CN105141170A - 一种长脉冲大功率高压电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种长脉冲大功率高压电源，其特征在于主要由多绕组隔离变压器和两档电压输出的多个AC/DC单元模块组成，所述多绕组隔离变压器采用副边三相绕组均解开的方式，每个副边单相绕组分别给一个AC/DC单元模块供电，副边三相绕组解开得到的三个副边单相绕组所对应的三个AC/DC单元模块采用同步控制，所述AC/DC单元模块有两种类型，一种是输出电压为固定值的开关电源模块，另一种是输出电压连续可调的连续调压模块，各AC/DC单元模块输出端相互串联。本发明使得单元模块和输入变压器副边绕组数大大减少，能实现电压平滑连续可调，实用性更强、效率更高，体积更小，维护更加方便。

Description

一种长脉冲大功率高压电源

技术领域

本发明涉及高压脉冲电源领域，具体涉及一种用于受控核聚变研究领域的高压脉冲电源系统。

背景技术

托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。在托卡马克装置（例如HL-2A）中，为使等离子体温度达到实现聚变反应所需的10keV量级，除传统的欧姆加热外，必须采用辅助加热。辅助加热系统作为托卡马克装置最重要的系统之一，在国际各装置上一直是重点发展对象。辅助加热主要有中性束注入（NBI）和射频波加热（RF）两种方式，其中射频波加热主要有毫米波段的电子回旋共振加热（ECRH）、厘米波段的低混杂波加热（LHH）和米波段的离子回旋共振加热（ICRH）三种形式。相比于其它两种波加热方式，电子回旋共振加热系统被广泛用于托卡马克辅助加热。

随着托卡马克物理实验的不断深入对电子回旋系统乃至高压电源系统提出更高更加苛刻的要求，同时也就对高压电源的控制、保护等技术提出了更高的要求。这使得PSM开关电源技术发展迅速，并已在辅助加热高压脉冲电源系统中获得大量成功的应用。

目前常用的PSM高压脉冲电源系统，其电气结构框图如图1所示。从图1中可看出该高压脉冲电源系统由两个PSM高压脉冲电源单元组成，每个单元包括多绕组隔离变压器、多组脉冲直流电源单元模块。脉冲直流电源单元模块的拓扑结构图如图2、图3所示。这两种单元采用相同的拓扑结构，不同的是开关管S1的位置，一个在正输入端，另一个在负输入端。

现有技术的缺点：

图1所示高压脉冲电源结构虽然能满足回旋管对为其供电的高压电源稳定度较好，保护时间短等特点。但该电源结构也存在如下缺点：

1.脉冲直流电源单元模块输出电压低，并且每个单元模块输入采用三相进线的方式，因此在高电压的场合所需电源模块数和隔离变压器副边绕组数均较多，通常需要采用两套及以上的整流变压器，这无疑会增加电源系统的成本和安装空间。

2.脉冲直流电源模块均为开关模块，虽然可以实现大范围内的电压调节，但只能采用分档调节，不能连续可调，电压调节精度不高，主要由单元模块的直流电压等级决定。

3.由于输入整流变压器的短路阻抗的影响，每个模块的直流电压随着负载变化而变化，从而影响后端输出电压的稳定度。

发明内容

发明的目的：针对现有PSM高压脉冲电源设备的上述缺点，本发明目的在于设计出一种新型高压脉冲电源装置，减少单元模块和输入变压器副边绕组数，降低成本；同时实现高压脉冲电源装置电压平滑连续可调，提高效率。

本发明具体采用如下技术方案：

一种长脉冲大功率高压电源，其特征在于主要由多绕组隔离变压器和两档电压输出的多个AC/DC单元模块组成，所述多绕组隔离变压器采用副边三相绕组均解开的方式，每个副边单相绕组分别给一个AC/DC单元模块供电，副边三相绕组解开得到的三个副边单相绕组所对应的三个AC/DC单元模块采用同步控制，所述AC/DC单元模块有两种类型，一种是输出电压为固定值的开关电源模块，另一种是输出电压连续可调的连续调压模块，各AC/DC单元模块输出端相互串联。

优选地，

所述开关电源模块包括二极管整流器，所述二极管整流器输入端连接副边单相绕组，输出端并联有直流母线电容和开关单元，直流母线电容由两个电容串联组成，开关单元由两个IGBT斩波电路串联组成，两串联电容的中点和两串联IGBT斩波电路的中点相连。

所述连续调压模块包括二极管整流器，所述二极管整流器输入端连接副边单相绕组，输出端依次并联前级直流母线电容、前级Buck电路、后级直流母线电容和后极开关单元，前级、后级直流母线电容均由两个电容串联组成，前级Buck电路由两个IGBT半桥电路串联组成，后级开关单元由两个IGBT斩波电路串联组成，前级直流母线电容两串联电容的中点和两串联IGBT半桥电路的中点相连，后级直流母线电容两串联电容的中点和两串联IGBT斩波电路的中点相连。

