基于PSM技術的固態(tài)大功率脈沖直流電源

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

2、發(fā)射機的效率得以大幅進步。近年來，隨著各種新的電力電子器件和控制技術的開展，IGBTs、DSP控制以及其它新器件新技術已經廣泛應用于PSM技術中，PSM調制器的指標更優(yōu)化，也因此在更多的領域中得以應用，尤其是大功率直流脈沖電源的設計中。2 PSM技術PSM技術的一個顯著特點是把主整電壓化整為零，即把主整高壓分成假設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。這樣，可根據需要增減模塊串聯(lián)數，而形成脈沖階梯波形。PSM的電路拓撲構造如圖1所示。圖1 PSM拓撲構造該電路由假設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S和一個旁路二極管D

3、。開關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S的斷開和閉合對應模塊輸出電壓的兩個狀態(tài)。Voff=-VD VD：旁路二極管的導通壓降Von=VDC-VS VS：開關S的導通壓降假設PSM電源由N個電源模塊串聯(lián)，其中n個模塊導通。那么PSM電源的輸出電壓Vout=nVDC-VS-N-nVD假設忽略二極管和開關S的導通壓降，那么對應有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。在理想情況下，通過控制電源模塊投入的數量就可以實現(xiàn)輸出電壓從0-n0鸙DC的階梯變化。3 調制和保護原理當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來補償由于負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。電源電壓調節(jié)原理見圖2。圖2 電壓調節(jié)原理由主控制系統(tǒng)構建的快保護和內置控制構建的慢保護組成了電源的保護電路。內置控制實現(xiàn)邏輯控制，狀態(tài)監(jiān)控及過壓欠壓等慢保護。電源過流時，由主控來的保護信號直接驅動關斷所有開關，實現(xiàn)快保護。4 基于PSM技術的大功率脈沖電源在行波管TWT發(fā)射機中，采用多降壓搜集極，可以減少回流，進步搜集極效率，這樣行波管的總效率也得以進步。每個搜集極置于不同電位。如前所述，PSM電源的特點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，只要將不同電位的搜集極聯(lián)結到相應電位的直流電源模塊上，就可以很方便的實現(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正確分配，這一點通過程序控制不難實現(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調制時，電壓精度可以到達0.7%。假設附加PWM調制，電壓精度可以到達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，使用強迫風冷就足夠了。5 結論PSM技術的誕生為一些特殊的大功率高壓電源的設計帶來了根本的變化，具有高可靠性、高冗余度、高效率、打火時進入弧道的能量小等特點。模塊化構造使得設計和維護更加方便靈敏，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)開關器件的開展，PSM技術必將應用于更廣泛的領域。參考文獻2黃俊，王兆安.電力電子變流技術第三版M.北京：機械工業(yè)出版社，1996.3王一農，杜世