本發(fā)明涉及弧電源，尤其涉及一種強(qiáng)流離子源用弧電源。

背景技術(shù)：

離子源用弧電源在引出高壓電源系統(tǒng)投入或打火時(shí)刻需要進(jìn)行弧打坑操作，即需要在引出高壓電源系統(tǒng)投入或打火時(shí)刻，首先將弧電流迅速下降到一定程度并維持指定時(shí)間段后，再迅速上升恢復(fù)至正常的弧電流，電流下降的程度即為打坑深度，電流下降后維持的時(shí)間即為打坑寬度。

如果電源系統(tǒng)有足夠大電流變化率di/dt，則有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速反應(yīng)，進(jìn)而能夠適應(yīng)前述打坑操作的要求，但是目前的現(xiàn)狀是弧電源的di/dt不夠大，這樣一方面影響了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，使得實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電弧的穩(wěn)定的閉環(huán)控制難度很高，另一方面，使得弧電源打坑技術(shù)需要通過設(shè)置輔助電路實(shí)現(xiàn)，公告號(hào)為CN201967234的中國專利文獻(xiàn)就公開了這樣一種離子源弧電源打坑系統(tǒng)，其通過和弧電源輸出端并聯(lián)的電流轉(zhuǎn)移電路(即和弧電源輸出端并聯(lián)的多只絕緣柵雙極型晶體管和電阻組成的支路)的設(shè)置，當(dāng)需要進(jìn)行打坑操作時(shí)，將弧電源輸出電流的20％～30％旁路，快速轉(zhuǎn)移到電流轉(zhuǎn)移電路的電阻假負(fù)載上，從而實(shí)現(xiàn)在離子源引出高壓(即加速極高壓)投入時(shí)刻或打火時(shí)刻的打坑操作。

這種通過設(shè)置電流轉(zhuǎn)移電路來實(shí)現(xiàn)弧打坑的技術(shù)存在著很多局限，首先，其并非直接影響控制弧電源的di/dt，對(duì)降低系統(tǒng)的閉環(huán)控制的難度幾乎沒有作用，其次，其打坑深度的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)范圍、打坑寬度均受電路固有特性的限制，具體來說，一方面，受電阻散熱功率的影響，電路轉(zhuǎn)移電路打開時(shí)間不宜過長，否則轉(zhuǎn)移電路中的電阻可能因?yàn)檫^熱而損壞，從而無法實(shí)現(xiàn)較大的打坑寬度，打坑寬度一般在ms級(jí)，例如通常設(shè)定為2ms，另一方面，打坑深度的可調(diào)性差，這時(shí)因?yàn)榇蚩由疃群碗娮枳柚涤兄苯雨P(guān)系，一旦電流轉(zhuǎn)移電路選定電阻后，其調(diào)節(jié)范圍就會(huì)固定，且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有離子源用弧電源打坑技術(shù)存在的打坑深度的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)范圍、打坑寬度均受電路固有特性的限制且對(duì)降低系統(tǒng)的閉環(huán)控制的難度幾乎沒有作用的問題，進(jìn)而提供一種流打坑深度0～100％連續(xù)可調(diào)，電流打坑寬度不再受時(shí)間限制且有利于降低閉環(huán)控制難度的強(qiáng)流離子源用弧電源。

本發(fā)明進(jìn)一步解決弧電源受電網(wǎng)影響穩(wěn)定性差的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的強(qiáng)流離子源用弧電源，包括供電單元和用于輸出弧電流的離子源輸出端，所述供電單元經(jīng)DC/DC變換器給所述離子源輸出端供電，所述DC/DC變換器采用不對(duì)稱H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該不對(duì)稱H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括四個(gè)橋臂：第一橋臂和第二橋臂分別和所述離子源輸出端的正極相連，第三橋臂和第四橋臂分別和所述離子源輸出端的負(fù)極相連，在所述第一橋臂上設(shè)置有至少兩個(gè)錯(cuò)相并聯(lián)的BUCK變換器，所述BUCK變換器包括絕緣柵雙極型晶體管、二極管和電抗器，所述BUCK變換器中的所述二極管為所述第二橋臂共用，在所述第三橋臂上設(shè)置有一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管，在所述第四橋臂上設(shè)置有一個(gè)二極管。

