晶閘管關(guān)斷特性在增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)中的影響分析

李貞曉，張亞舟，倪琰杰，栗保明

（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210094）

晶閘管關(guān)斷特性在增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)中的影響分析

李貞曉，張亞舟，倪琰杰，栗保明

（南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210094）

基于一種增強(qiáng)型軌道炮負(fù)載特性，從機(jī)理上分析了大功率晶閘管關(guān)斷特性在增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)中的影響。研究結(jié)果表明，增強(qiáng)型軌道炮發(fā)射過(guò)程中脈沖成形網(wǎng)絡(luò)部分電能得不到有效利用，分析原因是增強(qiáng)型軌道炮的初始電感較大，導(dǎo)軌電流具有梯形波特性，從而使發(fā)射初始階段后膛電壓具有較高的幅值，導(dǎo)致該階段放電的脈沖成形單元存儲(chǔ)的電能沒(méi)有釋放完全，大功率晶閘管就因承受了反向電壓而關(guān)斷。通過(guò)對(duì)增強(qiáng)型軌道炮系統(tǒng)仿真和發(fā)射試驗(yàn)驗(yàn)證了上述結(jié)論。根據(jù)增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)中脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際狀況，對(duì)剩余電能再利用的方法進(jìn)行了探討。研究結(jié)論對(duì)大功率晶閘管在增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)中的工程應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

兵器科學(xué)與技術(shù)；晶閘管；脈沖成形網(wǎng)絡(luò)；電磁發(fā)射；增強(qiáng)型軌道炮

0　引言

電磁發(fā)射技術(shù)是新概念發(fā)射技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。電磁軌道發(fā)射對(duì)電源的基本要求包括高功率、大能量、快放電和電流精確調(diào)節(jié)。由多個(gè)電容儲(chǔ)能脈沖成形單元（PFU）組成的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（PFN）能夠滿足上述要求，所以被廣泛地用于電磁軌道發(fā)射的試驗(yàn)研究中，成為最有可能工程應(yīng)用的主要電源方案之一［1-6］。

脈沖放電開(kāi)關(guān)是PFN的關(guān)鍵元件之一。大功率晶閘管的性能和壽命近幾年來(lái)得到了很大的提升，已被廣泛地用作脈沖放電開(kāi)關(guān)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)晶閘管在PFN中的應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究，認(rèn)為其適用性好，優(yōu)點(diǎn)包括:1）固有電感和電阻?。?）開(kāi)通迅速、分散性??；3）觸發(fā)功率小、控制方式靈活；4）抗電磁干擾能力強(qiáng)；5）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕和抗振動(dòng)性強(qiáng)；6）配套簡(jiǎn)單、平均成本低等。有關(guān)晶閘管的研究多在以傳統(tǒng)軌道炮或模擬負(fù)載為供電對(duì)象的PFN系統(tǒng)或PFU模塊中開(kāi)展，研究?jī)?nèi)容包含了器件的原理特性、脈沖通流能力、熱管理、適用性、可靠性、時(shí)序控制、過(guò)電壓保護(hù)等諸多方面［7-17］。

本文基于一種增強(qiáng)型軌道炮的負(fù)載特性從機(jī)理上分析了晶閘管關(guān)斷特性在增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)中的影響，指出了在此發(fā)射工況下晶閘管匹配與應(yīng)用所存在的不足，通過(guò)系統(tǒng)仿真和發(fā)射試驗(yàn)驗(yàn)證了研究結(jié)論，同時(shí)探討和提出了消除晶閘管關(guān)斷特性影響的方法。研究結(jié)論對(duì)晶閘管在增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)中的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

1　系統(tǒng)原理、特性與影響分析

1.1增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)

