一种强流离子源用弧电源的制作方法

本发明涉及弧电源，尤其涉及一种强流离子源用弧电源。

背景技术：

离子源用弧电源在引出高压电源系统投入或打火时刻需要进行弧打坑操作，即需要在引出高压电源系统投入或打火时刻，首先将弧电流迅速下降到一定程度并维持指定时间段后，再迅速上升恢复至正常的弧电流，电流下降的程度即为打坑深度，电流下降后维持的时间即为打坑宽度。

如果电源系统有足够大电流变化率di/dt，则有利于实现系统的快速反应，进而能够适应前述打坑操作的要求，但是目前的现状是弧电源的di/dt不够大，这样一方面影响了系统的反应速度，使得实现对大功率电弧的稳定的闭环控制难度很高，另一方面，使得弧电源打坑技术需要通过设置辅助电路实现，公告号为CN201967234的中国专利文献就公开了这样一种离子源弧电源打坑系统，其通过和弧电源输出端并联的电流转移电路(即和弧电源输出端并联的多只绝缘栅双极型晶体管和电阻组成的支路)的设置，当需要进行打坑操作时，将弧电源输出电流的20％～30％旁路，快速转移到电流转移电路的电阻假负载上，从而实现在离子源引出高压(即加速极高压)投入时刻或打火时刻的打坑操作。

这种通过设置电流转移电路来实现弧打坑的技术存在着很多局限，首先，其并非直接影响控制弧电源的di/dt，对降低系统的闭环控制的难度几乎没有作用，其次，其打坑深度的调节精度和调节范围、打坑宽度均受电路固有特性的限制，具体来说，一方面，受电阻散热功率的影响，电路转移电路打开时间不宜过长，否则转移电路中的电阻可能因为过热而损坏，从而无法实现较大的打坑宽度，打坑宽度一般在ms级，例如通常设定为2ms，另一方面，打坑深度的可调性差，这时因为打坑深度和电阻阻值有直接关系，一旦电流转移电路选定电阻后，其调节范围就会固定，且不能实现连续调节。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是现有离子源用弧电源打坑技术存在的打坑深度的调节精度和调节范围、打坑宽度均受电路固有特性的限制且对降低系统的闭环控制的难度几乎没有作用的问题，进而提供一种流打坑深度0～100％连续可调，电流打坑宽度不再受时间限制且有利于降低闭环控制难度的强流离子源用弧电源。

本发明进一步解决弧电源受电网影响稳定性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明的强流离子源用弧电源，包括供电单元和用于输出弧电流的离子源输出端，所述供电单元经DC/DC变换器给所述离子源输出端供电，所述DC/DC变换器采用不对称H桥拓扑结构，该不对称H桥拓扑结构包括四个桥臂：第一桥臂和第二桥臂分别和所述离子源输出端的正极相连，第三桥臂和第四桥臂分别和所述离子源输出端的负极相连，在所述第一桥臂上设置有至少两个错相并联的BUCK变换器，所述BUCK变换器包括绝缘栅双极型晶体管、二极管和电抗器，所述BUCK变换器中的所述二极管为所述第二桥臂共用，在所述第三桥臂上设置有一个绝缘栅双极型晶体管，在所述第四桥臂上设置有一个二极管。

优选地，所述供电电路包括超级电容和为所述超级电容充电的充电电路，所述超级电容充电后为所述离子源输出端供电。

优选地，在所述超级电容的直流母线上并联有至少一个支撑电容。

优选地，所述支撑电容采用金属薄膜电容。

优选地，所述充电电路包括交流电源，所述交流电源依次经高压隔离变压器、整流滤波器和恒功率控制的Buck变换器与所述超级电容相连。

优选地，在所述第一桥臂上设置的所述BUCK变换器数量为10个，相邻两个错相36°并联工作。

优选地，所述强流用弧电源还包括用于取样弧电流的电流传感器，所述电流传感器经A/D转换单元与所述强流离子源用弧电源的控制电路相连，所述控制电路通过改变所述第一桥臂上的各所述BUCK变换器中的所述绝缘栅双极型晶体管的工作脉宽，改变弧电流的大小，使所述强流离子源用弧电源按照系统设定恒流工作；所述超级电容充电时，可以采用充电初期采用限流充电，后切换 为恒功率充电，直至达到最大储能电压的方式。

