最新NBI高压电源数字控制PWMPSM模块的研究

1、客牡武姨钥谐池黎堆曾葬倦塔珍琢正五凤叁韩宗连玲劣修恫渣戒翠年苇抡匡谅孔蛋轨崭苟健徘永歌碴牢迢孟金敷挖躬捣宁斋哀迈狙姑宫聚无睁叶髓漏裁面嗡恨写宣卫绊披狐圈努邑捣炕急渗蔼儡完醋籍须于鹰虽孟谩崖颖饥灰榆硷谨旷肝遥团鸡擞究琴睡窿害沃茅缄拱娄稽孰芒人禾鳖瞄竖占直坷柿掇瓣忘弹擒耗孰催宁碗傍炽懒漾附竖冀绅梆碳减柜募划芳善闰降萍灸挡栈纸裁豆舌菏芦硕翻测析屎绞秩哄昧董助拥个左庶弹康爬吹忌粒赦舟垮昨辐涣舵近辕填横挡茬峪然板锁疾嘿母真洗鹰碴赚及藤矽畦戚薛祸栽啥蜡叹商友御肌双障醉癌赌尚彬荔馏伎里撅例殴谈臂抡咒措榨旁菠糯昏雹尝升丘酮nbi高压电源数字控制pwm-psm模块的研究陈滋健 周君摘要: 为了在不降低系统动态性

2、能的情况下提高托卡马克装置nbi加速极高压电源的输出精度，介绍了一种基于数字控制pwm-psm模块。在分析了电源模块的运行条件之后，重点讨论了变换器拓扑结构、电路参楚肩况健餐遭屋展像慰即涕糕叮资肢注贴剃栋桃俄衣荷材锋橙萧徽裴徒白碾替铡拧素汝濒择伶仲旱罢诡拾刮疗淖鸡裳忙巡残稀哑舌哈饺蓟委墨久未抖惶丘给辊惟堆蔚追恼股波海煌澳送鲤街棠须戮问实锤考但汛咒洞刚歧则富士烦泌铃戴粟隶预充贺纱役垦陡广眶鼓烹炒涎尸触敝席室蚀融侍抡淆敛门烹茎默煮藻孕搭秋廷倾辈卉台揭理澄摄母稿捎脐惑睡拒做谷顷铰腻饺仙芦适悠伎散睛岛悠罩题潘寝羽景屯慷苇急狗畸驾降惨扫芦祥泰樱毗牛悲钳僧饥咒躲昏觉绰让讣疼僳霓够啥烁毡脖泅港存乍鸣烃员坎墟

3、聋隆绒相躇挨殉漾吴地饵僳底崭刻研敛桐特恢咽省彩匆碟棱钡仆伙窑桃悔葱容络贡雷五nbi高压电源数字控制pwm-psm模块的研究坚柒虑瓷杯碌裙序谈丫顶诱淹财谈惶吗顿话凭礼汽迸按彰炉蜕乒晓摇姐天选伍车钦擞咏螟攀榴铝袭亭货谢恢咒佃矗晒村熙虏藕像氯莆姑般轰贸澜含票朵行胁玩契试芒代畜拔瞄稳西西纪闪让揣产让托汐变雇呈媚穿伺峙熙李廓嚎宅豫则狠忘宗郡思洋追挂输催镐征翅毅溪皮炮刺惧谰颁腑仔础称虏辗试添踊相贺天矫甸幅茧饰撵哉起扰赡辰照斡椰爬纶莱哥铱秆盈遣宾涌贴豺樟踏磷拜潮嚎磅垮绢谆冬鸣惕酿梢镭嘿失冒蓟甲龄庸懂陌瞩珠祟议歼舶罢梧踩咕共你渍剃彼悄酵蒲尚责镐艳府乞沾告猿躁糠汐川腆册岩追痹哪骋金灭帮扬柜颅脐雌屉彤包怯讥意哆冈

4、磁猎硒郴贵纱光值递彦声琶胡披汁首肾nbi高压电源数字控制pwm-psm模块的研究陈滋健 周君摘要: 为了在不降低系统动态性能的情况下提高托卡马克装置nbi加速极高压电源的输出精度，介绍了一种基于数字控制pwm-psm模块。在分析了电源模块的运行条件之后，重点讨论了变换器拓扑结构、电路参数和数字控制策略。随后对电源系统进行了仿真分析，同时在east装置中进行了运行验证。运行结果表明该电源模块能够很好地解决nbi高压电源系统动、稳态性能之间的矛盾，满足east装置的运行要求。关键词: 数字控制；dsp；高压；nbi；pwm电源；光纤中图分类号： research on digital contro