優(yōu)選地，所述供電電路包括超級(jí)電容和為所述超級(jí)電容充電的充電電路，所述超級(jí)電容充電后為所述離子源輸出端供電。

優(yōu)選地，在所述超級(jí)電容的直流母線上并聯(lián)有至少一個(gè)支撐電容。

優(yōu)選地，所述支撐電容采用金屬薄膜電容。

優(yōu)選地，所述充電電路包括交流電源，所述交流電源依次經(jīng)高壓隔離變壓器、整流濾波器和恒功率控制的Buck變換器與所述超級(jí)電容相連。

優(yōu)選地，在所述第一橋臂上設(shè)置的所述BUCK變換器數(shù)量為10個(gè)，相鄰兩個(gè)錯(cuò)相36°并聯(lián)工作。

優(yōu)選地，所述強(qiáng)流用弧電源還包括用于取樣弧電流的電流傳感器，所述電流傳感器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元與所述強(qiáng)流離子源用弧電源的控制電路相連，所述控制電路通過改變所述第一橋臂上的各所述BUCK變換器中的所述絕緣柵雙極型晶體管的工作脈寬，改變弧電流的大小，使所述強(qiáng)流離子源用弧電源按照系統(tǒng)設(shè)定恒流工作；所述超級(jí)電容充電時(shí)，可以采用充電初期采用限流充電，后切換 為恒功率充電，直至達(dá)到最大儲(chǔ)能電壓的方式。

本發(fā)明還公開了采用所述強(qiáng)流離子源用弧電源進(jìn)行弧打坑的方法，包括以下步驟：

當(dāng)所述強(qiáng)流離子源用弧電源接收到進(jìn)行打坑操作的信號(hào)后，關(guān)斷所述第一橋臂上的所有所述絕緣柵雙極型晶體管以及所述第三橋臂上的所述絕緣柵雙極型晶體管，待弧電流達(dá)到設(shè)定的打坑深度后，重新開啟前述關(guān)閉的所有所述絕緣柵雙極型晶體管，并控制所述第一橋臂上的所述BUCK變換器中的所述絕緣柵雙極型晶體管的工作脈寬，使弧電流維持在預(yù)設(shè)的打坑深度處。

優(yōu)選地，所述進(jìn)行弧打坑的方法還包括以下步驟：當(dāng)所述強(qiáng)流離子源用弧電源接收到進(jìn)行打坑結(jié)束的信號(hào)后，控制所述第一橋臂上的所有所述BUCK變換器中的所述絕緣柵雙極型晶體管的處于全導(dǎo)通狀態(tài)，使弧電流快速上升至設(shè)定的工作電流。

優(yōu)選地，所述進(jìn)行弧打坑的方法還包括以下步驟：當(dāng)所述離子源輸出端的輸出電流接近設(shè)定的工作電流時(shí)，開始控制減小所述第一橋臂上的所有所述BUCK變換器中的所述絕緣柵雙極型晶體管的工作占空比，使弧電流緩慢上升至設(shè)定的工作電流。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的強(qiáng)流離子源用弧電源，采用多相多重復(fù)合斬波電路，提高工作頻率，大大減小濾波電感的電感量和體積，使電源獲得了很大的di/dt，這樣一方面不需要設(shè)置電流轉(zhuǎn)移電路，即可完成打坑操作，且打坑深度0～100％連續(xù)可調(diào)，電流打坑寬度不再受時(shí)間限制，降低了中性束輔助加熱實(shí)驗(yàn)的控制難度，提高實(shí)驗(yàn)的成功率；另一方面，di/dt的提高，有利于獲得更快的系統(tǒng)響應(yīng)速度，提升閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)真正的電壓或電流跟蹤控制，使控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，可靠性大幅提高。與傳統(tǒng)弧電源相比，本發(fā)明的弧電源體積將減少2/3以上，電網(wǎng)容量小于10kVA，控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，電源響應(yīng)速度更快，紋波更小。

另外，本發(fā)明的強(qiáng)流離子源用弧電源在儲(chǔ)能完成后，脈沖工作期間所需的電能由超級(jí)電容提供，電源輸出不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)、頻率漂移、電壓跌落、脈沖干擾等的影響，離子源弧放電更加穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的強(qiáng)流離子源用弧電源的一個(gè)實(shí)施例的主電路拓?fù)涫疽鈭D；

圖2為圖1所示的實(shí)施例中的超級(jí)電容及其充電電路部分的示意圖；

圖3為在正常工作時(shí)圖1所示的實(shí)施例中的弧電源放電回路原理圖；

圖4為在打坑操作開始時(shí)圖1所示的實(shí)施例中的弧電源放電回路原理圖；

圖5為圖1所示的實(shí)施例中的弧電源在1000A假負(fù)載實(shí)驗(yàn)中的電流波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步進(jìn)行說明。

