高压脉冲电源模拟实验

1 引言

　　随着中国环流器二号A(HL—2A)装置物理实验的不断深入，将开展高参数条件下等离子体加热和电流驱动实验，为此需建造60kV/10MW-20MW/3s 左右的二级加热系统。二级加热系统要求其脉冲直流电源输出功率大，输出电压稳定度高，纹波小，保护动作时间短，保护时输出能量小。由于高压调整管受到生产技术和材料的限制，输出的电流大小及工作时间都受到很大制约，因此基于晶闸管调压技术、星点控制技术和高压调整管的高压电源已不能满足二级加热系统发展的需求，这就需要新型的高压大功率脉冲电源。基于PSM 技术的高压脉冲电源能够满足上述要求，从而得到了开发。

PSM 控制方法是通过多组PWM 脉冲信号按一定的控制时序步进控制众多串联的直流斩波器循环工作，并调制它们的输出电压脉冲宽度来实现总输出电压的调整。基于PSM 技术和开关器件的高压脉冲直流电源系统构成简单，操作简洁，能够实现输出高功率，且具有系统输出级储能小，关断时间短，维护方便等特点。本文通过6 开关模块PSM 电源的仿真和实验，实现了PSM 控制模式和高功率的输出，为进一步开发中国环流器2 号A 装置(HL—2A)60kV/1MW/3s二级加热高压脉冲电源提供了坚实的基础。

　　2 基于PSM 技术的高压电源发展及其工作原理

　　1983 年，BBC 公司研制出了第一台大功率、高压、固态调制器，亦称脉冲步进调制器(Pulse StepModulation，PSM)，应用于高功率广播发射机。

　　基于PSM 技术的高压脉冲电源系统及输出如图1a、图1b 所示，该系统由多组低压斩波直流电源串联而成。通过电源模块的串联代替了IGBT 模块直接串联，从而能够避免IGBT 模块在直接串联工作模式下因模块提前关断或延后开通而承受高压损坏的缺点。该系统包括了PSM 多绕组变压器、SPS(Switched Power Supply)模块、控制系统、互锁和测量系统、高频滤波系统和负载。其中PSM 多绕组变压器一二次侧之间、二次侧之间的杂散电容对整个系统来讲是一个很重要的参数。SPS 模块是一个类Buck 电路，输出级没有LC 滤波部分，从而输出的是直流脉冲电源。电路中的二极管起着快速释放负载中的能量和在某个SPS 模块不工作时起着连通主回路的作用，这就要求该二极管为快恢复、大电流二极管。

　　由6 个SPS 模块组成的PSM 电源输出电压如图2a、图2b 所示。图2a 中6 个脉冲信号源的周期为T，占空比均为9/10，幅值为10V，第二个脉冲比第一个脉冲滞后T/6，第三个脉冲比第二个脉冲滞后T/6，以此类推，每个脉冲都比前一个脉冲滞后T/6。这六个直流电源串联之后得到的输出如图2b 所示，它是在5 个SPS 模块电压的基础上，叠加了频率为6/T，占空比为2/5，脉动幅值为10V 的直流脉冲电压。通过调节在线工作的SPS 模块的个数和每个模块的占空比及频率，就可以调节最终脉冲电源的电压和输出有效频率。

　　图1a 中所示的SPS 模块，在忽略IGBT 和快恢复二极管的管压降的情况下，每个SPS 模块的输出有两种状态：IGBT 导通时，其输出Vo=Vds;IGBT关断时，其输出Vo=0。

　　若有N个SPS模块可以在线工作，当单个SPS模块的频率为fs，占空比为Ds，导通时间为ton，每两个相邻模块的延时时间为td，则总的输出平均电压为Vo=NDsVds(0