高穩(wěn)定度大功率脈沖穩(wěn)流電源

摘要：介紹HL－1M中性束注入器（NBI）偏轉(zhuǎn)磁鐵上用的一種脈沖可調(diào)高穩(wěn)定度穩(wěn)流電源。采用的方案是晶閘管三相橋式移相控制和巨型晶體管（GTR）串聯(lián)調(diào)整兩個(gè)控制環(huán)聯(lián)合控制的方法。文中簡述了該電源的控制原理、技術(shù)性能及采用的一些特殊措施。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)流電源 GTR調(diào)整管

1 引言

由于中性束注入器要求磁場(chǎng)恒定，故要求電源提供的負(fù)載電流恒定不變。無論是穩(wěn)態(tài)還是脈沖工作的離子源，工作磁場(chǎng)一般都是穩(wěn)定的，還要求有較好的電流穩(wěn)定度，一般要求優(yōu)于（0.1～1）％，要求更高的則為（0.01～0.1）％，電流應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)范圍，并要有開路過壓保護(hù)措施。根據(jù)需要，本電源要求穩(wěn)定度為0.1％。

電源技術(shù)指標(biāo)為：

輸出脈沖直流電壓為30V～80V；

輸出脈沖電流為50A～300A；

輸出脈沖寬度為5s～10s；

脈沖電流平頂穩(wěn)定度±0.1％；

最小周期為3min。

2 電源工作原理及系統(tǒng)方框圖

2.1 系統(tǒng)方框圖

根據(jù)偏轉(zhuǎn)磁鐵線圈工作的需要，要求電源達(dá)到0.1％的穩(wěn)流精度，所以提出了如圖1所示的電源方框圖。

2.2 工作原理

由于該電源的輸出功率較大，所以輸入采用三相電源、變壓器隔離、降壓、三相晶閘管橋式整流、線性穩(wěn)流等常規(guī)方法，在此就不一一贅述。下面介紹為了達(dá)到0.1％的穩(wěn)定精度，而在采樣、基準(zhǔn)和反饋控制等方面所采取的具體措施。

（1）取樣元件的選擇

這里選用的是串聯(lián)穩(wěn)流電路，見圖2。從圖中可看出取樣電阻RS與負(fù)載串聯(lián)，而RS的阻值比放大環(huán)節(jié)的輸入電阻小得多，所以幾乎全部負(fù)載電流IL都要通過RS。認(rèn)為RS的阻值不變，那么RS上電壓降的大小直接反映出負(fù)載電流的大小。所謂穩(wěn)定“電流”，就是穩(wěn)定RS上電壓降USI，USI穩(wěn)定了，負(fù)載電流也就穩(wěn)定了。整個(gè)穩(wěn)流系統(tǒng)就是一個(gè)負(fù)反饋大閉環(huán)，串聯(lián)穩(wěn)流器的自動(dòng)調(diào)整過程與串聯(lián)穩(wěn)壓器的控制過程十分相似，不同的是串聯(lián)穩(wěn)流器輸出端不能“開路”，若開路就有可能導(dǎo)致調(diào)整管BE結(jié)損壞。

取樣電阻的選擇，原設(shè)計(jì)準(zhǔn)備采用磁平衡式（又叫零磁通式）傳感器，由于廠家試制有困難，后改成HDC型直流霍爾電流傳感器[0～500A/0～10V（DC）]，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)有振蕩，現(xiàn)在采用的是大功率電阻，性能和穩(wěn)定性基本上滿足要求。

（2）基準(zhǔn)電壓的選擇

基準(zhǔn)電壓源采用的是2DW235（即2DW7C），它是硅材料平面型帶溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓二極管，用來供給基準(zhǔn)電壓（該管的穩(wěn)定電壓為6.1V～6.5V,最大穩(wěn)定電流30mA，耗散功率0.2W,動(dòng)態(tài)電阻≤10Ω）。

（3）控制過程

從圖1方框圖中可見，為達(dá)到0.1％的穩(wěn)定度，采用了兩個(gè)控制環(huán)，第一個(gè)是晶閘管三相橋移相控制環(huán)，起預(yù)穩(wěn)作用；第二個(gè)是GTR串聯(lián)調(diào)整控制環(huán)，兩個(gè)控制環(huán)的示意圖見圖3。

串聯(lián)調(diào)整控制環(huán)由GTR（1DI300－120，300A，1200V，2kW，兩只并聯(lián)），驅(qū)動(dòng)電路和運(yùn)算放大器（μA741）組成。為了不受輸出電壓的限制和允許采用較低工作電壓的驅(qū)動(dòng)管，將μA741的“2”腳和±15V電源的公共端接到電源直流輸出“＋”端，預(yù)置電流（電壓信號(hào)）與通過取樣電阻的取樣電流綜合后送到μA741的“3”腳，構(gòu)成差分放大。

三相橋移相控制環(huán)由三相橋晶閘管（KP800－6）6只，KJZ6觸發(fā)板、跟隨器和運(yùn)放OP07組成，固定的給定電壓送到OP07的“3”腳，串聯(lián)調(diào)整管GTR的管壓降通過光電耦合器TIL117送到OP07的“2”腳，構(gòu)成閉環(huán)穩(wěn)流系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)＋15V電平的時(shí)序脈沖反向后送到KJZ6控制端“18”腳時(shí)，三相橋晶閘管全導(dǎo)通，開始GTR飽和導(dǎo)通，向負(fù)載供電，一旦接通負(fù)載，取樣電阻上的反饋電壓使GTR進(jìn)入線性調(diào)整區(qū)；與此同時(shí)，光電耦合器把管壓降信號(hào)送到運(yùn)放OP07的“2”腳，放大后經(jīng)射極跟隨器送到KJZ6的“19”腳，控制晶閘管的導(dǎo)通角，使之改變GTR的輸入電壓。

分別調(diào)整兩個(gè)控制環(huán)的反饋電位器，使它們分別進(jìn)入工作區(qū)。

由于輸出電流大，串聯(lián)調(diào)整管工作在線性區(qū)，為了減小調(diào)整管的功耗，提高電源效率，所以對(duì)調(diào)整管的工作區(qū)域要限制。為減小調(diào)整管的壓差，一般最小取3V，最高取6V，但要考慮輸入電源變化±10％，所以取3V～8V。在調(diào)試時(shí)將GTR的管壓降整定在此范圍內(nèi)，當(dāng)它超過時(shí)就輸出電壓信號(hào)去控制觸發(fā)板，改變晶閘管的觸發(fā)角，控制晶閘管整流橋輸出電壓的大小，使調(diào)整管的壓差回到整定的工作區(qū)域。

3 保護(hù)功能

該電源設(shè)置有電流、電壓檢測(cè)，具有過流、過脈寬等保護(hù)功能，過脈寬保護(hù)可根據(jù)要求進(jìn)行整定。當(dāng)負(fù)載過流或過脈寬時(shí)，保護(hù)電路起作用，封鎖三相橋的晶閘管，切斷三相交流輸入電源。故障排除后，可重新起動(dòng)電源開關(guān)繼續(xù)供電。

4 結(jié)語

該電源于1995年12月通過等效負(fù)載試驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過三年來接在真實(shí)負(fù)載上使用，經(jīng)過不斷完善和改進(jìn)，使之最后達(dá)到性能穩(wěn)定，工作可靠，基本上能滿足要求。

該穩(wěn)流源現(xiàn)用于HL－1M中性束的偏轉(zhuǎn)磁鐵上，也適用其它需要高穩(wěn)定度大功率穩(wěn)流電源的場(chǎng)合。