电子发射的应用 综述︱电磁发射系统中电力电子技术的应用与发展

综述︱电磁发射系统中电力电子技术的应用与发展

中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。

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海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员马伟明、肖飞、聂世雄，在 2016 年第 19 期《电工技术学报》上撰文指出，近年来随着电力电子技术的飞速发展，推动了电磁发射技术稳步走向工程应用。

本文列举了电力电子技术在电磁发射储能系统、脉冲功率变换系统、闭环运动控制系统中的典型应用，并对后续加快电力电子技术的发展提出了几点建议。

电磁发射装置是一类利用脉冲功率发生装置产生的电磁力推动负载达到最大速度的装置，它的实质是将电磁能变换为发射载荷动能的能量变换装置[1-4]。电磁发射系统主要由储能系统、脉冲功率变换系统、脉冲发射装置和闭环运动控制系统四部分组成，如图1所示。

图1 电磁发射系统组成

电磁发射系统的工作原理是：储能系统以较小的功率长时间地从电网吸收和存储能量；当储存的能量满足发射所需后，一旦接收到发射命令，立即向脉冲功率变换系统释放能量；脉冲功率变换系统将储能系统释放的电能变换为脉冲发射装置工作所需的脉冲电能，产生电磁力推动发射体运动；闭环运动控制系统实时地控制发射体的运行轨迹，确保在预定的位置将其加速至设定的末速度，完成发射任务。

图2展示了电磁发射技术在军事领域及民用领域的广泛应用需求和前景。以航母舰载机发射系统为例，相对于传统的蒸汽发射，电磁发射具有过程可控性好、发射机种类多、应急响应快、出动率高、可维护性和适装性良好等显著优势。

图2 电磁发射技术应用

电磁发射本质上是能量的变换，为实现这一能量变换过程，需要应用大量的电力电子装置及相适应的控制技术，对电力电子装置在总体设计、拓扑结构选择、控制系统设计以及辅助系统的设计等方面提出了很高的要求，具体体现在：

1发射过程具有超大功率、脉冲式、间歇循环式的工作特点，要求电力电子装置具备大幅调节电流和电压的能力；2可靠性要求极高，系统设计时在硬件和软件上需采用冗余设计；3在主电路拓扑结构的选择和设计方面，受到单个开关器件功率等级的限制，通常需要进行器件级、单元级以及装置级的串并联集成；4发射过程中，控制对象呈现显著的非线性特征，对参数辨识和控制器的设计提出极高的要求；5装置之间的信息流错综复杂，对于控制系统的时序配合和同步提出了很高的要求；6在特定的应用场合下（如水上、水下、陆上移动平台上），对装置的体积、重量、噪声、散热等方面提出了严苛要求，要充分考虑到电磁发射系统脉冲间歇式的工作特点，进行装置设计和系统集成，以满足系统的功能及性能指标。

综上，正是由于电磁发射系统对电力电子装置强烈的应用需求以及对性能、可靠性、适装性等方面的极高要求，促进了电力电子技术在电磁发射系统中的应用和升级，推动了电力电子学科的发展。下文着重介绍电力电子技术在电磁发射储能系统、脉冲功率变换系统以及闭环运动控制系统中的典型应用。

2 能量存储与释放技术

2.1 储能方案设计与对比

电磁发射装置瞬时功率极大（100MW级至GW级），按能量的存储形式，现有的储能方案主要有三种：1化学储能，如蓄电池、超级电容器和脉冲电容器等；2机械能储能，如飞轮储能；3超导储能。

表1列举了以上三种储能方式的优缺点。超导储能虽然具有能量密度大、效率高、响应速度快的优点，但由于运行环境要求苛刻、影响超导带材失超的因素较多、体积重量较大等原因，暂时还处于机理研究及实验样机研制阶段。结合电磁发射系统工程化和可靠性等方面的要求，下文主要介绍惯性储能系统的逆变装置和励磁装置、超级电容器充电装置的设计和控制。

表1 三种储能方式的对比分析

2.2 功率柔性输出逆变装置的设计及控制

储能系统逆变装置的本质是一台具备变频变压调速功能的变频装置，能够以较小的功率拖动或制动储能电机[5-7]，采用大容量多电平电力电子变流器的模块化设计方案[8，9]，其电路拓扑如图3所示。

