【摘 要】
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XRAM型脉冲功率电源具有电气性能好、拓展性强等特点,是电感储能型脉冲功率电源的主流方案之一。针对目前应用于电磁发射的电感储能型脉冲功率电源的发射效率较低、储能密度不够高等问题,本文开展了相关研究。针对XRAM电源已有的拓扑结构中使用器件较多的状况,本文提出了改进方案,使用单台电容器代替传统XRAM拓扑中分散在各级的若干台电容器,减少了回路的器件数量,降低了拓扑的复杂程度。增加了能量回收支路,能够
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XRAM型脉冲功率电源具有电气性能好、拓展性强等特点,是电感储能型脉冲功率电源的主流方案之一。针对目前应用于电磁发射的电感储能型脉冲功率电源的发射效率较低、储能密度不够高等问题,本文开展了相关研究。针对XRAM电源已有的拓扑结构中使用器件较多的状况,本文提出了改进方案,使用单台电容器代替传统XRAM拓扑中分散在各级的若干台电容器,减少了回路的器件数量,降低了拓扑的复杂程度。增加了能量回收支路,能够关断负载电流并实现能量回收,提高能量利用率。建立了XRAM型电源与轨道炮组成的电磁发射系统,分析了电源参数对系统发射效率的影响。在参数选取得当时,发射效率可以达到20%以上,与目前大部分实际应用的电容储能型电磁轨道炮系统的发射效率相当。对用于晶闸管强迫关断的ICCOS回路的逆流过程进行分析,提出了逆流回路参数的计算方法,开展试验对该计算方法进行了验证。在此基础上,对逆流电容器的电容量和电压等级进行了优化,有利于降低逆流电容器的体积,提高电源储能密度。开展了储能电感的电感量准确计算方法研究。分析了几种常用电感量计算方法的局限性,提出了基于部分元等效电路法的Brooks式电感的计算方法。参照有限元仿真结果,本文的部分元等效电路法的电感量计算误差小于1%。开展了高储能密度XRAM型脉冲功率电源的方案设计,主要从减小储能电感体积和紧凑布置电源器件两方面实现电源模块整体能密的提升。结合储能电感参数变化对系统发射效率的影响分析,确定了电感量优化的约束条件,再使用遗传算法,得到了4级储能电感的设计方案。在COMSOL Multiphysics仿真平台中,对此储能电感进行了发热量、机械强度等参数的校核,证明其在充电20 k A时能可靠工作。此优化设计的储能电感的能量密度达到39.51 MJ/m~3@20k A@100Hz。基于此电感和前述设计的最小化逆流单元,设计了紧凑型4级XRAM型脉冲功率电源模块,模块体积为0.035 m~3,充电20 k A时储能206.6 k J,储能密度达到5.94 MJ/m~3。
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