CN109980958A - 用于高压长脉冲psm电源的子模块 - Google Patents

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李青
毛晓惠
陈宇红
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章辉
曹亮亮
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Abstract

本发明属于电源模块，具体涉及一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块。一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，由三相二极管整流桥、母线电容、开关管和续流二极管组成，其中二极管整流桥的两个输入端与外围电路连接，二极管整流桥的两个桥间位置连接副边绕组，所述外围电路由母线电容、开关管和续流二极管组成。本发明的显著效果是：(1)本发明电源模块输出电压等级较高。故在同等电压输出情形下，所需模块数较少。(2)本发明模块输入为单相交流方式。通常副边绕组均为三相，可将三相解开作为三个相同模块的输入，不仅可以降低变压器的体积，还可以使得输出电压等级提高。提高整机的功率密度。

Description

用于高压长脉冲PSM电源的子模块
技术领域
本发明属于电源模块，具体涉及一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块。
背景技术
在托卡马克装置(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。
目前一种用于高压脉冲电源的电源模块拓扑结构如图1所示。从图1中可看出该电源模块由三相二极管整流桥、母线电容、IGBT开关管和续流二极管组成。a图和b图的区别只是开关位置的位置不同，其余功能均相同。该电源模块可输出两种电压，即零电压输出和全电压输出。开关管S1断开时，该模块输出零电压；开关管S1导通时，该模块输出整流后的电压(不考虑二极管导通压降)。
现有技术的缺点：图1所示结构用于高压脉冲电源时，可以满足核聚变实验中，电子回旋系统对高压脉冲电源的要求，但也存在以下几点缺点：(1)该电源模块输出电压等级较低。这意味着达到同等电压输出时，所需电源模块数较多，这无疑会降低整个电源系统的稳定性，增加系统的成本。(2)该电源模块输入采用三相进线的方式。由于每个模块均采用隔离输入的方式，这会使得副边绕组增多，增加变压器的成本和安装空间。
发明内容
本申请针对现有技术的缺陷，提供一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块。
本申请是这样实现的：一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，由三相二极管整流桥、母线电容、开关管和续流二极管组成，其中二极管整流桥的两个输入端与外围电路连接，二极管整流桥的两个桥间位置连接副边绕组，所述外围电路由母线电容、开关管和续流二极管组成。
如上所述的一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其中，所述的外围电路包括下述电路，一个电容和一个电阻组成并联电路，然后再与开关管和续流二极管组成串联电路，两个上述串联电路并联形成外围电路，外围电路与二极管整流桥的连接关系为，两个开关管的输出端分别与二极管整流桥的输入端连接，两个开关管的输入端作为外围电路的输入端，上述串接电路的输入端和输出端均与地连接，副边绕组的中心位置也与地连接。
如上所述的一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其中，所述的外围电路包括下述电路，一个电容和一个电阻组成并联电路，然后再与开关管和续流二极管组成串联电路，两个上述串联电路并联形成外围电路，外围电路与二极管整流桥的连接关系为，两个开关管的输出端分别与二极管整流桥的输入端连接，两个开关管的输入端作为外围电路的输入端，上述串接电路的输入端和输出端相连接。
如上所述的一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其中，所述的外围电路包括下述电路，正电源依次通过开关管S5、电容L1、开关管S1连接到二极管整流桥的一个输入端，开关管S5的输入端通过二极管D1与地连接，开关管S5的输出端通过并联的电阻R3和电容C3与地连接，开关管S1的输入端通过开关管S2与地连接，开关管S1的输出端通过并联的电阻R1和电容C1与地连接；负电源依次通过开关管S6、电容L2、开关管S4连接到二极管整流桥的另一个输入端，开关管S6的输入端通过二极管D2与地连接，开关管S6的输出端通过并联的电阻R4和电容C4与地连接，开关管S4的输入端通过开关管S3与地连接，开关管S4的输出端通过并联的电阻R2和电容C2与地连接。
如上所述的一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其中，所述的外围电路包括下述电路，正电源依次通过开关管S5、电容L1、开关管S1连接到二极管整流桥的一个输入端，开关管S5的输入端与二极管D1连接，开关管S5的输出端与并联的电阻R3和电容C3连接，二极管D1的输出端与并联的电阻R3和电容C3的输出端连接，开关管S1的输入端与开关管S2连接，开关管S1的输出与并联的电阻R1和电容C1连接，开关管S2的输出端与并联的电阻R1和电容C1的输出端连接；负电源依次通过开关管S6、电容L2、开关管S4连接到二极管整流桥的另一个输入端，开关管S6的输入端与二极管D2连接，开关管S6的输出端与并联的电阻R4和电容C4连接，二极管D2的输出端与并联的电阻R4和电容C4的输出端连接，开关管S4的输入端与开关管S3连接，开关管S4的输出端与并联的电阻R2和电容C2连接，开关管S3的输出端与并联的电阻R2和电容C2的输出端连接。
本发明的显著效果是：(1)本发明电源模块输出电压等级较高。故在同等电压输出情形下，所需模块数较少。(2)本发明模块输入为单相交流方式。通常副边绕组均为三相，可将三相解开作为三个相同模块的输入，不仅可以降低变压器的体积，还可以使得输出电压等级提高。提高整机的功率密度。
附图说明
图1a常见PSM电源拓扑结构图；
图1b另一种常见PSM电源拓扑结构图；
图2子模块单元拓扑结构1接线方式1
图3子模块单元拓扑结构1接线方式2
图4子模块单元拓扑结构2接线方式1
图5子模块单元拓扑结构2接线方式2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的说明。
本发明用于高压脉冲电源的电源模块单元拓扑结构接线方式如图2、图3、图4、图5所示。其中图2、图3和图4、图5为同一种拓扑结构，不同的是接线方式。这两种接线方式各有优缺点。图2所示接线方式中，两串联电容C1、C2的中点与变压器的中性线接在一起，则该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3所示接线方式中，变压器并没有中性线，则该电源单元会对中点平衡控制的要求会很高，这无疑会增加控制的复杂度。从图2、图3中可看出，该模块单元由二极管整流器，直流母线电容和开关单元组成。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、C2两端的电压相等，在每个电容上并联一个相等阻值的均压电阻，图2、图3中为R1，R2。开关单元采用两IGBT斩波单元串联而成，且两者之间的关系为并联。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。该电源模块可工作在三种状态(对应于三种不同的电压等级)。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，故没有电压输出。
图4、图5所示拓扑结构在图2、图3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。图4、图5接法的优缺点和图2、图3的接法的优缺点相同，这里不再作详细阐述。从图4、图5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。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S1、S4处于高频开关状态，开关管S5、S6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S1、S4处于高频开关状态，开关管S5处于导通状态，开关管S6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单元可以输出电压也可以不输出电压，后级开关单元开关管S5，S6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S1、S4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整机效率的情况下输出所需电压。
图4、图5所示拓扑结构中的电容C1和C2的容量应远大于电容C3和C4的容值，以使该电源模块能实现电压的快速调节。

