EAST-NBI抑制極電源IGBT串聯(lián)技術(shù)的研究

張亞兵 劉智民 蔣才超 劉 勝 陳世勇 潘軍軍 胡純棟

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）2（中國科學技術(shù)大學 合肥 230026）

EAST-NBI抑制極電源IGBT串聯(lián)技術(shù)的研究

張亞兵1,2劉智民1,2蔣才超1劉 勝1陳世勇1潘軍軍1胡純棟1

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）2（中國科學技術(shù)大學 合肥 230026）

中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)是東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)核聚變實驗裝置輔助加熱的重要組成部分。目前NBI離子源引出系統(tǒng)采用四電極結(jié)構(gòu)，即加速電極、梯度電極、抑制電極和地電極。抑制極電源是為其中的抑制電極提供負電位的高壓直流電源。根據(jù)抑制極電源輸出特性的要求，輸出端采用串聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)作為調(diào)制開關(guān)。為研究IGBT串聯(lián)技術(shù)對均壓效果和抑制極電源輸出特性的影響，采用PSpice軟件對IGBT開關(guān)進行了建模，并進行了不同電路參數(shù)下的仿真。仿真表明：一定條件下，電阻電容二極管(Resistance Capacitance Diode, RCD)緩沖電路中電容參數(shù)對動態(tài)均壓效果和電源關(guān)斷特性具有決定性影響，緩沖電阻影響電容的放電時間及放電電流峰值。最后給出了相應的實驗測試結(jié)果。該研究結(jié)果可以明確緩沖電路參數(shù)與均壓效果以及抑制極電源開關(guān)特性之間的定量關(guān)系，為抑制極電源開關(guān)特性的進一步優(yōu)化及其與加速極電源的特性匹配提供數(shù)據(jù)指導，對于NBI離子源的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

抑制極電源，絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)，PSpice，電阻電容二極管，均壓

中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)是東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)輔助加熱和電流驅(qū)動的重要組成部分[1-4]。抑制電極是EAST-NBI離子源引出系統(tǒng)四電極之一[4]，其作用是在束引出時，與其它電極形成良好的束光學特性，獲得近似平行的引出離子束；同時抑制反向電子進入加速區(qū)，避免轟擊離子源柵電極和弧室，有利于離子源安全穩(wěn)定運行[5-7]。抑制電極由高壓直流電源提供負電位，NBI系統(tǒng)運行時，要求抑制極電源能夠快速開通和關(guān)斷輸出高電壓，因此需要快速高壓開關(guān)。

絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)具有阻斷電壓高、承受電流大、通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點[8]，抑制極電源輸出端采用串聯(lián)IGBT作為調(diào)制開關(guān)。串聯(lián)IGBT開關(guān)的均壓電路采用電阻電容二極管(Resistance Capacitance Diode, RCD)緩沖電路[9]，其參數(shù)一般根據(jù)吸收浪涌電壓的能力計算得到，但是參數(shù)值對特定條件下串聯(lián)IGBT的均壓效果和電源輸出特性的影響，較難準確理論計算。本文采用PSpice軟件，對串聯(lián)IGBT開關(guān)部分進行了建模和仿真，結(jié)合仿真結(jié)果分析了RCD緩沖電路對均壓效果和抑制極電源輸出特性的影響。實驗測試結(jié)果表明，仿真模型具有較好的準確性，同時驗證了相應的結(jié)論。

1 EAST-NBI抑制極電源

1.1 抑制極電源結(jié)構(gòu)

根據(jù)EAST-NBI運行要求，抑制極電源主要設(shè)計指標為：輸出最大電壓-5 kV DC，最大電流30 A，電壓穩(wěn)定度3%，上升時間≤5 μs，下降時間≤35 μs，電壓隔離度10 kV DC，穩(wěn)態(tài)運行。抑制極電源主回路電源進線為380 V AC/50 Hz，經(jīng)斷路器、熔斷器后接三相晶閘管調(diào)壓裝置，然后經(jīng)兩組變壓器接12脈波整流電路，最后經(jīng)濾波電路和串聯(lián)IGBT開關(guān)輸出。抑制極電源主回路如圖1所示。

圖1 抑制極電源主回路Fig.1 Main circuit of suppressor grid power supply.