一種增強(qiáng)型軌道發(fā)射系統(tǒng)的原理如圖1所示。圖1虛框內(nèi)右側(cè)所示為發(fā)射器，它是一種串聯(lián)式增強(qiáng)型軌道炮，由兩根主導(dǎo)軌和兩根副導(dǎo)軌（增強(qiáng)匝）組成，ig為導(dǎo)軌電流，ug為后膛電壓。虛框內(nèi)左側(cè)是PFN，由多個(gè)PFU并聯(lián)組成的，通過(guò)時(shí)序觸發(fā)方式控制各PFU向軌道炮供電；圖1中PFUk標(biāo)記為編號(hào)為k（k=1，2，…，n）的PFU，Ck、SCRk、Lk、Dk、RDk依次表示PFUk的儲(chǔ)能電容器、大功率晶閘管、調(diào)波電感器、續(xù)流二極管和緩沖電阻。

與傳統(tǒng)型軌道炮相比，由于增強(qiáng)匝提高了身管的電感梯度，增強(qiáng)型軌道炮在同等炮口動(dòng)能條件下發(fā)射所需脈沖電流小，有利于克服導(dǎo)軌燒蝕、電樞等離子體化等缺點(diǎn)，是電磁軌道發(fā)射技術(shù)重要發(fā)展方向之一［2，18-23］。

圖1　增強(qiáng)型電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)的原理圖Fig.1 Schematic diagram of augmented railgun system

1.2發(fā)射器負(fù)載特性分析

1.2.1導(dǎo)軌電流

理想的導(dǎo)軌電流特性曲線如圖1右上曲線所示，即發(fā)射器要求PFN提供的電流ig上升快速、具有平臺(tái)特性（梯形電流波）。圖1中tf為導(dǎo)軌電流上升時(shí)間，Ig為導(dǎo)軌電流的幅值（平頂值），td為導(dǎo)軌電流下降時(shí)間。

由圖1可知，ig滿足:

式中:ik是PFUk支路的輸出電流。通過(guò)改變PFUk的充電電壓和控制SCRk的導(dǎo)通時(shí)刻，PFN可以向?qū)к壧峁┙评硐氲奶菪坞娏鳌?/p>

1.2.2后膛電壓

基于具有梯形波特性的ig考察后膛電壓特性。設(shè)增強(qiáng)型軌道炮的等效初始電阻為R0，等效初始電感為L(zhǎng)0，導(dǎo)軌的等效電阻梯度為r′，等效電感梯度為l′，其中l(wèi)′還包含了副導(dǎo)軌與主導(dǎo)軌間的互感梯度，電樞膛內(nèi)位置為x（與裝填點(diǎn)的距離），電樞與主導(dǎo)軌之間的接觸電壓為ua，發(fā)射過(guò)程中ug可以表示為

分析ig上升階段（tf階段）的ug.忽略電流趨膚效應(yīng)及其他外因影響，假設(shè)發(fā)射過(guò)程中R0、r′、L0、l′等參數(shù)不發(fā)生變化。在ig上升階段，電樞處于由靜止到低速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，位移量小，可不考慮與x相關(guān)的乘積項(xiàng)，（2）式簡(jiǎn)化為

R0易于控制、通常為毫歐量級(jí)甚至更低，因此式中R0ig項(xiàng)比較??；在主導(dǎo)軌與電樞接觸良好時(shí)，ua也非常小。為了利用較短長(zhǎng)度的身管實(shí)現(xiàn)電樞的平穩(wěn)加速，ig被要求在tf階段具有較大的d ig/d t.由（3）式可知，L0對(duì)該階段的ug具有決定作用，其大小主要由軌道炮類型以及電路連接方式?jīng)Q定。此處分析的是對(duì)激勵(lì)的影響，故應(yīng)將PFN輸出端至導(dǎo)軌的供電線纜的雜散電感歸算到L0中。傳統(tǒng)軌道炮因只有兩根主導(dǎo)軌、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，L0較小，但增強(qiáng)型軌道炮存在增強(qiáng)匝，且導(dǎo)軌電流跨接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，L0比較大，由此可知增強(qiáng)型軌道炮在tf階段具有高幅值的ug.這里假設(shè)L0為3μH，若軌道炮發(fā)射時(shí)要求Ig為2MA，tf為1 ms，則（3）式中僅L0d ig/d t項(xiàng)就高達(dá)6 kV.分析表明大型增強(qiáng)型軌道炮ig上升階段ug可能高達(dá)十幾個(gè)千伏。

