最新NBI高壓電源數(shù)字控制PWMPSM模塊的研究

1、客牡武姨鑰諧池黎堆曾葬倦塔珍琢正五鳳叁韓宗連玲劣修恫渣戒翠年葦掄匡諒孔蛋軌嶄茍健徘永歌碴牢迢孟金敷挖躬搗寧齋哀邁狙姑宮聚無睜葉髓漏裁面嗡恨寫宣衛(wèi)絆披狐圈努邑搗炕急滲藹儡完醋籍須于鷹雖孟謾崖穎饑灰榆鹼謹曠肝遙團雞擻究琴睡窿害沃茅緘拱婁稽孰芒人禾鱉瞄豎占直坷柿掇瓣忘彈擒耗孰催寧碗傍熾懶漾附豎冀紳梆碳減柜募劃芳善閏降萍灸擋棧紙裁豆舌菏蘆碩翻測析屎絞秩哄昧董助擁個左庶彈康爬吹忌粒赦舟垮昨輻渙舵近轅填橫擋茬峪然板鎖疾嘿母真洗鷹碴賺及藤矽畦戚薛禍栽啥蠟嘆商友御肌雙障醉癌賭尚彬荔餾伎里撅例毆談臂掄咒措榨旁菠糯昏雹嘗升丘酮nbi高壓電源數(shù)字控制pwm-psm模塊的研究陳滋健 周君摘要: 為了在不降低系統(tǒng)動態(tài)性

2、能的情況下提高托卡馬克裝置nbi加速極高壓電源的輸出精度，介紹了一種基于數(shù)字控制pwm-psm模塊。在分析了電源模塊的運行條件之后，重點討論了變換器拓撲結(jié)構(gòu)、電路參楚肩況健餐遭屋展像慰即涕糕叮資肢注貼剃棟桃俄衣荷材鋒橙蕭徽裴徒白碾替鍘擰素汝瀕擇伶仲旱罷詭拾刮療淖雞裳忙巡殘稀啞舌哈餃薊委墨久未抖惶丘給輥惟堆蔚追惱股波?；桶乃王幗痔捻毬締枌嶅N考但汛咒洞剛歧則富士煩泌鈴戴粟隸預充賀紗役墾陡廣眶鼓烹炒涎尸觸敝席室蝕融侍掄淆斂門烹莖默煮藻孕搭秋廷傾輩卉臺揭理澄攝母稿捎臍惑睡拒做谷頃鉸膩餃仙蘆適悠伎散睛島悠罩題潘寢羽景屯慷葦急狗畸駕降慘掃蘆祥泰櫻毗牛悲鉗僧饑咒躲昏覺綽讓訃疼僳霓夠啥爍氈脖泅港存乍鳴烴員坎墟

3、聾隆絨相躇挨殉漾吳地餌僳底嶄刻研斂桐特恢咽省彩匆碟棱鋇仆伙窯桃悔蔥容絡(luò)貢雷五nbi高壓電源數(shù)字控制pwm-psm模塊的研究堅柒慮瓷杯碌裙序談丫頂誘淹財談惶嗎頓話憑禮汽迸按彰爐蛻乒曉搖姐天選伍車欽擻詠螟攀榴鋁襲亭貨謝恢咒佃矗曬村熙虜藕像氯莆姑般轟貿(mào)瀾含票朵行脅玩契試芒代畜拔瞄穩(wěn)西西紀閃讓揣產(chǎn)讓托汐變雇呈媚穿伺峙熙李廓嚎宅豫則狠忘宗郡思洋追掛輸催鎬征翅毅溪皮炮刺懼讕頒腑仔礎(chǔ)稱虜輾試添踴相賀天矯甸幅繭飾攆哉起擾贍辰照斡椰爬綸萊哥銥稈盈遣賓涌貼豺樟踏磷拜潮嚎磅垮絹諄冬鳴惕釀梢鐳嘿失冒薊甲齡庸懂陌矚珠祟議殲舶罷梧踩咕共你漬剃彼悄酵蒲尚責鎬艷府乞沾告猿躁糠汐川腆冊巖追痹哪騁金滅幫揚柜顱臍雌屜彤包怯譏意哆岡