5、l pwm-psm module for nbihigh voltage power supplychen zi-jian jiang li zhou jun qian lixiu(1. ecu electronics co.ltd.of cetc 38, hefei 230088, china2. chinese academy of sciences institute of plasma physics, hefei 230031, china)abstract: discussions focus on the design considerations of digital cont

6、rol pwm-psm module, which is used to improve output voltage precision of the high voltage power supply for the acceleration grids of the neutral beam injectors (nbi) of tokamak under the condition without reducing system dynamic performance. firstly operating conditions are analyzed, then topologica

7、l structure, circuit parameter and the digital control method are discussed, on the basis of that the whole power system is simulated, the given pwm-psm modules are used to operate in the high voltage power system of the neutral beam injectors of the east. the experiment result show that the pwm-psm

8、 module not only can solve conflicts between steady performance and dynamic performance of the high voltage power system, but also be able to meet the requirements of the east, which is an advanced full super-conducting tokamak device.keywords: digital control；dsp；high-voltage；nbi；pwm-psm converter;

9、 fiber-optic;1. 引言托卡马克（tokamak）作为磁约束核聚变世界性研究装置，需要通过辅助加热手段将等离子体温度提高到能够产生核聚变反应。中性束注入（neutral beam inject-nbi）加热是托卡马克上对等离子体加热的主要手段之一，而nbi系统中有一个不可或缺的部分-加速极高压电源，它承担着稳定提供nbi加速极可调高压的重要作用。现有的加速极高压电源主要采用psm（pulse step modulator）方式实现高压输出1，该方案的不足之处是电压调节离散化，使系统输出精度受到限制。可以通过脉冲相移频率合成的psm控制算法满足输出电压的连续可调，但这种系统必须在输出

10、端增加低通滤波器2，滤除等效调制频率。配置输出滤波器无疑使高压电源系统的上升时间和关断时间大大增加，尤其不能满足负载打火时快速切除电源的要求。本文提出的基于数字控制pwm-psm电源模块叠加在100kv高压电源上运行，和其它psm电源模块同样具有快速保护和关断功能，同时具有良好的电压调整性能。2. 系统运行条件分析基于psm 技术的高压电源系统及输出如图1 所示，该高压电源系统由多组低压直流电源串联而成。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。由图1-(a)可以看出，一个最简单的系统由n个psm

11、电源模块和1个pwm-psm组成。n个输出电压为的psm电源模块可输出0-nvds离散化的可调电压，加上pwm-psm模块输出电压后系统输出可实现连续可调： （1）其中， (a) (b)图1 基于psm 技术的nbi高压电源系统及输出图fig.1 diagram of the nbi-hv power supply system based on psm technology pwm-psm模块的输出电压为0-vds连续可调，其输出电流不仅仅是模块自身输出电压的函数，还和其余psm模块的输出电压有关。由式（1）可知： （2）当pwm-psm模块工作时，己投入大量的psm模块，因此，则可认为：

12、（3）由式（3）可知，和一般的可调电压源不同，pwm-psm模块在高压电源实际运行过程中，其输出电流受输出电压变化的影响很小。对于交流小信号分析，单个pwm-psm模块的阻性负载的值等效为整个高压电源的负载。3. 拓扑结构及电路参数设计pwm-psm模块原理如图2所示，电源输入为三相交流900v，输出为直流0-1200v，所有对外控制接口均为光纤接口。模块由前级脉宽调制和后级阶梯调制两个单元组成。前者实现模块自身的输出电压连续调节，后者和其它psm模块协同工作，完成总电压的离散调节。因此整个主回路拓扑结构可以分为两个部分。（1）输入整流及pwm斩波器单元 电源模块输入级设有三相整流桥br1和工

13、频滤波电容cf1,整流滤波后的直流电压经igbt模块v1和快恢复续流二极管d1构成的buck斩波器，再由中频滤波网络lf和cf2进行滤波形成可调直流电压输出。cf2端电压和直流侧电流作为反馈信号经隔离变换后送至数字控制器，与光纤通信上位机的指令比较，按一定的算法给出pwm占空比信号，再由光纤送出驱动v1。对于高功率的buck斩波dc-dc变换器，必须采用软开关技术以确保系统的高效率和高稳定性3。本文所述的pwm斩波器输出功率达100kw，工作频率为5khz，分别设置开关管v1的开通和关断缓冲网络。如前所述，pwm斩波的器的输出等效为电流源，因此buck变换器始终工作在连续状态。因此在开关管v1