分析ig平穩(wěn)階段的ug.當(dāng)ig到達(dá)幅值Ig以后（2）式可以簡(jiǎn)化為

式中:v是電樞的運(yùn)動(dòng)速度。（4）式等號(hào)右側(cè)后兩項(xiàng)正常發(fā)射時(shí)數(shù)值非常小，右側(cè)第一項(xiàng)l′設(shè)計(jì)值一般在1μH/m左右，電樞出膛速度v一般為2～2.5 km/s［2，4，16，23-25］，因此，與tf階段相比，ig平穩(wěn)后的ug將小得多。

1.3晶閘管關(guān)斷特性的影響分析

1.3.1理想負(fù)載工況

晶閘管是半控型器件，開(kāi)關(guān)特性簡(jiǎn)述如下:1）承受反向電壓時(shí)不會(huì)開(kāi)通；2）承受正向電壓時(shí)僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下才能開(kāi)通；3）一旦開(kāi)通，門(mén)極就失去控制作用，關(guān)斷只能通過(guò)外加電壓和外電路作用使流過(guò)元件的電流降到接近0的某一數(shù)值以下。

PFN的理想負(fù)載是近于短路的小電阻負(fù)載，分析此工況下晶閘管的匹配與應(yīng)用情況。設(shè)Ck為Ck的電容，Lk為L(zhǎng)k的電感，rk為Ck支路雜散電阻（rCk）、SCRk通態(tài)電阻（rSCRk）、Lk支路雜散電阻（rLk）之和，ik、uCk、uLk、uRk依次為PFUk的輸出電流、Ck端電壓、Lk端電壓、雜散電阻的電壓，uCk0為PFUk的放電初始電壓，SCRk導(dǎo)通后PFUk首先進(jìn)行RLC 2階放電，則ik為

1.3.2增強(qiáng)型軌道發(fā)射工況

受限于晶閘管的通流能力，現(xiàn)階段應(yīng)用于電磁發(fā)射的PFU存儲(chǔ)的電能多為幾十千焦到一、二百千焦，輸出脈沖電流的峰值通常在一百千安左右或更小，波前時(shí)間一般為數(shù)百微秒［2，8-12］，因此中、大規(guī)模的發(fā)射系統(tǒng)需要數(shù)量很多的PFU并聯(lián)時(shí)序放電。從簡(jiǎn)化系統(tǒng)、便于調(diào)控電流波形等方面考慮，通常使PFN中各PFU的結(jié)構(gòu)與參數(shù)均相同。當(dāng)負(fù)載（發(fā)射器、發(fā)射參數(shù)）相同時(shí)，若系統(tǒng)總儲(chǔ)能和工作電壓相同，PFN包含的PFU數(shù)量越多（即PFU儲(chǔ)能?。琍FU 2階放電的固有頻率也就越易于提高，PFN的時(shí)序觸發(fā)放電控制點(diǎn)也越多，越易于進(jìn)行波形調(diào)節(jié)以滿足ig梯形特性的要求。

在數(shù)兆焦及以上炮口動(dòng)能的發(fā)射工況下，PFN儲(chǔ)能一般需達(dá)炮口動(dòng)能3倍甚至更高，且需要的Ig高達(dá)幾個(gè)兆安級(jí)，tf長(zhǎng)達(dá)一、兩個(gè)毫秒，由于PFU儲(chǔ)能小、2階放電的固有頻率高，因此在tf階段將需要多個(gè)PFU進(jìn)行時(shí)序放電以滿足ig梯形波特性的要求。若在tf階段某一時(shí)刻共有m個(gè)PFU同時(shí)放電，則易知其中一個(gè)PFU放電等效負(fù)載的電阻分量和電感分量將增大m倍，而等效負(fù)載的電阻分量和電感分量即為軌道炮的R0和L0.設(shè)Cek、Lek、Rek依次表示此工況下PFUk的等效電容、等效電感、等效電阻，則Cek=Ck，Lek=Lk+mL0，Rek=rk+mR0.

