Optimization and realization of low hybrid current drive cathode high voltage power supply system
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摘要: 4.6 GHz 低杂波电流驱动（LHCD）是EAST托卡马克装置辅助加热系统的重要组成部分。其阴极高压直流电源基于脉冲阶梯调制（PSM）技术，采用64个直流模块串联输出50 kV直流电压。单模块的调制频率设计为50 Hz，故而系统调节速度有限，面对实际运行中网侧电压波动引起的干扰时，电源无法做出更快速的响应与反馈调节，从而导致输出电压产生大幅波动，影响输出性能。为提高电源调节速度和抗干扰能力，设计了具有1 kHz调制能力的高频整流模块以替代部分原低频模块，利用高频模块的快速调节能力抑制输出电压的波动。实验结果表明，升级后的电源输出电压波动减小了50%，更好地满足速调管对于电压精度和稳定度的控制要求，保障了系统运行的可靠性。Abstract: The 4.6 GHz low hybrid current drive (LHCD) system is an important part in the EAST tokamak auxiliary heating system. Its cathode high voltage dc power supply is based on pulse stepped modulation (PSM) technology. 64 DC modules are used to output 50 kV dc voltage in series. As the modulation frequency of PSM single module is 50 Hz, the regulation speed of system is limited. In the face of the interference caused by the voltage fluctuation of the network side in the actual operation, the power supply cannot make more rapid response and feedback regulation. It leads to large fluctuation of the output voltage and affects the output performance. To improve the regulation speed and anti-interference capability of system, the high-frequency PSM module with 1 kHz modulation frequency capability was designed to replace some of the original low-frequency modules. The fluctuation of output voltage was suppressed by the rapid regulation capability of the high frequency module. The experimental results show that the output voltage fluctuation of the upgraded power supply is reduced by 50%, which better meets the control requirements of klystron for voltage accuracy and stability, and guarantees the reliability of the system operation.
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低杂波电流驱动加热（LHCD）是托卡马克装置中广泛使用的一种辅助加热方式[1-2]，基于脉冲阶梯调制（PSM）技术的高压电源是LHCD系统的关键组成部分。PSM电源由一系列的直流电压源模块串联组成，通过快速半导体开关控制各电源模块的投入与切除，实现输出电压的调节[3-7]。实验发现，EAST放电期间网侧电压剧烈波动，PSM电源输出电压会随之不稳定，从而导致加热功率出现偏差。LHCD系统要求阴极高压电源输入电压波动不超过5%，原有的PSM电源设计存在着调节能力较弱的问题，在恶劣情况下无法满足负载要求，为优化电源性能，需提高电源模块调制频率。然而随着模块调制频率的增加，系统建造成本及器件开关损耗将大幅增加，影响整个系统设计的经济性和可靠性。本文提出了一种高频模块与低频模块串联输出的新型PSM方案，介绍了新型PSM电源的硬件结构，完成了高频PSM模块的设计，并提出了相应的控制策略，同时通过假负载测试验证了该电源的能力。
1. 硬件设计
1.1 优化结构设计
如图1所示，PSM高压电源系统主要部分为10 kV进线配电开关柜、带软启动电路的接触器柜、10 kV多绕组整流变压器、810 V/80 A PSM 模块以及负载速调管。升级后的系统仅在原有结构的基础上以一定数量的高频PSM模块取代原有的低频PSM模块。低频PSM模块Nlf的数量和高频PSM模块Nhf的数量的配置，可以根据电网的实际工况进行优化设计。根据标准10 kV网侧电压波动不超过±7%，留有一定裕量，高频模块数量取模块总数量的10%，Nhf取6，Nlf取58。
1.2 高频PSM模块设计
原LHCD系统对阴极高压电源未提出过高的调制要求，PSM整流模块调制能力设计为50 Hz。为优化电源系统的调节能力，提高电源输出电压精度，研制具有1 kHz调制能力的PSM高频整流模块。主要技术参数要求如表1所示。
表 1 1 kHz调制PSM模块设计主要技术参数Table 1. Main parameters of 1 kHz PSM moduleparameter index input voltage 600 V，AC output voltage 810 V output current 80 A ripple factor 1% leading edge time ≤100 μs trailing edge time ≤100 μs frequency 0−1 kHz 整流模块等效模型如图2所示，主要包括等效软启动电阻R、变压器T、三相整流桥、滤波电容C、IGBT开关及RCD缓冲电路、扼流电感Ls及RD续流回路、续流二极管D、等效负载Ro等组成。首先三相输入电压通过等效软启动电阻上电，当滤波电容充电完成后，通过控制IGBT开关的导通和关断，实现对模块输出电压的开关控制[8-10]。
