基于PSM技術(shù)的固態(tài)大功率脈沖直流電源

1、基于PSM技術(shù)的固態(tài)大功率脈沖直流電源【摘 要】為探究大功率脈沖高壓電源設(shè)計的新方法，提出將脈階調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于大功率直流脈沖電源中。本文首先介紹了脈階調(diào)制技術(shù)的原理以及控制和保護(hù)策略。最后，討論了基于脈階調(diào)制技術(shù)的200kW多搜集極行波管電源的設(shè)計方案。與傳統(tǒng)的電源方案相比較，基于脈階調(diào)制技術(shù)的電源具有高可靠性、高效率等優(yōu)點(diǎn)。【關(guān)鍵詞】脈階調(diào)制；脈沖直流電源；加速極；降壓搜集極行波管1 引言脈階調(diào)制PSM技術(shù)是瑞士BBCBrown Boveri公司于1983年首先提出并開展的，最初的目的是應(yīng)用于大功率播送發(fā)射機(jī)中以交換傳統(tǒng)的乙類真空管調(diào)制器。采用開關(guān)形式的調(diào)制方式代替了真空管線性調(diào)制方式，播送

2、發(fā)射機(jī)的效率得以大幅進(jìn)步。近年來，隨著各種新的電力電子器件和控制技術(shù)的開展，IGBTs、DSP控制以及其它新器件新技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于PSM技術(shù)中，PSM調(diào)制器的指標(biāo)更優(yōu)化，也因此在更多的領(lǐng)域中得以應(yīng)用，尤其是大功率直流脈沖電源的設(shè)計中。2 PSM技術(shù)PSM技術(shù)的一個顯著特點(diǎn)是把主整電壓化整為零，即把主整高壓分成假設(shè)干個低壓輸出的電源模塊。這些電源模塊相串聯(lián)，電源的輸出電壓取決于投入的模塊數(shù)。這樣，可根據(jù)需要增減模塊串聯(lián)數(shù)，而形成脈沖階梯波形。PSM的電路拓?fù)錁?gòu)造如圖1所示。圖1 PSM拓?fù)錁?gòu)造該電路由假設(shè)干一樣的直流電源模塊串聯(lián)而成，每個電源模塊包括一個直流電源VDC，開關(guān)S和一個旁路二極管D

3、。開關(guān)S斷開的電源模塊由二極管旁路，為電流提供通道，任一模塊的開斷都不影響電源的輸出。開關(guān)S的斷開和閉合對應(yīng)模塊輸出電壓的兩個狀態(tài)。Voff=-VD VD：旁路二極管的導(dǎo)通壓降Von=VDC-VS VS：開關(guān)S的導(dǎo)通壓降假設(shè)PSM電源由N個電源模塊串聯(lián)，其中n個模塊導(dǎo)通。那么PSM電源的輸出電壓Vout=nVDC-VS-N-nVD假設(shè)忽略二極管和開關(guān)S的導(dǎo)通壓降，那么對應(yīng)有Voff=0 Von=VDCS Vout=n0鸙DC任何時刻電源的輸出電壓取決于投入的模塊數(shù)。在理想情況下，通過控制電源模塊投入的數(shù)量就可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓從0-n0鸙DC的階梯變化。3 調(diào)制和保護(hù)原理當(dāng)PSM電源的輸出是一個直

4、流脈沖電壓時，PSM電路的作用是通過增減投入的電源模塊數(shù)來補(bǔ)償由于負(fù)載變化和母線電壓波動帶來的輸出電壓波動，提供一個恒定的脈沖電壓輸出。電源電壓調(diào)節(jié)原理見圖2。圖2 電壓調(diào)節(jié)原理由主控制系統(tǒng)構(gòu)建的快保護(hù)和內(nèi)置控制構(gòu)建的慢保護(hù)組成了電源的保護(hù)電路。內(nèi)置控制實(shí)現(xiàn)邏輯控制，狀態(tài)監(jiān)控及過壓欠壓等慢保護(hù)。電源過流時，由主控來的保護(hù)信號直接驅(qū)動關(guān)斷所有開關(guān)，實(shí)現(xiàn)快保護(hù)。4 基于PSM技術(shù)的大功率脈沖電源在行波管TWT發(fā)射機(jī)中，采用多降壓搜集極，可以減少回流，進(jìn)步搜集極效率，這樣行波管的總效率也得以進(jìn)步。每個搜集極置于不同電位。如前所述，PSM電源的特點(diǎn)比較適宜用于多搜集極行波管，特別是大功率行波管。多搜集

5、極行波管電源原理圖如圖3所示。圖3 多搜集極行波管電源原理圖很明顯，利用PSM技術(shù)，只要將不同電位的搜集極聯(lián)結(jié)到相應(yīng)電位的直流電源模塊上，就可以很方便的實(shí)現(xiàn)多搜集極降壓電源，圖中行波管的三個降壓搜集極分別與不同電位的電源模塊相聯(lián)。在電源模塊的操作中，要注意每個搜集極電流應(yīng)正確分配，這一點(diǎn)通過程序控制不難實(shí)現(xiàn)。一種大功率兩搜集極行波管，峰值功率200kW，占空比1%，陰極電壓-50kV對地，第一搜集極35kV對陰極，第二搜集極18kV對陰極。電源可由80個模塊組成，單個模塊設(shè)計輸出為700V，全部模塊投入時，輸出電壓56 kV，提供了10%的冗余。在沒有附加PWM調(diào)制時，電壓精度可以到達(dá)0.7%。假設(shè)附加PWM調(diào)制，電壓精度可以到達(dá)0.1%。在700V電壓等級上，各種原器件的選擇比較容易，型號較多，并且價格也比較合理。由于電源功率耗散小，使用強(qiáng)迫風(fēng)冷就足夠了。5 結(jié)論P(yáng)SM技術(shù)的誕生為一些特殊的大功率高壓電源的設(shè)計帶來了根本的變化，具有高可靠性、高冗余度、高效率、打火時進(jìn)入弧道的能量小等特點(diǎn)。模塊化構(gòu)造使得設(shè)計和維護(hù)更加方便靈敏，與傳統(tǒng)的電源方案相比較，具有較大優(yōu)勢。并且，隨著固態(tài)開關(guān)器件的開展，PSM技術(shù)必將應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)2黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)第三版M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.3王一農(nóng)，杜世