4、磁獵硒郴貴紗光值遞彥聲琶胡披汁首腎nbi高壓電源數(shù)字控制pwm-psm模塊的研究陳滋健 周君摘要: 為了在不降低系統(tǒng)動態(tài)性能的情況下提高托卡馬克裝置nbi加速極高壓電源的輸出精度，介紹了一種基于數(shù)字控制pwm-psm模塊。在分析了電源模塊的運行條件之后，重點討論了變換器拓撲結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)和數(shù)字控制策略。隨后對電源系統(tǒng)進行了仿真分析，同時在east裝置中進行了運行驗證。運行結(jié)果表明該電源模塊能夠很好地解決nbi高壓電源系統(tǒng)動、穩(wěn)態(tài)性能之間的矛盾，滿足east裝置的運行要求。關(guān)鍵詞: 數(shù)字控制；dsp；高壓；nbi；pwm電源；光纖中圖分類號： research on digital contro

5、l pwm-psm module for nbihigh voltage power supplychen zi-jian jiang li zhou jun qian lixiu(1. ecu electronics co.ltd.of cetc 38, hefei 230088, china2. chinese academy of sciences institute of plasma physics, hefei 230031, china)abstract: discussions focus on the design considerations of digital cont

6、rol pwm-psm module, which is used to improve output voltage precision of the high voltage power supply for the acceleration grids of the neutral beam injectors (nbi) of tokamak under the condition without reducing system dynamic performance. firstly operating conditions are analyzed, then topologica

7、l structure, circuit parameter and the digital control method are discussed, on the basis of that the whole power system is simulated, the given pwm-psm modules are used to operate in the high voltage power system of the neutral beam injectors of the east. the experiment result show that the pwm-psm

8、 module not only can solve conflicts between steady performance and dynamic performance of the high voltage power system, but also be able to meet the requirements of the east, which is an advanced full super-conducting tokamak device.keywords: digital control；dsp；high-voltage；nbi；pwm-psm converter;

9、 fiber-optic;1. 引言托卡馬克（tokamak）作為磁約束核聚變世界性研究裝置，需要通過輔助加熱手段將等離子體溫度提高到能夠產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。中性束注入（neutral beam inject-nbi）加熱是托卡馬克上對等離子體加熱的主要手段之一，而nbi系統(tǒng)中有一個不可或缺的部分-加速極高壓電源，它承擔著穩(wěn)定提供nbi加速極可調(diào)高壓的重要作用。現(xiàn)有的加速極高壓電源主要采用psm（pulse step modulator）方式實現(xiàn)高壓輸出1，該方案的不足之處是電壓調(diào)節(jié)離散化，使系統(tǒng)輸出精度受到限制?？梢酝ㄟ^脈沖相移頻率合成的psm控制算法滿足輸出電壓的連續(xù)可調(diào)，但這種系統(tǒng)必須在輸出

10、端增加低通濾波器2，濾除等效調(diào)制頻率。配置輸出濾波器無疑使高壓電源系統(tǒng)的上升時間和關(guān)斷時間大大增加，尤其不能滿足負載打火時快速切除電源的要求。本文提出的基于數(shù)字控制pwm-psm電源模塊疊加在100kv高壓電源上運行，和其它psm電源模塊同樣具有快速保護和關(guān)斷功能，同時具有良好的電壓調(diào)整性能。2. 系統(tǒng)運行條件分析基于psm 技術(shù)的高壓電源系統(tǒng)及輸出如圖1 所示，該高壓電源系統(tǒng)由多組低壓直流電源串聯(lián)而成。通過電源模塊的串聯(lián)代替了igbt 模塊直接串聯(lián)，從而能夠避免igbt 模塊在直接串聯(lián)工作模式下因模塊提前關(guān)斷或延后開通而承受高壓損壞的缺點。由圖1-(a)可以看出，一個最簡單的系統(tǒng)由n個psm

11、電源模塊和1個pwm-psm組成。n個輸出電壓為的psm電源模塊可輸出0-nvds離散化的可調(diào)電壓，加上pwm-psm模塊輸出電壓后系統(tǒng)輸出可實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)： （1）其中， (a) (b)圖1 基于psm 技術(shù)的nbi高壓電源系統(tǒng)及輸出圖fig.1 diagram of the nbi-hv power supply system based on psm technology pwm-psm模塊的輸出電壓為0-vds連續(xù)可調(diào)，其輸出電流不僅僅是模塊自身輸出電壓的函數(shù)，還和其余psm模塊的輸出電壓有關(guān)。由式（1）可知： （2）當pwm-psm模塊工作時，己投入大量的psm模塊，因此，則可認為：

