NBI高压电源数字控制PWM-PSM模块的研究

NBI高压电源数字控制PWM-PSM模块的研究陈滋健周君摘要:为了在不降低系统动态性能的情况下提高托卡马克装置NBI加速极高压电源的输出精度，介绍了一种基于数字控制PWM-PSM模块。在分析了电源模块的运行条件之后，重点讨论了变换器拓扑结构、电路参数和数字控制策略。随后对电源系统进行了仿真分析，同时在EAST装置中进行了运行验证。运行结果表明该电源模块能够很好地解决NBI高压电源系统动、稳态性能之间的矛盾，满足EAST装置的运行要求。关键词:数字控制；DSP；高压；NBI；PWM电源；光纤中图分类号：ResearchonDigitalControlPWM-PSMModuleforNBIHighVoltagePowerSupplyChenZi-jianJIANGLiZHOUJunQIANLixiu(1.ECUElectronicsCO.LTD.ofCETC38,Hefei230088,China2.ChineseAcademyofSciencesInstituteofPlasmaPhysics,Hefei230031,China)Abstract:DiscussionsfocusonthedesignconsiderationsofDigitalControlPWM-PSMModule,whichisusedtoimproveoutputvoltageprecisionofthehighvoltagepowersupplyfortheaccelerationgridsoftheneutralbeaminjectors(NBI)ofTOKAMAKundertheconditionwithoutreducingsystemdynamicperformance.Firstlyoperatingconditionsareanalyzed,thentopologicalstructure,circuitparameterandthedigitalcontrolmethodarediscussed,onthebasisofthatthewholepowersystemissimulated,ThegivenPWM-PSMModulesareusedtooperateinthehighvoltagepowersystemoftheneutralbeaminjectorsoftheEAST.TheexperimentresultshowthatthePWM-PSMmodulenotonlycansolveconflictsbetweensteadyperformanceanddynamicperformanceofthehighvoltagepowersystem,butalsobeabletomeettherequirementsoftheEAST,whichisanadvancedfullsuper-conductingTOKAMAKdevice.Keywords:DigitalControl；DSP；High-voltage；NBI；PWM-PSMconverter;Fiber-optic;1.引言托卡马克（TOKAMAK）作为磁约束核聚变世界性研究装置，需要通过辅助加热手段将等离子体温度提高到能够产生核聚变反应。中性束注入（NeutralBeamInject---NBI）加热是托卡马克上对等离子体加热的主要手段之一，而NBI系统中有一个不可或缺的部分---加速极高压电源，它承担着稳定提供NBI加速极可调高压的重要作用。现有的加速极高压电源主要采用PSM（PulseStepModulator）方式实现高压输出[1]，该方案的不足之处是电压调节离散化，使系统输出精度受到限制。可以通过脉冲相移频率合成的PSM控制算法满足输出电压的连续可调，但这种系统必须在输出端增加低通滤波器[2]，滤除等效调制频率。配置输出滤波器无疑使高压电源系统的上升时间和关断时间大大增加，尤其不能满足负载打火时快速切除电源的要求。本文提出的基于数字控制PWM-PSM电源模块叠加在100kV高压电源上运行，和其它PSM电源模块同样具有快速保护和关断功能，同时具有良好的电压调整性能。2.系统运行条件分析基于PSM技术的高压电源系统及输出如图1所示，该高压电源系统由多组低压直流电源串联而成。通过电源模块的串联代替了IGBT模块直接串联，从而能够避免IGBT模块在直接串联工作模式下因模块提前关断或延后开通而承受高压损坏的缺点。由图1-(a)可以看出，一个最简单的系统由n个PSM电源模块和1个PWM-PSM组成。n个输出电压为Vds的PSM电源模块可输出0-nVds离散化的可调电压，加上PWM-PSM模块输出电压Vadj后系统输出可实现连续可调：odsadjVNVV（1）其中，0,(01)adjdsNnVkVk(a)(b)图1基于PSM技术的NBI高压电源系统及输出图Fig.1DiagramoftheNBI-HVpowersupplysystembasedonPSMtechnologyPWM-PSM模块的输出电压Vadj为0-Vds连续可调，其输出电流Io不仅仅是模块自身输出电压Vadj的函数，还和其余PSM模块的输出电压dsNV有关。由式（1）可知：dsadjLNVVIoR（2）当PWM-PSM模块工作时，己投入大量的PSM模块，因此NVdsVadj，则可认为：dsLNVIoR（3）由式（3）可知，和一般的可调电压源不同，PWM-PSM模块在高压电源实际运行过程中，其输出电流受输出电压变化的影响很小。对于交流小信号分析，单个PWM-PSM模块的阻性负载的值等效为整个高压电源的负载。3.拓扑结构及电路参数设计PWM-PSM模块原理如图2所示，电源输入为三相交流900V，输出为直流0-1200V，所有对外控制接口均为光纤接口。模块由前级脉宽调制和后级阶梯调制两个单元组成。