译文 全固态高功率稳压电源

1、IEEETRAN SACTIONSON等离子体科学,卷.41,NO.1,2013年1月全固态高功率稳压电源的发展概况应用于中性束注入器和射频电源PareshPatel，IEEE会员，C.B.Sumod,D.P.Thakkar,L.N.Gupta,V.B.Patel, L.K.Bansal,K.Qureshi,V.Vadher,N.P.Singh,andU.K.Baruah摘要在大功率加热和以电流驱动系统的托卡马克中(一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器)，稳压高压电源（RHVPSs）是重要的电源。在大功率的输出中，这些电源满足快速动态（几微秒量级）、低纹波系数和可调输出频率的要求。在一份发

2、展概述中，展示了14至80kV、输出功率达数兆瓦的稳压高压电源典型的输出结果。有一个80千伏75A 的稳压高压电源，经常被等离子体研究所（IPR）用于中性束注入器（NBI），对其进行广泛的测试。将大量相同的开关电源模块（SPMS）串联连接，使用多个辅助变压器供电。对开关电源模块内的绝缘栅双极型晶体管的开通关断进行跨周期调制（PSM），用来调节开关电源的输出。其电压可以有不同的上升和下降时间，可分别设置在数微秒到毫秒的范围内。瞬时过电流的快速检测使得关断时间降低在2s内。由于高频率的纹波在更高的电压中，输出滤波器元件取值较小，这反过来又使得损耗能量低于10 J。稳压高压电源在离子体研究所的发展始

3、于为测试设计概念而做了一个低压（14千伏，35 A）的功能样机。此样机分为不同的模块如电路拓扑的选择，不同的子部分的选择和设计，例如，控制，开关电源转换器与保护，以及多辅助变压器的各种活动。在样机上取得了成功的结果并测试了所有功能参数后，开发了一系列更高的电压（高达80千伏）的稳压高压电源，并安装在中性束注入器和射频加热系统中。本文对稳压高压电源各子系统的设计细节以及结果进行了讨论。引言稳态超导托卡马克（SST-1）被设计用来研究了长脉冲（1000秒）加长型氢双零等离子体分流器。在稳态超导托卡马克中，中性束注入器（NBI）和射频（RF）系统是用来将托卡马克等离子体加热到高等离子体的温度。表1

4、典型RHVPS参数规格值占空比1000s导通：5000s关断输入电压11kV，（+/-）10%频率50Hz总谐波失真<5%P.F.0.9输出电压范围(1到80)kV DC稳定度<(+/-)1%重复度<(+/-)0.5%瞬态<(+/-)5kV 80kV/75A设置时间50ms纹波<1%(600Hz)<0.5%(400kHz)重启时间<5ms负载线路调整率<0.5最大输出电流75A整体效率97%频率模式2.5/5/10kHz，可选故障切断时间<2us故障损耗<10J测量精度电压<0.1%直流电流<1%额定测量带宽100kHz可

5、调高压（HV）电源（RHVPSs）是中性束注入器和射频加热系统的主要直流电源2。抽提系统由NBI加速器和高功率射频管如四极管、速调管组成，而且射频系统的陀螺仪需要这样的电源千伏范围内稳定的工作电压，低纹波，低故障水平，清除故障法快速动态响应和电源重启。在已知输出额定值时，设计过程即可简化为选择电源转换拓扑结构及其组件。一项研究在中性束注入器和射频系统的实验要求下推导出了典型参数值。二 基本RHVPS参数表1所示为使用RHVPS作为电源的中性束注入器和射频系统的参数典型值。三 RHVPS拓扑结构：概述和选型以前，几兆瓦容量RHVPS的短脉冲应用使用一些电子管制造的3。电子管除了在故障情况下断开负

6、载，还被作为输出稳压器。由于稳压电子管的额定功率的效率都较低，需要更多的热处理。此外，电子管是定制产品，为了电子管的发展，投入大量的研发努力是必要的。到了近代，电子管正在被快速的固态半导体器件所替代。主要是，绝缘栅双极晶体管（IGBT）被用作半导体器件。IGBT没有如大功率电子管那样处理电压应力的能力。为了克服这个限制，将大量相同的低压直流电源Va（采用IGBT斩波器）串联在一起，实现一个稳定的高压电源，在几十千伏与100-200A电流范围（图1）。图1 RHVPS的工作原理如果用跨周期调制原理（PSM）控制电压源Va1到Van的开通和关断（图2）来输出电压，那么除了实现负载和线路的最小数字调

