CN107241025A - 一种高压电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压电源，包括隔离变压器组，用于实现电气隔离并将市电压进行升压处理，电源模块为多个串联的电源单元，电源单元设有开关管，开关管用于控制电源单元的输出电压，通过调节开关管的开关状态使电源单元的输出电压在零和单位电平之间转换。高压电源输出电压为所有电源单元输出电压之和，通过调节导通状态电源单元的数量，即可产生所需高压输出。采用两级变压器组驱动电源单元，简化变压器组的结构，两级变压器组变比不同，使得电源单元有不同的输出电压，因此在高压电源工作时，电源单元的开关管主要工作在开关状态，降低了开关管的开关频率和控制信号的复杂度，同时减小电磁干扰，以简单的控制方法实现电源的高精度输出。

Description

一种高压电源
技术领域
本发明属于高压技术领域，更具体地，涉及一种高压电源。
背景技术
电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)系统可用于等离子体的加热。ECRH系统一般的主要构成包括波源系统，超导磁体，传输线及天线，水系统及控制系统等。波源系统是ECRH系统的核心，由回旋管和电源系统(阴极高压电源、阳极高压电源)构成，回旋管高功率微波的产生需要电源系统的协同作用，需要研制直流高压电源为回旋管供电。应用在几十千伏至百千伏级的高压电源方案有以下三个方案。
方案一：市电电压先通过第一级升压变压器进行升压，然后经过晶闸管变流器实现交流调压，再通过第二级升压变压器升压，再次整流得到所需高压。然而此类方案的高压电源存在着以下明显缺点：晶闸管需要串联，而且晶闸管不能够可控关断，关断延时长，电源保护难度大；电源的快速响应难以实现且过大的储能会危害负载安全。
方案二：市电电压经升压隔离变压器升压，然后经整流单元变换为直流高压，再经过软开关电阻和高压开关对储能电容器充电，充电完成后，切除高压开关。需要高压输出时，控制四极管输出设定的电压。然而此类高压电源输出脉宽短，最长只能实现数秒的输出脉宽。且四极管自身的功耗非常大，降低电源的效率，产生的大量热量也给冷却带来困难。
方案三：运用脉冲阶梯调制(Pulse Step Modulation)技术，由多个电源模块级联形成高压输出，市电经过隔离变压器给多个电源模块，其中部分模块工作在开关模式(StepModulation)，另一部分模块工作在脉宽调制模式(Pulse Width Modulation)，只要调整两种电源的模块数量并对输出进行平波处理便能得到期望的电压输出。但此种方案有这以下不足：两种工作模式的电源设计使得控制策略较为复杂，该种电源设计方案，电源输出侧必须添加平波电抗器，为了提高平波效果，一般要求有多个PWM电源模块，且需要对PWM模块进行移相控制，这样一方面会提高控制策略的复杂度，同时越多的PWM电源模块会带来更强的电磁干扰，增加电磁兼容处理难度。另一方面，平波电抗器的使用也会使电源的动态响应变慢，如故障关断时间增大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高压电源，目的在于解决现有的高压电源由于电源模块工作于脉冲阶梯调制模式和开关模式两种模式导致无法兼顾高电压精度和电源控制信号简化的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高压电源，包括：
隔离变压器组，其设有N个输入端与M个输出端，用于电气隔离并将市电压进行升压处理；
电源模块，包括M个电源单元，记为第1个电源单元、…、第i个电源单元、…、第M个电源单元，第i个电源单元的输出端负极与第i个电源单元的输出端正极连接，其中，1≤i≤M-1，所述第i个电源单元的输出端负极与所述第i+1个电源单元的输出端正极连接，第1个电源的正极作为高压电源输出端正极，第M个电源的负极作为高压电源输出端负极，一个电源单元的输入端与一个所述输出端连接；所述电源单元设有开关管，开关管用于控制电源单元的输出电压，开关管工作于开关状态使电源单元输出电压为零或者单位电平，电源单元的电压输出与电源单元输入端电压有关；以及