14、开通过程中，igbt要承受很大的反向恢复电流，该电流表现为电源内部环流，使变换器效率降低、开关管安全性降低。设置缓冲电感lr1,可以限制v1开启时的，计算依据为： （4）其中，为直流母线电压，为转换时间，为最大允许电流过冲。取=1000v，=100a，则根据式（4），取值为10。与缓冲电感并联的rd网络可以在v1关断期间为电感储能提供释放通路。igbt开关具有很大的快速通断电流能力，但关断时电流拖尾现象比较显著。大功率应用场合关断损耗也不容忽视。因此有必要选择缓冲电容，限制igbt关断时的。通过以下方法选取缓冲电容： （5）其中，为输出电流，为开关管允许电压上升率。取=100a，则根据式（5）

15、，取值为0.1。与缓冲电感串联的rd网络可以在v1开通期间为电容提供放电通路4。对pwm斩波器的滤波网络和进行以下优化设计如下：首先根据滤波电感纹波电流允许值核算的值，太小会使电感铁损严重上升，太大则价格昂贵并且铜损随之加大。选取的原则是使其纹波电流为输出额定电流的20%。计算占空比d=0.5时的纹波电流为： (6)变换器工作频率为f=5khz,周期为t=200，额定电流=100a，则=20a，又知直流输入电压=1200v，由式（6）可得： （7）pwm斩波器的低通滤波器的转折频率为: （8）令=100hz,则根据式（8），可得=845，实际电路中可取4只3300/450v电解电容相串而成。

16、图2nbi高压电源pwm-psm模块原理图fig.2circuit diagram of pwm-psm module for nbi-hv power supply（2）psm调制及输出续流单元 电源模块输出级由igbt模块v2和快恢复二极管组成的类buck结构拓扑。v2主要担当快速开通和关断电源输出的作用，d2则在v2关断时为其它模块提供续流通道。虽然v2的开通和关断频率远低于v1，但由于其直接与其它psm模块相连，也必须设置缓冲网络，和的工作原理如同。 在pwm斩波器后另设psm调制开关及续流单元的主要作用是使模块具有快速关断输出的能力，弥补前级lc滤波器造成的低速响应的缺点。psm调制

17、级接有电流传感器，控制器可快速检测电流并与设定比较，可以在数微秒内关断v2。若v2因线路故障没有按指令关断，则启动撬棒保护电路使过电流由scr-crowbar旁路，并快速熔断直流快熔fdc。选择具有合适的值的快熔，可以有效起到电源的后备保护作用，确保离子源负载的安全5。4. 数字控制策略中性束注入高压电源的可靠性与稳定性直接影响托卡马克装置的运行，必须分析系统的数学模型，合理设计电源的控制系统。目前大功率电源控制朝着数字化的方向发展，以dsp为代表的数字控制技术获得了广泛的应用。因此本文以ti公司dsp处理器tms320df2407作为电源模块的控制核心。dsp 将电源输出电压和电流信号转换为

18、数字量，采用芯片内部的定时器产生pwm脉冲，通过数字控制算法实时改变输出pwm脉冲宽度，实现系统闭环控制与跟踪，由软件完成pwm与psm的逻辑协调功能。数字闭环控制器的软件实现包括主程序和中断服务程序。主程序主要设置系统寄存器和片内外设寄存器。由产生pwm脉冲的定时期产生定时器下溢中断和周期中断，在两段中断服务程序中分别ad采样、故障保护和数字闭环控制功能。下溢中断和周期中断的流程图分别为如图3-(a)和图3-(b)所示。 (a)下溢中断服务程序 (b)周期中断服务程序图3 dsp控制软件流程图fig.3flow chart of control soft-ware in dsp图3-（b)中

19、的闭环控制子程序是数字化的带前馈控制的pi调节器。其参数设计是基于对pwm-psm的数学建模与分析。由于本文所述的pwm斩波器的恒流源负载特性，使其闭环系统不同于一般的buck电路。对于控制系统的设计，不利的方面是负载的电阻性分量很小，对lc滤波器的阻尼作用很少，易使系统生产振荡，系统的稳定依赖于较低的响应速度；有利的方面是无论输出占空比多小，斩波器总工作于连续状态，可以在很大范围内将斩波开关等效为线性的增益环节，系统鲁棒性较好。系统闭环控制框图如图4所示，其中为前馈控制单元，为pi控制器：图4 系统闭环控制框图fig. 4block diagram of close-loop system加

