高壓脈沖電源模擬實驗

1 引言

　　隨著中國環(huán)流器二號A(HL—2A)裝置物理實驗的不斷深入，將開展高參數(shù)條件下等離子體加熱和電流驅(qū)動實驗，為此需建造60kV/10MW-20MW/3s 左右的二級加熱系統(tǒng)。二級加熱系統(tǒng)要求其脈沖直流電源輸出功率大，輸出電壓穩(wěn)定度高，紋波小，保護動作時間短，保護時輸出能量小。由于高壓調(diào)整管受到生產(chǎn)技術(shù)和材料的限制，輸出的電流大小及工作時間都受到很大制約，因此基于晶閘管調(diào)壓技術(shù)、星點控制技術(shù)和高壓調(diào)整管的高壓電源已不能滿足二級加熱系統(tǒng)發(fā)展的需求，這就需要新型的高壓大功率脈沖電源?；?strong>PSM 技術(shù)的高壓脈沖電源能夠滿足上述要求，從而得到了開發(fā)。

        PSM 控制方法是通過多組PWM 脈沖信號按一定的控制時序步進控制眾多串聯(lián)的直流斬波器循環(huán)工作，并調(diào)制它們的輸出電壓脈沖寬度來實現(xiàn)總輸出電壓的調(diào)整?；赑SM 技術(shù)和開關(guān)器件的高壓脈沖直流電源系統(tǒng)構(gòu)成簡單，操作簡潔，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出高功率，且具有系統(tǒng)輸出級儲能小，關(guān)斷時間短，維護方便等特點。本文通過6 開關(guān)模塊PSM 電源的仿真和實驗，實現(xiàn)了PSM 控制模式和高功率的輸出，為進一步開發(fā)中國環(huán)流器2 號A 裝置(HL—2A)60kV/1MW/3s二級加熱高壓脈沖電源提供了堅實的基礎(chǔ)。

　　2 基于PSM 技術(shù)的高壓電源發(fā)展及其工作原理
 

　　1983 年，BBC 公司研制出了第一臺大功率、高壓、固態(tài)調(diào)制器，亦稱脈沖步進調(diào)制器(Pulse StepModulation，PSM)，應(yīng)用于高功率廣播發(fā)射機。

　　基于PSM 技術(shù)的高壓脈沖電源系統(tǒng)及輸出如圖1a、圖1b 所示，該系統(tǒng)由多組低壓斬波直流電源串聯(lián)而成。通過電源模塊的串聯(lián)代替了IGBT 模塊直接串聯(lián)，從而能夠避免IGBT 模塊在直接串聯(lián)工作模式下因模塊提前關(guān)斷或延后開通而承受高壓損壞的缺點。該系統(tǒng)包括了PSM 多繞組變壓器、SPS(Switched Power Supply)模塊、控制系統(tǒng)、互鎖和測量系統(tǒng)、高頻濾波系統(tǒng)和負載。其中PSM 多繞組變壓器一二次側(cè)之間、二次側(cè)之間的雜散電容對整個系統(tǒng)來講是一個很重要的參數(shù)。SPS 模塊是一個類Buck 電路，輸出級沒有LC 濾波部分，從而輸出的是直流脈沖電源。電路中的二極管起著快速釋放負載中的能量和在某個SPS 模塊不工作時起著連通主回路的作用，這就要求該二極管為快恢復(fù)、大電流二極管。

　　由6 個SPS 模塊組成的PSM 電源輸出電壓如圖2a、圖2b 所示。圖2a 中6 個脈沖信號源的周期為T，占空比均為9/10，幅值為10V，第二個脈沖比第一個脈沖滯后T/6，第三個脈沖比第二個脈沖滯后T/6，以此類推，每個脈沖都比前一個脈沖滯后T/6。這六個直流電源串聯(lián)之后得到的輸出如圖2b 所示，它是在5 個SPS 模塊電壓的基礎(chǔ)上，疊加了頻率為6/T，占空比為2/5，脈動幅值為10V 的直流脈沖電壓。通過調(diào)節(jié)在線工作的SPS 模塊的個數(shù)和每個模塊的占空比及頻率，就可以調(diào)節(jié)最終脈沖電源的電壓和輸出有效頻率。

