基于PSM技术的固态大功率脉冲直流电源

【摘 要】为探索大功率脉冲高压电源设计的新方法，提出将脉阶调制技术应用于大功率直流脉冲电源中。本文首先介绍了脉阶调制技术的原理以及控制和保护策略。最后，讨论了基于脉阶调制技术的200kW多收集极行波管电源的设计方案。与传统的电源方案相比较，基于脉阶调制技术的电源具有高可靠性、高效率等优点。

【关键词】脉阶调制；脉冲直流电源；加速极；降压收集极行波管

1 引言

脉阶调制（PSM）技术是瑞士BBC（Brown Boveri）公司于1983年首先提出并发展的，最初的目的是应用于大功率广播发射机中以替换传统的乙类真空管调制器。采用开关模式的调制方式代替了真空管线性调制方式，广播发射机的效率得以大幅提高。

近年来，随着各种新的电力电子器件和控制技术的发展，IGBTs、DSP控制以及其它新器件新技术已经广泛应用于PSM技术中，PSM调制器的指标更优化，也因此在更多的领域中得以应用，尤其是大功率直流脉冲电源的设计中。

2 PSM技术

PSM技术的一个显著特点是把主整电压化整为零，即把主整高压分成若干个低压输出的电源模块。这些电源模块相串联，电源的输出电压取决于投入的模块数。这样，可根据需要增减模块串联数，而形成脉冲阶梯波形。

PSM的电路拓扑结构如图1所示。

图1 PSM拓扑结构

该电路由若干相同的直流电源模块串联而成，每个电源模块包括一个直流电源VDC，开关S和一个旁路二极管D。开关S断开的电源模块由二极管旁路，为电流提供通道，任一模块的开断都不影响电源的输出。

开关S的断开和闭合对应模块输出电压的两个状态。

Voff=-VD VD：旁路二极管的导通压降

Von=VDC-VS VS：开关S的导通压降

若PSM电源由N个电源模块串联，其中n个模块导通。则PSM电源的输出电压

Vout=n（VDC-VS）-（N-n）VD

如果忽略二极管和开关S的导通压降，则对应有

Voff=0 Von=VDCS Vout=n・VDC

任何时刻电源的输出电压取决于投入的模块数。在理想情况下，通过控制电源模块投入的数量就可以实现输出电压从0-n・VDC的阶梯变化。

3 调制和保护原理

当PSM电源的输出是一个直流脉冲电压时，PSM电路的作用是通过增减投入的电源模块数来补偿由于负载变化和母线电压波动带来的输出电压波动，提供一个恒定的脉冲电压输出。电源电压调节原理见图2。

图2 电压调节原理

由主控制系统构建的快保护和内置控制构建的慢保护组成了电源的保护电路。内置控制实现逻辑控制，状态监控及过压欠压等慢保护。电源过流时，由主控来的保护信号直接驱动关断所有开关，实现快保护。

4 基于PSM技术的大功率脉冲电源

在行波管（TWT）发射机中，采用多降压收集极，可以减少回流，提高收集极效率，这样行波管的总效率也得以提高。每个收集极置于不同电位。如前所述，PSM电源的特点比较适合用于多收集极行波管，特别是大功率行波管。多收集极行波管电源原理图如图3所示。

图3 多收集极行波管电源原理图

很明显，利用PSM技术，只要将不同电位的收集极联结到相应电位的直流电源模块上，就可以很方便的实现多收集极降压电源，图中行波管的三个降压收集极分别与不同电位的电源模块相联。在电源模块的操作中，要注意每个收集极电流应正确分配，这一点通过程序控制不难实现。

一种大功率两收集极行波管，峰值功率200kW，占空比1%，阴极电压-50kV（对地），第一收集极35kV（对阴极），第二收集极18kV（对阴极）。电源可由80个模块组成，单个模块设计输出为700V，全部模块投入时，输出电压56 kV，提供了10%的冗余。在没有附加PWM调制时，电压精度可以达到0.7%。如果附加PWM调制，电压精度可以达到0.1%。

在700V电压等级上，各种原器件的选择比较容易，型号较多，并且价格也比较合理。由于电源功率耗散小，使用强迫风冷就足够了。

5 结论

PSM技术的诞生为一些特殊的大功率高压电源的设计带来了根本的变化，具有高可靠性、高冗余度、高效率、打火时进入弧道的能量小等特点。模块化结构使得设计和维护更加方便灵活，与传统的电源方案相比较，具有较大优势。并且，随着固态开关器件的发展，PSM技术必将应用于更广泛的领域。

参考文献

[1]李序葆，赵永健.电力电子器件及其应用（第一版）[M].北京：机械工业出版社.2003.

[2]黄俊，王兆安.电力电子变流技术（第三版）[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3]王一农，杜世俊，刘小宁等.EAST中性束注入器加速极电源设计[J].合肥工业大学学报， 2005（10）.

作者简介：

王一农（1975-），男，安徽合肥人，硕士，现为中国电科38所高级工程师。主要从事雷达发射机的研究和开发。