译文 全固态高功率稳压电源.doc

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2μs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 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