1 引言

　　目前國(guó)內(nèi)外研究磁約束核聚變的Tokamak裝置中，需要多種大功率二級(jí)加熱方式對(duì)等離子體進(jìn)行加熱，而二級(jí)加熱系統(tǒng)都需要高品質(zhì)的高壓脈沖直流電源為其供電。這些加熱設(shè)備要求高壓電源具有快速的調(diào)節(jié)能力，并且在平頂段有很高的穩(wěn)定度，在負(fù)載發(fā)生故障時(shí)能迅速切斷高壓電源。

　　大功率四極管調(diào)制器是一種高壓可控電子管，因此，為滿足加熱系統(tǒng)對(duì)高壓電源的特殊要求，國(guó)外很多裝置上都采用大功率四級(jí)管作為高壓直流電源的最后一級(jí)調(diào)節(jié)輸出。調(diào)制器作為高壓電源的關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行合理的建模并制定合適的控制策略，直接關(guān)系到高壓直流電源的輸出品質(zhì)。本文分析了中國(guó)環(huán)流器2A裝置(HL-2A)中輔助加熱設(shè)備上使用的TM-703FB型四極管調(diào)制器，根據(jù)其恒流特性曲線，有效的擬合并建立了四極管調(diào)制器的數(shù)學(xué)函數(shù)模型，通過(guò)對(duì)此模型的仿真提出了一種調(diào)制器的PI控制策略。

　　2 TM-703FB型四極管調(diào)制器介紹

　　調(diào)制器的四極分別為陰極、陽(yáng)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(yáng)極、陰極的耦合作用。圖1為四極管結(jié)構(gòu)示意圖。

　　陰極實(shí)際上就是四極管的燈絲，當(dāng)燈絲被加熱到足夠溫度時(shí)，陰極就可以發(fā)射足夠量的電子，以保證管內(nèi)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(yáng)極的作用主要是建立必要的管內(nèi)電場(chǎng)，接收陰極發(fā)射出來(lái)的電子，形成陽(yáng)極電流使四極管導(dǎo)通，并傳導(dǎo)電子轟擊陽(yáng)極產(chǎn)生的熱量和其他輻射熱量。

　　一柵的主要作用是通過(guò)電壓對(duì)陰極表面電場(chǎng)產(chǎn)生有效的均勻的控制作用。柵極電壓改變時(shí)，陽(yáng)極電流會(huì)隨之變化?？梢钥闯觯臉O管的輸出是通過(guò)調(diào)節(jié)一柵電壓，進(jìn)而改變陽(yáng)極電流來(lái)調(diào)節(jié)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(yáng)極電壓VAK為四極管電流回路的電壓降。可以看到，當(dāng)四極管電流(也即四極管陽(yáng)極電流)值恒定時(shí)，四極管的陽(yáng)極電壓和一柵電壓在一柵電壓為負(fù)值的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)近似的線性。具體到HL-2A裝置的輔助加熱設(shè)備的應(yīng)用中，四極管的預(yù)計(jì)調(diào)節(jié)區(qū)間即處于恒流曲線中的線性區(qū)域。因此，可以針對(duì)這個(gè)線性區(qū)域，對(duì)四極管的一柵控制電壓、陽(yáng)極電流、陽(yáng)極電壓降間的關(guān)系進(jìn)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(shù)。

　　3.2 四極管輸出函數(shù)的建模

　　在圖2的恒流曲線圖中，每條曲線表示在特定陽(yáng)極電流的條件下，一柵電壓和陽(yáng)極電壓降的關(guān)系。對(duì)曲線做線性處理，得到一柵電壓與陽(yáng)極電壓、電流的關(guān)系。數(shù)據(jù)整理如表1。

　　表1 一柵電壓、陽(yáng)極電流和陽(yáng)極電壓降的關(guān)系

　　調(diào)制器的調(diào)制能力體現(xiàn)在陽(yáng)極電壓降上，通過(guò)一柵電壓控制陽(yáng)極電壓降。根據(jù)恒流曲線，在可以得到陽(yáng)極電壓降VAK對(duì)一柵電壓Vgl的一次函數(shù)，在二柵電壓固定+1500V情況下，得到的陽(yáng)極電壓降函數(shù)表達(dá)式：

　　(1) A、 B和陽(yáng)極電流IA相關(guān)，如表2：

　　表2 IA與A、B參數(shù)關(guān)系

　　式中IA為陽(yáng)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(yáng)極電壓降與陽(yáng)極電流IA、一柵電壓Vgl耦合的四極管調(diào)制器的仿真函數(shù)模型。[!--empirenews.page--]