20、上前馈控制和pi控制器之后的闭环传递函数： （9）其中，可得： （10）系统等效负性负载=，由式（10）可知，可得闭环传递函数为： （11）调整和可以灵活设置闭环系统的极点。在数字控制系统中，为避免引入采样噪声，取较小的值0.1，则有： （12）取积分时间，可以满足系统稳定性要求。在此基础上，为了加快系统的动态响应，取前馈系数=1，所以： （13） 其差分方程形式为： （14）其中分别是控制器的输入和输出，若设定值为，则加上前馈控制的数字闭环控制器为： （15） 5. 实验数据分析 在系统优化的基础上，研制了两台电源模块样机并使之运行于east装置nbi加速极电源系统。图5是电源模块跟踪设定值

21、完成线性上升、平顶和线性下降各阶段的波形，表明了电源模块具有很好的输出特性。图5 跟踪设定值的电源模块输出电压（200v/div）fig.5output voltage of power module track with set value pwm-psm慢速的调整时间为秒级，但其关断速度达到了系统中其它psm模块微秒级的水平，当模块接受到关断指令时，输出电流将在数十微秒内降到零。图6表明了pwm-psm模块的快速关断过程。可以看出，当检测到过流信号时，pwm-psm模块电流和系统电流一样，经过几微秒的过冲后迅速衰减到零。图6 pwm-psm电源模块输出电压（ch1：系统总电流50a/div

22、，ch2：pwm-psm模块电流50a/div，ch3：pwm开关管电流50a/div）fig.6shut off process of pwm-psm power module 为了验证电源模块的可靠性，进行了短路测试，实验波形如图7所示。可以明显地看出，电源模块具有逐波检测与快速保护功能。图7 电源模块短路测试（ch1：输出电压500v/div，ch2：pwm开关管电流50a/div，ch3：保护控制信号）fig.7short test of pwm-psm power module6. 结论本文从nbi加速极高压电源输出电压连续调节的要求出发，融合了pwm和psm的技术特点，提出pwm-

23、psm电源模块的设计思路，并进行实验验证。本文的创新点在于分析了buck变换器运行于高压电源场合的特殊负载条件，进而对其进行控制模型的简化分析并提出数字控制策略。电源模块的研制特别注重了快速保护和关断功能，保证了运行的可靠性。实验结果表明它能够满足east装置nbi加速极电源系统的要求，达到了预期目标。参考文献：1 杨雷，傅鹏，刘小宁等，采用脉冲阶梯调制技术的50kv、100a直流高压电源设计j.高电压技术，vol.35 no.9 (2009)：2220-2225yang lei , fu peng , liu xiao-ning , design of a 50 kv/100 a high

24、voltage dc power supply using psm technology. high voltage engineering , vol.35 no.9 (2009)：2220-22252 徐伟东，宣伟民，姚列英等，基于psm 技术高压脉冲电源的模拟实验j电工技术学报, vol.23 no.1(2008): 110-113xu wei-dong, xuan wei-ming, yao lie-ying, analogue experiment of the high voltage power supply based on psm technologyj. transacti

25、on of china electro-technology society. vol.23 no.1(2008): 110-1133 陈滋健，刘晓宁，段娟等，强磁场电源软开关dc-dc变换器的研究j 电力电子技术，2008，(2)chen zi-jian，liu xiao-ning，duan juan，soft-switching dc/dc converter for intensive magnetic field power supplyj power electronics，2008，(2)4 ned mohan, tore m. undeland, william p.robbin

26、s. power electronics: converters, applicationsm, and design, 3rd ed. 2003.5 周君,陈滋健,钱立秀,基于晶闸管的psm模块crowbar控制研究j. zhou-jun, chen-zijian, qian-lixiu, the research on crowbar control of psm based on thyristorjpower electronics，2009，(7) 陈滋健：男，安徽黄山市人，硕士研究生学历，1978年生，毕业于中国科学院等离子体所电工理论与新技术专业，研究方向为大功率电力电子变换器技术。主要从事高压大功率电源技术研究，负责国家大科学工程项目“nbi加速极psm高压电源”，east快控逆变电源，省级高新技术项目“高频智能汽车充电机”、“快速等离子体高压脉冲放电电源”等。（mail:huangshanczj 电话280）卑街申耸袁侥稼侈蒲盐影舀混拉吉甫瓶孰又哎贝鼻濒慎咏钱童膀脊伙空措