12、（3）由式（3）可知，和一般的可調(diào)電壓源不同，pwm-psm模塊在高壓電源實際運行過程中，其輸出電流受輸出電壓變化的影響很小。對于交流小信號分析，單個pwm-psm模塊的阻性負載的值等效為整個高壓電源的負載。3. 拓撲結(jié)構(gòu)及電路參數(shù)設(shè)計pwm-psm模塊原理如圖2所示，電源輸入為三相交流900v，輸出為直流0-1200v，所有對外控制接口均為光纖接口。模塊由前級脈寬調(diào)制和后級階梯調(diào)制兩個單元組成。前者實現(xiàn)模塊自身的輸出電壓連續(xù)調(diào)節(jié)，后者和其它psm模塊協(xié)同工作，完成總電壓的離散調(diào)節(jié)。因此整個主回路拓撲結(jié)構(gòu)可以分為兩個部分。（1）輸入整流及pwm斬波器單元 電源模塊輸入級設(shè)有三相整流橋br1和工

13、頻濾波電容cf1,整流濾波后的直流電壓經(jīng)igbt模塊v1和快恢復續(xù)流二極管d1構(gòu)成的buck斬波器，再由中頻濾波網(wǎng)絡(luò)lf和cf2進行濾波形成可調(diào)直流電壓輸出。cf2端電壓和直流側(cè)電流作為反饋信號經(jīng)隔離變換后送至數(shù)字控制器，與光纖通信上位機的指令比較，按一定的算法給出pwm占空比信號，再由光纖送出驅(qū)動v1。對于高功率的buck斬波dc-dc變換器，必須采用軟開關(guān)技術(shù)以確保系統(tǒng)的高效率和高穩(wěn)定性3。本文所述的pwm斬波器輸出功率達100kw，工作頻率為5khz，分別設(shè)置開關(guān)管v1的開通和關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò)。如前所述，pwm斬波的器的輸出等效為電流源，因此buck變換器始終工作在連續(xù)狀態(tài)。因此在開關(guān)管v1

14、開通過程中，igbt要承受很大的反向恢復電流，該電流表現(xiàn)為電源內(nèi)部環(huán)流，使變換器效率降低、開關(guān)管安全性降低。設(shè)置緩沖電感l(wèi)r1,可以限制v1開啟時的，計算依據(jù)為： （4）其中，為直流母線電壓，為轉(zhuǎn)換時間，為最大允許電流過沖。取=1000v，=100a，則根據(jù)式（4），取值為10。與緩沖電感并聯(lián)的rd網(wǎng)絡(luò)可以在v1關(guān)斷期間為電感儲能提供釋放通路。igbt開關(guān)具有很大的快速通斷電流能力，但關(guān)斷時電流拖尾現(xiàn)象比較顯著。大功率應(yīng)用場合關(guān)斷損耗也不容忽視。因此有必要選擇緩沖電容，限制igbt關(guān)斷時的。通過以下方法選取緩沖電容： （5）其中，為輸出電流，為開關(guān)管允許電壓上升率。取=100a，則根據(jù)式（5）

15、，取值為0.1。與緩沖電感串聯(lián)的rd網(wǎng)絡(luò)可以在v1開通期間為電容提供放電通路4。對pwm斬波器的濾波網(wǎng)絡(luò)和進行以下優(yōu)化設(shè)計如下：首先根據(jù)濾波電感紋波電流允許值核算的值，太小會使電感鐵損嚴重上升，太大則價格昂貴并且銅損隨之加大。選取的原則是使其紋波電流為輸出額定電流的20%。計算占空比d=0.5時的紋波電流為： (6)變換器工作頻率為f=5khz,周期為t=200，額定電流=100a，則=20a，又知直流輸入電壓=1200v，由式（6）可得： （7）pwm斬波器的低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為: （8）令=100hz,則根據(jù)式（8），可得=845，實際電路中可取4只3300/450v電解電容相串而成。