控制单元，用于根据指令电压信号输出控制信号，控制信号用于控制开关管。
优选地，隔离变压器组包括：
一级隔离变压器组，设有N个输入端和K个输出端，包括N个第一级隔离变压器，第一级隔离变压器有一个主边和L个副边，N个第一级隔离变压器的N个主边为隔离变压器组的N个输入端，N个第一级隔离变压器的N×L副边作为一级隔离变压器组的K个输出端；以及
二级隔离变压器组，设有K个输入端和M个输出端，其一个输入端与一级隔离变压器组的一个输出端连接；包括P个第二级A型隔离变压器和Q个第二级B型隔离变压器，所述第二级A型隔离变压器有一个主边和S个副边，所述第二级B型隔离变压器有一个主边和T个副边，P个第二级A型隔离变压器的P个主边和Q个第二级B型隔离变压器的Q个主边作为二级隔离变压器组的K个输入端，P个第二级A型隔离变压器的S×P个副边和Q个第二级B型隔离变压器的T×Q个副边作为隔离变压器组的M个输出端；
第二级A型隔离变压器的变压比大于第二级B型隔离变压器的变压比；使得连接第二级A型隔离变压器副边的电源单元输出单位电平大于连接第二级B型隔离变压器副边的电源单元输出单位电平。
优选地，高压电源还包括U个升压模块，且U＜M，一个升压模块的输入端与所述隔离变压器组的一个输出端连接，该升压模块的输出端与一个电源单元的输入端连接，使得连接升压模块的电源单元输出单位电平大于连接隔离变压器组输出端的电源单元输出单位电平。
优选地，高压电源还包括绝缘支撑单元，绝缘支撑单元置于电源模块下方，用于使电源模块与大地电气隔离。
优选地，隔离变压器为移相多绕组隔离变压器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的高压电源，电源单元的开关管工作于开关状态，减少了电源单元中开关管的操作频率，降低了控制信号的复杂度，高压电源输出电压为所有电源单元输出电压之和，通过调节电源单元的输出单位电平数值，可以实现提高高压电源输出电压的精度，因此，本发明的高压电源拓扑简洁、控制策略简单，能够以更简单的控制达到同样的精度。
2、本发明提供的高压电源，电源单元的开关管工作于开关状态，提高核心开关器件的使用寿命，同时因开关器件的操作频率显著减低，高压电源所带来的电磁干扰明显降低。
3、本发明提供的高压电源中，隔离变压器组采用两级隔离变压器组，当高压电源的输出电压较高要求更多电源单元时，第一级隔离变的绕线数量不会急剧增加，降低第一级隔离变设计难度，而第二级隔离变的要求则大于所供电电源模块的所有电压之和加安全裕量即可，使得第二级隔离变的设计要求及建造成本都得以降低。
4、本发明提供的高压电源中，采用两个变比不同的第二级A型隔离变压器和第二级B型隔离变压器，使连接第二级A型隔离变压器的电源模块单位电平和连接第二级B型隔离变压器的电源模块单位电平不同，而高压电源输出电压为所有电源单元输出电压之和，从而能够提高高压电源输出电压的精度。
5、本发明提供的高压电源中，通过降压模块对隔离变压器组部分输出端电压进行降压处理，使得高压电源中存在两种单位电平的电源单元，能够提高高压电源输出电压的精度。
6、电源模块均为模块化设计、结构简单，便于工业化大批量生产。所构成的高压电源可以实现百千伏等级的高压输出，输出电压及输出波形控制简单，精度高。
附图说明
图1为本发明提供的高压电源实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的实施例的高压电源拓扑图；
图3为本发明提供的实施例中高压电源架构图；