于是2階放電時(shí)PFUk的輸出電流i′k為

2階放電時(shí)PFUk的電壓平衡方程為

分析此工況下SCRk的開(kāi)關(guān)過(guò)程及其關(guān)斷特性產(chǎn)生的影響。為了簡(jiǎn)化討論，這里不妨假設(shè)參與放電的PFUk的晶閘管通態(tài)過(guò)程被包含于tf之內(nèi)。m個(gè)PFU在同一時(shí)刻觸發(fā)放電，等效負(fù)載增大（但仍比臨界阻尼負(fù)載小得多），由（6）式可知SCRk觸發(fā)開(kāi)通后PFUk放電不再滿足近似等幅振蕩放電的條件，而是變?yōu)榉邓p較快的振蕩放電。根據(jù)前述增強(qiáng)型軌道炮負(fù)載特性，tf階段ug具有較高的幅值。比較（5）式與（6）式，考慮到ug相對(duì)較高將使u′k0數(shù)值變小，并注意到（5）式、（6）式中各參數(shù)取值的量級(jí)，則易知（6）式i′k的峰值較（5）式ik的峰值將小很多。ik的峰值變小意味著多個(gè)PFU同時(shí)放電時(shí)各PFU電感器能量中間變換的作用被弱化。忽略u(píng)Rk的影響（因rk較小），分析（7）式可知，PFUk放電過(guò)程uCk和ug之差即為uLk，uLk與i′k之間滿足Lkd i′k/d t，故當(dāng)uCk等于ug時(shí)i′k達(dá)到峰值，而后i′k將衰減下降，uLk極性改變。由于i′k峰值小，uLk極性改變后的幅值也不大，在uCk略低于ug后SCRk便承受了反向電壓而關(guān)斷。此工況下高幅值的ug將使PFUk放電過(guò)程中SCRk承受反向電壓關(guān)斷時(shí)具有較大的uCk.結(jié)合（1）式分析可知，若發(fā)射工況相同，tf階段某一時(shí)刻m值越大，i′k峰值就相對(duì)越小，SCRk承受反向電壓關(guān)斷時(shí)刻uCk則相應(yīng)越高。由以上分析可得，tf階段高幅值ug和多個(gè)PFU同時(shí)放電將帶來(lái)一個(gè)不利的結(jié)果:在uCk較高時(shí)SCRk就承受了反向電壓而關(guān)斷，由晶閘管開(kāi)關(guān)特性可知其關(guān)斷狀態(tài)將一直保持下去，這必然使Ck中存儲(chǔ)電能得不到全部利用，即此工況下晶閘管關(guān)斷特性將使得系統(tǒng)部分電能得不到釋放與利用。

在ig到達(dá)Ig以后，Ck剩余電能能否繼續(xù)釋放與脈沖放電開(kāi)關(guān)的特性直接相關(guān)。由于在ig達(dá)到Ig以后ug將大幅降低，如果脈沖放電開(kāi)關(guān)采用無(wú)極性短路類型開(kāi)關(guān)，則Ck在后續(xù)過(guò)程中會(huì)因uCk大于ug再次向?qū)к壒╇姡环治霰砻鳎藭r(shí)PFUk放電將伴隨一個(gè)反向充電與脈沖放電相互交替的振蕩過(guò)渡過(guò)程。

2　仿真與試驗(yàn)