PSM模块工作的暂态过程主要为IGBT导通和关断时的瞬态响应，制约模块调制频率的器件主要为IGBT和扼流电感Ls。为实现模块50 Hz到1 kHz调制频率的升级，需对以下关键器件进行分析与设计。
1.2.1 IGBT选型
IGBT开关是PSM模块中最核心的元件，LHCD系统期望电源具备快速的投入和切断能力，特别是当负载短路时，要求在数μs级切断电源。原50 Hz PSM模块IGBT选用Infineon公司的高速半桥IGBT FF-300R-17KE3，额定电压1700 V，额定电流300 A。模块调制频率提高后，需对其温升重新校验。
当输出电流为80 A时，IGBT的开通损耗Eon＝30 mJ，关断损耗Eoff＝27 mJ，IGBT的CE极通态压降VCE＝1.1 V，模块通态电流Io＝80 A。1 kHz开关频率下IGBT通态损耗
Pc=IoVCE (1) IGBT开关损耗
Ps=(Eon+Eoff)fs (2) 查阅手册可知，IGBT 10 s工况下结壳热阻为Rth_JC＝0.085 ℃/W，散热器热阻Rth_CH＝0.033 ℃/W。IGBT最大温升
ΔT=(Pc+Ps)×(Rth−JC+2Rth−CH)=21.9℃ (3) 当环境温度45 ℃，散热器温升15 ℃时，IGBT最大结温为81.9 ℃，而IGBT实际最大工作结温为150 ℃，能够保证在安全工作范围之内，因此原IGBT器件选型在1 kHz调制频率下依然可行。
1.2.2 扼流电感Ls设计
在IGBT导通时，扼流电感Ls限制输出电流变化率。由于滤波电容端电压在IGBT开关导通后基本保持不变，故可近似为一直流源，滤波电容后级为一阶电路。设计负载上升时间为100 μs，则时间常数Ls/R为20 μs，系统等效阻抗Ro＝10 Ω，则Ls为200 μH。系统忽然短路时，滤波电容电压全部加到扼流电感上，电流上升率
diIGBTdt=UcLs=4.05A/μs (4) 电源系统的响应速度不超过10 μs，电源稳定电流80 A，流过IGBT的电流最大值为120.5 A，模块中IGBT浪涌电流为600 A。故Ls为200 μH时能够保证IGBT工作在安全范围内，且加载过程可以在100 μs内达到稳定。
1.2.3 RCD吸收回路设计
在IGBT关断时，主要为C、E 端并联的RCD缓冲电路吸收IGBT的瞬态过冲端电压所带来的暂态过程，此时IGBT后级的传递函数为
Uo(s)Uc(s)=s2+sRoLss2+sRoLs+1LsCc (5) 输出电压响应时间
t2=π√1LsCc−(Ro2Ls)2 (6) 式中：Ro＝10 Ω，Ls＝200 μH，取Cc＝100 nF，则响应时间t2＝14.14 μs。可保证模块关断时在μs级达到稳定，且满足模块1 kHz调制的要求，Rc的作用是为保证电容Cc电压不振荡，这里取Rc＝100 Ω。
2. 控制系统设计
2.1 控制算法及流程
系统控制流程如图3，系统收到放电信号后，首先根据预设电压值Vref计算出预启动模块个数N，投入（N−Nhf/2）个低频模块，随后进入负反馈控制阶段，在一个闭环采样周期Ts时间以内，系统采样值Vfed与电压给定值Vref相比较，根据比较结果与电压控制裕度VΔ对高频整流电源模块进行增加、保持或减少的操作。脉冲时间到达以后，按照间隔时间Tf，逐个关闭所有模块，等待下次放电信号到来。
根据上述流程，通过低频模块阶梯式建立基础电压、高频模块实时反馈调节的方式，输出电压调节示意图如图4。
2.2 控制系统基本结构
控制系统结构图如图5所示，在功能上主要包含上位机人机交互单元、脉冲控制单元、逻辑控制单元、光电转换单元、信号监测与故障保护单元[11]。
上位机软件采用DELPHI编写，完成系统工作模式的选择以及相关参数的设定。上位机通过RS232串行通信的方式将数据发送到现场控制器：基于MCU的逻辑控制器和基于FPGA的脉冲控制器，通过MCU和FPGA完成相应的控制任务。同时，为减小高压放电对控制系统的弱电信号造成的电磁干扰，信号传输部分均采用光纤传输。
同时，高压电源控制系统必须具有快速故障检测、判断与执行的能力[12]，以保证负载和高压电源自身的安全。为增加故障保护的冗余性，设计采用3路保护，分别为1路电压保护，2路电流保护，当电压/电流高于某一阈值时，向控制器发送高压故障信号。同时集成3块采集板卡，将采集的波形信号通过光电转换单元发送到上位机，实现波形信号的实时显示。
3. 测试结果
鉴于以上分析，对4.6 GHz LHCD系统高压电源升级改造，并进行了测试实验。图6展示了升级前后的系统实物图，图6（b）中绝缘架顶部6个整流模块为更新的高频PSM模块。
在同样的电网波动条件下，对升级前后的两系统进行测试实验。图7给出了电压给定值Vref＝25 kV时，系统升级前输出电压波形图，电压波动峰峰值最大达4 kV，电压波动占额定值8%。图8给出了电压给定值Vref＝30 kV时，系统升级后输出电压波形图，电压波动峰峰值减小为2 kV，电压波动占额定值4%，与系统升级前相比，输出电压波动减小了50%。
4. 结 论
LHCD系统高压电源采用PSM技术方案，利用多个PSM模块串联建立输出高压。原有的PSM技术方案系统调节速度不够快，导致电网扰动下输出功率不稳。本文介绍了一种优化的PSM高压电源及控制方案，以部分高频PSM模块替代原有的低频PSM模块，同时提高系统采样速率，采用闭环反馈的方式控制高频模块的通断，实现稳定高压输出。由测试结果可知，使用6个高频模块替代低频模块参与反馈控制后，输出电压波动降低了50%，有效地抑制了网侧电压波动对高压电源的影响，保证了LHCD高压电源系统工作的可靠性。同时考虑到升级后的系统在网侧电压剧烈波动时，输出电压仍具有4%的波动率，当负载对电压精度要求进一步提高时，将研究设计具有更高调制频率的整流模块，同时对系统的控制算法进行优化，从而期望进一步提高电源的整体性能。
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表 1 1 kHz调制PSM模块设计主要技术参数
Table 1. Main parameters of 1 kHz PSM module
parameter index input voltage 600 V，AC output voltage 810 V output current 80 A ripple factor 1% leading edge time ≤100 μs trailing edge time ≤100 μs frequency 0−1 kHz 
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