图3 储能逆变装置主电路拓扑

储能电机作为电磁发射系统的脉冲电源，其转速在发射期间将发生大幅跌落。高转速大突变系统的控制稳定性问题是储能逆变装置的关键问题，难点在于：

1转速测量的时延，在高速系统中会造成更大的角度偏差，极大的降低了控制器的稳定裕度；2储能电机始终工作在加速或减速过程，发射期间，储能拖动电机转速的急剧变化使得转速的精确测量变得更加困难，严重时甚至会导致磁链和转矩解耦失败；3储能拖动电机的转速突然剧烈变化，会导致电机的输出转矩突然变化，从而使得电机输出电流剧烈变化，从而增加了储能逆变装置对输出电流的控制难度。

为解决高转速大突变系统的控制稳定性问题，主要从以下几方面进行改进：

1改进转速测量算法，采用带有转速预估的隆伯格转速观测器进行转速预估，从而尽量降低转速测量的时延和误差，保证在高速段转速测量及角度测量的正确性；

2通过对高压大功率IGBT三电平电路特点的分析，实现了储能逆变装置损耗的准确计算，优化逆变装置的散热设计，最大程度地提高逆变装置的开关频率；

3在控制算法中，基于输出功率变化率限值，实时调整输出功率的最大值，确保储能装置的输出功率和功率变化率不超出限制，大大降低了储能电机转速大范围快速变化时对电网的冲击，实现逆变装置对储能拖动电机的柔性控制。

采用上述改进后，电机在高转速和大突变条件下仍然可以实现转矩电流的精确跟踪，并保证控制的稳定性。电机转速、d轴和q轴电流波形如图4所示。

图4 实验验证波形

2.3 储能电机能量脉冲释放控制技术

与普通发电机励磁系统的要求不同，电磁发射储能电机的励磁装置需要在很短时间内大幅度提高输出功率，即快速强励过程。励磁装置通过急剧增大励磁机的励磁电流来快速提高主发电机的励磁电流，满足电磁发射期间励磁调节快速性的要求[10-12]。

图5为储能电机励磁装置及其控制系统原理框图，励磁装置包括励磁控制器、励磁电流功率放大器、转枢式励磁机及旋转整流器。励磁系统的工作原理为：励磁电流功率放大器在励磁控制器控制下，向转枢式励磁机的励磁绕组提供励磁电流，实现第一级励磁功率放大；励磁机转子电枢输出交流电压，经同轴的旋转整流器向主发电机转子上的励磁绕组提供励磁电流，实现第二级励磁功率放大。

图5 储能电机励磁控制系统原理框图

为了满足电磁发射所需的短时强励功能，储能电机励磁装置采用了以下措施：

1采用电压双象限H桥电路拓扑，克服了励磁绕组平均电压低与较高的励磁电压（励磁电压高响应速度快）导致的PWM控制信号占空比过低的矛盾，大大提高了励磁电流输出调节的响应速度；

2针对储能发电机转速快速下降、输出功率短时大幅线性增加的工况，采用前馈加双闭环反馈的励磁控制策略，提高了励磁电流指令的变化速度，大大加快了控制系统电流环的响应速度和电压环的调节精度；

3在前馈控制中分别引入电压分量和电流分量的超前校正网络，克服了系统大惯性时间常数造成的影响，进一步提高了系统响应速度[13-16]。

图６为励磁装置在发射过程中的励磁电源电压、输出电流和励磁电源电流波形。可以看出励磁电源电压基本稳定，输出电流和励磁电源的电流呈线性增加。

图6 励磁装置输出线性增加的电流

2.4 脉冲电容器储能装置的充电控制技术

电容型脉冲功率电源是导轨式电磁发射装置的供电能源，其中脉冲电容器是其核心储能元件。与传统的电容器不同，因电磁发射作用时间短且储能规模大，从而兼具超大能量和超高功率输出的特点。以32MJ动能导轨式电磁发射为例，其单次输出能量达百兆焦、瞬时输出功率达数十吉瓦。在需要连续快速发射的场合，单一储能难以满足该要求。

海军工程大学提出了导轨式电磁发射装置应采用混合储能方式供电，其原理如图7所示，电路简图如图8所示。混合储能的核心思想是将电网能量在较长时间内以较小功率存储在电池中，在需要发射时，在短时间内将能量传递至电容器中，最终在毫秒级瞬时以超大功率由电容器提供给负载。混合储能利用化学储能的高能量密度和物理储能的高功率密度，实现了能量的压缩和功率的放大。

图7 电池+电容型混合储能装置原理图

图8 利用蓄电池对脉冲电容器充电电路简图

在直流斩波、恒压充电和台阶式充电等充电方式中，海军工程大学提出了图8所示的台阶升压式充电方式，用于实现电池对脉冲电容器的快速充电。台阶升压式充电结构简单，具有近似恒流的输出特性，且开关频率低、损耗小。

