新型电感在高压脉冲系统中的应用

张国军

（二重（德阳）重型装备股份有限公司，四川 德阳 618000）

从20世纪30年代脉冲功率技术发展至今，现已成为一门技术领域中的独立科学，发展为国防科研和高新技术研究的重要技术，并得到广泛应用。而高压脉冲电源作为高压脉冲系统的一部分，是在高压直流电源的基础上增加了开关电路，从而输出脉冲幅度可调、脉冲宽度可调、脉冲频率可调、脉冲输出个数可设定的一种高压电源。

高压脉冲电源的技术参数除了脉冲宽度、重复频率，在放电场合单次放电能量也是非常重要的参数。对于一些特殊场合，高压脉冲电源的前后沿要求陡直，达到纳秒级，就需要非常先进的开关器件和控制有效的储能电路，而高功率脉冲电源是利用电容或电感储存初始能量，然后利用大功率开关快速释放能量。在电源系统中，储能设备的体积和重量约占整个电源装置的80%，因此在特等的环境下，对储能设备的体积大小提出了更为严格的要求。

目前，多用电容器组作为中间储能的脉冲电源，但是电容储能的缺点是储能密度相对较低、体积较大、不利于便携、轻载及机动运输，故由于庞大的体积和复杂的控制电路限制了其广泛地应用。在储能电路中经常会用到电感，相对电容储能，电感的储能密度高很多，两者的储能密度比为1:10，便于机动、轻载、储能密度高，进而体积较小，因此，用电感作为中间储能的脉冲电源在电磁发射中有一定的应用前景。但是电感储能型电磁脉冲电源对充电电源要求较高，且断路开关时将产生高电压，可能会超出半导体开关所能承受的范围，但是其易于冷却，且只需存储一次工作的能量即可，体积较小，故在特定情况和特定场合下，电感储能有不可替代的优势。

当前，在高压、大电流脉冲系统应用中，传统的电感结构形式均为圆柱形，大致方法为在圆柱体内绕线圈，圆柱体的上下两端为系统的接线端口，但是经过多次工况使用，发现在特定工况的应用中存在以下主要问题，其影响了整套系统的安全性、可靠性、稳定性，同时，也直接增加了使用成本。

（1）外形尺寸过大，安装在脉冲电源内部时占用较大空间，在安装、调试及平时维护时造成空间狭小，不易维护。

（2）在系统正常使用时，当电流较大的情况下，系统所产生的电磁力，容易将圆柱形电感端部的电线接口板撕裂，从而导致圆柱形电感损坏，进而导致整套系统无法有效、正常工作，并造成一定安全隐患。

为了便于所使用的储能系统的小型化、安全性、可靠性、稳定性，且为了方便其后续的车载化运行，提高该系统的机动性，现急需一种新型电感，它不但可以满足储能系统的使用要求，还可最大限度的降低空间占比，提高经济效益。

1 传统电感结构形式

传统电感结构形式为圆柱形，方式为圆柱体内为按参数要求绕制一定规格的线圈，然后在圆柱体端部作为电线接口，并进行封装。该圆柱体电感的具体电感参数如下：

1.1 电感量36μH；

1.2 电阻值小于5mΩ；

1.3 工作脉宽2ms；

1.4 峰值电流可达到100KA以上；

1.5 空心无饱和，该使用的圆柱形电感具体外形尺寸为：直径27.8 cm；高度31cm；整体重量约为35Kg。

传统结构电感在实际使用过程中存在以下主要的问题：

（1）体积过大，在脉冲电源系统中空间占比过大，不利于相关配套电气设备的轻量化、小型化要求。

（2）电感还有一个典型的缺点，即在关断大电感电流时，由于电流的突变和充电回路中的漏磁场能量，使得在关断开关两端产生很大的电压，可能会超出半导体开关所能承受的范围，从而使关断开关和关断电路是电感储能型脉冲电源的关键技术，故在运行时，电磁力作用在轴向上，电流过大时，产生的电磁力较大，造成端部电线接口板容易炸裂决，造成系统可靠性及安全性降低。具体见附图1。