參見附圖1至4，給出了本發(fā)明的強(qiáng)流離子源用弧電源的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例中，采用了一個(gè)不對(duì)稱H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC/DC變換器給離子源輸出端供電，該不對(duì)稱H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括四個(gè)橋臂：第一橋臂和第二橋臂分別和離子源輸出端的正極相連，第三橋臂和第四橋臂分別和離子源輸出端的負(fù)極相連，在第一橋臂上設(shè)置有10個(gè)錯(cuò)相并聯(lián)的BUCK變換器，BUCK變換器包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT0至IGBT10、二極管D1至D10和電抗器L1至L10，其中，二極管D1至D10亦作為第二橋臂上的二極管，即二極管D1至D10為BUCK變換器和第二橋臂共用，在第三橋臂上設(shè)置有絕緣柵雙極型晶體管IGBT0，在第四橋臂上設(shè)置有二極管D0。

其中，如圖3所示，上橋臂中的10個(gè)Buck變換器和IGBT0組成了一個(gè)多相多重復(fù)合斬波器，可以設(shè)定其中每個(gè)Buck變換器的工作頻率為30kHz，相鄰兩個(gè)錯(cuò)相36°并聯(lián)工作，則斬波電路等效工作頻率即為300kHz，這種結(jié)構(gòu)大大提高了電源的工作頻率，而工作頻率的提高大大減小了濾波電感的電感量和體積，使電源獲得了很大的di/dt，進(jìn)而有利于系統(tǒng)獲得極快的響應(yīng)速度，使閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)性能顯著提升。

具體實(shí)施時(shí)，第一橋臂上的BUCK變換器的個(gè)數(shù)可以根據(jù)需要選擇，至少為兩個(gè)，BUCK變換器中的絕緣柵雙極型晶體管、二極管和電抗器的連接方式如圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)公知技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的強(qiáng)流離子源用弧電源的供電單元部分可以采用超級(jí)電容SC供電， 并相應(yīng)的設(shè)置為超級(jí)電容SC充電的充電電路，這種采用超級(jí)電容儲(chǔ)能的方式，在弧電源儲(chǔ)能完成后，脈沖工作期間所需的電能由超級(jí)電容提供，使電源不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)、頻率漂移、電壓跌落、脈沖干擾等的影響，離子源弧放電更加穩(wěn)定。超級(jí)電容SC的充電電路可選擇任何可以完成充電的電路，例如，圖2給出了充電電路的一種具體形式：包括交流電源，交流電源依次經(jīng)高壓隔離變壓器、整流濾波器和恒功率控制的Buck變換器與超級(jí)電容SC相連。

如圖1、圖2所示，以5MW中性束弧電源為例，可以設(shè)置超級(jí)電容SC的充電電路，將220V單相交流電源升壓至250V，對(duì)地120kV高壓隔離，經(jīng)二極管全波整流、電容濾波后給超級(jí)電容充電，可以設(shè)置充電電路中的Buck電路工作頻率為20kHz。

超級(jí)電容的容量可以根據(jù)電路需求計(jì)算得到，下面以5MW中性束弧電源為例進(jìn)行計(jì)算：

5MW中性束弧電源的參數(shù)：最大工作電壓為150V，最大電流為1500A，脈寬為5秒，工作比為5/300。如果選取超級(jí)電容器組耐壓最大值為200V，放電時(shí)最低電壓不低于160V，則超級(jí)電容最小容量C為：

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

式中，C為超級(jí)電容容量，單位法拉；Q為電荷量，單位庫侖；ΔU為一個(gè)脈沖工作周期內(nèi)超級(jí)電容電壓最大變化值，單位伏特；I為弧電源輸出電流，單位安培；T為脈沖工作時(shí)間，單位秒。

電容的形式可以根據(jù)公知常識(shí)選用，例如可以選用3000F/2.7V的超級(jí)電容，80個(gè)串聯(lián)5路并聯(lián)總共400個(gè)單體超級(jí)電容，使儲(chǔ)能單元總耐壓為216V，容量為187.5F；

