高壓脈沖電源模擬實(shí)驗(yàn)

1 引言

　　隨著中國環(huán)流器二號A(HL—2A)裝置物理實(shí)驗(yàn)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(dòng)實(shí)驗(yàn)，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(hù)動(dòng)作時(shí)間短，保護(hù)時(shí)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(shí)間都受到很大制約，因此基于晶閘管調(diào)壓技術(shù)、星點(diǎn)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?；赑SM 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(shí)序步進(jìn)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(shí)現(xiàn)總輸出電壓的調(diào)整。基于PSM 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(shí)間短，維護(hù)方便等特點(diǎn)。本文通過6 開關(guān)模塊PSM 電源的仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了PSM 控制模式和高功率的輸出，為進(jìn)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(jiān)實(shí)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(jìn)調(diào)制器(Pulse StepModulation，PSM)，應(yīng)用于高功率廣播發(fā)射機(jī)。

　　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(diǎn)。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(fù)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(gè)系統(tǒng)來講是一個(gè)很重要的參數(shù)。SPS 模塊是一個(gè)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(fù)載中的能量和在某個(gè)SPS 模塊不工作時(shí)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(gè)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(gè)脈沖信號源的周期為T，占空比均為9/10，幅值為10V，第二個(gè)脈沖比第一個(gè)脈沖滯后T/6，第三個(gè)脈沖比第二個(gè)脈沖滯后T/6，以此類推，每個(gè)脈沖都比前一個(gè)脈沖滯后T/6。這六個(gè)直流電源串聯(lián)之后得到的輸出如圖2b 所示，它是在5 個(gè)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(dòng)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(gè)數(shù)和每個(gè)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(gè)SPS 模塊的輸出有兩種狀態(tài)：IGBT 導(dǎo)通時(shí)，其輸出Vo=Vds;IGBT關(guān)斷時(shí)，其輸出Vo=0。

　　若有N個(gè)SPS模塊可以在線工作，當(dāng)單個(gè)SPS模塊的頻率為fs，占空比為Ds，導(dǎo)通時(shí)間為ton，每兩個(gè)相鄰模塊的延時(shí)時(shí)間為td，則總的輸出平均電壓為Vo=NDsVds(0