　　4 Simulink仿真

　　根據(jù)式(1)、(2)、(3)可以建立調(diào)制器函數(shù)的Matlab/Simulink仿真模型，如圖3所示：

　　圖3 調(diào)制器仿真模型

　　針對(duì)HL-2A裝置中電子回旋加熱管的負(fù)載特性，可將調(diào)制器負(fù)載等效為2500Ω的電阻性負(fù)載。在HL-2A裝置中，調(diào)制器的前一級(jí)高壓輸入為晶閘管整流后濾波得到，因此，在調(diào)制器由空載到帶載的切換過(guò)程中，調(diào)節(jié)速度較慢的晶閘管整流系統(tǒng)無(wú)法有效的補(bǔ)償負(fù)載投切過(guò)程中造成的調(diào)制器前端高壓平臺(tái)的輸入電壓的波動(dòng)。這種波動(dòng)是對(duì)負(fù)載極其有害的。因此，使用調(diào)制器進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)是必須的。

　　調(diào)制器反饋回路的仿真模型中，負(fù)載投切造成的電壓波動(dòng)由恒定數(shù)值疊加一個(gè)負(fù)半波的正弦信號(hào)模擬。疊加后作為調(diào)制器的高壓輸入。圖4為調(diào)制器反饋調(diào)節(jié)仿真回路模型，其中Subsystem模塊即為圖2中調(diào)制器仿真模塊封裝圖。Vin端為調(diào)制器的高壓輸入;Ia端為調(diào)制器模型中需要的負(fù)載電流參數(shù)，由調(diào)制器輸出電壓經(jīng)負(fù)載函數(shù)得到;Vgl為一柵控制量輸入端。

　　圖4 調(diào)制器反饋控制仿真回路

　　閉環(huán)仿真采用PI反饋策略，驗(yàn)證比例積分反饋策略的有效性。另外，還將一柵控制值固定為10V，把調(diào)制器單純作為高速開(kāi)關(guān)進(jìn)行一次開(kāi)環(huán)仿真，得到對(duì)比波形。圖5為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)仿真的對(duì)比波形圖。

　　圖5 調(diào)制器開(kāi)環(huán)仿真波形

　　圖5中，Vin表示高壓平臺(tái)提供給調(diào)制器的輸入電壓，仿真中已經(jīng)人為疊加一個(gè)模擬的電壓波動(dòng)，幅值為5000V。Vout為調(diào)制器輸出值，Control為調(diào)制器的一柵控制值。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，調(diào)制器作為開(kāi)關(guān)使用，一柵控制量固定為0V，負(fù)載被動(dòng)的跟隨高壓平臺(tái)電壓波動(dòng)。如果負(fù)載需要恒定值，則需要人為設(shè)定調(diào)制器一柵的給定值曲線。在HL-2A裝置中，調(diào)制器負(fù)載系統(tǒng)比較復(fù)雜，這種人為摸索一柵給定值曲線的方式比較繁瑣，也不太可靠。而從閉環(huán)反饋仿真波形可以看到，采用PI反饋的調(diào)制器系統(tǒng)，一柵控制量跟隨高壓平臺(tái)輸入的波動(dòng)，在-160V到0V范圍內(nèi)變化，能有效的消除輸入波動(dòng)的影響，為負(fù)載提供高質(zhì)量的直流電壓電源。而且PI反饋適應(yīng)性好，能有效的適合比較復(fù)雜的負(fù)載變化，更可以糅合模糊控制，對(duì)PI參數(shù)的給定進(jìn)行模糊邏輯處理，更有效的應(yīng)對(duì)多變的負(fù)載情況。

　　5 結(jié)論

　　本文對(duì)大功率四極管調(diào)制器的特性曲線進(jìn)行了研究，并提出一種近似線性的思路，對(duì)調(diào)制器的恒流曲線作了插值擬合，提出大功率四極管在可調(diào)區(qū)間內(nèi)的一種有效的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)HL-2A裝置中調(diào)制器的實(shí)際運(yùn)行工況，使用這種數(shù)學(xué)模型研究了調(diào)制器輸出的PI反饋控制策略，并進(jìn)行了Matlab仿真。仿真結(jié)果證明這種調(diào)制器數(shù)學(xué)模型的有效性，并給在HL-2A裝置中對(duì)調(diào)制器輸出進(jìn)行閉環(huán)反饋控制這一思路提供了有力的支持。