一種高壓電源的制作方法

本發明屬于高壓技術領域，更具體地，涉及一種高壓電源。

背景技術：

電子回旋共振加熱(electroncyclotronresonanceheating,ecrh)系統可用于等離子體的加熱。ecrh系統一般的主要構成包括波源系統，超導磁體，傳輸線及天線，水系統及控制系統等。波源系統是ecrh系統的核心，由回旋管和電源系統(陰極高壓電源、陽極高壓電源)構成，回旋管高功率微波的產生需要電源系統的協同作用，需要研制直流高壓電源為回旋管供電。應用在幾十千伏至百千伏級的高壓電源方案有以下三個方案。

方案一：市電電壓先通過第一級升壓變壓器進行升壓，然后經過晶閘管變流器實現交流調壓，再通過第二級升壓變壓器升壓，再次整流得到所需高壓。然而此類方案的高壓電源存在著以下明顯缺點：晶閘管需要串聯，而且晶閘管不能夠可控關斷，關斷延時長，電源保護難度大；電源的快速響應難以實現且過大的儲能會危害負載安全。

方案二：市電電壓經升壓隔離變壓器升壓，然后經整流單元變換為直流高壓，再經過軟開關電阻和高壓開關對儲能電容器充電，充電完成后，切除高壓開關。需要高壓輸出時，控制四極管輸出設定的電壓。然而此類高壓電源輸出脈寬短，最長只能實現數秒的輸出脈寬。且四極管自身的功耗非常大，降低電源的效率，產生的大量熱量也給冷卻帶來困難。

方案三：運用脈沖階梯調制(pulsestepmodulation)技術，由多個電源模塊級聯形成高壓輸出，市電經過隔離變壓器給多個電源模塊，其中部分模塊工作在開關模式(stepmodulation)，另一部分模塊工作在脈寬調制模式(pulsewidthmodulation)，只要調整兩種電源的模塊數量并對輸出進行平波處理便能得到期望的電壓輸出。但此種方案有這以下不足：兩種工作模式的電源設計使得控制策略較為復雜，該種電源設計方案，電源輸出側必須添加平波電抗器，為了提高平波效果，一般要求有多個pwm電源模塊，且需要對pwm模塊進行移相控制，這樣一方面會提高控制策略的復雜度，同時越多的pwm電源模塊會帶來更強的電磁干擾，增加電磁兼容處理難度。另一方面，平波電抗器的使用也會使電源的動態響應變慢，如故障關斷時間增大。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種高壓電源，目的在于解決現有的高壓電源由于電源模塊工作于脈沖階梯調制模式和開關模式兩種模式導致無法兼顧高電壓精度和電源控制信號簡化的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種高壓電源，包括：

隔離變壓器組，其設有n個輸入端與m個輸出端，用于電氣隔離并將市電壓進行升壓處理；

電源模塊，包括m個電源單元，記為第1個電源單元、…、第i個電源單元、…、第m個電源單元，第i個電源單元的輸出端負極與第i個電源單元的輸出端正極連接，其中，1≤i≤m-1，所述第i個電源單元的輸出端負極與所述第i+1個電源單元的輸出端正極連接，第1個電源的正極作為高壓電源輸出端正極，第m個電源的負極作為高壓電源輸出端負極，一個電源單元的輸入端與一個所述輸出端連接；所述電源單元設有開關管，開關管用于控制電源單元的輸出電壓，開關管工作于開關狀態使電源單元輸出電壓為零或者單位電平，電源單元的電壓輸出與電源單元輸入端電壓有關；以及

控制單元，用于根據指令電壓信號輸出控制信號，控制信號用于控制開關管。

優選地，隔離變壓器組包括：

一級隔離變壓器組，設有n個輸入端和k個輸出端，包括n個第一級隔離變壓器，第一級隔離變壓器有一個主邊和l個副邊，n個第一級隔離變壓器的n個主邊為隔離變壓器組的n個輸入端，n個第一級隔離變壓器的n×l副邊作為一級隔離變壓器組的k個輸出端；以及

二級隔離變壓器組，設有k個輸入端和m個輸出端，其一個輸入端與一級隔離變壓器組的一個輸出端連接；包括p個第二級a型隔離變壓器和q個第二級b型隔離變壓器，所述第二級a型隔離變壓器有一個主邊和s個副邊，所述第二級b型隔離變壓器有一個主邊和t個副邊，p個第二級a型隔離變壓器的p個主邊和q個第二級b型隔離變壓器的q個主邊作為二級隔離變壓器組的k個輸入端，p個第二級a型隔離變壓器的s×p個副邊和q個第二級b型隔離變壓器的t×q個副邊作為隔離變壓器組的m個輸出端；

