CN113037055A - 一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加速器结构和制造工艺技术领域，尤指一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器；所述的长脉冲固态调制器包括采用多层堆叠(SML)高压脉冲调制器的拓扑结构，在低压端，采用多个模块并联给相应的储能电容堆进行充电，在高压输出端，将所有模块输出的高压脉冲串联起来产生所需的高压脉冲，在每个高压产生模块内，采用了高频调制和解调理论产生高压脉冲，主要分成四个相对独立的电力转换阶段，本发明不需要增加额外的功率补偿元件，能降低噪音；以超微晶和纳米晶作为磁芯的高频变压器技术近几年也逐渐成熟，具有非常低的铁损，非常高的饱和磁通密度，足够高的磁导率，相对于传统的脉冲变压器体积紧凑，功率密度高，效率高。

Description

一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器
技术领域
本发明涉及加速器结构和制造工艺技术领域，尤指一种涉及速调管功率源高压高功率长脉冲电源技术的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器。
背景技术
脉冲固态调制系统在加速器中的作用主要是提供动态加速电场和发射电子，脉冲调制器通常由四个部分组成：充电电源部分、能量储存部分、开关部分和脉冲形成部分。传统的高压长脉冲调制器大多是基于高压脉冲变压器进行设计，结构简单，但是通常效率和功率密度都比较低，并且体积大、成本高，在整个高压脉冲期间没有高压反馈补偿机制，由调制器输出功率和储能电容共同决定了高压跌落的大小，若要减少脉冲期间的高压跌落，需要额外增加储能电容的值。另外，由于这些拓扑结构需要在短时间内输出非常高的峰值功率，这样的特性决定了在高压脉冲期间调制器会给电网带来非常大的抖动和谐波成分，通常需要增加额外的功率补偿元件减少整个高压脉冲调制器给电网带来的冲击，增加了设备成本。
目前，速调管功率源高压脉冲电源有多种拓扑结构，比如IGBT主路高压开关型调制器，脉冲变压器型的高压调制器，PSM电源以及MAX调制器等，下面对几个常用的高压调制器技术进行介绍并分析其优缺点。
(1)IGBT主路高压开关型调制器：IGBT主路高压开关型调制器多采用多个IGBT开关管进行串并联的结构方案来实现高压开关，满足高压耐压和大电流的设计要求，其对开关管的性能和触发控制电路的一致性等具有非常高的要求，因此设计难度较大，使用过程中故障率比较高，高压开关型调制器应用于速调管功率源的拓扑结构如图1所示。
高压开关型调制器的优点是结构简单，用小部分器件就可以搭建起整套高压调制器，但是直接高压开关技术现在还不是很成熟，故障率偏高，并且能量利用率不高，高压脉冲放电期间不能对高压跌落进行补偿。
(2)脉冲变压器型高压调制器：因为高压开关技术目前仍处于发展完善阶段，因此带脉冲变压器的高压调制器技术成熟度较高，相对于直接高压开关技术，这种调制器选用一个相对低压的开关产生脉冲功率输出，脉冲宽度根据相应的速调管功率源进行设置，然后经过脉冲变压器将脉冲电压升到速调管功率源所需要的高压值上。变压器的初级电压可以选择为10kV左右，这个电压等级的高压开关比较成熟，可以用半导体开关经过串并联堆叠实现，有现成的产品可以选择，并且高压开关不需要放在绝缘油中。
对于这种高压调制器，脉冲变压器的体积和重量都比较大，脉冲变压器带来的泄漏电感也会增加高压脉冲上升时间。另外，因为脉冲变压器中有储能，在速调管内部出现打火的时候，需要将变压器中储存的能量及时的泄放掉，避免其消耗在速调管内部，因此需要增加额外的能量泄放回路。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明旨在提供一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，尤指一种采用多层堆叠(SML)高压脉冲调制器的拓扑结构，该拓扑结构能够实现高压脉冲期间纹波小，高压跌落低，并且能够降低高压脉冲期间对电网的冲击，不需要增加额外的功率补偿元件。因为该调制器的开关频率比较高，最少可以达到20kHz，所以该高压调制器运行起来的噪音水平比较低。
