高穩定度大功率脈沖穩流電源

摘要：介紹HL－1M中性束注入器（NBI）偏轉磁鐵上用的一種脈沖可調高穩定度穩流電源。采用的方案是晶閘管三相橋式移相控制和巨型晶體管（GTR）串聯(lián)調整兩個(gè)控制環(huán)聯(lián)合控制的方法。文中簡(jiǎn)述了該電源的控制原理、技術(shù)性能及采用的一些特殊措施。

關(guān)鍵詞：穩流電源 GTR調整管

1 引言

由于中性束注入器要求磁場(chǎng)恒定，故要求電源提供的負載電流恒定不變。無(wú)論是穩態(tài)還是脈沖工作的離子源，工作磁場(chǎng)一般都是穩定的，還要求有較好的電流穩定度，一般要求優(yōu)于（0.1～1）％，要求更高的則為（0.01～0.1）％，電流應有適當的調節范圍，并要有開(kāi)路過(guò)壓保護措施。根據需要，本電源要求穩定度為0.1％。

電源技術(shù)指標為：

輸出脈沖直流電壓為30V～80V；

輸出脈沖電流為50A～300A；

輸出脈沖寬度為5s～10s；

脈沖電流平頂穩定度±0.1％；

最小周期為3min。

2 電源工作原理及系統方框圖

2.1 系統方框圖

根據偏轉磁鐵線(xiàn)圈工作的需要，要求電源達到0.1％的穩流精度，所以提出了如圖1所示的電源方框圖。

2.2 工作原理

由于該電源的輸出功率較大，所以輸入采用三相電源、變壓器隔離、降壓、三相晶閘管橋式整流、線(xiàn)性穩流等常規方法，在此就不一一贅述。下面介紹為了達到0.1％的穩定精度，而在采樣、基準和反饋控制等方面所采取的具體措施。

（1）取樣元件的選擇

這里選用的是串聯(lián)穩流電路，見(jiàn)圖2。從圖中可看出取樣電阻RS與負載串聯(lián)，而RS的阻值比放大環(huán)節的輸入電阻小得多，所以幾乎全部負載電流IL都要通過(guò)RS。認為RS的阻值不變，那么RS上電壓降的大小直接反映出負載電流的大小。所謂穩定“電流”，就是穩定RS上電壓降USI，USI穩定了，負載電流也就穩定了。整個(gè)穩流系統就是一個(gè)負反饋大閉環(huán)，串聯(lián)穩流器的自動(dòng)調整過(guò)程與串聯(lián)穩壓器的控制過(guò)程十分相似，不同的是串聯(lián)穩流器輸出端不能“開(kāi)路”，若開(kāi)路就有可能導致調整管BE結損壞。

取樣電阻的選擇，原設計準備采用磁平衡式（又叫零磁通式）傳感器，由于廠(chǎng)家試制有困難，后改成HDC型直流霍爾電流傳感器[0～500A/0～10V（DC）]，在調試中發(fā)現輸出信號有振蕩，現在采用的是大功率電阻，性能和穩定性基本上滿(mǎn)足要求。

（2）基準電壓的選擇

基準電壓源采用的是2DW235（即2DW7C），它是硅材料平面型帶溫度補償的穩壓二極管，用來(lái)供給基準電壓（該管的穩定電壓為6.1V～6.5V,最大穩定電流30mA，耗散功率0.2W,動(dòng)態(tài)電阻≤10Ω）。

（3）控制過(guò)程

從圖1方框圖中可見(jiàn)，為達到0.1％的穩定度，采用了兩個(gè)控制環(huán)，第一個(gè)是晶閘管三相橋移相控制環(huán)，起預穩作用；第二個(gè)是GTR串聯(lián)調整控制環(huán)，兩個(gè)控制環(huán)的示意圖見(jiàn)圖3。

串聯(lián)調整控制環(huán)由GTR（1DI300－120，300A，1200V，2kW，兩只并聯(lián)），驅動(dòng)電路和運算放大器（μA741）組成。為了不受輸出電壓的限制和允許采用較低工作電壓的驅動(dòng)管，將μA741的“2”腳和±15V電源的公共端接到電源直流輸出“＋”端，預置電流（電壓信號）與通過(guò)取樣電阻的取樣電流綜合后送到μA741的“3”腳，構成差分放大。

三相橋移相控制環(huán)由三相橋晶閘管（KP800－6）6只，KJZ6觸發(fā)板、跟隨器和運放OP07組成，固定的給定電壓送到OP07的“3”腳，串聯(lián)調整管GTR的管壓降通過(guò)光電耦合器TIL117送到OP07的“2”腳，構成閉環(huán)穩流系統，當一個(gè)＋15V電平的時(shí)序脈沖反向后送到KJZ6控制端“18”腳時(shí)，三相橋晶閘管全導通，開(kāi)始GTR飽和導通，向負載供電，一旦接通負載，取樣電阻上的反饋電壓使GTR進(jìn)入線(xiàn)性調整區；與此同時(shí)，光電耦合器把管壓降信號送到運放OP07的“2”腳，放大后經(jīng)射極跟隨器送到KJZ6的“19”腳，控制晶閘管的導通角，使之改變GTR的輸入電壓。

分別調整兩個(gè)控制環(huán)的反饋電位器，使它們分別進(jìn)入工作區。

由于輸出電流大，串聯(lián)調整管工作在線(xiàn)性區，為了減小調整管的功耗，提高電源效率，所以對調整管的工作區域要限制。為減小調整管的壓差，一般最小取3V，最高取6V，但要考慮輸入電源變化±10％，所以取3V～8V。在調試時(shí)將GTR的管壓降整定在此范圍內，當它超過(guò)時(shí)就輸出電壓信號去控制觸發(fā)板，改變晶閘管的觸發(fā)角，控制晶閘管整流橋輸出電壓的大小，使調整管的壓差回到整定的工作區域。

3 保護功能

該電源設置有電流、電壓檢測，具有過(guò)流、過(guò)脈寬等保護功能，過(guò)脈寬保護可根據要求進(jìn)行整定。當負載過(guò)流或過(guò)脈寬時(shí)，保護電路起作用，封鎖三相橋的晶閘管，切斷三相交流輸入電源。故障排除后，可重新起動(dòng)電源開(kāi)關(guān)繼續供電。

4 結語(yǔ)

該電源于1995年12月通過(guò)等效負載試驗，各項參數均達到設計指標。通過(guò)三年來(lái)接在真實(shí)負載上使用，經(jīng)過(guò)不斷完善和改進(jìn)，使之最后達到性能穩定，工作可靠，基本上能滿(mǎn)足要求。

該穩流源現用于HL－1M中性束的偏轉磁鐵上，也適用其它需要高穩定度大功率穩流電源的場(chǎng)合。