高壓脈沖電源模擬實(shí)驗

1 引言

　　隨著(zhù)中國環(huán)流器二號A(HL—2A)裝置物理實(shí)驗的不斷深入，將開(kāi)展高參數條件下等離子體加熱和電流驅動(dòng)實(shí)驗，為此需建造60kV/10MW-20MW/3s 左右的二級加熱系統。二級加熱系統要求其脈沖直流電源輸出功率大，輸出電壓穩定度高，紋波小，保護動(dòng)作時(shí)間短，保護時(shí)輸出能量小。由于高壓調整管受到生產(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，因此基于晶閘管調壓技術(shù)、星點(diǎn)控制技術(shù)和高壓調整管的高壓電源已不能滿(mǎn)足二級加熱系統發(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(mǎn)足上述要求，從而得到了開(kāi)發(fā)。

PSM 控制方法是通過(guò)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，并調制它們的輸出電壓脈沖寬度來(lái)實(shí)現總輸出電壓的調整?；赑SM 技術(shù)和開(kāi)關(guān)器件的高壓脈沖直流電源系統構成簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)潔，能夠實(shí)現輸出高功率，且具有系統輸出級儲能小，關(guān)斷時(shí)間短，維護方便等特點(diǎn)。本文通過(guò)6 開(kāi)關(guān)模塊PSM 電源的仿真和實(shí)驗，實(shí)現了PSM 控制模式和高功率的輸出，為進(jìn)一步開(kāi)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(shí)的基礎。

　　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)調制器，亦稱(chēng)脈沖步進(jìn)調制器(Pulse StepModulation，PSM)，應用于高功率廣播發(fā)射機。

　　基于PSM 技術(shù)的高壓脈沖電源系統及輸出如圖1a、圖1b 所示，該系統由多組低壓斬波直流電源串聯(lián)而成。通過(guò)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(kāi)通而承受高壓損壞的缺點(diǎn)。該系統包括了PSM 多繞組變壓器、SPS(Switched Power Supply)模塊、控制系統、互鎖和測量系統、高頻濾波系統和負載。其中PSM 多繞組變壓器一二次側之間、二次側之間的雜散電容對整個(gè)系統來(lái)講是一個(gè)很重要的參數。SPS 模塊是一個(gè)類(lèi)Buck 電路，輸出級沒(méi)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(zhù)快速釋放負載中的能量和在某個(gè)SPS 模塊不工作時(shí)起著(zhù)連通主回路的作用，這就要求該二極管為快恢復、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(mén)，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(lèi)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(guò)調節在線(xiàn)工作的SPS 模塊的個(gè)數和每個(gè)模塊的占空比及頻率，就可以調節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(xiàn)工作，當單個(gè)SPS模塊的頻率為fs，占空比為Ds，導通時(shí)間為ton，每?jì)蓚€(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