高壓脈沖電源模擬實驗

1 引言

　　隨著中國環流器二號A(HL—2A)裝置物理實驗的不斷深入，將開展高參數條件下等離子體加熱和電流驅動實驗，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，保護動作時間短，保護時輸出能量小。由于高壓調整管受到生產技術和材料的限制，輸出的電流大小及工作時間都受到很大制約，因此基于晶閘管調壓技術、星點控制技術和高壓調整管的高壓電源已不能滿足二級加熱系統發展的需求，這就需要新型的高壓大功率脈沖電源。基于PSM 技術的高壓脈沖電源能夠滿足上述要求，從而得到了開發。

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的直流斬波器循環工作，并調制它們的輸出電壓脈沖寬度來實現總輸出電壓的調整。基于PSM 技術和開關器件的高壓脈沖直流電源系統構成簡單，操作簡潔，能夠實現輸出高功率，且具有系統輸出級儲能小，關斷時間短，維護方便等特點。本文通過6 開關模塊PSM 電源的仿真和實驗，實現了PSM 控制模式和高功率的輸出，為進一步開發中國環流器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。

　　2 基于PSM 技術的高壓電源發展及其工作原理

　　1983 年，BBC 公司研制出了第一臺大功率、高壓、固態調制器，亦稱脈沖步進調制器(Pulse StepModulation，PSM)，應用于高功率廣播發射機。

　　基于PSM 技術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而成。通過電源模塊的串聯代替了IGBT 模塊直接串聯，從而能夠避免IGBT 模塊在直接串聯工作模式下因模塊提前關斷或延后開通而承受高壓損壞的缺點。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系統來講是一個很重要的參數。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、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。通過調節在線工作的SPS 模塊的個數和每個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SPS 模塊的輸出有兩種狀態：IGBT 導通時，其輸出Vo=Vds;IGBT關斷時，其輸出Vo=0。

　　若有N個SPS模塊可以在線工作，當單個SPS模塊的頻率為fs，占空比為Ds，導通時間為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