h桥式大电流快控电源设计

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1、万方数据第28卷第4期208年12月核聚变与等离子体物理NuclearFusionandPlasmaPhysicsV01．28．NO．4Dec。2008文章编号：0254-6086(2008)04--0328-05H桥式大电流快控电源设计王英翘，姚列英，宣伟民，徐伟东(核工业西南物理研究院，成都610041)摘要：介绍了HL．2A升级改造装置用于控制等离子体垂直位移的H桥式大电流快控电源的设计方案，内容包括快控电源方案与工作模式的仿真，开关元件的选择和改善IGBT静态均流的措施。利用实验平台，通过改变并联元件的回路参数将IGBT并联电流不均衡率由16．

2、5％降低到6．8％。计算了IGBT模块工作时可能产生的最大损耗，并给出满足模块温度要求的散热方案。关键词：H桥；快控电源；1GBT并联中图分类号：1rI，62+3文献标识码：A1引言HL．2A升级改造后工程参数将大幅度提高，等离子体电流达到1．2MA，拉长比达到1．6一1．8。在Jlt掘2长比条件下，等离子体的垂直不稳定性问题将变得更加突出，即使通过放置被动线圈将等离子体垂直位移的变化时间由微秒量级增加到毫秒量级，现有的HL．2A水平场四象限晶闸管变流器的响应时间依然无法满足垂直位移的快速控制要求⋯。根据HL-2A装置升级改造电源系统的初步方案，将研制

3、IGBT的H桥式大电流快控电源来满足这一需刺21。此快控电源是能够跟随控制信号陕速响应的四象限电源，该电源的额定电流暂定为+_20kA，需要多个H桥单元并联，而每个H桥单元的桥臂也必须由大电流的IGBT并联组成，因此需要对大电流IGBT的并联均流技术进行研究。此外，为保证大功率IGBT的安全使用，必须对其工作期间产生的损耗进行计算，并给出合适的散热方案。2快控电源结构和器件快控电源的原理图如图1所示，负载线圈由四个H桥单元并联供电，每个H桥单元的前级由晶闸管变流器和电容器组构成的直流电源供电，变流器的交流电压由125MVA交流脉冲发电机组通过两台D／d

4、，yl1的三绕组变压器提供【3，4】，通过控制H桥单元开关器件的通断，变换出需要的波形。此电源实际上是一种单相逆变电源，但与常规逆变电源不同的是：电源的输出电流不是正弦波，其幅值和频率都具有很强的随机性，其电流必须根据等离子体电流在垂直方向上偏离平衡位置的位移来快速变化，使等离子体处于相对平衡的位置。图1H桥式快控电源原理图IGBT具有较高的开关频率和功率密度，作为快控电源开关器件比较合适，快控电源开关器件将选用EUPEC的FZ2400R12KE3(2400A／1200V)。其收稿日期：2008-03--07；修订日期：2008-08—15作者简介：王

5、英翘(1980-)，男，河北黄骅人，博士，工程师，研究方向：电力电子与电力传动。万方数据第4期上英翘等：H矫式大电流怏控电源i殳i十329驱动电路采用EUPEC的2ED300C17一S，它可以驱动两只2400A的IGBT，并且有较强的逻辑和保护功能，如上下桥臂死区互锁、过流KE检测和软关断等功能，该驱动电路需要配置一些外幽电路才能实现上述功能。3快控电源的工作方式快控电源的负载电流要求纹波尽量小，还要跟随控制信号I央速响应，因此电源的工作方式应能够满足这两方面的要求。简单的PWM工作方式分为双极性和单极性两种，双极性方式四个桥臂U和K、K和K两两一组同

6、时导通或关断，输出电压为±玑两种电平，玑为前级直流电压。单极性方式下可以输出±U。和0三种电平，V导通、K开关时交替输出玑和O，K导通、K开关时交替输出一玑和O【5J。在等效的输出电压和相同开关频率下，单极性方式的电压变化比双极性小，因此电流纹波小，图2给出了单极性和双极性方式的电压电流仿真波形。在需要电流快速变化时，例如电流反向，单极性方式通过改变电压的方向可以实现电流的最快速度下降。设K一直导通，K交替通断，负载上流过正向电流，如果此时需要电流反向，须使K和K关断，负载电流通过VD：和VD，续流，反向电压加到负载两端，K和K承受反压，直到电流过零承

7、受正压后开通，负载流过反向电流。因此，通过适当的控制，单极性方式可以获得比双极性方式更小的电流纹波和和相近的响应速度。这种方式下的电压电流仿真波形如图3中所示。珊图2单极性和双极性方式的输出电压和电流波形者一单极性方式，开关频率5kHz，占空比0j；b—一双极性方式，开关频率5kHz，占空比O．75。㈣f㈦㈣《I』l蕊黼}一【ⅢL图3单极性工作方式的电压电流仿真波形4IGBT的并联均流如前所述，快控电源的桥臂必须由多只大电流IGBT并联构成，这也是此电源的技术难点之一。IGBT的参数与温度有很大的关系，所选用的FZ2400R12KE3的导通压降VcE(

8、sat)具有正的温度系数，每个并联IGBT可以通过温度调节改善并联均流。设有18和28两只IG