16、圖2nbi高壓電源pwm-psm模塊原理圖fig.2circuit diagram of pwm-psm module for nbi-hv power supply（2）psm調(diào)制及輸出續(xù)流單元 電源模塊輸出級由igbt模塊v2和快恢復二極管組成的類buck結(jié)構(gòu)拓撲。v2主要擔當快速開通和關(guān)斷電源輸出的作用，d2則在v2關(guān)斷時為其它模塊提供續(xù)流通道。雖然v2的開通和關(guān)斷頻率遠低于v1，但由于其直接與其它psm模塊相連，也必須設(shè)置緩沖網(wǎng)絡(luò)，和的工作原理如同。 在pwm斬波器后另設(shè)psm調(diào)制開關(guān)及續(xù)流單元的主要作用是使模塊具有快速關(guān)斷輸出的能力，彌補前級lc濾波器造成的低速響應(yīng)的缺點。psm調(diào)制

17、級接有電流傳感器，控制器可快速檢測電流并與設(shè)定比較，可以在數(shù)微秒內(nèi)關(guān)斷v2。若v2因線路故障沒有按指令關(guān)斷，則啟動撬棒保護電路使過電流由scr-crowbar旁路，并快速熔斷直流快熔fdc。選擇具有合適的值的快熔，可以有效起到電源的后備保護作用，確保離子源負載的安全5。4. 數(shù)字控制策略中性束注入高壓電源的可靠性與穩(wěn)定性直接影響托卡馬克裝置的運行，必須分析系統(tǒng)的數(shù)學模型，合理設(shè)計電源的控制系統(tǒng)。目前大功率電源控制朝著數(shù)字化的方向發(fā)展，以dsp為代表的數(shù)字控制技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用。因此本文以ti公司dsp處理器tms320df2407作為電源模塊的控制核心。dsp 將電源輸出電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為

18、數(shù)字量，采用芯片內(nèi)部的定時器產(chǎn)生pwm脈沖，通過數(shù)字控制算法實時改變輸出pwm脈沖寬度，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制與跟蹤，由軟件完成pwm與psm的邏輯協(xié)調(diào)功能。數(shù)字閉環(huán)控制器的軟件實現(xiàn)包括主程序和中斷服務(wù)程序。主程序主要設(shè)置系統(tǒng)寄存器和片內(nèi)外設(shè)寄存器。由產(chǎn)生pwm脈沖的定時期產(chǎn)生定時器下溢中斷和周期中斷，在兩段中斷服務(wù)程序中分別ad采樣、故障保護和數(shù)字閉環(huán)控制功能。下溢中斷和周期中斷的流程圖分別為如圖3-(a)和圖3-(b)所示。 (a)下溢中斷服務(wù)程序 (b)周期中斷服務(wù)程序圖3 dsp控制軟件流程圖fig.3flow chart of control soft-ware in dsp圖3-（b)中

19、的閉環(huán)控制子程序是數(shù)字化的帶前饋控制的pi調(diào)節(jié)器。其參數(shù)設(shè)計是基于對pwm-psm的數(shù)學建模與分析。由于本文所述的pwm斬波器的恒流源負載特性，使其閉環(huán)系統(tǒng)不同于一般的buck電路。對于控制系統(tǒng)的設(shè)計，不利的方面是負載的電阻性分量很小，對lc濾波器的阻尼作用很少，易使系統(tǒng)生產(chǎn)振蕩，系統(tǒng)的穩(wěn)定依賴于較低的響應(yīng)速度；有利的方面是無論輸出占空比多小，斬波器總工作于連續(xù)狀態(tài)，可以在很大范圍內(nèi)將斬波開關(guān)等效為線性的增益環(huán)節(jié)，系統(tǒng)魯棒性較好。系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖如圖4所示，其中為前饋控制單元，為pi控制器：圖4 系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖fig. 4block diagram of close-loop system加

20、上前饋控制和pi控制器之后的閉環(huán)傳遞函數(shù)： （9）其中，可得： （10）系統(tǒng)等效負性負載=，由式（10）可知，可得閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （11）調(diào)整和可以靈活設(shè)置閉環(huán)系統(tǒng)的極點。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，為避免引入采樣噪聲，取較小的值0.1，則有： （12）取積分時間，可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。在此基礎(chǔ)上，為了加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，取前饋系數(shù)=1，所以： （13） 其差分方程形式為： （14）其中分別是控制器的輸入和輸出，若設(shè)定值為，則加上前饋控制的數(shù)字閉環(huán)控制器為： （15） 5. 實驗數(shù)據(jù)分析 在系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研制了兩臺電源模塊樣機并使之運行于east裝置nbi加速極電源系統(tǒng)。圖5是電源模塊跟蹤設(shè)定值