基于某試驗(yàn)軌道發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證前述分析結(jié)論。試驗(yàn)系統(tǒng)的PFN額定儲(chǔ)能為13MJ，額定工作電壓為10 kV，由13個(gè)1MJ脈沖成形子系統(tǒng)（PFS）并聯(lián)組成，每個(gè)PFS包括20個(gè)額定儲(chǔ)能50 kJ的PFU.PFS如圖2所示。PFU主要元件包括1臺(tái)金屬化膜電容器（1 mF/10 kV）、1只環(huán)氧澆筑箔式電感器（20μH/20 kV）、1個(gè)大功率晶閘管串聯(lián)組件（100 kA/20 kV）、1個(gè)大功率二極管串聯(lián)組件（100 kA/20 kV）等。試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)軌道炮是一個(gè)中口徑串聯(lián)增強(qiáng)型軌道發(fā)射試驗(yàn)裝置，具備發(fā)射數(shù)兆焦動(dòng)能、數(shù)千克質(zhì)量電樞的能力。

根據(jù)PFN等效電路、軌道炮等效電路、電樞運(yùn)動(dòng)方程等建立了機(jī)電系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。仿真算例設(shè)置如下:PFN工作電壓為9 kV，模型主要參數(shù)如表1所示。全部PFU分17組進(jìn)行時(shí)序放電，各組之間時(shí)間間隔均為150μs；設(shè)各PFS的PFU內(nèi)部編號(hào)依次為1～20，第1組包含52個(gè)PFU，由每個(gè)PFS的1～4號(hào)PFU組成；第2組至第17組每組均包含13個(gè)PFU，由各PFS的1個(gè)PFU組成。仿真假定發(fā)射過(guò)程中電樞質(zhì)量不變，并認(rèn)為電樞在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與導(dǎo)軌始終接觸良好，忽略二者之間的接觸電壓，且認(rèn)為二者之間的摩擦力不變。仿真計(jì)算采用Matlab/Simulink軟件。模型參數(shù)設(shè)定說(shuō)明如下:1）PFU模型中各支路的雜散電阻和電感計(jì)入仿真電路。雜散參數(shù)采用輸出電流基頻靜態(tài)測(cè)量值；2）軌道炮機(jī)電模型的控制參數(shù)，如初始電感、初始電阻、電感梯度和電阻梯度采用導(dǎo)軌電流基頻靜態(tài)測(cè)量值。PFN匯流輸出端至導(dǎo)軌尾端的連接線纜的等效電感與等效電阻計(jì)入軌道炮的初始電感與初始電阻，也采用基頻靜態(tài)測(cè)量值。

圖2　1 MJ脈沖成形子系統(tǒng)Fig.2 1MJ pulse forming subsystem

表1　系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)Tab.1 Key parameters of simulation model

發(fā)射試驗(yàn)研究使用了1 kg鋁制U形電樞，PFN工作參數(shù)的設(shè)置與仿真算例完全相同。仿真計(jì)算和發(fā)射試驗(yàn)獲得的結(jié)果與第1節(jié)理論分析所得結(jié)論一致，證明了發(fā)射初始階段（tf階段）放電的PFU電容器具有較高的剩余電壓，也即晶閘管關(guān)斷特性將使得系統(tǒng)部分電能得不到釋放與利用。

仿真計(jì)算所得某一PFS的20個(gè)PFU的電容器電壓（u1～u20）的曲線如圖3所示。此算例下前5組PFU（即PFU1～PFU5）的電能不能得到完全釋放，其剩余電壓依次約為2.37 kV、4.00 kV、2.92 kV、1.62 kV、0.35 kV，該部分電能約占系統(tǒng)總儲(chǔ)能的3.07％.

圖3　PFU的電壓仿真曲線Fig.3 Simulation voltages of PFUs

發(fā)射試驗(yàn)中部分PFU的電容器電壓實(shí)測(cè)曲線如圖4所示。受限于測(cè)量設(shè)備，試驗(yàn)僅選取了第1、4、9、14組PFU的電容器電壓進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)應(yīng)曲線依次標(biāo)記為uT1、uT4、uT9、uT14.為了便于比較，圖4同時(shí)給出了仿真所得對(duì)應(yīng)各組PFU的電容器電壓曲線，依次標(biāo)記為uS1、uS4、uS9、uS14.實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線基本一致。試驗(yàn)時(shí)PFU放電初始電壓低于9 kV，是因?yàn)殡娙萜鞔嬖谛孤╇娏?，試?yàn)中PFU自充電完成到觸發(fā)放電有長(zhǎng)約5 s的觸發(fā)命令等待時(shí)間。