前者实现模块自身的输出电压连续调节，后者和其它PSM模块协同工作，完成总电压的离散调节。因此整个主回路拓扑结构可以分为两个部分。（1）输入整流及PWM斩波器单元电源模块输入级设有三相整流桥BR1和工频滤波电容Cf1,整流滤波后的直流电压经IGBT模块V1和快恢复续流二极管D1构成的BUCK斩波器，再由中频滤波网络Lf和Cf2进行滤波形成可调直流电压输出。Cf2端电压和直流侧电流作为反馈信号经隔离变换后送至数字控制器，与光纤通信上位机的指令比较，按一定的算法给出PWM占空比信号，再由光纤送出驱动V1。对于高功率的BUCK斩波DC-DC变换器，必须采用软开关技术以确保系统的高效率和高稳定性[3]。本文所述的PWM斩波器输出功率达100KW，工作频率为5KHZ，分别设置开关管V1的开通和关断缓冲网络。如前所述，PWM斩波的器的输出等效为电流源，因此BUCK变换器始终工作在连续状态。因此在开关管V1开通过程中，IGBT要承受很大的反向恢复电流，该电流表现为电源内部环流，使变换器效率降低、开关管安全性降低。设置缓冲电感Lr1,可以限制V1开启时的/didt，计算依据为：11maxCfrrUtLi（4）其中，1CfU为直流母线电压，rt为转换时间，maxi为最大允许电流过冲。取1CfU=1000V，1rtS，maxi=100A，则根据式（4），1rL取值为10H。与缓冲电感并联的RD网络可以在V1关断期间为电感储能提供释放通路。IGBT开关具有很大的快速通断电流能力，但关断时电流拖尾现象比较显著。大功率应用场合关断损耗也不容忽视。因此有必要选择缓冲电容，限制IGBT关断时的/dudt。通过以下方法选取缓冲电容：11/orcrICdVdt（5）其中，OI为输出电流，1/crdVdt为开关管允许电压上升率。取OI=100A，1/1000/crdVdtVS，则根据式（5），1rC取值为0.1F。与缓冲电感串联的RD网络可以在V1开通期间为电容提供放电通路[4]。对PWM斩波器的滤波网络fL和2fC进行以下优化设计如下：首先根据滤波电感纹波电流允许值核算fL的值，fL太小会使电感铁损严重上升，太大则价格昂贵并且铜损随之加大。选取fL的原则是使其纹波电流Li为输出额定电流的20%。计算占空比D=0.5时的纹波电流为：1122LfiVdsTL(6)变换器工作频率为f=5kHz,周期为T=200S，额定电流OI=100A，则Li=20A，又知直流输入电压Vds=1200V，由式（6）可得：0.512000.5200320fVSLmHA（7）PWM斩波器的低通滤波器的转折频率为:212pfffLC（8）令pf=100Hz,则根据式（8），可得2fC=845F，实际电路中可取4只3300F/450V电解电容相串而成。Lr1OUT+OUT-SCRcrowbarLfV1FdcRXTXKIGBTFAULTT1FIBER_IGBTFIBER_SCR控制通信模块F1F2X1X3X2F3URVAC900V输入三相整流桥D1Lr2V2D2光纤控制接口Cr1Cr2KCf1Cf2BR1图2NBI高压电源PWM-PSM模块原理图Fig.2CircuitdiagramofPWM-PSMModuleforNBI-HVPowerSupply（2）PSM调制及输出续流单元电源模块输出级由IGBT模块V2和快恢复二极管组成的类BUCK结构拓扑。V2主要担当快速开通和关断电源输出的作用，D2则在V2关断时为其它模块提供续流通道。虽然V2的开通和关断频率远低于V1，但由于其直接与其它PSM模块相连，也必须设置缓冲网络，2rL和2rC的工作原理如同11rrLC。在PWM斩波器后另设PSM调制开关及续流单元的主要作用是使模块具有快速关断输出的能力，弥补前级LC滤波器造成的低速响应的缺点。PSM调制级接有电流传感器，控制器可快速检测电流并与设定比较，可以在数微秒内关断V2。若V2因线路故障没有按指令关断，则启动撬棒保护电路使过电流由SCR-crowbar旁路，并快速熔断直流快熔Fdc。选择具有合适的2It值的快熔，可以有效起到电源的后备保护作用，确保离子源负载的安全[5]。4.数字控制策略中性束注入高压电源的可靠性与稳定性直接影响托卡马克装置的运行，必须分析系统的数学模型，合理设计电源的控制系统。目前大功率电源控制朝着数字化的方向发展，以DSP为代表的数字控制技术获得了广泛的应用。因此本文以TI公司DSP处理器TMS320DF2407作为电源模块的控制核心。DSP将电源输出电压和电流信号转换为数字量，采用芯片内部的定时器产生PWM脉冲，通过数字控制算法实时改变输出PWM脉冲宽度，实现系统闭环控制与跟踪，由软件完成PWM与PSM的逻辑协调功能。数字闭环控制器的软件实现包括主程序和中断服务程序。主程序主要设置系统寄存器和片内外设寄存器。由产生PWM脉冲的定时期产生定时器下溢中断和周期中断，在两段中断服务程序中分别AD采样、故障保护和数字闭环控制功能。下溢中断和周期中断的流程图分别为如图3-(a)和图3-(b)所示。下溢中断AD采集保护功能返回NY周期中断闭环控制子程序返回脉冲宽度更新(a)下溢中断服务程序(b)周期中断服务程序图3DSP控制软件流程图Fig.3FlowChartofControlSoft-wareinDSP图3-（b)中的闭环控制子程序是数字化的带前馈控制的PI调节器。其参数设计是基于对PWM-PSM的数学建模与分析。由于本文所述的PWM斩波器的恒流源负载特性，使其闭环系统不同于一般的BUCK电路。对于控制系统的设计，不利的方面是负载的电阻性分量很小，对LC滤波器的阻尼作用很少，易使系统生产振荡，系统的稳定依赖于较低的响应速度；有利的方面是无论输出占空比多小，斩波器总工作于连续状态，可以在很大范围内将斩波开关等效为线性的增益环节，系统鲁棒性较好。系统闭环控制框图如图4所示，其中RG为前馈控制单元，PIG为PI控制器：GVconVfbkGVsetGRPI(s)(s)(s)图4