超級(jí)電容充電時(shí)，可以采用充電初期采用限流充電，后切換為恒功率充電，直至達(dá)到最大儲(chǔ)能電壓的方式，采用這種方式，是因?yàn)殡娫撮_機(jī)至第一次脈沖工作期間，超級(jí)電容需要從0V電壓充電至200V工作電壓。超級(jí)電容電壓較低時(shí)，如果采用恒功率充電，充電電流會(huì)很大，需要限流。以后的脈沖工作期間，超級(jí)電容電壓不低于160V，采用恒功率充電，可以降低電網(wǎng)及變壓器容量。這種充電方式下，可以根據(jù)充電時(shí)間要求計(jì)算得到最小充電功率，

例如，充電時(shí)間為5分鐘時(shí)，采用恒功率充電，最小充電功率為：

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

式中，P為充電功率，單位瓦特；ΔW超級(jí)電容儲(chǔ)能變化量，單位焦耳；其他字母含義跟公式(1)相同。

為提高Buck變換器中IGBT的開關(guān)頻率，減少線路分布電感的影響，在超級(jí)電容SC直流母線上并聯(lián)了若干支撐電容，該制成電容可以是金屬薄膜電容Cd，當(dāng)然也可以選擇其他形式的電容。

下面結(jié)合圖1所示的實(shí)施例，對(duì)采用本發(fā)明的強(qiáng)流離子源用弧電源的工作方式及弧打坑的方法進(jìn)行說明：

中性束輔助加熱實(shí)驗(yàn)開始前，應(yīng)事先設(shè)定弧電流打坑寬度和打坑深度。當(dāng)離子源燈絲溫度達(dá)到設(shè)定值后，弧電源投入工作，電流經(jīng)離子源正極，離子源負(fù)極，IGBT0，電容器組負(fù)極，電容器組正極，IGBT1至IGBT10，電抗器L1至L10，形成弧放電回路1，如圖3所示?；‰娏鹘?jīng)電流傳感器取樣，高速A/D轉(zhuǎn)換后，送弧電源控制電路?？刂齐娐吠ㄟ^改變IGBT1至IGBT10的工作脈寬，可以改變弧電流的大小，弧電源按照系統(tǒng)設(shè)定恒流工作。IGBT0常開，IGBT1至IGBT10交錯(cuò)關(guān)斷期間，由D1至D10中相應(yīng)二極管續(xù)流。

當(dāng)弧電源控制電路收到來自離子源引出高壓(即加速極高壓)投入時(shí)刻或打火時(shí)刻發(fā)出的打坑控制信號(hào)后，向IGBT0至IGBT10發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，所有IGBT同時(shí)關(guān)斷。電路發(fā)生了換路，如圖4所示，電流經(jīng)離子源正極，離子源負(fù)極，D0，電容器組正極，電容器組負(fù)極，續(xù)流二極管D1至D10，電抗器L1至L10，形成弧放電回路2。此時(shí)電抗器L1至L10及線路分布電感中的儲(chǔ)能，小部分消耗于離子源中，大部分被超級(jí)電容器組吸收，因此，弧電流將快速下降?；‰娫纯刂齐娐窓z測(cè)到弧電流下降到設(shè)定的打坑深度(弧流正常值的0～100％)后，向IGBT0至IGBT10發(fā)出開通信號(hào)，所有IGBT同時(shí)開通，重新回到弧放電回路1(圖3)。此時(shí)IGBT1至IGBT10的工作脈寬較正常工作時(shí)窄，使弧電流恒定于正常工作電流的0～100％，即事先設(shè)定的打坑深度處。

當(dāng)弧電源控制電路收到打坑結(jié)束信號(hào)后，各Buck變換器中的IGBT處于全導(dǎo)通狀態(tài)，占空比接近100％，弧電流快速上升。負(fù)載電流接近設(shè)定的工作電流時(shí)，控制器開始減小IGBT1～I(xiàn)GBT10的工作占空比，電感電流上升減緩，以減小負(fù) 載電流過沖。此后，各Buck變換器處于恒流工作狀態(tài)，控制器根據(jù)電流傳感器采樣數(shù)據(jù)和設(shè)定的負(fù)載工作電流計(jì)算IGBT占空比，產(chǎn)生PWM波形，驅(qū)動(dòng)IGBT1～I(xiàn)GBT10。IGBT1～I(xiàn)GBT10的工作脈寬恢復(fù)到正常工作值，回到正常工作值，一次弧電流打坑完成。

下面以圖中所示的實(shí)施例為例，對(duì)本發(fā)明的弧電源的打坑過程中電流的上升、下降時(shí)間進(jìn)行計(jì)算：

設(shè)各Buck變換器中電感均為30μH，弧電源至離子源間電纜總長度約20m，分布電感約10μH。在電流上升階段，各Buck變換器中的IGBT處于全導(dǎo)通狀態(tài)，占空比接近100％，L1～L10的并聯(lián)等效電感約為3μH。