1.2 串聯(lián)IGBT開關(guān)

NBI正常運行時，引出系統(tǒng)中各電極處于高真空環(huán)境，其中抑制電極(Suppressor Grid)和梯度電極(Gradient Grid)距離約7 mm。在離子束引出時刻，兩電極上的電壓分別為-1.4 - -1.7 kV和55-65 kV，由于兩電極間的絕緣強度受多種因素影響，兩電極間會出現(xiàn)打火現(xiàn)象。打火時，抑制極電源電流峰值超出正常值30倍以上，輸出端電壓也由負變正，所以抑制極電源容量很大，并需要快速保護。同時在NBI正常運行過程中，在離子束引出時刻，需要抑制極電源與等離子體電極電源匹配同步的上升沿和下降沿[5]。

基于以上要求，并考慮到單管IGBT耐壓值的限制，在抑制極電源輸出端設(shè)計了串聯(lián)IGBT開關(guān)，如圖2所示。

根據(jù)抑制極電源開關(guān)頻率不高（通常工作在1-100 Hz）的特點，均壓電路采用靜態(tài)均壓電阻結(jié)合RCD充放電型緩沖電路的方案。如圖2所示，VT1-VT6為6個IGBT模塊，R1-R6為靜態(tài)均壓電阻，C1-C6為緩沖電容，R11-R16為緩沖電阻，D1-D6為緩沖電路二極管。另外，R21-R26 為IGBT柵極驅(qū)動電阻，主要用于控制驅(qū)動電壓的前后沿陡度；R31-R36和V1-V6分別為柵極保護電阻和柵電壓鉗位二極管，用于柵極過壓的保護。此方案結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，可以通過參數(shù)的調(diào)整，在電壓過沖程度和電源快速響應特性之間做平衡選擇。

圖2 串聯(lián)IGBT開關(guān)Fig.2 Switch of series connected IGBTs.

2 仿真模型

本文根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊，利用PSpice軟件中Model Editor對相應型號的IGBT進行了模型參數(shù)的提取和優(yōu)化，得到了IGBT的近似模型。為得到電路仿真模型，根據(jù)目前抑制極電源原理和參數(shù)做了如下簡化與假設(shè)：

1) 串聯(lián)IGBT開關(guān)的前級電路簡化為5 kV直流電源；

2) 抑制極電源正常運行過程中的負載等效為800 Ω電阻；

3) 不考慮均壓電路寄生電感；

4) IGBT驅(qū)動信號假設(shè)為±15 V梯形波，上升沿和下降沿時間均為1 μs；

5) 忽略IGBT的溫度效應。

電路仿真模型如圖3所示。其中，Z1-Z6為6只串聯(lián)的IGBT，V1-V6為IGBT驅(qū)動信號，電源電壓Vin=5 kV，負載Rout=800 Ω，限流電感L1=3 mH，D13、R13組成 L1續(xù)流回路，雜散電感L2=0.4 mH。

均壓電路中靜態(tài)均壓電阻Rd、緩沖電容Cs、緩沖電阻Rs的初始值，由以下公式進行估算[10]：

式中：n是IGBT串聯(lián)個數(shù)；Roff是IGBT漏電阻；Vce-max是IGBT集射極間最大電壓；Icm是IGBT最大集電極脈沖電流；LS、Io是電路母線電感和電流；ΔU是總電壓過沖量；fT是器件開關(guān)頻率。

由于限流電感產(chǎn)生的電壓過沖量主要經(jīng)其續(xù)流回路消耗，故LS取值為雜散電感值0.4 mH；總電壓過沖量取值為電源電壓的20%，即ΔU=1 kV。由以上計算知，緩沖電路參數(shù)可取如下值：Rd=50 kΩ，CS=87 nF，RS=50 Ω。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 緩沖電容的影響

仿真中設(shè)置Z1的驅(qū)動信號比Z2-Z6提前500ns，周期500 μs，占空比0.5，Rd=50 kΩ，RS=50Ω。故考察均壓效果時，著重對比Z1和Z2兩端電壓。表1給出了以上條件下，不同緩沖電容值CS對應的電源開通時間ton、關(guān)斷時間toff、關(guān)斷時Z1兩端電壓VZ1以及對應時刻Z2兩端電壓VZ2。

表1 不同緩沖電容值對應的電源開通/關(guān)斷時間及Z1/Z2兩端電壓Table 1 On/off time of power supply and voltage of Z1/Z2 at different CS.