本发明有益效果：

本发明装置结构简单，且各脉冲直流电源单元均采用模块化设计，单个模块出现故障不影响设备使用，且方便更换。

本发明脉冲电源装置，副边采用三相解开的方式，不仅使得副边可接单元模块数量提高三倍，在同样电压等级输出条件下，可以大大减少单元模块和副边绕组的数量，使得变压器体积和成本减小。

本发明采用电压不可调单元模块和电压可连续调节单元模块两种电源模块组合的方式能实现电压平滑连续可调，实用性更强、效率更高，体积更小，维护更加方便，并且模块的响应速度很快，并能实现电压的微秒级快速投入和切出，当负载电压需求改变时能快速响应。能实现全电压范围的快速电压调节，输出电压精度高、波动小、稳定性更好。

本发明脉冲电源装置中所使用的子模块单元采用了两个分开的模块单元合并成一个两档位单元模块的方式，将以前的低电压模块单元换成了两倍电压的单元模块。虽然单一模块体积有所增加，但由于所需单元模块数量的减少和模块单元的高度集成化，使得电源装置整体体积和成本也有所减少。

附图说明

图1是常用PSM高压脉冲电源框图

图2常见脉冲直流电源单元模块结构图1

图3常见脉冲直流电源单元模块结构图2

图4本发明长脉冲大功率高压电源框图

图5开关模块接线方式1

图6开关模块接线方式2

图7连续调压模块接线方式1

图8连续调压模块接线方式2

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

高压脉冲电源装置可为中国环流二号A（HL-2A）及其类似装置的辅助加热系统供电，其原理框图如图4所示。从图4中可看出，本发明装置主要由多绕组隔离变压器和两档位电压输出的AC/DC单元模块组成，各AC/DC单元模块输出端相互串联。在输出电压不变的前提下，为了使变压器尺寸变小，该变压器采用了副边三相绕组均解开的方式，每个副边单相绕组给一个AC/DC单元模块供电。该方案虽然会使得变压器的绝缘等级提高，但在输出同样直流电压的条件下，绕组数减少了六分之五，总的单元模块数减少了二分之一。

AC/DC单元模块的拓扑结构主要有两种，接线方式有四种。第一种拓扑结构为开关电源模块（输出电压不可连续调节，只能为某一固定值），其两种接线方式如图5和6所示。对比图5与图6可以发现，两图中电路结构采用同一种拓扑结构，不同之处在于输入侧的接线方式。这两种接线方式各有优缺点。开关电源模块主要由二极管整流器、直流母线电容和开关单元组成。二极管整流器输入端连接副边单相绕组，输出端依次并联有直流母线电容和开关单元，直流母线电容由两个电容C1、C2串联组成，开关单元由两个IGBT斩波电路串联组成，两串联电容C1、C2的中点和两串联IGBT斩波电路的中点相连。图5所示接线方式中，两串联电容C1、C2的中点与变压器副边绕组的中心抽头连在一起，且该点与大地相连接。这种接线方式使得该电源单元对中点平衡控制要求会降低，但会增加变压器的成本；而图6所示的接线方式中，变压器副边绕组并没有中心抽头，则该电源单元会对中点平衡控制的要求会很高，这无疑会增加控制算法的复杂度，但变压器的成本会降低。

为了提升输出直流电压的等级，直流母线电容采用两电容串联的方式，为了保证电容C1、C2两端的电压均等，在每个电容上并联一个相等阻值的均压电阻，图5、图6中为R1，R2。开关单元采用两IGBT斩波单元串联而成。开关管S1和S2工作在开关状态，而二极管D1和D2一直工作在旁路状态。图5、图6所示电源模块可工作在三种状态。1.全压输出状态。此时开关管S1和S2一直处于导通状态。2.半压输出状态。该状态有两种实现方式。即分别从C1、C2处取电。C1处取电时，开关管S1一直处于导通状态，而开关管S2一直处于断开状态，负端输出通过二极管D2旁路到电容C1的负端。C2处取电时，开关管S2一直处于导通状态，而开关管S1一直处于断开状态，正端输出通过二极管D1旁路到电容C2的正端。3.零电压输出状态。此时开关管S1和S2一直处于关断状态，整个模块通过二极管D1、D2被旁路，故输出零电压。