由電感電流上升時(shí)間表達(dá)式：

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

式中ΔU為電感電壓變化量；L為交錯(cuò)并聯(lián)Buck電路等效電感值加線路分布電感值，單位亨利；ΔI為電感電流變化量，Δt為電流上升時(shí)間，單位微秒。

其中：L＝10+3＝13μH，ΔI＝1500×(90％-10％)＝1200A，等離子體等效電阻約0.1Ω，平均ΔU＝[(220-0)+(220-135)]/2＝152.5V。由式(3)可以計(jì)算出電流上升時(shí)間Δt＝102μS。

負(fù)載電流接近設(shè)定的工作電流時(shí)，控制器開始減小IGBT1～I(xiàn)GBT10的工作占空比，電感電流上升減緩，以減小負(fù)載電流過沖。此后，各Buck變換器處于恒流工作狀態(tài)，控制器根據(jù)電流傳感器采樣數(shù)據(jù)和設(shè)定的負(fù)載工作電流計(jì)算IGBT占空比，產(chǎn)生PWM波形，驅(qū)動(dòng)IGBT1～I(xiàn)GBT10。

在電源關(guān)斷或進(jìn)行弧電流深度打坑時(shí)，由DSP控制關(guān)斷IGBT1至IGBT10，如果不采用本發(fā)明的H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即采用錯(cuò)相并聯(lián)Buck電路，同時(shí)不在第三橋臂設(shè)置IGBT0，也不在第四橋臂設(shè)置二極管D0，則此時(shí)電感L1至L10中的電流通過離子源、二極管D1至D10形成續(xù)流回路，此時(shí)，電路可等效為一個(gè)一階RL電路。一階RL電路零輸入響應(yīng)的電流表達(dá)式：

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

式中，I₀為打坑開始時(shí)的初始輸出電流，R為離子源等效電阻，單位歐姆；L為交錯(cuò)并聯(lián)Buck電路等效電感值加線路分布電感值。

由(4)式可以看出，電流按照指數(shù)規(guī)律衰減90％需要約2.3τ，由于離子源等效電阻值很小(約0.1Ω)，時(shí)間常數(shù)τ較大(約130μS)，不能滿足離子源對(duì)弧電流下降時(shí)間的要求，弧電源需要采取其它措施使弧電流更加快速地下降。

經(jīng)過反復(fù)研究，發(fā)明人設(shè)計(jì)了本發(fā)明采用的H橋拓?fù)浣Y(jié)果，這種結(jié)構(gòu)下，可以實(shí)現(xiàn)如下操作：在電源關(guān)斷或進(jìn)行弧電流深度打坑時(shí)，在DSP控制關(guān)斷各Buck變換器中的IGBT0至IGBT10時(shí)，同時(shí)也關(guān)斷IGBT0，電抗器L1至L10及線路分布電感與離子源、二極管D0，超級(jí)電容、續(xù)流二極管D1至D10形成RLC串聯(lián)回路(如圖4所示)。超級(jí)電容等效為理想直流電源(220V)，弧電流初始值為1500A，則回路電流表達(dá)式為：

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

弧電流下降時(shí)間為：Δt＝0.6τ＝78μS。

通過使用這種電感能量回饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流的快速降快，從而不需要電流轉(zhuǎn)移電路，且電流打坑深度0～100％連續(xù)可調(diào)，電流打坑寬度不再受時(shí)間限制。

圖5為給出的本發(fā)明的強(qiáng)流離子源用弧電源按照實(shí)際參數(shù)做出的樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形，該圖為5MW中性束弧電源1000A假負(fù)載實(shí)驗(yàn)電流波形，其中設(shè)置了2次電流打坑，深度為80％，使用LEM公司的LF2005-S傳感器測(cè)量，2000A對(duì)應(yīng)的取樣電壓為8.28V。由波形圖可以看出，負(fù)載電流穩(wěn)定性好，電流上升時(shí)間約為93μs，說明超級(jí)電容儲(chǔ)能陣列具有很大的電流輸出能力。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：弧電源最大輸出為220kW/1500A，電流紋波小于1％，電流上升時(shí)間約100μS，電流下降時(shí)間約80μS，最大超調(diào)量小于3％，弧電源可以滿足5MW中性束離子源要求。