7、节和其他参数，输出电压的实际控制是可能在全电压范围内的。具有PSM控制的RHVPS优点如下：1）全输出电压范围由实际值控制；2）各低电压源均分总功率；3）自由使用低压设备；4）在故障情况下一些低压电源具有余量输出；5）灵活设置导通的dv / dt；6）减少/省略过滤元件尺寸/值；7）存储能量低。在RHVPS拓扑结构（图1）中，N个开关电源模块（SPMS）包括一系列的开关S1至SN，续流二极管D1至 DN和不受控制的电压源Va。当任意开关SN导通时，负载电流不中断，从各自的二极管DN流过电压源Va。在，当所有开关均导通情况下，所有的二极管续流负载电流。在此拓扑中，一个单独的开关不需要断开负载。数

8、字控制系统会根据PSM控制导通或关断某个开关。输出电压是由一个前馈控制系统维持在0.5。在这个控制系统中，考虑到由于线路或负载的变化引起阶段电压Va的变化，可通过改变S1到SN的占空比调节输出。这种拓扑结构也提供了足够的裕量，以防少数的SPM的故障。输出纹波电压的频率是开关S和所有开关N的开关频率的整数倍。频率升高，输出滤波器随之减小，因此，在系统中储存的能量大大降低。RHVPS应具有低存储的能量（低于10焦耳）是必要的，以避免电弧放电故障损坏高功率射频管。这使得RHVPS适用于速调管，回旋管，和NBI加热系统使用。由于所有这些优点，RHVPS选择PSM控制的拓扑结构。 四 RHVPS的工作原

9、理图1中，当开关S1至SN导通时，对应的电源提供它们的电压份额给负载。假设开关闭合/打开的时间是零且和电压源Va相等恒定，通过改变的SPM的数目可使Vload变化，可以表示为Vload=i=1NVaiMi （1） 其中， Si闭合时Mi为1，反之Mi为0。注意，Vload只能在Va的步骤或多个VN动作之后的升高或降低。假设以下条件成立，通过改变的SPM的占空比可使Vload变化是由Vload=Va×D1+Va×D2 （2）给出。1）如果所有开关均采用导通时间TON由N个周期时间T组成，恒占空比D=TON/ T，并对应T / N的连续周期之间的均匀相位差。2）如果ND= D1

10、 + D2，其中D1是D的整数部分，D2是D的非整数部分 3）如果N是偶数，当100D是唯一的整数（或当TON为T / N的倍数），D2是零，并且Vload是直流，无交流分量。（当N是奇数并且100D是一个整数，VLOAD具有50占空比的交流分量）。 4）对于不同于D的整数倍的值，Va级N / T速率中，在输出顶部引入矩形交流分量。这个矩形振荡增加或减小D2的占空比，从一个整数值到D1的下一个整数值递增或递减。反过来，交流分量的平均值从零到Va增加或减小是，正比于D1的两个连续的整数值之间D2的位置。用N / T的积分时间常数对矩形的交流部分进行积分，直流在0到Va之间变化。前面讨论了通过控制

11、开关SN建立实际值高达NVa的Vload的方式。实际值的输出全范围可调的原理就被称为PSM（图2）。图2 PSM控制五个SPMVload的实际范围实现了以0.25 分辨率从1到100可调。从式（2）中可知，Vload正比于： 1）开关的数目N；2）SPM电压Va； 3）开关周期的占空比D。实际上与N和Va不同，通过改变D很容易控制/设置Vload。由式（2）知，可采取以下优点：1）通过调整开关的占空比，输出电压 可以设置为所有实际值。2）对影响小的变化或所有的SPM输出到Vload，可以通过修改占空比进行补偿。3）排除掉一些失败的SPM，可通过修改的占空比进行补偿。4）涉及更多的SPM，可增加

12、N和积分时间常数T / N，从而减少了积分组件（过滤器）。5）值更小的输出滤波器降低了存储能量。为实际地了解PSM原理，图2提到了一个假想，5个SPM串联连接输出电压Vload。五个SPM的输出电压模型V1至V5的开关导通和关断如图所示。每个SPM的开关被控制在一个周期内，以平衡负载。这有利于使用相同的SPM。一般地，开关模式同时显示PSM和脉宽调制的特征。输出波形是直流与一个SPM电压Va纹波和N/ T的纹波频率。如果N =80和开关速度5kHz，那么纹波频率为400kHz。一个相对小的过滤器具有低的存储能量，足以将其过滤到一个可接受的水平。占空比为0.5，平均输出是2.5 Va。RHVPS