本发明采用的技术方案是：一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，所述的长脉冲固态调制器包括采用多层堆叠(SML)高压脉冲调制器的拓扑结构，在低压端，采用多个模块并联给相应的储能电容堆进行充电，在高压输出端，将所有模块输出的高压脉冲串联起来产生所需的高压脉冲，在每个高压产生模块内，采用了高频调制和解调理论产生高压脉冲，主要分成四个相对独立的电力转换阶段，其中第一阶段和第二阶段是为低压储能电容堆充电的过程阶段；第三阶段是高频逆变和高频变压器升压阶段，第四阶段是无源整流及滤波阶段。
所述的第一阶段采用主动前端技术(AFE)将电网输入的交流电整流成直流电，即AD/DC转换过程。
所述的主动前端技术采用自关断器件IGBT，通过选择合适的SPWM模式，对电网馈入的交流电流的大小和相位进行控制，并通过前端的各滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波，通过调整交流的相位使其与电压同相。
所述的第二阶段是将转换后的直流电再进行设计调整成设定参数的直流电，即DC/DC转换过程，转换后的电压给储能电容堆充电，对于脉冲工作的调制器，在脉冲期间储能电容放出能量，在脉冲外由充电部分给储能电容补充能量。
所述的第三阶段是高频逆变和高频变压器升压阶段，采用IGBT软开关产生交变的方波脉冲，开关频率由所选IGBT的特性确定，在IGBT开关损耗满足运行安全的前提下，提高开关频率，减少高压脉冲的纹波。
当开关频率达到足够高以后，通过调整开关导通时间，减少固态调制器输出高压脉冲顶降。
所述的第四阶段为无源整流及滤波阶段，为了补偿高压跌落，在高频逆变阶段引入数字反馈控制系统，以脉冲高压的目标值作为参考，通过高压分压器采样脉冲高压值，然后经过数模转换采样得到脉冲高压的数字量，将采样值与设置值进行比较，然后经过PID控制算法实时调整IGBT的开关时间，即高频方波的宽度，补偿高压顶降。
所述的反馈控制系统采用FPGA为核心控制芯片，并且由FPGA输出IGBT的开关触发信号trg(t)。
所述逆变器输出的高频方波信号Vp(t)，经过高频变压器输出放大后的高频方波信号，升压比1：m2，则高频变压器的输出信号为m2*Vp(t)＝Vol(t)。
所述高频变压器输出的高频脉冲经过无源的整流和滤波网络产生所需要的直流脉冲高压。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，尤指一种采用多层堆叠(SML)高压脉冲调制器的拓扑结构，该拓扑结构实现高压脉冲期间纹波小，高压跌落低，并且能够降低高压脉冲期间对电网的冲击，不需要增加额外的功率补偿元件；因为该调制器的开关频率比较高，最少可以达到20kHz，所以该高压调制器运行起来的噪音水平比较低；当开关频率达到足够高以后，可以通过调整开关导通时间，减少固态调制器输出高压脉冲顶降，这个是传统的高压调制器很难做到的，但在本发明的技术方案中，很容易能够实现脉冲顶降补偿的功能；并且本发明中以超微晶和纳米晶作为磁芯的高频变压器技术近几年也逐渐成熟，具有非常低的铁损，非常高的饱和磁通密度，足够高的磁导率，相对于传统的脉冲变压器体积紧凑，功率密度高，效率高。
附图说明
图1是IGBT主路高压开关型调制器的拓扑结构示意图。
图2是引入主动前端技术后固态调制器输入电压和电流波形示意图。
图3是高频逆变和高频变压器升压、整流及滤波过程示意图。
具体实施方式
以下，结合说明书附图2-3详细说明本发明的具体实施方式：
一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，所述的长脉冲固态调制器包括采用多层堆叠(SML)高压脉冲调制器的拓扑结构，更具体的是，在低压端，多层堆叠(SML)高压脉冲调制器技术采用多个模块并联给相应的储能电容堆进行充电，在高压输出端，将所有模块输出的高压脉冲串联起来产生所需的高压脉冲，每个高压产生模块(HVGM)内，采用了高频调制和解调理论产生高压脉冲，主要分成四个相对独立的电力转换阶段，其中第一电力转换阶段和第二电力转换阶段是为低压储能电容堆充电的过程阶段；第三电力转换阶段是高频逆变和高频变压器升压阶段，第四阶段是无源整流及滤波阶段。