Claims (5)

1.一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其特征在于：由三相二极管整流桥、母线电容、开关管和续流二极管组成，其中二极管整流桥的两个输入端与外围电路连接，二极管整流桥的两个桥间位置连接副边绕组，所述外围电路由母线电容、开关管和续流二极管组成。
2.如权利要求1所述的一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其特征在于：所述的外围电路包括下述电路，一个电容和一个电阻组成并联电路，然后再与开关管和续流二极管组成串联电路，两个上述串联电路并联形成外围电路，外围电路与二极管整流桥的连接关系为，两个开关管的输出端分别与二极管整流桥的输入端连接，两个开关管的输入端作为外围电路的输入端，上述串接电路的输入端和输出端均与地连接，副边绕组的中心位置也与地连接。
3.如权利要求1所述的一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其特征在于：所述的外围电路包括下述电路，一个电容和一个电阻组成并联电路，然后再与开关管和续流二极管组成串联电路，两个上述串联电路并联形成外围电路，外围电路与二极管整流桥的连接关系为，两个开关管的输出端分别与二极管整流桥的输入端连接，两个开关管的输入端作为外围电路的输入端，上述串接电路的输入端和输出端相连接。
4.如权利要求1所述的一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其特征在于：所述的外围电路包括下述电路，正电源依次通过开关管S5、电容L1、开关管S1连接到二极管整流桥的一个输入端，开关管S5的输入端通过二极管D1与地连接，开关管S5的输出端通过并联的电阻R3和电容C3与地连接，开关管S1的输入端通过开关管S2与地连接，开关管S1的输出端通过并联的电阻R1和电容C1与地连接；负电源依次通过开关管S6、电容L2、开关管S4连接到二极管整流桥的另一个输入端，开关管S6的输入端通过二极管D2与地连接，开关管S6的输出端通过并联的电阻R4和电容C4与地连接，开关管S4的输入端通过开关管S3与地连接，开关管S4的输出端通过并联的电阻R2和电容C2与地连接。
5.如权利要求1所述的一种用于高压长脉冲PSM电源的子模块，其特征在于：所述的外围电路包括下述电路，正电源依次通过开关管S5、电容L1、开关管S1连接到二极管整流桥的一个输入端，开关管S5的输入端与二极管D1连接，开关管S5的输出端与并联的电阻R3和电容C3连接，二极管D1的输出端与并联的电阻R3和电容C3的输出端连接，开关管S1的输入端与开关管S2连接，开关管S1的输出与并联的电阻R1和电容C1连接，开关管S2的输出端与并联的电阻R1和电容C1的输出端连接；负电源依次通过开关管S6、电容L2、开关管S4连接到二极管整流桥的另一个输入端，开关管S6的输入端与二极管D2连接，开关管S6的输出端与并联的电阻R4和电容C4连接，二极管D2的输出端与并联的电阻R4和电容C4的输出端连接，开关管S4的输入端与开关管S3连接，开关管S4的输出端与并联的电阻R2和电容C2连接，开关管S3的输出端与并联的电阻R2和电容C2的输出端连接。
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