圖4　PFU的電壓實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線Fig.4 Experimental and simulation voltages of PFUs

圖5　導(dǎo)軌電流和后膛電壓的實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線Fig.5 Rail currents and breech voltages for simulation and experiment

仿真計(jì)算與發(fā)射試驗(yàn)得到的導(dǎo)軌電流與后膛電壓曲線如圖5所示，iSg與uSg為仿真所得導(dǎo)軌電流與后膛電壓波形，iTg與uTg為發(fā)射實(shí)測(cè)波形。仿真與發(fā)射試驗(yàn)的后膛電壓波形均表明發(fā)射初始階段其具有較高幅值，與前述理論分析一致。仿真與試驗(yàn)的導(dǎo)軌電流波形均具有平臺(tái)特性，上升階段二者波形比較吻合，隨后出現(xiàn)較為明顯的差別，特別在拖尾部分實(shí)測(cè)電流較仿真電流要小很多，最大差值約200 kA.分析認(rèn)為主要原因包括:1）為了簡(jiǎn)化模型，仿真中各PFU采用了相同量值的雜散參數(shù)，而實(shí)際情況與之不同，受限于PFS架體結(jié)構(gòu)，編號(hào)較小的PFU（觸發(fā)時(shí)序在前）距離PFN匯流器較近、輸出電纜較短，相應(yīng)雜散參數(shù)較小，而編號(hào)較大的PFU距離匯流器較遠(yuǎn)、輸出電纜較長(zhǎng)，相應(yīng)雜散參數(shù)則大得多（PFS架體結(jié)構(gòu)與各PFU輸出電纜情況如圖2所示）；2）仿真模型中系統(tǒng)各處等效電阻和等效電感為特定頻率下的靜態(tài)測(cè)量值，而發(fā)射過(guò)程中系統(tǒng)各處電阻與電感是動(dòng)態(tài)變化的，動(dòng)態(tài)值與仿真參數(shù)存在差別；3）發(fā)射時(shí)各PFU電容器初始電壓低于仿真電壓；4）發(fā)射過(guò)程中存在鋁制電樞燒蝕現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電樞與導(dǎo)軌可能變?yōu)殡娀⌒越佑|。此外，仿真還無(wú)法模擬發(fā)射過(guò)程中電樞與導(dǎo)軌之間接觸電壓的變化、身管金屬約束部件感應(yīng)渦流對(duì)發(fā)射器性能產(chǎn)生的影響等。

3　電能再利用方法探討

發(fā)射初始階段放電的PFU的一部分電能不能被利用，如何改善晶閘管的匹配效果，使剩余電能再次得到有效利用具有重要意義。

因ig達(dá)到Ig以后ug將大幅降低，后續(xù)發(fā)射過(guò)程中tf階段放電的PFU電容器剩余電壓將大于ug，據(jù)此分析認(rèn)為，剩余電能再利用的一個(gè)可行方法是通過(guò)改進(jìn)PFN的控制軟件，設(shè)置二次放電時(shí)序?qū)FU進(jìn)行晶閘管二次觸發(fā)放電。晶閘管二次觸發(fā)時(shí)刻應(yīng)設(shè)置在ig達(dá)平頂以后的下降階段（td階段），因?yàn)樵撾A段ug已近乎最?。ㄈ鐖D5所示）?；诘?節(jié)仿真算例對(duì)二次觸發(fā)放電的效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，將所有PFS的PFU1～PFU8按同編號(hào)同組分成8組進(jìn)行二次觸發(fā)放電，各組放電的時(shí)序間隔設(shè)為50μs，二次觸發(fā)起點(diǎn)設(shè)定首次觸發(fā)放電后的2.6ms時(shí)刻。該仿真算例所得曲線如圖6所示，圖6中u1～u8為各PFS的PFU1～PFU8的電容器電壓，v1是沒(méi)有二次觸發(fā)放電的電樞出膛速度，v2是具有二次觸發(fā)放電的電樞出膛速度。仿真表明，PFU的剩余電能獲得了利用，電樞出膛速度由2 188.4 m/s提高到了2 265.3m/s，系統(tǒng)的發(fā)射效率由22.74％提高到了24.37％.

