高压电源论文：高压电源的研制与运用透析

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作者：王雅丽 毛晓惠 王英翘 李青 姚列英 单位：核工业西南物理研究院

高低电位隔离信号的测量在放电实验过程中，有许多测量点处于高电位，又因电源系统输出工作的地电位通过负载端一点接地，接地端离电源系统较远，这会产生一定的地电位，高压电源系统处于浮电位上。测量信号同样处于悬浮电位上，当 电位隔离措施采取不当时，会造安全隐患。因此，所有测量信号须采取有效的高低电位隔离措施，与数据采集系统隔离，使系统更加安全可靠。现有主回路的电压和电流信号采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，已具备高低电位隔离的功能，因此不需另外考虑。控制时序电平信号、高电位的信号（例如调制器输出电压）都采用光纤隔离技术，其中模拟信号采用了V／F－光纤传输－F／V技术，原理结构如。是测试这种方式性能的图形，通过测试结果可以看出，这种传输方式线性度好，对温度不敏感，抗干扰能力强，响应时间比较快［2］。　脉冲高压测量用分压器的设计高压脉冲电源的实时、准确测量是一个非常关键的问题，高电位上输出地电压信号的获取一般采用分压器，而分压器是脉冲高压测量的第一级组成部分，这要求分压器具有良好的响应特性和稳定性。分压器原理简单，可分为电阻分压器、电容分压器、阻容分压器3种。由于该装置高压脉冲电源自身的工作特点，与一般冲击波电压、雷电波电压不同，分压器阻值选择既不能像直流测量选择偏大，流过分压器的电流比较小（0．5～1mA），也不能像冲击波电源电压测量选的偏小（10～20kΩ）。

这些杂散参数用集中参数考虑，根据电路理论最终推导出阶跃响应时间（式略）式中：R为分压器总电阻；R1为高压臂电阻；R2为低压臂电阻；L1为高压臂电感；L2为低压臂电感；C为分压器总的对地分布电容，如果忽略杂散电感的影响，则有T ≈RC／6［3－4］。通过式（1）可以看出杂散电容和杂散电感对阶跃响应时间的影响是相互独立的。由上述分析可知，对地分布电容Cg和杂散电感Lg是影响分压器响应时间的重要参数，杂散电感也包括电阻本身的电感。当加上高压时，就有电流流过这些电容，电容起到了分流作用，流过电容的电流大小与电压频率，电容容量都有关。频率越高，容抗就越小，从电容中流过的电流就越多。同理，电容越大，电容的分流作用也就越强。测量电压波形的上升时间比实际的要大。减少分压器的总阻值和对地杂散电容可以减少阶跃响应时间的电容项，这也是脉冲电阻分压器的电阻值不能过高的原因。但考虑高压绝缘和功率热效应，尤其是所测电源工作时间较长时，电阻值也不能过低。对地杂散电容取决于分压器的尺寸，在耐压范围内，尽量缩小尺寸是减少杂散电容的主要途径，为了提高耐压，必要时只能把分压器放在耐电强度较高的介质中。为了尽可能消除杂散电感对响应时间的影响，需要尽可能降低高压臂电感，必要时还可以增大低压臂电感来改善分压器的响应时间［5－8］。在实际设计中，Lg的选择应满足Lg／（R1＋R2）＜tr／20，Cg应满足式0．23Cg（R1＋R2）＜tr，其中tr为待测电压脉冲的上升时间，只要电源特性允许，分压器的阻值尽可能小。对比现有电阻的特性，最终选用玻璃釉膜电阻。RI－80型玻璃釉膜电阻，采用钉系金属玻璃釉膜做电阻膜，银钮合金做电极，该电阻高频特性好，可靠性高，耐湿耐温，功率大，体积比较小。在电阻的选择上同时考虑了电阻温度系数、耐压性能，绝缘、屏蔽和匹配等问题。杂散电容除通过试验确定外，通常用圆柱体计算，与分压器高度h有关，估算关系为C＝（10～15）h，式中h的单位为m。250kΩ分压器中C约为10pF，响应时间是0．4μs。为了标定所研制分压器的响应误差，本文将其测得波形与泰克高压探头（P6015A，分压比为1　000∶1）所测得波形进行了对比，观察其响应特性。图5是分压器标定波形结果对比图，其中，通道CH1为负载电流信号；CH2为P6015A测得脉冲电压信号；CH3为250kΩ分压器测得脉冲高压信号。（b）中CH1为负载电流信号；CH2为250kΩ分压器测得脉冲高压信号。用玻璃釉膜电阻制作的分压器和P6015A测试的波形吻合的比较好，并且在（b）中设计参数（250kΩ）的分压器和电流波形的上升暂态过程一致，满足电阻负载特性（标定条件是电阻负载）。