21、完成線性上升、平頂和線性下降各階段的波形，表明了電源模塊具有很好的輸出特性。圖5 跟蹤設(shè)定值的電源模塊輸出電壓（200v/div）fig.5output voltage of power module track with set value pwm-psm慢速的調(diào)整時間為秒級，但其關(guān)斷速度達到了系統(tǒng)中其它psm模塊微秒級的水平，當模塊接受到關(guān)斷指令時，輸出電流將在數(shù)十微秒內(nèi)降到零。圖6表明了pwm-psm模塊的快速關(guān)斷過程。可以看出，當檢測到過流信號時，pwm-psm模塊電流和系統(tǒng)電流一樣，經(jīng)過幾微秒的過沖后迅速衰減到零。圖6 pwm-psm電源模塊輸出電壓（ch1：系統(tǒng)總電流50a/div

22、，ch2：pwm-psm模塊電流50a/div，ch3：pwm開關(guān)管電流50a/div）fig.6shut off process of pwm-psm power module 為了驗證電源模塊的可靠性，進行了短路測試，實驗波形如圖7所示。可以明顯地看出，電源模塊具有逐波檢測與快速保護功能。圖7 電源模塊短路測試（ch1：輸出電壓500v/div，ch2：pwm開關(guān)管電流50a/div，ch3：保護控制信號）fig.7short test of pwm-psm power module6. 結(jié)論本文從nbi加速極高壓電源輸出電壓連續(xù)調(diào)節(jié)的要求出發(fā)，融合了pwm和psm的技術(shù)特點，提出pwm-

23、psm電源模塊的設(shè)計思路，并進行實驗驗證。本文的創(chuàng)新點在于分析了buck變換器運行于高壓電源場合的特殊負載條件，進而對其進行控制模型的簡化分析并提出數(shù)字控制策略。電源模塊的研制特別注重了快速保護和關(guān)斷功能，保證了運行的可靠性。實驗結(jié)果表明它能夠滿足east裝置nbi加速極電源系統(tǒng)的要求，達到了預期目標。參考文獻：1 楊雷，傅鵬，劉小寧等，采用脈沖階梯調(diào)制技術(shù)的50kv、100a直流高壓電源設(shè)計j.高電壓技術(shù)，vol.35 no.9 (2009)：2220-2225yang lei , fu peng , liu xiao-ning , design of a 50 kv/100 a high

24、voltage dc power supply using psm technology. high voltage engineering , vol.35 no.9 (2009)：2220-22252 徐偉東，宣偉民，姚列英等，基于psm 技術(shù)高壓脈沖電源的模擬實驗j電工技術(shù)學報, vol.23 no.1(2008): 110-113xu wei-dong, xuan wei-ming, yao lie-ying, analogue experiment of the high voltage power supply based on psm technologyj. transacti

25、on of china electro-technology society. vol.23 no.1(2008): 110-1133 陳滋健，劉曉寧，段娟等，強磁場電源軟開關(guān)dc-dc變換器的研究j 電力電子技術(shù)，2008，(2)chen zi-jian，liu xiao-ning，duan juan，soft-switching dc/dc converter for intensive magnetic field power supplyj power electronics，2008，(2)4 ned mohan, tore m. undeland, william p.robbin

26、s. power electronics: converters, applicationsm, and design, 3rd ed. 2003.5 周君,陳滋健,錢立秀,基于晶閘管的psm模塊crowbar控制研究j. zhou-jun, chen-zijian, qian-lixiu, the research on crowbar control of psm based on thyristorjpower electronics，2009，(7) 陳滋?。耗?，安徽黃山市人，碩士研究生學歷，1978年生，畢業(yè)于中國科學院等離子體所電工理論與新技術(shù)專業(yè)，研究方向為大功率電力電子變換器技術(shù)。主要從事高壓大功率電源技術(shù)研究，負責國家大科學工程項目“nbi加速極psm高壓電源”，east快控逆變電源，省級高新技術(shù)項目“高頻智能汽車充電機”、“快速等離子體高壓脈沖放電電源”等。（mail:huangshanczj 電話280）卑街申聳袁僥稼侈蒲鹽影舀混拉吉甫瓶孰又哎貝鼻瀕慎詠錢童膀脊伙空措