第二种拓扑结构为连续调压模块（输出电压可连续调节的模块），其两种接线方式如图7和8所示。图7、图8所示拓扑结构在图5、图6所示拓扑结构基础上增加一前级Buck电路单元，使得输出电压可连续调整，由二极管整流器，前级直流母线电容、前级Buck电路、后级直流母线电容和后级开关单元组成，二极管整流器输入端连接副边单相绕组，输出端依次并联有前级直流母线电容、前级Buck电路、后级直流母线电容和后级开关单元，前级、后级直流母线电容均由两个电容串联组成，前级Buck电路由两个IGBT半桥电路串联组成，后级开关单元由两个IGBT斩波电路串联组成。前级直流母线电容两串联电容的中点和两串联IGBT半桥电路的中点相连，后级直流母线电容两串联电容的中点和两串联IGBT斩波电路的中点相连。图7、图8接法的优缺点和图5、图6的接法的优缺点相同，这里不再作详细阐述。从图7、图8中看出，为了保持前后电压等级的一致性，Buck电路单元采用两相同的IGBT半桥单元串联而成。采用半桥电源结构可以便于能量的双向流动。且两图中的前级电容C3、C4的容值应远大于后极电容C1、C2的容值，以使这类电源模块单元能实现电压的快速调节。由于前级Buck电路单元只起到连续调压作用，后级两串联斩波模块的工作方式和上述不可控模块相同，故可知该电源模块也可工作在三种状态。1.全电压连续可调整输出状态。此时开关管S3、S6处于高频开关状态，用来连续调节输出电压，开关管S1、S2处于导通状态，其余各开关管与二极管均起旁路作用。2.半电压连续可调整输出状态。此时开关管S3、S6处于高频开关状态，开关管S1和S2一个处于导通状态，另一个处于关断状态，其余各开关管与二极管均起旁路作用。3.零电压输出状态。此时前级Buck单元可以将后端小电容C1和C2上的能量反馈到前级大电容C3和C4上面，将输出电压降为零。后级开关单元开关管S1，S2处于关断状态，其余各二极管与开关管均起旁路作用。上述三种工作状态的输出电压均可通过调整开关管S3、S6导通信号占空比来调整。理论上单级Buck电路即可实现全电压连续可调整输出，但在实际应用中太小的占空比难以实现，且小的占空比也会导致电源模块的效率低。故三种状态之间的切换是为了在保证装置在高效率的情况下输出所需电压。

从图4中可看出多绕组变压器Tm1的副边共有m+n组绕组，其中n组绕组是用来接开关模块；m组绕组是用来接连续调压模块。m和n的数量为3的倍数，而m与n的比例可由实际需求而定。其中三个单相组成的三相绕组对应的三个子模块需要同步控制，这样可保证三相平衡，以及输出电压的纹波更小。这两种电源模块均可通过近输出端的IGBT开通和关断，实现模块电压的快速投入与切出。本电源系统可通过投切开关模块单元数量实现输出电压档位的调节，通过投切连续调压模块单元的数量实现输出电压的连续调节，同时弥补变压器阻抗引起的电压降，以使输出满足负载稳定脉冲电压的需求。

Claims (5)

1.一种长脉冲大功率高压电源，其特征在于主要由多绕组隔离变压器和两档电压输出的多个AC/DC单元模块组成，所述多绕组隔离变压器采用副边三相绕组均解开的方式，每个副边单相绕组分别给一个AC/DC单元模块供电，副边三相绕组解开得到的三个副边单相绕组所对应的三个AC/DC单元模块采用同步控制，所述AC/DC单元模块有两种类型，一种是输出电压为固定值的开关电源模块，另一种是输出电压连续可调的连续调压模块，各AC/DC单元模块输出端相互串联。

2.如权利要求1所述的长脉冲大功率高压电源，其特征在于所述开关电源模块包括二极管整流器，所述二极管整流器输入端连接副边单相绕组，输出端并联有直流母线电容和开关单元，直流母线电容由两个电容串联组成，开关单元由两个IGBT斩波电路串联组成，两串联电容的中点和两串联IGBT斩波电路的中点相连。

3.如权利要求1所述的长脉冲大功率高压电源，其特征在于所述连续调压模块包括二极管整流器，所述二极管整流器输入端连接副边单相绕组，输出端依次并联前级直流母线电容、前级Buck电路、后级直流母线电容和后级开关单元，前级、后级直流母线电容均由两个电容串联组成，前级Buck电路由两个IGBT半桥电路串联组成，后级开关单元由两个IGBT斩波电路串联组成，前级直流母线电容两串联电容的中点和两串联IGBT半桥电路的中点相连，后级直流母线电容两串联电容的中点和两串联IGBT斩波电路的中点相连。

4.如权利要求2或3所述的长脉冲大功率高压电源，其特征在于各中点的连接点和副边单相绕组的中心抽头连接后接地。

5.如权利要求2或3所述的长脉冲大功率高压电源，其特征在于相互串联的电容每个电容两端并联一个阻值相等的电阻。