　　圖1a 中所示的SPS 模塊，在忽略IGBT 和快恢復(fù)二極管的管壓降的情況下，每個SPS 模塊的輸出有兩種狀態(tài)：IGBT 導(dǎo)通時，其輸出Vo=Vds;IGBT關(guān)斷時，其輸出Vo=0。

　　若有N個SPS模塊可以在線工作，當(dāng)單個SPS模塊的頻率為fs，占空比為Ds，導(dǎo)通時間為ton，每兩個相鄰模塊的延時時間為td，則總的輸出平均電壓為Vo=NDsVds(0[!--empirenews.page--]3 PSM 多繞組變壓器

　　每個SPS 模塊都由多繞組變壓器的一個二次側(cè)獨立供電。一臺變壓器為一個PSM 單元供電，其中二次側(cè)的一半為星形聯(lián)結(jié)，另一半為三角形聯(lián)結(jié)。

　　這樣可以在二次側(cè)得到30°的相位偏移，能夠使三相整流橋之后的直流電壓源經(jīng)串聯(lián)之后得到12脈波，以此減小直流側(cè)的紋波，并可以削減交流側(cè)的電網(wǎng)波形畸變。PSM 多繞組變壓器的主要技術(shù)問題是絕緣電壓水平和系統(tǒng)的寄生電容。寄生電容由變壓器二次側(cè)之間的耦合電容、變壓器一二次側(cè)之間的耦合電容以及它們對地之間的耦合電容組成。由于耦合電容的存在，在變壓器和SPS模塊之間會引起電流的振蕩，這會對IGBT 的開關(guān)產(chǎn)生影響。通過Matlab 仿真分析可知道，當(dāng)二次側(cè)對地電容越大，IGBT 在工作這種工作方式中就越不穩(wěn)定。

　　4 基于PSM技術(shù)高壓脈沖電源的模擬實驗

　　對6 個SPS 模塊進行PSM 電源模擬試驗。為此設(shè)計并加工了一臺實驗用七繞組整流變壓器(1個一次側(cè)，6 個二次側(cè))，其容量為330kVA。6 個二次繞組中3 個為星形聯(lián)結(jié)，3 個為三角形聯(lián)結(jié)，分別給6 個SPS 模塊供電，且二次繞組對地、對一次繞組的分布電容小于1000pF。因為每個SPS 模塊的輸出參數(shù)為850V/100A，考慮到兩倍安全裕量，選用賽米控公司生產(chǎn)的專門用于Buck 電路的SKM200GAL173D，其額定參數(shù)為1700V/200A，本身帶有快恢復(fù)二極管的額定參數(shù)為200A?？刂撇糠植捎脝纹瑱C來實現(xiàn)，通過光纖傳輸各種信號，驅(qū)動部分是采用TTL 推挽電路來實現(xiàn)。

　　當(dāng)SPS 模塊的工作頻率為5.4kHz，開通脈寬為50μs，各模塊之間依次延時時間約為30 μs 時，在SPS 模塊交流側(cè)輸入電壓為50V，其輸出電壓波形如圖3 所示。忽略控制信號和驅(qū)動板的差異性，以及測量誤差， 可知疊加部分的工作頻率約為32.4kHz，占空比約為65%。由f =N fs 計算出的輸出紋波脈動頻率為32.4kHz，由f、開通脈寬50 μs、延時時間30 μs ，可計算出脈動占空比為64.8%。由此可知實際測量值與理論分析值基本一致。

　　當(dāng)SPS 模塊交流側(cè)輸入線電壓為620V，負載為48Ω時，通過改變程序來觀察步進效果和整個電源的關(guān)斷時間，如圖4a、圖4b 所示。測得的電壓為4900V，電流為107A，關(guān)斷時間約為4.2 μs。圖4b 所示為Vce 波形，通過觀測IGBT 的Vce 波形可以看到在工作過程中，IGBT 在導(dǎo)通時有尖刺，通過與輸出波形比較，在Vce 減小的時刻，對應(yīng)的輸出電壓波形并未發(fā)生變化，因而此尖刺為干擾信號。

　　5 結(jié)論

　　由于本試驗的規(guī)模相對較小，變壓器的耦合電容對整個系統(tǒng)的影響尚不明顯，但是耦合電容是基于PSM 技術(shù)的高壓直流脈沖電源的一個技術(shù)難點，隨著繞組增多，輸出功率變大，其影響將會越來越突出。