为了实现能量转移过程的精确控制，电池对脉冲电容器的充电采用双环控制策略，外环采用均衡控制方法，降低蓄电池大倍率放电时的发热量，保证放电一致性，延长使用寿命；外环采用时序串联控制方法，并引入时序重构算法，满足对脉冲电容器的精准快速充电。

3 脉冲功率变换技术

储能电机输出的电能不能直接供给脉冲发射装置，必须通过脉冲功率变换系统将电能经过交-直-交环节，变换成幅度、频率、相位及相关动、静态指标符合要求的电能。发射装置如果采用分段供电的形式，还需要通过分段切换开关输送给脉冲发射装置。

3.1 脉冲式整流装置的设计

电磁发射脉冲整流装置的输出功率需从0到几十MW迅速变化，且以脉冲间歇的特殊模式运行，装置要承受剧烈的脉冲冲击，这对其晶闸管触发控制的精度和响应速度都提出了很高的要求。

脉冲功率变换整流装置选择可控硅作为开关器件，正常工作时，可控整流桥处于不控整流工作模式，此时最简单、可靠的触发方式为持续施加触发脉冲。但在脉冲超大功率应用场合，持续触发方式会带来极大的暂态损耗；而如果采取实时相控来准确控制晶闸管触发脉冲投切的话，由于整流桥输入频率、输入电压快速变化，并且输入电压波形畸变严重，给相控策略的实现带来了很大难度，也将大大增加控制的复杂性，随之带来装置可靠性的下降。

针对电磁发射整流装置特殊的工作特性，在综合考虑触发板损耗与系统可靠性的基础上，脉冲功率变换整流装置的触发脉冲采取脉冲列的形式，脉冲列的高、低电平占空比均为50%，既能保证晶闸管对触发脉冲持续时间的要求，又能在较大程度上减小触发板损耗，触发脉冲列如图9所示。

同时针对晶闸管功率脉冲进行优化，触发控制逻辑会主动撤除不必要的触发脉冲来降低门极功耗，因而门极功耗安全裕量增大，可以使用更强的触发脉冲来增强晶闸管的动态性能。大部分情况下依靠预触发脉冲即实现了晶闸管的可靠导通，实际工作中触发电路需要发送的触发脉冲的数量很少，触发控制策略能有效控制门极功耗。

图10为晶闸管的端电压、阳极电流和触发脉冲波形，可见依靠预触发脉冲即实现了晶闸管的可靠导通。

图9 触发脉冲电压电流波形

图10 晶闸管端电压、阳极电流、触发脉冲波形

3.2 脉冲式逆变装置的设计

脉冲式逆变装置的单台容量达几十MV·A，输出电压达几千伏、输出电流高达上万安培，如何在现有开关器件功率等级、拓扑及控制方法的条件下，突破高压多电平逆变器的关键技术具有极高的挑战性[17，18]。

为了满足电磁发射系统性能指标的要求，逆变装置可采用如图11所示的二极管钳位H桥级联混合九电平拓扑结构[19-22]，以二极管钳位三电平半桥单元为基本单元的模块化结构。

图11 脉冲功率逆变装置主电路拓扑

为了提高脉冲功率逆变装置的电流输出能力，结合大功率电力电子器件的发展现状，脉冲功率逆变装置采用了器件和装置两级并联的思路：

1二极管钳位式三电平半桥单元采用IGBT并联技术，增加了开关器件的功率冗余性，降低了工作损耗；

2主从两台脉冲功率逆变装置并联工作，共同为脉冲发射装置的一相定子绕组供电。受装置的体积、重量以及线路压降的限制，逆变器的输出不宜配置均衡电抗器进行并联，这对输出电缆的布置以及主从逆变器控制脉冲的精确同步提出了严格要求。

IGBT并联工作时，由于器件本身参数的分散性、驱动电路的不一致性以及外围电路分布参数的差别，将导致并联IGBT的静态和动态电流不均衡。通过实验发现，外围电路对并联均流的影响是主要因素。

通过对二极管钳位三电平拓扑结构的各种开关逻辑切换的换流过程进行分析，对主回路复合母线结构的分层和进出线进行了初步设计，通过对复合母线开不同类型的电气孔进行并联器件外围电路对称性的匹配，确定了最佳的母线方案，母线模型如图12所示。

