一種長(zhǎng)脈沖大功率高壓電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高壓脈沖電源領(lǐng)域，具體涉及一種用于受控核聚變研究領(lǐng)域的高壓脈沖電源系統(tǒng)。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]托卡馬克(Tokamak)是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器。在托卡馬克裝置(例如HL-2A)中，為使等離子體溫度達(dá)到實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)所需的1keV量級(jí)，除傳統(tǒng)的歐姆加熱外，必須采用輔助加熱。輔助加熱系統(tǒng)作為托卡馬克裝置最重要的系統(tǒng)之一，在國(guó)際各裝置上一直是重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。輔助加熱主要有中性束注入(NBI)和射頻波加熱(RF)兩種方式，其中射頻波加熱主要有毫米波段的電子回旋共振加熱(ECRH)、厘米波段的低混雜波加熱(LHH)和米波段的離子回旋共振加熱(ICRH)三種形式。相比于其它兩種波加熱方式，電子回旋共振加熱系統(tǒng)被廣泛用于托卡馬克輔助加熱。
[0004]隨著托卡馬克物理實(shí)驗(yàn)的不斷深入對(duì)電子回旋系統(tǒng)乃至高壓電源系統(tǒng)提出更高更加苛刻的要求，同時(shí)也就對(duì)高壓電源的控制、保護(hù)等技術(shù)提出了更高的要求。這使得PSM開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展迅速，并已在輔助加熱高壓脈沖電源系統(tǒng)中獲得大量成功的應(yīng)用。
[0005]目前常用的PSM高壓脈沖電源系統(tǒng)，其電氣結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。從圖1中可看出該高壓脈沖電源系統(tǒng)由兩個(gè)PSM高壓脈沖電源單元組成，每個(gè)單元包括多繞組隔離變壓器、多組脈沖直流電源單元模塊。脈沖直流電源單元模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示。這兩種單元采用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不同的是開關(guān)管SI的位置，一個(gè)在正輸入端，另一個(gè)在負(fù)輸入端。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn):
圖1所示高壓脈沖電源結(jié)構(gòu)雖然能滿足回旋管對(duì)為其供電的高壓電源穩(wěn)定度較好，保護(hù)時(shí)間短等特點(diǎn)。但該電源結(jié)構(gòu)也存在如下缺點(diǎn):
1.脈沖直流電源單元模塊輸出電壓低，并且每個(gè)單元模塊輸入采用三相進(jìn)線的方式，因此在高電壓的場(chǎng)合所需電源模塊數(shù)和隔離變壓器副邊繞組數(shù)均較多，通常需要采用兩套及以上的整流變壓器，這無(wú)疑會(huì)增加電源系統(tǒng)的成本和安裝空間。
[0007]2.脈沖直流電源模塊均為開關(guān)模塊，雖然可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的電壓調(diào)節(jié)，但只能采用分檔調(diào)節(jié)，不能連續(xù)可調(diào)，電壓調(diào)節(jié)精度不高，主要由單元模塊的直流電壓等級(jí)決定。
[0008]3.由于輸入整流變壓器的短路阻抗的影響，每個(gè)模塊的直流電壓隨著負(fù)載變化而變化，從而影響后端輸出電壓的穩(wěn)定度。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明的目的:針對(duì)現(xiàn)有PSM高壓脈沖電源設(shè)備的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明目的在于設(shè)計(jì)出一種新型高壓脈沖電源裝置，減少單元模塊和輸入變壓器副邊繞組數(shù)，降低成本；同時(shí)實(shí)現(xiàn)高壓脈沖電源裝置電壓平滑連續(xù)可調(diào)，提高效率。
[0011]本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案:
一種長(zhǎng)脈沖大功率高壓電源，其特征在于主要由多繞組隔離變壓器和兩檔電壓輸出的多個(gè)AC/DC單元模塊組成，所述多繞組隔離變壓器采用副邊三相繞組均解開的方式，每個(gè)副邊單相繞組分別給一個(gè)AC/DC單元模塊供電，副邊三相繞組解開得到的三個(gè)副邊單相繞組所對(duì)應(yīng)的三個(gè)AC/DC單元模塊采用同步控制，所述AC/DC單元模塊有兩種類型，一種是輸出電壓為固定值的開關(guān)電源模塊，另一種是輸出電壓連續(xù)可調(diào)的連續(xù)調(diào)壓模塊，各AC/DC單元模塊輸出端相互串聯(lián)。
[0012]優(yōu)選地，