图4为本发明提供的实施例输出电压波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的高压电源包括隔离变压器组、电源模块和控制模块，隔离变压器设有N个输入端与M个输出端，其中，N和M均为正整数，隔离变压器组的输入端与电网连接，用于电气隔离并对市电进行升压处理输出M路电压，电源模块包括M个电源单元，记为第1个电源单元、…、第i个电源单元、…、第M个电源单元，第i个电源单元的输出端负极与第i+1个电源单元的输出端正极连接，第1个电源的正极作为高压电源输出端正极，第M个电源的负极作为高压电源输出端负极，其中，1≤i≤M-1，i为电源单元次序，每个电源单元的输入端与隔离变压器的一个输出端连接，每个电源单元设有开关管，开关管工作于开关状态，使电源单元输出电压为零或者单位电平，电源单元的电压输出与电源单元输入端电压有关。控制模块的输出端与电源模块的控制端连接，控制模块根据指令电压信号输出控制信号，控制信号用于控制M个电源单元，使每个电源模块输出电压为零或者单位电平，所有电源模块输出电压之和即为高压电源的输出电压，进而实现输出指令电压信号所要求电压。
本发明提供的高压电源中电源单元中开关管工作于开关状态，减少了电源单元中开关管的操作频率，提高核心开关器件的使用寿命，同时因开关器件的操作频率显著减低，高压电源所带来的电磁干扰明显降低；本发明的高压电源拓扑简洁、控制策略简单，能够以更简单的控制达到同样的精度。
图1为本发明提供的高压电源实施例的结构示意图。如图1所示，该实施例中高压电源包括隔离变压器组001、电源模块002和控制模块003，其中，隔离变压器组001包括一级隔离变压器组011和二级隔离变压器组012，一级隔离变压器组011设有N个输入端和K个输出端，二级隔离变压器组012设有K个输入端和M个输出端，其中，K和M均为正整数，且N<K<M，二级隔离变压器组012一个输入端与一级隔离变压器组011的一个输出端连接。一级隔离变压器组011包括N个第一级隔离变压器，第一级隔离变压器有一个主边和L个副边，其中，L均为正整数，且N×L＝K，N个第一级隔离变压器的N个主边为隔离变压器组的N个输入端，N个第一级隔离变压器的N×L副边作为一级隔离变压器组的K个输出端；二级隔离变压器组，包括P个第二级A型隔离变压器和Q个第二级B型隔离变压器，所述第二级A型隔离变压器有一个主边和S个副边，所述第二级B型隔离变压器有一个主边和T个副边，其中，P、Q、S和T均为正整数，且S×P+T×Q＝M，P+Q＝K，P个第二级A型隔离变压器的P个主边和Q个第二级B型隔离变压器的Q个主边作为二级隔离变压器组的K个输入端，P个第二级A型隔离变压器的S×P个副边和Q个第二级B型隔离变压器的T×Q个副边作为隔离变压器组的M个输出端。
本实施例中，隔离变压器组采用两级隔离变压器组，将隔离变压器分为第一级隔离变及第二级隔离变两级隔离变压器，其中第一级隔离变要隔离的电压较高，必须以系统所需要隔离的最高电压加上安全裕量来设计，而第二级隔离变的要求则大于所供电电源模块的所有电压之和加安全裕量即可。这样当电源的设计输出电压较高时，第一级隔离变不需要因为过多的二次输出绕组而急剧增加设计难度，同时第二级隔离变的设计要求及建造成本都得以降低。
第二级A型隔离变压器的变压比大于第二级B型隔离变压器的变压比，使得连接第二级A型隔离变压器副边的电源单元输出单位电平大于连接第二级B型隔离变压器副边的电源单元输出单位电平，通过这种方案设计能显著提升高压电源的控制精度。
第一级隔离变压器的数量、第二级A型隔离变压器的数量、第二级B型隔离变压器的数量以及电源单元的数量选择要综合考虑电源设计需求和第二级B型隔离变压器的副边电压确定。通常来讲来说输出40kV以下可以通过1台第一级隔离变和数台第二级隔离变来实现，40kV以上的高压电源可以使用数台第一级隔离变的设计方案。通常来讲，通过设置第二级A型隔离变压器的变比和第二级B型隔离变压器的变比，使连接第二级A型隔离变压器的电源单元输出单位电平VA的范围在600-1000V之间，使连接第二级B型隔离变压器的电源单元输出单位电平VB的范围在100-200V之间，使得VA<0.2VB。
本发明提供的高压电源的实施例中，还包括U个升压模块，且U＜M，U为正整数，一个升压模块的输入端与所述隔离变压器组的一个输出端连接，该升压模块的输出端与一个电源单元的输入端连接，使得连接升压模块的电源单元输出单位电平大于连接隔离变压器组输出端的电源单元输出单位电平，通过这种方案设计能显著提升高压电源的控制精度。