第二級a型隔離變壓器的變壓比大于第二級b型隔離變壓器的變壓比；使得連接第二級a型隔離變壓器副邊的電源單元輸出單位電平大于連接第二級b型隔離變壓器副邊的電源單元輸出單位電平。

優選地，高壓電源還包括u個升壓模塊，且u＜m，一個升壓模塊的輸入端與所述隔離變壓器組的一個輸出端連接，該升壓模塊的輸出端與一個電源單元的輸入端連接，使得連接升壓模塊的電源單元輸出單位電平大于連接隔離變壓器組輸出端的電源單元輸出單位電平。

優選地，高壓電源還包括絕緣支撐單元，絕緣支撐單元置于電源模塊下方，用于使電源模塊與大地電氣隔離。

優選地，隔離變壓器為移相多繞組隔離變壓器。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得以下有益效果：

1、本發明提供的高壓電源，電源單元的開關管工作于開關狀態，減少了電源單元中開關管的操作頻率，降低了控制信號的復雜度，高壓電源輸出電壓為所有電源單元輸出電壓之和，通過調節電源單元的輸出單位電平數值，可以實現提高高壓電源輸出電壓的精度，因此，本發明的高壓電源拓撲簡潔、控制策略簡單，能夠以更簡單的控制達到同樣的精度。

2、本發明提供的高壓電源，電源單元的開關管工作于開關狀態，提高核心開關器件的使用壽命，同時因開關器件的操作頻率顯著減低，高壓電源所帶來的電磁干擾明顯降低。

3、本發明提供的高壓電源中，隔離變壓器組采用兩級隔離變壓器組，當高壓電源的輸出電壓較高要求更多電源單元時，第一級隔離變的繞線數量不會急劇增加，降低第一級隔離變設計難度，而第二級隔離變的要求則大于所供電電源模塊的所有電壓之和加安全裕量即可，使得第二級隔離變的設計要求及建造成本都得以降低。

4、本發明提供的高壓電源中，采用兩個變比不同的第二級a型隔離變壓器和第二級b型隔離變壓器，使連接第二級a型隔離變壓器的電源模塊單位電平和連接第二級b型隔離變壓器的電源模塊單位電平不同，而高壓電源輸出電壓為所有電源單元輸出電壓之和，從而能夠提高高壓電源輸出電壓的精度。

5、本發明提供的高壓電源中，通過降壓模塊對隔離變壓器組部分輸出端電壓進行降壓處理，使得高壓電源中存在兩種單位電平的電源單元，能夠提高高壓電源輸出電壓的精度。

6、電源模塊均為模塊化設計、結構簡單，便于工業化大批量生產。所構成的高壓電源可以實現百千伏等級的高壓輸出，輸出電壓及輸出波形控制簡單，精度高。

附圖說明

圖1為本發明提供的高壓電源實施例的結構示意圖；

圖2為本發明提供的實施例的高壓電源拓撲圖；

圖3為本發明提供的實施例中高壓電源架構圖；

圖4為本發明提供的實施例輸出電壓波形圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發明提供的高壓電源包括隔離變壓器組、電源模塊和控制模塊，隔離變壓器設有n個輸入端與m個輸出端，其中，n和m均為正整數，隔離變壓器組的輸入端與電網連接，用于電氣隔離并對市電進行升壓處理輸出m路電壓，電源模塊包括m個電源單元，記為第1個電源單元、…、第i個電源單元、…、第m個電源單元，第i個電源單元的輸出端負極與第i+1個電源單元的輸出端正極連接，第1個電源的正極作為高壓電源輸出端正極，第m個電源的負極作為高壓電源輸出端負極，其中，1≤i≤m-1，i為電源單元次序，每個電源單元的輸入端與隔離變壓器的一個輸出端連接，每個電源單元設有開關管，開關管工作于開關狀態，使電源單元輸出電壓為零或者單位電平，電源單元的電壓輸出與電源單元輸入端電壓有關。控制模塊的輸出端與電源模塊的控制端連接，控制模塊根據指令電壓信號輸出控制信號，控制信號用于控制m個電源單元，使每個電源模塊輸出電壓為零或者單位電平，所有電源模塊輸出電壓之和即為高壓電源的輸出電壓，進而實現輸出指令電壓信號所要求電壓。

本發明提供的高壓電源中電源單元中開關管工作于開關狀態，減少了電源單元中開關管的操作頻率，提高核心開關器件的使用壽命，同時因開關器件的操作頻率顯著減低，高壓電源所帶來的電磁干擾明顯降低；本發明的高壓電源拓撲簡潔、控制策略簡單，能夠以更簡單的控制達到同樣的精度。