本发明还公开了采用所述强流离子源用弧电源进行弧打坑的方法，包括以下步骤：

当所述强流离子源用弧电源接收到进行打坑操作的信号后，关断所述第一桥臂上的所有所述绝缘栅双极型晶体管以及所述第三桥臂上的所述绝缘栅双极型晶体管，待弧电流达到设定的打坑深度后，重新开启前述关闭的所有所述绝缘栅双极型晶体管，并控制所述第一桥臂上的所述BUCK变换器中的所述绝缘栅双极型晶体管的工作脉宽，使弧电流维持在预设的打坑深度处。

优选地，所述进行弧打坑的方法还包括以下步骤：当所述强流离子源用弧电源接收到进行打坑结束的信号后，控制所述第一桥臂上的所有所述BUCK变换器中的所述绝缘栅双极型晶体管的处于全导通状态，使弧电流快速上升至设定的工作电流。

优选地，所述进行弧打坑的方法还包括以下步骤：当所述离子源输出端的输出电流接近设定的工作电流时，开始控制减小所述第一桥臂上的所有所述BUCK变换器中的所述绝缘栅双极型晶体管的工作占空比，使弧电流缓慢上升至设定的工作电流。

本发明的有益效果如下：

本发明的强流离子源用弧电源，采用多相多重复合斩波电路，提高工作频率，大大减小滤波电感的电感量和体积，使电源获得了很大的di/dt，这样一方面不需要设置电流转移电路，即可完成打坑操作，且打坑深度0～100％连续可调，电流打坑宽度不再受时间限制，降低了中性束辅助加热实验的控制难度，提高实验的成功率；另一方面，di/dt的提高，有利于获得更快的系统响应速度，提升闭环控制动态性能，实现真正的电压或电流跟踪控制，使控制系统更加简单，可靠性大幅提高。与传统弧电源相比，本发明的弧电源体积将减少2/3以上，电网容量小于10kVA，控制系统更加简单，电源响应速度更快，纹波更小。

另外，本发明的强流离子源用弧电源在储能完成后，脉冲工作期间所需的电能由超级电容提供，电源输出不受电网电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰等的影响，离子源弧放电更加稳定。

附图说明

图1为本发明的强流离子源用弧电源的一个实施例的主电路拓扑示意图；

图2为图1所示的实施例中的超级电容及其充电电路部分的示意图；

图3为在正常工作时图1所示的实施例中的弧电源放电回路原理图；

图4为在打坑操作开始时图1所示的实施例中的弧电源放电回路原理图；

图5为图1所示的实施例中的弧电源在1000A假负载实验中的电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案和有益效果进一步进行说明。

参见附图1至4，给出了本发明的强流离子源用弧电源的一个实施例，该实施例中，采用了一个不对称H桥拓扑结构的DC/DC变换器给离子源输出端供电，该不对称H桥拓扑结构包括四个桥臂：第一桥臂和第二桥臂分别和离子源输出端的正极相连，第三桥臂和第四桥臂分别和离子源输出端的负极相连，在第一桥臂上设置有10个错相并联的BUCK变换器，BUCK变换器包括绝缘栅双极型晶体管IGBT0至IGBT10、二极管D1至D10和电抗器L1至L10，其中，二极管D1至D10亦作为第二桥臂上的二极管，即二极管D1至D10为BUCK变换器和第二桥臂共用，在第三桥臂上设置有绝缘栅双极型晶体管IGBT0，在第四桥臂上设置有二极管D0。

其中，如图3所示，上桥臂中的10个Buck变换器和IGBT0组成了一个多相多重复合斩波器，可以设定其中每个Buck变换器的工作频率为30kHz，相邻两个错相36°并联工作，则斩波电路等效工作频率即为300kHz，这种结构大大提高了电源的工作频率，而工作频率的提高大大减小了滤波电感的电感量和体积，使电源获得了很大的di/dt，进而有利于系统获得极快的响应速度，使闭环控制动态性能显著提升。

具体实施时，第一桥臂上的BUCK变换器的个数可以根据需要选择，至少为两个，BUCK变换器中的绝缘栅双极型晶体管、二极管和电抗器的连接方式如图，本领域的技术人员可以根据公知技术实现。

本发明的强流离子源用弧电源的供电单元部分可以采用超级电容SC供电， 并相应的设置为超级电容SC充电的充电电路，这种采用超级电容储能的方式，在弧电源储能完成后，脉冲工作期间所需的电能由超级电容提供，使电源不受电网电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰等的影响，离子源弧放电更加稳定。超级电容SC的充电电路可选择任何可以完成充电的电路，例如，图2给出了充电电路的一种具体形式：包括交流电源，交流电源依次经高压隔离变压器、整流滤波器和恒功率控制的Buck变换器与超级电容SC相连。