本发明提供的高压电源的实施例中，还包括绝缘支撑单元，绝缘支撑单元置于电源模块下方，用于使电源模块与大地电气隔离，当所设计的高压电源输出参考点与大地一致时可不使用绝缘支撑单元。对于绝缘支撑单元没有特别苛刻的要求，只要有足够的强度和隔离度，能够将电源模块及隔离变支撑起来并保证隔离度即可。本发明设计中选用复合材料支撑绝缘子，强度大，重量轻，抗污闪能力强。
本发明提供的高压电源的实施例中，隔离变压器都采用移相处理，来减小对市电的干扰。
图2为本发明提供的实施例的高压电源拓扑图，包括隔离变压器组，绝缘支撑单元、电源模块以及控制模块；一级隔离变压器组包括一个第一级隔离变压器T0，整个高压电源取电引自380V/50kVA动力配电箱，电源通过断路器开关传至第一级隔离变T0，第一级隔离变隔离度150kV DC，接法为Y/y0，容量50kVA，变比为380V/600V，原边为一组三相输入，副边有5组三相输出。5组副边绕组分别供给5个二次隔离变，记为二次隔离变T1、二次隔离变T2、二次隔离变T3、二次隔离变T4以及二次隔离变T5，二次隔离变T1至二次隔离变T5隔离度、容量以及副边数量均相同，依次为隔离度为20kV DC，容量为10kVA，原边为一组三相输入，副边为10组三相输出，分别供给10个电源单元。二次隔离变T1至二次隔离变T4变比为600V/600V，二次隔离变T5变比为600V/75V。这种两级隔离变压器方案的优点在于配电箱与ECRH系统-80kV高压平台的电气隔离由1台隔离变实现，降低了成本，而且一次隔离变和二次隔离变的副边绕组都较少，降低了设计难度，经济可靠。为了减少高压电源产生的谐波对于市电的干扰，对一次隔离变的五组副边输出进行了移相，分别为0°、±12°、±24°，形成30脉波，可有效减少高次谐波对市电的干扰，同时降低输出电压纹波。
如图2所示，电源单元包括并联的IGBT单元、电容、电阻以及二极管，三相电源输入以不控整流的方式给电容充电，同时储能电容对不控整流产生的6脉波脉动直流进行滤波，进而形成稳定的直流母线电压。根据控制指令，电源模块的IGBT导通并产生直流电压输出。并联在电容两端的电阻起到均压作用，防止串联电容彼此间的电压不均，进而造成电容器的损坏。三相不控整流桥上串联的晶闸管/电阻是软开关模块。续流二极管在IGBT关断的时候提供续流通道，为加快IGBT动态特性，在续流二极管的两端添加了内负载电阻，增大IGBT通路电流，加快其瞬态响应，同时主回路中还有着电压电流的采样电路，采样信息可以传至电源单元中的控制板，当发生故障时控制板可以迅速关断IGBT。本实例中连接第二级A型隔离变压器的电源单元输出单位电平为800V，连接第二级B型隔离变压器的电源单元输出单位电平为100V。可以实现精度分辨率为100V/33kV≈0.3％，精度优于0.5％。当所设计的高压电源等级更高时，精度会进一步的提高。
图3为本发明提供的实施例中高压电源架构图：左侧的绝缘支架采用5×10方格设计，横向5格，纵向10格，用来放置50个电源单元。整体的外观尺寸为1200mm×1500mm×500mm，从下往上电压依次升高，底部8排电源单元与变比为600V/600V的二次隔离变相连，电源单元的单位电平为800V，顶部两排电源单元与变比为600V/75V的二次隔离变连接，电源单元的单位电平为100V。由于绝缘因素是电源考虑的重要因素，整套支架的安装采用无金属螺钉设计，竖直结构与水平结构之间多采用榫卯结构，部分需要强度加强的部分采用尼龙螺钉固定。
本发明提供的实施例中，高压电源控制中采用DSP作为核心控制芯片，控制指令是由DSP芯片发出，电源的具体参数既可以通过人机界面设定，也可以由ECRH中控系统将设定参数经过通讯协议传输至DSP控制芯片。DSP芯片与50个电源单元的控制指令全部使用光纤隔离，通过电光/光电转换方法将开关等指令发给电源模块，电源模块内部有ARM芯片进行单个电源单元状态监测，并将电源模块的状态信息反馈给DSP控制芯片。高压电源的输出电压和输出电流经过分压器及霍尔传感器进行检测，检测信号经压频转换技术传给采集系统，过压过流信息经比较电路反馈给DSP控制芯片，当发生过压过流时切断电源。通过以上设计思路，所有的电源模块控制保护等信息传递均使用光纤隔离的技术，这样就确保了-80kV高压平台和控制板乃至ECRH中控之间稳定可靠的电气隔离，在任何状况下都不会因发生故障而损坏控制器。
