨道炮上面的给弹丸加速的力: (2.15)式中，L0为单位长度上轨道的电感，根据以上两个式子可以得到: (2.16)设计以一台如此的轨道电磁炮为例子来进行计算电源参数：出膛时候的轨道炮弹丸的速度为1800m/s，炮管的长度为1.5m，弹丸质量为100g，弹丸在膛内的加速时间不超过2ms。可以假使武器发射时，弹丸在炮膛内作匀加速运动，则有： (2.17)式中的是弹丸在出膛时候的速度，是弹丸的初始速度。根据设计的要求，就可以计算出弹丸作匀加速运动所需要的加速度为1.08x106m/s2。根据物理学公式： (2.18)可以求出弹丸在膛内的加速时间为1.67ms。根据运动学上的牛顿第二定律： (2.19)则该加速弹丸所需要的外力为1.08x105N。该弹丸出膛那一刻的动能大小为162000J，查阅相关文献26可知，轨道炮的发射效率正常情况下约为30%，那么就可以计算出脉冲电源所要提供的能量必须要不低于540kJ，电源的功率应不低于292MW。对应用于电磁轨道炮的脉冲电源，一般对其有如下的额外要求2l；(l)通常的轨道电磁炮要求电流大小要达到100KA-1MA。(2)就电源电压而言，不同的电磁武