图12 复合母线Q3D模型

通过采取以上措施，并联运行的逆变装置均流效果良好，输出电流波形如图13所示，电流不均衡度控制在5%以内。

图13 并联逆变器输出电流波形

3.3 分段供电技术

在发射行程较长的应用场合，为了提高电磁发射系统的效率和功率因数，降低系统对电源容量需求，需要采用分段供电技术，利用位置传感器实时检测动子的运动位置，实时切换通电定子区间，实现与动子耦合的紧邻数段定子模块通电，而其他定子模块不通电[23]。分段供电技术主要包括分段供电切换策略和切换开关设计技术。图14为脉冲发射装置分段供电的示意图。

图14 脉冲发射装置分段供电示意图

在段与段切换供电的过程中，电机不可避免地会出现错位、并联等特殊模态，切换不当甚至会出现缺相模态。不同的切换策略将会导致直线电机出现不同的特殊模态，或者是特殊模态持续的时间有所不同。这些特殊模态会对发射推力造成不同程度的影响，必须对分段供电策略进行深入研究。

通过建立考虑分段切换供电暂态过程的脉冲发射装置数学模型，对错位、并联、缺相等特殊模态进行定量研究，结果表明分段切换策略应遵循的基本设计原则是：绝对地避免缺相模式，尽可能减小并联模态运行的时间。

采用三相电流过零时依次切换的方法，错位模态不可避免，但错位模态仅在切换的短暂过程中导致电流尖峰，对发射推力的影响较小。

图15 脉冲发射装置分段供电拓扑结构

图15为脉冲发射装置分段供电的典型拓扑结构。电磁发射过程中，切换开关处于高电压、大电流、温度等应力叠加的暂态过程，对切换开关本体的可靠性提出了极高的要求。

理论和实践证明，半导体器件失效、损坏以及性能劣化的绝大多数原因归结为温度超标。当工作电流大于500A时，采用双面压接是最可靠的散热方式。大功率切换开关采用双面压接安装方式，实现主电路的两极同时散热，热阻最小，散热效果最好。

在结构设计方面，两只晶闸管采用背靠背压接的方式充当交流阀，并在它们的阳极与阴极之间并联接入阻容吸收保护模块，基于晶闸管反向恢复电荷动态特性，优化计算阻容吸收参数[24]，解决高压大电流分段切换开关切换过程中易过电压击穿的技术难题，以保证分段切换开关的运行安全。

4 电磁发射的闭环控制技术

闭环控制系统是电磁发射系统的大脑，负责调节储能系统的能量释放，控制脉冲功率变换系统的能量输出，对脉冲发射装置输出电磁力的精确控制，满足不同发射载荷对速度和加速度的要求[25-27]。

图16为闭环控制系统框图。轨迹生成算法生成理想的发射轨迹曲线；位置观测算法根据从位置传感器获得的位置编码信息，观测出直线电机动子的瞬时位置和速度；位置控制算法实时计算出动子实际轨迹精确跟踪预设发射轨迹曲线所需的给定电磁力的大小；矢量控制算法计算直线电机定子所需的励磁电流和转矩电流；最后通过电流闭环控制算法获得直线电机定子的电压指令，下达给脉冲功率变换系统，实现了“信息流”对“能量流”的控制，保证发射目标的实现。

图16 电磁发射闭环控制系统原理框图

电磁发射系统由多个能量链组成，利用冗余提高了可靠性，同时对多个能量链的同步控制和故障条件下的系统重构提出了极高的要求。

闭环控制系统采用：1计算同步、PWM脉冲同步等多种同步技术，既实现了多个储能装置功率和能量释放的均衡控制，又实现了多台直线电机之间出力的均衡控制；2当一个能量链故障时，电机的磁路和电路均会发生改变，相应电机参数也会发生改变。电机闭环控制器能较好地适应控制对象的变化，在发射的恒加速阶段维持了直线电机输出电磁力的稳定。

针对电磁发射的直线电机存在多定子耦合、边端效应、气隙变化等非理想因素的问题，电机闭环控制器采取考虑耦合、不对称性的控制方法，取得了很好的控制效果[28-30]；直线电机控制器具有较宽的调速范围，实现了零转速工况下的矢量控制；电机闭环控制器采用轨迹观测与矢量控制结合的控制方法，通过优化设计给定轨迹，结合精确的轨迹控制算法，使得发射过程具备较好的位置跟随性能，很好地满足了发射任务的要求，典型发射过程中的轨迹误差如图17所示。