13、与它的主要模块的框图以单线图的形式示于图3。图3 固态RHVPSRHVPS的不同元件描述如下。A.多辅助变压器在本设计中，两个多辅助变压器被用于获得一个12脉冲配置。这些变压器是油冷却的（图6）。每个变压器具有单一初级和40个次级绕组。次级绕组相互隔离，每个次级绕组供电给1 个SPM（图3）。输出的二次绕组连接到一个SPM，放在靠近RHVPS的额定直流电压的+ ve或-ve端。因此，次级绕组将它所提供的直流电压隔离开。次级绝缘的要求取决于各次级的配置。因此，次级绕组可具有梯度的或均匀的绝缘层。另外，相相绝缘是正常的。绕组间电容，直接影响介电电流（开关频率）和RHVPS的瞬态性能。这些参数的估计

14、值已经完成，并且它们将交错排列，尽量减至最低。成功制造并测试了自然冷却树脂浇注变压器，在这个功率水平也应用另外一个版本的100kV RHVPS。B. 开关电源（SPMs）八十个SPM通过链路串联。这些的SPM的等效电压源Va示于图1。SPM是一个需要给其输出以外部触发的不受控制的斩波器。它没有输出滤波器。除了常规的电力电子器件，静电放电需考虑其外壳。开关电源都在最大的95的占空比和5kHz的频率下导通和关断。水冷式散热设计和IGBT开关足够的降额将结温的升高限制在110摄氏度，一个良好的安全系数。此外，适当的散热设计，可使RHVPS在额定负载长时间高可靠地运行。多辅助变压器的AC输入被平稳地施

15、加到一个带电阻的软充电电路的三相桥式整流器。软充电电路在导通高浪涌电流时缓解输入变压器。经过整改，滤波电容储存足够的能量能非常快的将输出导通（约几微秒）。输出泄放电阻器用于储存的能量的安全放电，并提供给IGBT的最小电流，以保证其在出现输出的局部负荷时能安全地开关。开关是IGBT一个内置的二极管作为旁路元件。整流从二极管到IGBT（反之亦然）是通过做一个无寄生结构（中间夹金属条）使其不振荡。IGBT作为开关满足了快速导通和关断的要求。 IGBT栅极驱动器有100 ns的导通延迟，以方便快速地将SPM输出关掉。如果在操作过程中IGBT失灵了，显示电路为一个晶闸管在输入端开路接触和分离SPM后被剔

16、除了。在这种情况下，SPM输出二极管续流负载电流， 旁路SPM。在运行期间旁路SPM不影响，因为少了一些数量的SPM时，能瞬时修改输出占空比。SPM从一个辅助电源获得其控制权。它具有过载保护，欠电压输入保护，输出短路保护，IGBT的开关失灵保护和日常保护的半导体独立安全系统。SPM具有以下控制接口：1）IGBT的触发脉冲在5 kHz频率；2）短路器触发输入；3）SPM电压测量（采样速率100kHz）。所有这些接口都可以通过光纤电缆进行高压隔离。每个SPM包含接收器/发送器，用于光信号传输和其他必要的电子元件。C.控制系统图4 HVPS的控制系统数字控制系统（图4）执行以下操作：1）通过开关阵列

17、发生器产生的PSM控制信号;2）接收前馈控制器的SPM电压;3）赋予/修改占空比并监控SPM电压。前面提到的第三个功能是在调节输出时防止运行过程中负载和线路变化或者SPM失灵。软件是系统的功能需求和运行参数的修改可通过计算机控制的部分。主要控制系统的功能如下： 1）读取每个SPM的电压数据；2）读取参考输入和运行前馈控制；3）生成所有SPM 的PSM信号；4）修正占空比的以防SPM故障/失灵；5）防止故障和安全系统故障的应急措施。D.输出滤波器RHVPS输出由高压电缆连接到负载。根据负载，输出电缆的长度和系统要求的参数，输出电压需要被过滤。根据负载参数，输出电缆的长度和系统要求，输出电压需要过

