大功率四極管調制器的特性分析及控制研究

　　1 引言

　　目前國內外研究磁約束核聚變的Tokamak裝置中，需要多種大功率二級加熱方式對等離子體進行加熱，而二級加熱系統都需要高品質的高壓脈沖直流電源為其供電。這些加熱設備要求高壓電源具有快速的調節能力，并且在平頂段有很高的穩定度，在負載發生故障時能迅速切斷高壓電源。

　　大功率四極管調制器是一種高壓可控電子管，因此，為滿足加熱系統對高壓電源的特殊要求，國外很多裝置上都采用大功率四級管作為高壓直流電源的最后一級調節輸出。調制器作為高壓電源的關鍵部件，對其進行合理的建模并制定合適的控制策略，直接關系到高壓直流電源的輸出品質。本文分析了中國環流器2A裝置(HL-2A)中輔助加熱設備上使用的TM-703FB型四極管調制器，根據其恒流特性曲線，有效的擬合并建立了四極管調制器的數學函數模型，通過對此模型的仿真提出了一種調制器的PI控制策略。

　　2 TM-703FB型四極管調制器介紹

　　調制器的四極分別為陰極、陽極、一柵和簾柵。其中簾柵一般作為抑制極，主要作用是減小一柵與陽極、陰極的耦合作用。圖1為四極管結構示意圖。

　　陰極實際上就是四極管的燈絲，當燈絲被加熱到足夠溫度時，陰極就可以發射足夠量的電子，以保證管內電流流通。TM-703FB型四極管采用的是釷鎢陰極燈絲，燈絲電壓要求為交流10V，燈絲電流為300A。

　　陽極的作用主要是建立必要的管內電場，接收陰極發射出來的電子，形成陽極電流使四極管導通，并傳導電子轟擊陽極產生的熱量和其他輻射熱量。

　　一柵的主要作用是通過電壓對陰極表面電場產生有效的均勻的控制作用。柵極電壓改變時，陽極電流會隨之變化。可以看出，四極管的輸出是通過調節一柵電壓，進而改變陽極電流來調節的。

　　圖1 四極管示意圖

　　3 四極管恒流曲線分析及建模

　　3.1 恒流曲線分析

　　圖2是TM-703FB恒流曲線圖(二柵電壓固定為+1500V)。圖中陽極電壓VAK為四極管電流回路的電壓降。可以看到，當四極管電流(也即四極管陽極電流)值恒定時，四極管的陽極電壓和一柵電壓在一柵電壓為負值的區域內呈現近似的線性。具體到HL-2A裝置的輔助加熱設備的應用中，四極管的預計調節區間即處于恒流曲線中的線性區域。因此，可以針對這個線性區域，對四極管的一柵控制電壓、陽極電流、陽極電壓降間的關系進行。

　　圖2 TM-703FB型四極管恒流曲線圖

　　合適的曲線擬合，建立合理的輸出函數。

　　3.2 四極管輸出函數的建模

　　在圖2的恒流曲線圖中，每條曲線表示在特定陽極電流的條件下，一柵電壓和陽極電壓降的關系。對曲線做線性處理，得到一柵電壓與陽極電壓、電流的關系。數據整理如表1。

　　表1 一柵電壓、陽極電流和陽極電壓降的關系

　　調制器的調制能力體現在陽極電壓降上，通過一柵電壓控制陽極電壓降。根據恒流曲線，在可以得到陽極電壓降VAK對一柵電壓Vgl的一次函數，在二柵電壓固定+1500V情況下，得到的陽極電壓降函數表達式：

　　(1) A、 B和陽極電流IA相關，如表2：

　　表2 IA與A、B參數關系

　　式中IA為陽極電流，即四極管輸出回路電流。由式(1)、(2)、(3)可以完整的建立陽極電壓降與陽極電流IA、一柵電壓Vgl耦合的四極管調制器的仿真函數模型。