由于固态调制器开通过程中存在一定振荡，电压、电流波形上都有振荡，且趋势一致，满足电阻性负载特点。由此可知该电阻分压器能满足HL－2A装置脉冲高压电源系统响应下的测量要求，适合该高压电源系统的实际工况，并且测得波形具有比较高的保真度。但是对高频脉冲高压而言不但要求响应速度快，还要求高频特性好，不会使高频分量发生畸变，为此通过PSM高压电源对250kΩ分压器做了高频高压标定，PSM电源单元输出有效频率为140kHz，电压为25kV。（c）是标定高频高压特性波形图，其中通道CH2为P6015A测得高频电压信号；CH1为250kΩ分压器测得高频电压信号；图中可以看出，该分压器能真实的反映高频高压上升暂态过程，具有高频传输特性好的特点［9－10］。2．3　高电位隔离反馈控制信号的处理传统的电源反馈控制系统中，一般是模拟信号通过A／D采样转换后，再经过工控机计算处理调整参数。考虑到高压端的信号通过V／F－光纤传输－F／V传输后再经过A／D转换，线路复杂，转换环节多，制约了反馈控制系统的速度，因此设计了利用V／F转换电路，并且配合计数器电路，实现了数据采集及转换的功能。反馈系统需要的电源输出电压经V－F转换后的频率信号被输入至TMS320F2812型数字信号处理（DSP）芯片，计算出频率信号，再根据频率计算得到对应的电压值，从而实现了高速的A／D。　实验波形HL－2A放电实验时，在等离子体产生后，ECRH系统注入主机，基于星点控制技术的高压电源的关键工作点的波形。图中各波形分别为一个大功率调制器输出电压、电流及高压平台电压、电流。通过该图可以看出，电源的输出电压信号波形清晰、准确，能够正确反映电源的工作状态，为电源分析提供可靠的依据。在图中当调制器关断时高压平台有过冲现象，主要是由于滤波电感的特性造成的，当调制器关断时，负载电流急剧减小，而滤波电感中电流由于自身特性不能迅速减小，这部分电流将继续对滤波电容充电，从而使高压输出出现过冲［11－12］。三套高压电源测量系统在HL－2A装置实验中投入使用，测量波形反映了电源的供电情况及随时间的变化，并且为电源反馈控制系统及故障保护环节提供了可靠的信号，为分析和提高辅助加热系统的质量提供了可靠的保障。根据现有电源系统的运行特性，本文用集中参数元件的形式建立脉冲分压器模型，包括杂散电感、分布电容，得出比较直观的阶跃响应时间的计算公式，对如何降低响应时间提供了参考。该分压器能够应用于输出有效频率很高的基于PSM技术高压脉冲电源的测量，准确测量电压波形，进一步说明该分压器不但响应时间比较快，抗噪能力比较强，同时其高频特性较好，这都为现有高压脉冲电源的特性分析及反馈应用提供了更坚实的基础。设计的分压器，对长脉冲高压电源的测量有一定的借鉴意义，具有比较广泛的应用价值。确保可以进一步提高反馈控制系统的速度。随着高压电源性能不断的提高，对测量系统提出了更高的要求。在高频高压环境下，无论是测量系统响应时间还是电磁兼容都要不断提高，才能满足电源系统对测量的要求。这也是该测量系统下一步需要改进完善之处。