图4为本发明提供的实施例输出电压波形图，对高压电源进行了多个电压单元的控制测试，包括32个800V电压单元和5个100V电压单元，其中800V电压单元根据响应的要求可以逐个或者同时进行操作，而100V的电压单元在开通管段时同时触发。Vmodule为在Trigger信号激励下第一个电源单元的输出电压波形，Vout为高压电源输出电压波形。通过对高压电源中各开关管的通断测试可以看出，电源的性能较好，且从波形上也反映出电源的控制简洁高效。
综上可以看出：根据本发明设计表现出众，在有效提高电源精度的同时，显著减小了电源开关器件操作频率，提高核心开关器件的使用寿命，因开关器件的操作频率显著减低，可降低高压电源工作时所引起的电磁干扰。本发明的电源模块均为模块化设计、结构简单，便于工业化大批量生产。所构成的高压电源可以实现百千伏等级的高压输出，输出电压及输出波形控制简单，精度高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高压电源，其特征在于，包括：
隔离变压器组，其设有N个输入端与M个输出端，用于电气隔离并将市电压进行升压处理；
电源模块，包括M个电源单元，记为第1个电源单元、…、第i个电源单元、…、第M个电源单元，其中，1≤i≤M-1，所述第i个电源单元的输出端负极与所述第i+1个电源单元的输出端正极连接，所述第1个电源的正极作为所述高压电源输出端正极，所述第M个电源的负极作为所述高压电源输出端负极，一个所述电源单元的输入端与一个所述变压器输出端连接；所述电源单元设有开关管，所述开关管用于控制电源单元的输出电压，所述开关管工作于开关状态使所述电源单元输出电压为零或者单位电平，所述电源单元的电压输出与所述电源单元输入端电压有关；以及
控制单元，用于根据指令电压信号输出控制信号，控制信号用于控制开关管。
2.如权利要求1所述的高压电源，其特征在于，所述隔离变压器组包括：
一级隔离变压器组，设有N个输入端和K个输出端，包括N个第一级隔离变压器，第一级隔离变压器有一个主边和L个副边，N个第一级隔离变压器的N个主边为隔离变压器组的N个输入端，N个第一级隔离变压器的N×L副边作为一级隔离变压器组的K个输出端；以及
二级隔离变压器组，设有K个输入端和M个输出端，其一个输入端与所述一级隔离变压器组的一个输出端连接；包括P个第二级A型隔离变压器和Q个第二级B型隔离变压器，所述第二级A型隔离变压器有一个主边和S个副边，所述第二级B型隔离变压器有一个主边和T个副边，P个第二级A型隔离变压器的P个主边和Q个第二级B型隔离变压器的Q个主边作为二级隔离变压器组的K个输入端，P个第二级A型隔离变压器的S×P个副边和Q个第二级B型隔离变压器的T×Q个副边作为变压器组的M个输出端；
第二级A型隔离变压器的变压比大于第二级B型隔离变压器的变压比，使得连接第二级A型隔离变压器副边的电源单元输出单位电平大于连接第二级B型隔离变压器副边的电源单元输出单位电平。
3.如权利要求1所述的高压电源，其特征在于，还包括U个升压模块，且U＜M，一个所述升压模块的输入端与所述变压器组的一个输出端连接，该升压模块的输出端与一个所述电源单元的输入端连接，使得连接所述升压模块的电源单元输出单位电平大于连接变压器组输出端的电源单元输出单位电平。
4.如权利要求1至3任一项所述的高压电源，其特征在于，还包括绝缘支撑单元，所述绝缘支撑单元置于电源模块下方，用于使电源模块与大地电气隔离。
5.如权利要求1至3任一项所述的高压电源，其特征在于，所述隔离变压器为移相多绕组隔离变压器。
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