1 引言

　　隨著中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A(HL—2A)裝置物理實(shí)驗(yàn)的不斷深入，將開(kāi)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(jí)加熱系統(tǒng)。二級(jí)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(jí)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。基于PSM 技術(shù)的高壓脈沖電源能夠滿足上述要求，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(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)總輸出電壓的調(diào)整。基于PSM 技術(shù)和開(kāi)關(guān)器件的高壓脈沖直流電源系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)潔，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出高功率，且具有系統(tǒng)輸出級(jí)儲(chǔ)能小，關(guān)斷時(shí)間短，維護(hù)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(yàn)，實(shí)現(xiàn)了PSM 控制模式和高功率的輸出，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)中國(guó)環(huán)流器2 號(hào)A 裝置(HL—2A)60kV/1MW/3s二級(jí)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(tái)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(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(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(cè)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)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(jí)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(hào)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(guò)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?jī)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[!--empirenews.page--]3 PSM 多繞組變壓器

　　每個(gè)SPS 模塊都由多繞組變壓器的一個(gè)二次側(cè)獨(dú)立供電。一臺(tái)變壓器為一個(gè)PSM 單元供電，其中二次側(cè)的一半為星形聯(lián)結(jié)，另一半為三角形聯(lián)結(jié)。

　　這樣可以在二次側(cè)得到30°的相位偏移，能夠使三相整流橋之后的直流電壓源經(jīng)串聯(lián)之后得到12脈波，以此減小直流側(cè)的紋波，并可以削減交流側(cè)的電網(wǎng)波形畸變。PSM 多繞組變壓器的主要技術(shù)問(wèn)題是絕緣電壓水平和系統(tǒng)的寄生電容。寄生電容由變壓器二次側(cè)之間的耦合電容、變壓器一二次側(cè)之間的耦合電容以及它們對(duì)地之間的耦合電容組成。由于耦合電容的存在，在變壓器和SPS模塊之間會(huì)引起電流的振蕩，這會(huì)對(duì)IGBT 的開(kāi)關(guān)產(chǎn)生影響。通過(guò)Matlab 仿真分析可知道，當(dāng)二次側(cè)對(duì)地電容越大，IGBT 在工作這種工作方式中就越不穩(wěn)定。

　　4 基于PSM技術(shù)高壓脈沖電源的模擬實(shí)驗(yàn)

　　對(duì)6 個(gè)SPS 模塊進(jìn)行PSM 電源模擬試驗(yàn)。為此設(shè)計(jì)并加工了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用七繞組整流變壓器(1個(gè)一次側(cè)，6 個(gè)二次側(cè))，其容量為330kVA。6 個(gè)二次繞組中3 個(gè)為星形聯(lián)結(jié)，3 個(gè)為三角形聯(lián)結(jié)，分別給6 個(gè)SPS 模塊供電，且二次繞組對(duì)地、對(duì)一次繞組的分布電容小于1000pF。因?yàn)槊總€(gè)SPS 模塊的輸出參數(shù)為850V/100A，考慮到兩倍安全裕量，選用賽米控公司生產(chǎn)的專門用于Buck 電路的SKM200GAL173D，其額定參數(shù)為1700V/200A，本身帶有快恢復(fù)二極管的額定參數(shù)為200A?？刂撇糠植捎脝纹瑱C(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)光纖傳輸各種信號(hào)，驅(qū)動(dòng)部分是采用TTL 推挽電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)SPS 模塊的工作頻率為5.4kHz，開(kāi)通脈寬為50μs，各模塊之間依次延時(shí)時(shí)間約為30 μs 時(shí)，在SPS 模塊交流側(cè)輸入電壓為50V，其輸出電壓波形如圖3 所示。忽略控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)板的差異性，以及測(cè)量誤差， 可知疊加部分的工作頻率約為32.4kHz，占空比約為65%。由f =N fs 計(jì)算出的輸出紋波脈動(dòng)頻率為32.4kHz，由f、開(kāi)通脈寬50 μs、延時(shí)時(shí)間30 μs ，可計(jì)算出脈動(dòng)占空比為64.8%。由此可知實(shí)際測(cè)量值與理論分析值基本一致。

　　當(dāng)SPS 模塊交流側(cè)輸入線電壓為620V，負(fù)載為48Ω時(shí)，通過(guò)改變程序來(lái)觀察步進(jìn)效果和整個(gè)電源的關(guān)斷時(shí)間，如圖4a、圖4b 所示。測(cè)得的電壓為4900V，電流為107A，關(guān)斷時(shí)間約為4.2 μs。圖4b 所示為Vce 波形，通過(guò)觀測(cè)IGBT 的Vce 波形可以看到在工作過(guò)程中，IGBT 在導(dǎo)通時(shí)有尖刺，通過(guò)與輸出波形比較，在Vce 減小的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形并未發(fā)生變化，因而此尖刺為干擾信號(hào)。

　　5 結(jié)論

　　由于本試驗(yàn)的規(guī)模相對(duì)較小，變壓器的耦合電容對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響尚不明顯，但是耦合電容是基于PSM 技術(shù)的高壓直流脈沖電源的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，隨著繞組增多，輸出功率變大，其影響將會(huì)越來(lái)越突出。