如图1、图2所示，以5MW中性束弧电源为例，可以设置超级电容SC的充电电路，将220V单相交流电源升压至250V，对地120kV高压隔离，经二极管全波整流、电容滤波后给超级电容充电，可以设置充电电路中的Buck电路工作频率为20kHz。

超级电容的容量可以根据电路需求计算得到，下面以5MW中性束弧电源为例进行计算：

5MW中性束弧电源的参数：最大工作电压为150V，最大电流为1500A，脉宽为5秒，工作比为5/300。如果选取超级电容器组耐压最大值为200V，放电时最低电压不低于160V，则超级电容最小容量C为：

$C=\frac{Q}{\mathrm{\ΔU}}=\frac{\mathrm{IT}}{\mathrm{\ΔU}}=\frac{1500A\×5S}{40V}=187.5F---\left(1\right)$

式中，C为超级电容容量，单位法拉；Q为电荷量，单位库仑；ΔU为一个脉冲工作周期内超级电容电压最大变化值，单位伏特；I为弧电源输出电流，单位安培；T为脉冲工作时间，单位秒。

电容的形式可以根据公知常识选用，例如可以选用3000F/2.7V的超级电容，80个串联5路并联总共400个单体超级电容，使储能单元总耐压为216V，容量为187.5F；

超级电容充电时，可以采用充电初期采用限流充电，后切换为恒功率充电，直至达到最大储能电压的方式，采用这种方式，是因为电源开机至第一次脉冲工作期间，超级电容需要从0V电压充电至200V工作电压。超级电容电压较低时，如果采用恒功率充电，充电电流会很大，需要限流。以后的脉冲工作期间，超级电容电压不低于160V，采用恒功率充电，可以降低电网及变压器容量。这种充电方式下，可以根据充电时间要求计算得到最小充电功率，

例如，充电时间为5分钟时，采用恒功率充电，最小充电功率为：

$P=\frac{\mathrm{\ΔW}}{T}=\frac{\frac{1}{2}{\mathrm{C\ΔU}}^2}{T}=\frac{\frac{1}{2}\×187.5\×({200}^2-{160}^2)}{5\×60}\≈4.5\mathrm{kW}---\left(2\right)$

式中，P为充电功率，单位瓦特；ΔW超级电容储能变化量，单位焦耳；其他字母含义跟公式(1)相同。

为提高Buck变换器中IGBT的开关频率，减少线路分布电感的影响，在超级电容SC直流母线上并联了若干支撑电容，该制成电容可以是金属薄膜电容Cd，当然也可以选择其他形式的电容。

下面结合图1所示的实施例，对采用本发明的强流离子源用弧电源的工作方式及弧打坑的方法进行说明：

中性束辅助加热实验开始前，应事先设定弧电流打坑宽度和打坑深度。当离子源灯丝温度达到设定值后，弧电源投入工作，电流经离子源正极，离子源负极，IGBT0，电容器组负极，电容器组正极，IGBT1至IGBT10，电抗器L1至L10，形成弧放电回路1，如图3所示。弧电流经电流传感器取样，高速A/D转换后，送弧电源控制电路。控制电路通过改变IGBT1至IGBT10的工作脉宽，可以改变弧电流的大小，弧电源按照系统设定恒流工作。IGBT0常开，IGBT1至IGBT10交错关断期间，由D1至D10中相应二极管续流。

当弧电源控制电路收到来自离子源引出高压(即加速极高压)投入时刻或打火时刻发出的打坑控制信号后，向IGBT0至IGBT10发出关断信号，所有IGBT同时关断。电路发生了换路，如图4所示，电流经离子源正极，离子源负极，D0，电容器组正极，电容器组负极，续流二极管D1至D10，电抗器L1至L10，形成弧放电回路2。此时电抗器L1至L10及线路分布电感中的储能，小部分消耗于离子源中，大部分被超级电容器组吸收，因此，弧电流将快速下降。弧电源控制电路检测到弧电流下降到设定的打坑深度(弧流正常值的0～100％)后，向IGBT0至IGBT10发出开通信号，所有IGBT同时开通，重新回到弧放电回路1(图3)。此时IGBT1至IGBT10的工作脉宽较正常工作时窄，使弧电流恒定于正常工作电流的0～100％，即事先设定的打坑深度处。