圖1為本發明提供的高壓電源實施例的結構示意圖。如圖1所示，該實施例中高壓電源包括隔離變壓器組001、電源模塊002和控制模塊003，其中，隔離變壓器組001包括一級隔離變壓器組011和二級隔離變壓器組012，一級隔離變壓器組011設有n個輸入端和k個輸出端，二級隔離變壓器組012設有k個輸入端和m個輸出端，其中，k和m均為正整數，且n<k<m，二級隔離變壓器組012一個輸入端與一級隔離變壓器組011的一個輸出端連接。一級隔離變壓器組011包括n個第一級隔離變壓器，第一級隔離變壓器有一個主邊和l個副邊，其中，l均為正整數，且n×l＝k，n個第一級隔離變壓器的n個主邊為隔離變壓器組的n個輸入端，n個第一級隔離變壓器的n×l副邊作為一級隔離變壓器組的k個輸出端；二級隔離變壓器組，包括p個第二級a型隔離變壓器和q個第二級b型隔離變壓器，所述第二級a型隔離變壓器有一個主邊和s個副邊，所述第二級b型隔離變壓器有一個主邊和t個副邊，其中，p、q、s和t均為正整數，且s×p+t×q＝m，p+q＝k，p個第二級a型隔離變壓器的p個主邊和q個第二級b型隔離變壓器的q個主邊作為二級隔離變壓器組的k個輸入端，p個第二級a型隔離變壓器的s×p個副邊和q個第二級b型隔離變壓器的t×q個副邊作為隔離變壓器組的m個輸出端。

本實施例中，隔離變壓器組采用兩級隔離變壓器組，將隔離變壓器分為第一級隔離變及第二級隔離變兩級隔離變壓器，其中第一級隔離變要隔離的電壓較高，必須以系統所需要隔離的最高電壓加上安全裕量來設計，而第二級隔離變的要求則大于所供電電源模塊的所有電壓之和加安全裕量即可。這樣當電源的設計輸出電壓較高時，第一級隔離變不需要因為過多的二次輸出繞組而急劇增加設計難度，同時第二級隔離變的設計要求及建造成本都得以降低。

第二級a型隔離變壓器的變壓比大于第二級b型隔離變壓器的變壓比，使得連接第二級a型隔離變壓器副邊的電源單元輸出單位電平大于連接第二級b型隔離變壓器副邊的電源單元輸出單位電平，通過這種方案設計能顯著提升高壓電源的控制精度。

第一級隔離變壓器的數量、第二級a型隔離變壓器的數量、第二級b型隔離變壓器的數量以及電源單元的數量選擇要綜合考慮電源設計需求和第二級b型隔離變壓器的副邊電壓確定。通常來講來說輸出40kv以下可以通過1臺第一級隔離變和數臺第二級隔離變來實現，40kv以上的高壓電源可以使用數臺第一級隔離變的設計方案。通常來講，通過設置第二級a型隔離變壓器的變比和第二級b型隔離變壓器的變比，使連接第二級a型隔離變壓器的電源單元輸出單位電平va的范圍在600-1000v之間，使連接第二級b型隔離變壓器的電源單元輸出單位電平vb的范圍在100-200v之間，使得va<0.2vb。

本發明提供的高壓電源的實施例中，還包括u個升壓模塊，且u＜m，u為正整數，一個升壓模塊的輸入端與所述隔離變壓器組的一個輸出端連接，該升壓模塊的輸出端與一個電源單元的輸入端連接，使得連接升壓模塊的電源單元輸出單位電平大于連接隔離變壓器組輸出端的電源單元輸出單位電平，通過這種方案設計能顯著提升高壓電源的控制精度。

本發明提供的高壓電源的實施例中，還包括絕緣支撐單元，絕緣支撐單元置于電源模塊下方，用于使電源模塊與大地電氣隔離，當所設計的高壓電源輸出參考點與大地一致時可不使用絕緣支撐單元。對于絕緣支撐單元沒有特別苛刻的要求，只要有足夠的強度和隔離度，能夠將電源模塊及隔離變支撐起來并保證隔離度即可。本發明設計中選用復合材料支撐絕緣子，強度大，重量輕，抗污閃能力強。