如图2所示，所述的第一电力转换阶段采用主动前端技术(AFE)将电网输入的交流电整流成直流电，即AD/DC过程，380V三相交流电经过主动前端技术整流后输出513V直流电压，由于主动前端技术采用了自关断器件IGBT，通过选择合适的SPWM模式，对电网馈入的交流电流的大小和相位进行控制，并通过前端的各滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波，通过调整交流的相位使其与电压同相，可以有效的减少高压调制器对电网的谐波污染，提高系统的功率因数。
本实施例中，长脉冲固态调制器拓扑结构的第一个电力转换阶段采用主动前端技术(AFE)将电网输入的交流电整流成直流电，即AD/DC过程，该过程也可以多脉波整流技术来实现，比如12脉波整流技术，通过变压器二次绕组接法的不同，使得两组三相交流电源间相位错开30°，从而使整流输出电压在每个交流电源周期脉动12次，然后经过桥式整流输出直流电压。
所述的第二阶段是将转换后的直流电再进行设计调整成设定参数的直流电，即DC/DC转换，转换后的电压给储能电容堆充电，这个过程的目的是设计一个相对于外电网无闪烁的高压脉冲调制器，减少对外电网的扰动；对于脉冲工作的调制器，在脉冲期间储能电容放出能量，在脉冲外由充电部分给储能电容补充能量。
通过一个放电周期内储能电容释放的能量及时间可以计算得到充电部分给储能电容充电的平均功率；在DC/DC转换部分采用传统的PWM调制技术进行调压，PWM以储能电容的充电电流作为闭环控制依据，实时调整PWM输出脉冲宽度，充电电流的参考值通过充电平均功率除以实测的储能电容电压计算得到。
通过这种DC/DC的调整方式，可以保证无论在调制器脉冲放电期间还是在脉冲外，储能电容的充电功率都是一致的，高压脉冲调制器从电网吸收的功率是恒定的，类似一个稳定的负载工作，这样的高压脉冲调制器对于外电网运行起来是无闪烁的。
在储能电容之后是高频逆变和高频变压器升压、无源整流及滤波阶段，整个过程如图3所示，因为这几个部分的电压比较高，需要全部放入油箱中；高频逆变(DC/AC)过程是采用IGBT软开关产生交变的方波脉冲，开关频率由所选IGBT的特性确定，在IGBT开关损耗满足运行安全的前提下，尽量提高开关频率，减少高压脉冲的纹波，提高系统调整的精度，根据常规的IGBT的使用经验，选择20kHz的开关频率是可行的；具体的开关频率需要根据实验结果进行最终的确定，高频变压器的体积随着开关频率升高而减小。
为了补偿高压跌落，在高频逆变阶段引入数字反馈控制系统，以脉冲高压的目标值作为参考，通过高压分压器采样脉冲高压值，然后经过数模转换(A/D)采样得到脉冲高压的数字量，将采样值与设置值进行比较，然后经过PID控制算法实时调整IGBT的开关时间，即高频方波的宽度，补偿高压顶；反馈控制系统以FPGA为核心控制芯片，并且由FPGA输出IGBT的开关触发信号trg(t)。
DC/AC逆变器输出的高频方波信号Vp(t)，经过高频变压器输出放大后的高频方波信号，升压比1∶m2，则高频变压器的输出信号为m2*Vp(t)＝Vo1(t)。
高频变压器输出的高频脉冲经过无源的整流和滤波网络产生所需要的直流脉冲高压，即图3中的Vo3(t)。
本发明中的长脉冲固态调制器第一阶段采用主动前端技术(AFE)将电网输入的交流电整流成直流电，该技术能够对电网馈入的交流电流的大小和相位进行控制，并通过前端的各滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波，通过调整交流的相位使其与电压同相，可以有效的减少高压调制器对电网的谐波污染，提高系统的功率因数。
随着高功率开关器件IGBT等技术的成熟，在大功率工作的条件下，也能工作在很高的开关频率，比如本专利中所提出的15kHz，甚至可以更高；并且以超微晶和纳米晶作为磁芯的高频变压器技术近几年也逐渐成熟，具有非常低的铁损，非常高的饱和磁通密度，足够高的磁导率，相对于传统的脉冲变压器体积紧凑，功率密度高，效率高。