圖6　二次觸發(fā)放電仿真電壓曲線和電樞速度曲線Fig.6 Simulation voltages of PFU1～8and simulation velocity of armature

另外，適當(dāng)增大tf階段放電的PFU的電容和電感，即對(duì)于這部分PFU進(jìn)行技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，也可以有效地解決剩余電能的再利用問(wèn)題。在額定電壓不變的條件下，電容與電感增大意味著PFU儲(chǔ)能變大，且其2階放電等效電路的固有周期變長(zhǎng)，即tf階段放電的PFU向?qū)к壒╇姷臅r(shí)間變長(zhǎng)，從而使得在ig達(dá)到平頂后該部分PFU電壓仍高于ug.這種方法當(dāng)前階段有較大難度，原因是一方面增大PFU儲(chǔ)能必將對(duì)晶閘管通流能力提出更高的要求，另一方面與等參數(shù)PFU結(jié)構(gòu)的PFN相比較，若這部分PFU參數(shù)與其他PFU參數(shù)不一致，將增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

4　結(jié)論

1）理論分析、仿真和試驗(yàn)研究的結(jié)果表明，受晶閘管關(guān)斷特性的影響，增強(qiáng)型發(fā)射系統(tǒng)中PFN的一部分電能得不到有效利用。增強(qiáng)型發(fā)射系統(tǒng)中發(fā)射初始階段放電的PFU停止供電時(shí)其電容器具有較高幅值的端電壓，原因主要是增強(qiáng)型軌道炮較大的初始電感和導(dǎo)軌電流的梯形波特性導(dǎo)致發(fā)射初始階段后膛電壓具有較高幅值，使得晶閘管在PFU的儲(chǔ)能電容器電能沒(méi)釋放完畢就因承受了反向電壓而關(guān)斷。

2）對(duì)初始階段放電的PFU的剩余電能再利用的方法進(jìn)行了探討。分析認(rèn)為，一個(gè)可行的方法是對(duì)PFN的控制功能進(jìn)行改進(jìn)，借助軟件實(shí)現(xiàn)晶閘管二次觸發(fā)放電；采用仿真驗(yàn)證二次觸發(fā)放電的效果。使發(fā)射初始階段放電的PFU剩余電能再次得到有效利用將有助于提高發(fā)射效率，是下一步的研究重點(diǎn)。

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Analysis on the Influence of Turn-off Characteristics of Thyristor on Augmented Railgun

LI Zhen-xiao，ZHANG Ya-zhou，NI Yan-Jie，LI Bao-ming
（National Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Based on the load characteristic of an augmented railgun，the influence of turn-off characteristics of high power thyristor is analyzed.The research shows that part of electric energy in pulse forming network cannot be used effectively in the process of launching experiment.The major reason is that the initial inductance of augmented railgun is larger and the rail current is of trapezoidal wave.Thus the breech voltage of augmented railgun is higher at the initial phase of launch，leading to the situations when the high power thyristor is shutoff due to reverse voltage and the stored electric energy of pulse forming unit is not released entirely during discharging.The above conclusions are verified by the simulation and experiment of augmented railgun.According to the actual state of the pulse forming network in augmented railgun，the reuse of remaining energy is discussed.The research conclusion has a guiding role for the application of high power thyristor in augmented railgun system.

ordnance science and technology；thyristor；pulse forming network；electromagnetic launch；augmented railgun

TJ99

A

1000-1093（2016）09-1599-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.007

2015-06-23

國(guó)防科技預(yù)先研究基金項(xiàng)目（9140C300502130C30001）

李貞曉（1975—），男，博士研究生。E-mail:lizhxnjust@126.com；栗保明（1966—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:libaoming@mail.njust.edu.cn