本發明提供的高壓電源的實施例中，隔離變壓器都采用移相處理，來減小對市電的干擾。

圖2為本發明提供的實施例的高壓電源拓撲圖，包括隔離變壓器組，絕緣支撐單元、電源模塊以及控制模塊；一級隔離變壓器組包括一個第一級隔離變壓器t0，整個高壓電源取電引自380v/50kva動力配電箱，電源通過斷路器開關傳至第一級隔離變t0，第一級隔離變隔離度150kvdc，接法為y/y0，容量50kva，變比為380v/600v，原邊為一組三相輸入，副邊有5組三相輸出。5組副邊繞組分別供給5個二次隔離變，記為二次隔離變t1、二次隔離變t2、二次隔離變t3、二次隔離變t4以及二次隔離變t5，二次隔離變t1至二次隔離變t5隔離度、容量以及副邊數量均相同，依次為隔離度為20kvdc，容量為10kva，原邊為一組三相輸入，副邊為10組三相輸出，分別供給10個電源單元。二次隔離變t1至二次隔離變t4變比為600v/600v，二次隔離變t5變比為600v/75v。這種兩級隔離變壓器方案的優點在于配電箱與ecrh系統-80kv高壓平臺的電氣隔離由1臺隔離變實現，降低了成本，而且一次隔離變和二次隔離變的副邊繞組都較少，降低了設計難度，經濟可靠。為了減少高壓電源產生的諧波對于市電的干擾，對一次隔離變的五組副邊輸出進行了移相，分別為0°、±12°、±24°，形成30脈波，可有效減少高次諧波對市電的干擾，同時降低輸出電壓紋波。

如圖2所示，電源單元包括并聯的igbt單元、電容、電阻以及二極管，三相電源輸入以不控整流的方式給電容充電，同時儲能電容對不控整流產生的6脈波脈動直流進行濾波，進而形成穩定的直流母線電壓。根據控制指令，電源模塊的igbt導通并產生直流電壓輸出。并聯在電容兩端的電阻起到均壓作用，防止串聯電容彼此間的電壓不均，進而造成電容器的損壞。三相不控整流橋上串聯的晶閘管/電阻是軟開關模塊。續流二極管在igbt關斷的時候提供續流通道，為加快igbt動態特性，在續流二極管的兩端添加了內負載電阻，增大igbt通路電流，加快其瞬態響應，同時主回路中還有著電壓電流的采樣電路，采樣信息可以傳至電源單元中的控制板，當發生故障時控制板可以迅速關斷igbt。本實例中連接第二級a型隔離變壓器的電源單元輸出單位電平為800v，連接第二級b型隔離變壓器的電源單元輸出單位電平為100v。可以實現精度分辨率為100v/33kv≈0.3％，精度優于0.5％。當所設計的高壓電源等級更高時，精度會進一步的提高。

圖3為本發明提供的實施例中高壓電源架構圖：左側的絕緣支架采用5×10方格設計，橫向5格，縱向10格，用來放置50個電源單元。整體的外觀尺寸為1200mm×1500mm×500mm，從下往上電壓依次升高，底部8排電源單元與變比為600v/600v的二次隔離變相連，電源單元的單位電平為800v，頂部兩排電源單元與變比為600v/75v的二次隔離變連接，電源單元的單位電平為100v。由于絕緣因素是電源考慮的重要因素，整套支架的安裝采用無金屬螺釘設計，豎直結構與水平結構之間多采用榫卯結構，部分需要強度加強的部分采用尼龍螺釘固定。

本發明提供的實施例中，高壓電源控制中采用dsp作為核心控制芯片，控制指令是由dsp芯片發出，電源的具體參數既可以通過人機界面設定，也可以由ecrh中控系統將設定參數經過通訊協議傳輸至dsp控制芯片。dsp芯片與50個電源單元的控制指令全部使用光纖隔離，通過電光/光電轉換方法將開關等指令發給電源模塊，電源模塊內部有arm芯片進行單個電源單元狀態監測，并將電源模塊的狀態信息反饋給dsp控制芯片。高壓電源的輸出電壓和輸出電流經過分壓器及霍爾傳感器進行檢測，檢測信號經壓頻轉換技術傳給采集系統，過壓過流信息經比較電路反饋給dsp控制芯片，當發生過壓過流時切斷電源。通過以上設計思路，所有的電源模塊控制保護等信息傳遞均使用光纖隔離的技術，這樣就確保了-80kv高壓平臺和控制板乃至ecrh中控之間穩定可靠的電氣隔離，在任何狀況下都不會因發生故障而損壞控制器。

圖4為本發明提供的實施例輸出電壓波形圖，對高壓電源進行了多個電壓單元的控制測試，包括32個800v電壓單元和5個100v電壓單元，其中800v電壓單元根據響應的要求可以逐個或者同時進行操作，而100v的電壓單元在開通管段時同時觸發。vmodule為在trigger信號激勵下第一個電源單元的輸出電壓波形，vout為高壓電源輸出電壓波形。通過對高壓電源中各開關管的通斷測試可以看出，電源的性能較好，且從波形上也反映出電源的控制簡潔高效。

綜上可以看出：根據本發明設計表現出眾，在有效提高電源精度的同時，顯著減小了電源開關器件操作頻率，提高核心開關器件的使用壽命，因開關器件的操作頻率顯著減低，可降低高壓電源工作時所引起的電磁干擾。本發明的電源模塊均為模塊化設計、結構簡單，便于工業化大批量生產。所構成的高壓電源可以實現百千伏等級的高壓輸出，輸出電壓及輸出波形控制簡單，精度高。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。