1 引言

　　隨著中國環(huán)流器二號A(HL—2A)裝置物理實驗的不斷深入，將開展高參數(shù)條件下等離子體加熱和電流驅動實驗，為此需建造60kV/10MW-20MW/3s 左右的二級加熱系統(tǒng)。二級加熱系統(tǒng)要求其脈沖直流電源輸出功率大，輸出電壓穩(wěn)定度高，紋波小，保護動作時間短，保護時輸出能量小。由于高壓調整管受到生產技術和材料的限制，輸出的電流大小及工作時間都受到很大制約，因此基于晶閘管調壓技術、星點控制技術和高壓調整管的高壓電源已不能滿足二級加熱系統(tǒng)發(fā)展的需求，這就需要新型的高壓大功率脈沖電源?；赑SM 技術的高壓脈沖電源能夠滿足上述要求，從而得到了開發(fā)。

PSM 控制方法是通過多組PWM 脈沖信號按一定的控制時序步進控制眾多串聯(lián)的直流斬波器循環(huán)工作，并調制它們的輸出電壓脈沖寬度來實現(xiàn)總輸出電壓的調整?；赑SM 技術和開關器件的高壓脈沖直流電源系統(tǒng)構成簡單，操作簡潔，能夠實現(xiàn)輸出高功率，且具有系統(tǒng)輸出級儲能小，關斷時間短，維護方便等特點。本文通過6 開關模塊PSM 電源的仿真和實驗，實現(xiàn)了PSM 控制模式和高功率的輸出，為進一步開發(fā)中國環(huán)流器2 號A 裝置(HL—2A)60kV/1MW/3s二級加熱高壓脈沖電源提供了堅實的基礎。

　　2 基于PSM 技術的高壓電源發(fā)展及其工作原理

　　1983 年，BBC 公司研制出了第一臺大功率、高壓、固態(tài)調制器，亦稱脈沖步進調制器(Pulse StepModulation，PSM)，應用于高功率廣播發(fā)射機。

　　基于PSM 技術的高壓脈沖電源系統(tǒng)及輸出如圖1a、圖1b 所示，該系統(tǒng)由多組低壓斬波直流電源串聯(lián)而成。通過電源模塊的串聯(lián)代替了IGBT 模塊直接串聯(lián)，從而能夠避免IGBT 模塊在直接串聯(lián)工作模式下因模塊提前關斷或延后開通而承受高壓損壞的缺點。該系統(tǒng)包括了PSM 多繞組變壓器、SPS(Switched Power Supply)模塊、控制系統(tǒng)、互鎖和測量系統(tǒng)、高頻濾波系統(tǒng)和負載。其中PSM 多繞組變壓器一二次側之間、二次側之間的雜散電容對整個系統(tǒng)來講是一個很重要的參數(shù)。SPS 模塊是一個類Buck 電路，輸出級沒有LC 濾波部分，從而輸出的是直流脈沖電源。電路中的二極管起著快速釋放負載中的能量和在某個SPS 模塊不工作時起著連通主回路的作用，這就要求該二極管為快恢復、大電流二極管。

　　由6 個SPS 模塊組成的PSM 電源輸出電壓如圖2a、圖2b 所示。圖2a 中6 個脈沖信號源的周期為T，占空比均為9/10，幅值為10V，第二個脈沖比第一個脈沖滯后T/6，第三個脈沖比第二個脈沖滯后T/6，以此類推，每個脈沖都比前一個脈沖滯后T/6。這六個直流電源串聯(lián)之后得到的輸出如圖2b 所示，它是在5 個SPS 模塊電壓的基礎上，疊加了頻率為6/T，占空比為2/5，脈動幅值為10V 的直流脈沖電壓。通過調節(jié)在線工作的SPS 模塊的個數(shù)和每個模塊的占空比及頻率，就可以調節(jié)最終脈沖電源的電壓和輸出有效頻率。

　　圖1a 中所示的SPS 模塊，在忽略IGBT 和快恢復二極管的管壓降的情況下，每個SPS 模塊的輸出有兩種狀態(tài)：IGBT 導通時，其輸出Vo=Vds;IGBT關斷時，其輸出Vo=0。

　　若有N個SPS模塊可以在線工作，當單個SPS模塊的頻率為fs，占空比為Ds，導通時間為ton，每兩個相鄰模塊的延時時間為td，則總的輸出平均電壓為Vo=NDsVds(0