所述開關(guān)電源模塊包括二極管整流器，所述二極管整流器輸入端連接副邊單相繞組，輸出端并聯(lián)有直流母線電容和開關(guān)單元，直流母線電容由兩個(gè)電容串聯(lián)組成，開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT斬波電路串聯(lián)組成，兩串聯(lián)電容的中點(diǎn)和兩串聯(lián)IGBT斬波電路的中點(diǎn)相連。
[0013]所述連續(xù)調(diào)壓模塊包括二極管整流器，所述二極管整流器輸入端連接副邊單相繞組，輸出端依次并聯(lián)前級(jí)直流母線電容、前級(jí)Buck電路、后級(jí)直流母線電容和后極開關(guān)單元，前級(jí)、后級(jí)直流母線電容均由兩個(gè)電容串聯(lián)組成，前級(jí)Buck電路由兩個(gè)IGBT半橋電路串聯(lián)組成，后級(jí)開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT斬波電路串聯(lián)組成，前級(jí)直流母線電容兩串聯(lián)電容的中點(diǎn)和兩串聯(lián)IGBT半橋電路的中點(diǎn)相連，后級(jí)直流母線電容兩串聯(lián)電容的中點(diǎn)和兩串聯(lián)IGBT斬波電路的中點(diǎn)相連。
[0014]本發(fā)明有益效果:
本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且各脈沖直流電源單元均采用模塊化設(shè)計(jì)，單個(gè)模塊出現(xiàn)故障不影響設(shè)備使用，且方便更換。
[0015]本發(fā)明脈沖電源裝置，副邊采用三相解開的方式，不僅使得副邊可接單元模塊數(shù)量提高三倍，在同樣電壓等級(jí)輸出條件下，可以大大減少單元模塊和副邊繞組的數(shù)量，使得變壓器體積和成本減小。
[0016]本發(fā)明采用電壓不可調(diào)單元模塊和電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)單元模塊兩種電源模塊組合的方式能實(shí)現(xiàn)電壓平滑連續(xù)可調(diào)，實(shí)用性更強(qiáng)、效率更高，體積更小，維護(hù)更加方便，并且模塊的響應(yīng)速度很快，并能實(shí)現(xiàn)電壓的微秒級(jí)快速投入和切出，當(dāng)負(fù)載電壓需求改變時(shí)能快速響應(yīng)。能實(shí)現(xiàn)全電壓范圍的快速電壓調(diào)節(jié)，輸出電壓精度高、波動(dòng)小、穩(wěn)定性更好。
[0017]本發(fā)明脈沖電源裝置中所使用的子模塊單元采用了兩個(gè)分開的模塊單元合并成一個(gè)兩檔位單元模塊的方式，將以前的低電壓模塊單元換成了兩倍電壓的單元模塊。雖然單一模塊體積有所增加，但由于所需單元模塊數(shù)量的減少和模塊單元的高度集成化，使得電源裝置整體體積和成本也有所減少。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是常用PSM高壓脈沖電源框圖圖2常見脈沖直流電源單元模塊結(jié)構(gòu)圖1 圖3常見脈沖直流電源單元模塊結(jié)構(gòu)圖2 圖4本發(fā)明長(zhǎng)脈沖大功率高壓電源框圖圖5開關(guān)模塊接線方式I 圖6開關(guān)模塊接線方式2 圖7連續(xù)調(diào)壓模塊接線方式I 圖8連續(xù)調(diào)壓模塊接線方式2
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0020]高壓脈沖電源裝置可為中國(guó)環(huán)流二號(hào)A (HL-2A)及其類似裝置的輔助加熱系統(tǒng)供電，其原理框圖如圖4所示。從圖4中可看出，本發(fā)明裝置主要由多繞組隔離變壓器和兩檔位電壓輸出的AC/DC單元模塊組成，各AC/DC單元模塊輸出端相互串聯(lián)。在輸出電壓不變的前提下，為了使變壓器尺寸變小，該變壓器采用了副邊三相繞組均解開的方式，每個(gè)副邊單相繞組給一個(gè)AC/DC單元模塊供電。該方案雖然會(huì)使得變壓器的絕緣等級(jí)提高，但在輸出同樣直流電壓的條件下，繞組數(shù)減少了六分之五，總的單元模塊數(shù)減少了二分之一。
[0021]AC/DC單元模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種，接線方式有四種。第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為開關(guān)電源模塊(輸出電壓不可連續(xù)調(diào)節(jié)，只能為某一固定值)，其兩種接線方式如圖5和6所示。對(duì)比圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)，兩圖中電路結(jié)構(gòu)采用同一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不同之處在于輸入側(cè)的接線方式。這兩種接線方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。開關(guān)電源模塊主要由二極管整流器、直流母線電容和開關(guān)單元組成。二極管整流器輸入端連接副邊單相繞組，輸出端依次并聯(lián)有直流母線電容和開關(guān)單元，直流母線電容由兩個(gè)電容Cl、C2串聯(lián)組成，開關(guān)單元由兩個(gè)IGBT斬波電路串聯(lián)組成，兩串聯(lián)電容Cl、C2的中點(diǎn)和兩串聯(lián)IGBT斬波電路的中點(diǎn)相連。圖5所示接