图17 闭环控制轨迹误差

5 总结和展望

电磁发射由技术设想转变成工程应用，标志着发射技术发生了历史性的变革。随着电力电子装置集成化、模块化和能量密度的不断提高，电磁发射技术将快速的升级换代，电磁发射系统的发射能力将快速增长，体积、重量、成本、系统复杂程度会降低，这将使得电磁发射的应用领域将迅速拓展。

除了在军用武器发射形态领域的转化应用外，电磁发射系统中的电力电子技术也可广泛用于民用相关领域。例如将电机惯性储能的关键技术应用于风电场，可以起到削峰填谷的作用，大大改善风力发电系统功率波动对电网的影响，对我国推广大功率风力发电具有重要意义；将闭环控制技术应用于轨道交通系统，可以大大提升地铁、高铁的控制可靠性和自动化水平；将电磁发射技术应用到航天发射，具有发射成本低、环境污染小、可重复快速发射等优点。

同时，立足我国电力电子技术的发展，可在以下几方面继续深入开展应用及基础研究，持续牵引和提升电力电子理论与技术发展：

1）深入器件内部，研究其工作机理，建立电力电子器件及其组合混杂系统多时间尺度的动力学表征，在此基础上查明器件极端工况下的可靠性量化评估方法，进而建立电力电子器件尽限应用理论，实现电力电子混杂系统的精确设计，为电磁发射系统的高功率密度和高可靠性提供有力的支撑，特别是应用于舰船中压大电流、短时脉冲间歇式工作等场合。

2）加强开展研究新结构、新材料的电力电子功率器件制备与应用研究，避免走跟踪研仿的老路子，实现我国电力电子器件的跨越式发展。

3）研究电力电子电能变换数字控制中时延特性、量化误差对装置性能影响机理等基础问题，并通过电力电子装置控制网络信息流的优化设计，实现能量流的精确控制。

4）开展基于多学科交叉的大容量电路级和系统级电力电子系统集成优化设计方法，充分发挥现有器件的性能，实现电力电子系统的集成化、模块化、标准化和智能化，使电能变换和控制技术得以更新换代，弥补和减小由器件本身性能与国外的差距而造成的电力电子设备或系统性能的巨大差别。

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应用材料“冷场发射”电子束成像技术商用：可实现纳米级分辨率

12月20日消息，半导体设备大厂应用材料近日宣布，其开发“冷场发射”（cold field emission，CFE）技术已实现商用化。据介绍，该突破性电子束（eBeam） 成像技术可协助芯片制造商更好地检测与成像出纳米级埋藏的缺陷，以加快新一代全环绕栅极闸（Gate-All-Around，GAA） 逻辑芯片，以及更高密度的DRAM 和3D NAND存储芯片的开发和制造。

据了解，电子束技术常用来识别和描述那些用光学系统无法看到的小缺陷。然而，随着芯片制造商运用EUV 光刻技术来突破2D 逻辑和DRAM 微缩的极限，并逐渐导入GAA 逻辑晶体管和3D NAND等复杂的3D 架构，找出表面和埋藏的缺陷的工作将变得越来越具挑战性。

应用材料表示，传统“热场发射”（thermal field emission，TFE ）电子束系统的工作温度超过1500°C。为此，科学家们一直致力将可在常温下运作的冷场发射电子束技术商用化。其原因在于，较低的温度可以产生更窄的电子束并容纳更多电子，进而达成次纳米级的影像分辨率和10 倍的成像速度。只不过，此前由于冷场发射系统内部的杂质会在电子束发射器上积累，降低电子的流动性，这种不够稳定的情况造成冷场发射技术尚未普及在商业应用中。而在热场发射系统中，这些杂质却会自动被排除。

如今，应用材料在冷场发射电子束技术上有了重大突破，使CFE 电子束系统能够广泛应用到大量生产中，可在常温下工作，最多可将纳米级影像分辨率提高50%，成像速度提高10 倍。

据悉，应用材料独家开发出可容纳电子束发射器和其他关键部件的电子束镜筒。新的冷场发射镜筒结合了极端超高真空操作环境和专门开发的反应室材料，大幅减少了污染物的数量。特殊的泵有助于达成远低于1×10-11 毫巴（millibar） 的真空，这比热场发射系统高出两到三个数量等级，已接近外太空的真空状。

不过，即使在极端超高真空下，电子束镜筒中仍会产生微量的残余气体。如果单个原子粘附在电子束源头上，就会在某种程度上阻挡电子的发射，导致操作不稳定。为此，应用材料也研发新颖的自动清洗模式，透过循环式自动清洗制程，可持续清除冷场发射源中的污染物，以实现稳定、可重复的性能。

编辑：芯智讯-林子

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