18、滤。一个电感器和一个电容器的串联网络可以很好地在输出端减小纹波电压。在大多数情况下，此过滤器被省略，如果传输线具有大于50 m的长度，其电容已变得足够用于滤除高频纹波。E.辅助系统该系统的主要散热部件是半导体和大体积的变压器。虽然连续运行，损失约180千瓦整体效率的97。SPM用水冷却，而变压器使用油冷却。SPM用水冷却，而变压器使用油冷却。假阻性负载被设计和安装用来处理全电压和电流。它可以帮助测试动态性能如快速关断，输出电压的上升/下降，或静态性能如平顶纹波和次与次的重复性。建设高压环境友好，用合适的强迫风冷模块式电阻元件。制造一个短的工作负载可减少尺寸和成本。考虑到人力和设备，安全是由硬连

19、线互锁变压器紧急切断和SPM的断路器完成。故障安全逻辑适用于所有跳闸命令。SPM中过电压输出，过电流负载和过热使用RHVPS跳闸来保护。接地开关和隔离器设置在输出端以便系统进行维护时能安全访问。电流的快速保护在<1微秒时即可封锁触发脉冲，以防所有的IGBT出现故障。五 RHVPS用于中性束中的应用用于性束注入器和射频应用的RHVPS额定电压为80千伏和75 A。80个采用IGBT的SPM强制水冷和两个油冷式多辅助变压器，如图5和6。图5 开关电源图6.多辅助变压器SPM水冷却装置采用低电导率的普通水。安装SPM和变压器是由适当的隔离功能人身安全保障。图7 80kV RHVPS 输出一个7

20、0 A电流脉冲输出曲线（图7）上方平坦，是一个很好的调节作用。前馈控制监测到无振荡导通时间。纹波输出远低于1（图8）。图8 输出电压纹波RHVPS输出可以被编程为双重斜坡（图9），这有助于瞬态导通。图9可变斜坡输入图10 80kV导线燃烧测试图10所示为金属丝燃烧试验，在系统故障后，其特征为储存的能量。短路在RHVPS中是其输出通过一个10J额定线，输出是由电子保护关闭，没有保险丝。输出电流瞬时升高会被检测到，输出即下降到零电平保持2s，限制峰值电流小于100 A。基于相同的设计和专利 5，一个加速器的驱动系统中驱动速调管的100kV、25A的RHVPS正在制造4。一种用于射频系统的两个80千

21、伏、15A和130A的系统正在被建造，分别驱动回旋管和速调管。六 总结作为RHVPS发展计划的结果，完全运作的高压电源（100kV范围内）已经建成。PSM与前馈控制已符合的稳态和动态性能的要求。这个功率水平的最终系统是在较低规模开发原型的帮助下完成的。假负载设备是探测实际系统性能之前，用来实验的。使用合适的高压工程方法进行制造和适当组件位置的选择，对人身和设备的安全水平也会提高。RHVPSs在给定功率和电压范围内是最有效的电源，并且可以用于配置输出可调替代应用。快速导通/关断功能与低存储的能量使RHVPS在NBI和高功率射频管中的使用非常具有竞争力。效率高达97，使它们在长脉冲应用十分有效，降

22、低电力成本。RHVPSs工作安全，具有低损耗，高可靠性和较好的工作性能。参考文献1 J. Alex and W. Schminke, “Fast switching modular high voltage DC/AC power supplies for RF amplifiers and other applications,” in Proc. IEEE/NPSS 16th Symp., 1995, vol. 2, pp. 936939.2 G. L. Basile, D. Ciscato, J. A. Dobbing, and P. L. Madino “The neutral inj

23、ector auxiliary power supply system in JET: Design, manufacturing and tests,” in Proc. Symp. Fusion Technol., Laussane, Switzerland, 1984.3 S. G. E. Pronko, S. W. Delaware, T. E. Harris, D. Hoyt, D. H. Kellman, R.A.Legg,M.Lontoc,A.Nerem,andJ.R.Valentine,“Theperformanceof the 8.4 MW modulator/regulator power systems for the electron cyclotron heating facility upgrade at DIII-D,” in Proc. 14th Top. Meeting Technol. Fusion Energy, Oct. 1519, 2000, pp. 11111115.4 P. J. Patel, D. P. Thakkar, L. N. Gupta, V. B. Patel, V. Tripathi, N. P. Singh, and U. K. Baruah, “A regulated power sup