大功率分析及控制研究

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1、大功率四极管调制器的特性分析及控制研究2013-04-02关键字：人功率四极管调制器1引言目前国内外研究磁约束核聚变的Tokamak装置中，需耍多种大功率二级加热方式对等离子体进行加热，而二级加热系统都需要高品质的高压脉冲直流电源为其供电。这些加热设备要求高压电源具冇快速的调节能力，并在平顶段冇很高的稳定度，在负载发生故障时能迅速切断高压电源。大功率四极管调制器是一种高压可控电子管，因此，为满足加热系统对高压电源的特殊要求，国外很多装置上都采用人功率四级管作为高压直流电源的最后一级调节输出。调制器作为高压电源的关键部件，对其进行合理的建

2、模并制定合适的控制策略，JT•接关系到高压直流电源的输出品质。木文分析了中国环流器2A装置(HL-2A)中辅助加热设备上使川的TM-703FB型四极管调制器，根据其恒流特性曲线，有效的拟合并建立了四极管调制器的数学函数模型，通过对此模型的仿真提出了一种调制器的PI控制策略。2TM-703FB型四极管调制器介绍调制器的四极分別为阴极、阳极、-•栅和帘栅。其中帘栅-•般作为抑制极，主要作用是减小一栅与阳极、阴极的耦合作用。图1为四极悸结构示意图。阴极实际上就是四极管的灯丝，当灯丝被加热到足够温度时，阴极就可以发射足够疑的电子，以保证管内电流

3、流通。TM-703FB型四极管采用的是牡鹄阴极灯丝，灯丝电压要求为交流10V,灯丝电流为300A。阳极的作用主要是建立必要的管内电场，接收阴极发射出来的电了，形成阳极电流使四极管导通，并传导电了轰击阳极产生的热量和其他辐射热量。一栅的主要作用是通过电压对阴极表而电场产生有效的均匀的控制作用。栅极电压改变吋，阳极电流会随之变化。可以看出，四极管的输出是通过调节一栅电压，进而改变阳极电流來调节的。图1四极管示意图3四极管恒流曲线分析及建模3.1恒流曲线分析图2是TM-703FB恒流曲线图（一•栅电压固定为+1500V）。图屮阳极电压VAK为

4、四极管电流回路的电压降。可以看到，当四极管电流（也即四极管阳极电流）值恒定时，四极管的阳极电压和一栅电压在一栅电压为负值的区域内呈现近似的线性。具体到HL-2A装置的辅助加热设备的应用屮，四极管的预计调节区间即处于怛流曲线屮的线性区域。因此，可以针对这个线性区域，对四极管的一栅控制电压、阳极电流、阳极电压降间的关系进行。TM-703FB恒流曲线阳极电流（A）栅电流（A）——二橱电流（A）4003002001000-100-2000i■o.123456阳极电压(kV)一300-400-500图2TM-703FB型四极管恒流曲线图合适的11

5、11线拟合，建立合理的输出函数。3.2四极管输出函数的建模在图2的恒流曲线图中，每条曲线表示在特定阳极电流的条件下，一栅电圧和阳极电压降的关系。对曲线做线性处理，得到一栅电压与阳极电压、电流的关系。数据整理如表1。表1一栅电压、阳极电流和阳极电压降的关系30201050.11-60-110•190-260・4508-120・200-26032(3呀少调制器的调制能力体现在阳极电压降上，通过一栅电压控制阳极电压降。根据恒流Illi线,在可以得到阳极电压降VAK对一栅电压Vgl的一次函数，在二栅电压固定+1500V悄况下，得到的阳极电压降函

6、数表达式：Vk=8000-A（B+%）13翳舞（1）A、B和阳极电流IA相关，如表2：(2)表2IA与A、B参数关系QA3020105-70.1A11778100117175B120200260320jl5.1753-0.0874/.^0.00247々'A=W八*B=229.75e⑼一29.78丽+296式中IA为阳极电流，即四极管输出回路电流。由式（1）、（2）、（3）可以完整的建立阳极电压降与阳极电流IA、一栅电压Vgl耦合的四极管调制器的仿真函数模型。4Simulink仿真根据式⑴、（2）、⑶可以建立调制器函数的Matlab/S

7、imulink仿真模型,如图3所示:5J753ConstantMathMathFunction1QZ>—►!M/aAbs229.75ConstantsGain2MathFunction?-29.78ConstantsMathFunction3296Product1Constant图3调制器仿真模型针対HL-2A装置中电子回旋加热管的负载特性，可将调制器负载等效为2500Q的电阻性负载。在HL-2A装置屮，调制器的前-•级高压输入为晶闸管整流后滤波得到，因此，在调制器由空载到带载的切换过程屮，调节速度较慢的晶闸管整流系统无法有效的补偿负载

8、投切过程屮造成的调制器前端高压平台的输入电压的波动。这种波动是对负载极其有害的。因此，使用调制器进行反馈调节是必须的。调制器反馈回路的仿真模型中，负载投切造成的电压波动由恒定数值叠加一个负半波的正弦信号模拟