本发明中，当开关频率达到足够高以后，可以通过调整开关导通时间，减少固态调制器输出高压脉冲顶降，这个是传统的高压调制器很难做到的，但是对于本专利中所提出的设计方案，很容易能够实现脉冲顶降补偿的功能；当开关频率达到15kHz，调制器工作时候的噪音可以明显降低，减少对于工作环境的噪音污染。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：所述的长脉冲固态调制器包括采用多层堆叠(SML)高压脉冲调制器的拓扑结构，在低压端，采用多个模块并联给相应的储能电容堆进行充电，在高压输出端，将所有模块输出的高压脉冲串联起来产生所需的高压脉冲，在每个高压产生模块内，采用了高频调制和解调理论产生高压脉冲，主要分成四个相对独立的电力转换阶段，其中第一阶段和第二阶段是为低压储能电容堆充电的过程阶段；第三阶段是高频逆变和高频变压器升压阶段，第四阶段是无源整流及滤波阶段。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：所述的第一阶段采用主动前端技术(AFE)将电网输入的交流电整流成直流电，即AD/DC转换过程。
3.根据权利要求2所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：所述的主动前端技术采用自关断器件IGBT，通过选择合适的SPWM模式，对电网馈入的交流电流的大小和相位进行控制，并通过前端的各滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波，通过调整交流的相位使其与电压同相。
4.根据权利要求1所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：所述的第二阶段是将转换后的直流电再进行设计调整成设定参数的直流电，即DC/DC转换过程，转换后的电压给储能电容堆充电，对于脉冲工作的调制器，在脉冲期间储能电容放出能量，在脉冲外由充电部分给储能电容补充能量。
5.根据权利要求1所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：所述的第三阶段是高频逆变和高频变压器升压阶段，采用IGBT软开关产生交变的方波脉冲，开关频率由所选IGBT的特性确定，在IGBT开关损耗满足运行安全的前提下，提高开关频率，减少高压脉冲的纹波。
6.根据权利要求5所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：当开关频率达到足够高以后，通过调整开关导通时间，减少固态调制器输出高压脉冲顶降。
7.根据权利要求1所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：所述的第四阶段为无源整流及滤波阶段，为了补偿高压跌落，在高频逆变阶段引入数字反馈控制系统，以脉冲高压的目标值作为参考，通过高压分压器采样脉冲高压值，然后经过数模转换采样得到脉冲高压的数字量，将采样值与设置值进行比较，然后经过PID控制算法实时调整IGBT的开关时间，即高频方波的宽度，补偿高压顶降。
8.根据权利要求7所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：所述的反馈控制系统采用FPGA为核心控制芯片，并且由FPGA输出IGBT的开关触发信号trg(t)。
9.根据权利要求5-8任一项所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：逆变器输出的高频方波信号Vp(t)，经过高频变压器输出放大后的高频方波信号，升压比1∶m2，则高频变压器的输出信号为m2*Vp(t)＝Vol(t)。
10.根据权利要求1或5或7所述的一种基于高频变压器的长脉冲固态调制器，其特征在于：高频变压器输出的高频脉冲经过无源的整流和滤波网络产生所需要的直流脉冲高压。
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