图1

如图1所示为某实用型号的圆柱形电感在大电流实验的情况下，出现端部电线接口板炸裂的情况。在所示图中可见端部电缆接口板与立柱侧壁采用焊接的方式安装在一起，并通过增加铆钉以加强强度，但最终在使用过程中还会出现炸裂情况的发生，因此在大电流条件下，容易造成电磁力过大，这就需要考虑一种强度更高的电感结构以克服电磁力对该圆柱形电感的破坏。

2 新型电感结构形式

新型的电感结构具体包括底盘、绕制线圈、填充环氧树脂、盖板等机构组成。其特点是采用电缆线圈盘式绕制，类似与日常生活所用的“盘式蚊香”结构形式，并可通过调整绕制线圈的匝数来调节电感值，再通过调整底盘的壁厚来克服电磁力对电感结构的影响。

如图2所示：绕制线圈放置在环氧树脂隔板上，成环形绕制，每层线圈之间保持安全的绝缘距离，缝隙采用高级进口环氧树脂胶进行灌装，用于绝缘和加固，绕制线圈的一端与内部电缆接线柱连接，使用高强度紧固螺钉压接，使其作为电流的输入端，而另一端外部电缆接线口则安装在环氧树脂隔板上，作为电流的输出端，所有部件安装在金属底盘中，金属底盘采用整体高性能锻压件，具有较高的力学强度。

图2

2.1 盘式新型电感计算

参照电感值36μH设计。参数设计按照多层线圈电感量简化公式计算：

由公式：L=L0W2×D×10-3

L为电感，单位μH；

L0为修正系数，可由《多层线圈系数曲线》查得，见《业余无线电图表》可查表，取6；

（备注：L0参数选取与t/D及l/D均有关系。t为电感绕线厚度；l为电感长度，盘状线取0；D为线圈外径）。

W为线圈匝数；

D为线圈外径，单位为cm；

当D取36.5 cm时：

2.2 盘式新型电感试制

2.2.1 绕制准备

（1）从以上电感计算公式可以看出，电感值大小与绕制线圈截面形状及大小无关，由此，根据此原理，将绕制成的电感用轧带固定在环氧板上。

（2）将环氧板制作成可以绕制10-14匝的通用模板。

（3）采用25 mm2（2X12.5 mm）电缆，长度9米，并进行绕制。

2.2.2 绕制电感

（1）为考虑调整方便，实际绕制工作从内圈开始，则外圈大小实际可变，初期绕制以绕完9米线长为准。

（2）实际绕制后的参数如下：

匝数W为12.125 匝；

电感外径D为37.6 cm；

电感内径D0为8.6 cm；

计算电感绕制厚度t=D-D0）/2

=

（37.6 -8.6 ）/2

=14.5 cm；

计算t/D=14.5 /37.6 =0.385 ；

根据多层线圈电感量公式计算：

L=L0×W2×D×10-3

=33.17 μH

3 新型电感的优点

目前在高压脉冲电源系统中，对设备的轻量化、小型化提出了更为严格的要求，本实用新型正是针对这点提出的创新结构，该新型电感具备以下优点：

体积空间较小，传统立柱型电感，电感值为36μH时，其外形直径27.8 cm，高度为31cm，体积为18800 cm3,占用空间较大，本实用新型盘式电感，通过计算电感值33.17 μH时，其线圈外径37.6 cm，金属底盘外形尺寸为43.6 cm，其使用的绕制线圈高度为1.25 cm，加上底盘、盖板和环氧树脂板，其高度为5cm,体积为9500 cm3，在节约空间方面具有明显优势。

高压脉冲电源系统中，使用均为千安以上的大电流，因此电流产生的电磁力对电感设备来说又是一项重要的考验，传统结构端部接线板为焊接结构，大电流产生的电磁力作用于电感轴向方向上，在实际应用中已经多次发现焊缝被炸裂的情况，如图1所示。本新型电感其电流所产生的电磁力作用在线圈的径向方向上，安装底盘使用的材料为锻压合金，具有良好力学强度；同时底盘的内部为圆形，也符合受力结构的特点，可承受较大载荷，减少了电磁力对电感结构的破坏。

4 结论

新型电感结构具有体积小、承受载荷大的优点，在实际应用中，大大降低了维护的频率和使用成本，必将在高压脉冲领域得到广泛的推广和应用。