当弧电源控制电路收到打坑结束信号后，各Buck变换器中的IGBT处于全导通状态，占空比接近100％，弧电流快速上升。负载电流接近设定的工作电流时，控制器开始减小IGBT1～IGBT10的工作占空比，电感电流上升减缓，以减小负 载电流过冲。此后，各Buck变换器处于恒流工作状态，控制器根据电流传感器采样数据和设定的负载工作电流计算IGBT占空比，产生PWM波形，驱动IGBT1～IGBT10。IGBT1～IGBT10的工作脉宽恢复到正常工作值，回到正常工作值，一次弧电流打坑完成。

下面以图中所示的实施例为例，对本发明的弧电源的打坑过程中电流的上升、下降时间进行计算：

设各Buck变换器中电感均为30μH，弧电源至离子源间电缆总长度约20m，分布电感约10μH。在电流上升阶段，各Buck变换器中的IGBT处于全导通状态，占空比接近100％，L1～L10的并联等效电感约为3μH。

由电感电流上升时间表达式：

$\mathrm{\ΔU}=L\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\Δt}}\⇒\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{L\ΔI}}{\mathrm{\ΔU}}---\left(3\right)$

式中ΔU为电感电压变化量；L为交错并联Buck电路等效电感值加线路分布电感值，单位亨利；ΔI为电感电流变化量，Δt为电流上升时间，单位微秒。

其中：L＝10+3＝13μH，ΔI＝1500×(90％-10％)＝1200A，等离子体等效电阻约0.1Ω，平均ΔU＝[(220-0)+(220-135)]/2＝152.5V。由式(3)可以计算出电流上升时间Δt＝102μS。

负载电流接近设定的工作电流时，控制器开始减小IGBT1～IGBT10的工作占空比，电感电流上升减缓，以减小负载电流过冲。此后，各Buck变换器处于恒流工作状态，控制器根据电流传感器采样数据和设定的负载工作电流计算IGBT占空比，产生PWM波形，驱动IGBT1～IGBT10。

在电源关断或进行弧电流深度打坑时，由DSP控制关断IGBT1至IGBT10，如果不采用本发明的H桥拓扑结构，即采用错相并联Buck电路，同时不在第三桥臂设置IGBT0，也不在第四桥臂设置二极管D0，则此时电感L1至L10中的电流通过离子源、二极管D1至D10形成续流回路，此时，电路可等效为一个一阶RL电路。一阶RL电路零输入响应的电流表达式：

$i=I_0{e}^{-\frac{R}{L}t}---\left(4\right)$

式中，I₀为打坑开始时的初始输出电流，R为离子源等效电阻，单位欧姆；L为交错并联Buck电路等效电感值加线路分布电感值。

由(4)式可以看出，电流按照指数规律衰减90％需要约2.3τ，由于离子源等效电阻值很小(约0.1Ω)，时间常数τ较大(约130μS)，不能满足离子源对弧电流下降时间的要求，弧电源需要采取其它措施使弧电流更加快速地下降。

经过反复研究，发明人设计了本发明采用的H桥拓扑结果，这种结构下，可以实现如下操作：在电源关断或进行弧电流深度打坑时，在DSP控制关断各Buck变换器中的IGBT0至IGBT10时，同时也关断IGBT0，电抗器L1至L10及线路分布电感与离子源、二极管D0，超级电容、续流二极管D1至D10形成RLC串联回路(如图4所示)。超级电容等效为理想直流电源(220V)，弧电流初始值为1500A，则回路电流表达式为：

$i=2200+(-1500-2200)e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}---\left(5\right)$

弧电流下降时间为：Δt＝0.6τ＝78μS。

通过使用这种电感能量回馈技术，实现了负载电流的快速降快，从而不需要电流转移电路，且电流打坑深度0～100％连续可调，电流打坑宽度不再受时间限制。

图5为给出的本发明的强流离子源用弧电源按照实际参数做出的样机的实验波形，该图为5MW中性束弧电源1000A假负载实验电流波形，其中设置了2次电流打坑，深度为80％，使用LEM公司的LF2005-S传感器测量，2000A对应的取样电压为8.28V。由波形图可以看出，负载电流稳定性好，电流上升时间约为93μs，说明超级电容储能阵列具有很大的电流输出能力。

根据实验数据：弧电源最大输出为220kW/1500A，电流纹波小于1％，电流上升时间约100μS，电流下降时间约80μS，最大超调量小于3％，弧电源可以满足5MW中性束离子源要求。