由表1可知，CS對電源輸出開通時間影響很小，對關(guān)斷時間影響較大。這是因為開通時，CS通過RS放電，當RS取值較小時，CS取值在一定范圍內(nèi)均可以實現(xiàn)快速放電，故其放電過程對開通過程影響很小。關(guān)斷時，CS通過二極管充電，但是充電電流峰值受母線電流限制，充電過程較長，且CS取值影響充電時間，故CS改變了IGBT端電壓上升時間，從而對電源輸出關(guān)斷時間影響較大。

同時可以看出，CS取值越大，關(guān)斷時Z1、Z2兩端的電壓越接近，即電壓不均衡度越小。這是因為關(guān)斷時CS對Z1兩端的過電壓起到了緩沖作用，且CS越大均壓效果越好。

圖4給出了Rd=50 kΩ、RS=50 Ω、CS=150 nF時，C1的電流IC1，Z1、Z2兩端電壓VZ1、VZ2及負載兩端電壓outRV的波形。

圖4 Rd=50 kΩ、RS=50 Ω、CS=150 nF時，C1的充電電流波形(a)，Z1、Z2兩端電壓波形(b)和電源電壓波形(c)Fig.4 Current wave of C1 (a), voltage wave of Z1, Z2 (b) and voltage wave of power supply (c) at Rd=50 kΩ, RS=50 Ω, CS=150 nF.

考察仿真結(jié)果可知，IGBT開通時電容放電電流峰值17 A，關(guān)斷時充電電流峰值6 A。電源輸出-2 kV的開通關(guān)斷時間分別為ton=2 μs，toff=45 μs，電源輸出-800 V的開通關(guān)斷時間分別為ton＜2 μs，toff=30 μs。同時可以看出，先關(guān)斷的Z1無明顯過電壓現(xiàn)象，串聯(lián)IGBT間的均壓效果較好。以上參數(shù)可以基本滿足抑制極電源開關(guān)特性和串聯(lián)IGBT均壓的要求，是較為理想的參數(shù)。

另外，由圖4看出，在IGBT關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時仍存在靜態(tài)不均壓現(xiàn)象。主要原因是IGBT兩端的電壓在一定程度上被不同充電電壓的緩沖電容鉗位[10]，而由于緩沖電容泄放回路中靜態(tài)均壓電阻取值很大，其兩端電壓的重新分配即實現(xiàn)靜態(tài)均壓需要較長時間。

3.2 緩沖電阻的影響

表2給出了Rd=50 kΩ、CS=150 nF時，不同緩沖電阻值RS對應的緩沖電容充電和放電時間tch、tdisch，以及充電和放電電流峰值Ich、Idisch。

表2 不同緩沖電阻值對應的電容充放電參數(shù)Table 2 Charge and discharge parameters of capacitance at different RS.

由表2可知，緩沖電阻只影響緩沖電容的放電過程，緩沖電阻越小，放電時間越短，放電電流峰值越大。如緩沖電阻為5 Ω時，電容放電電流峰值達到150 A。因此在緩沖電容放電時間滿足要求時，緩沖電阻可取較大值，避免電容放電電流過大對IGBT造成損壞。

4 結(jié)果與分析

為考察緩沖電容參數(shù)對均壓電路作用的影響并與仿真結(jié)果進行對比，在EAST-NBI抑制極電源測試平臺上進行了測試。串聯(lián)IGBT開關(guān)采用6只英飛凌FF200R17KE3型號IGBT，驅(qū)動器為2SD315A集成驅(qū)動電路。測試中設(shè)置緩沖電容分別為75 nF、150 nF和330 nF，靜態(tài)均壓電阻Rd為50 kΩ，緩沖電阻RS為50 Ω，電源負載為833 Ω，測試電壓為800 V，其他條件與上述仿真條件基本相同。圖5給出了串聯(lián)IGBT開關(guān)關(guān)斷時其中兩只IGBT單管和電源負載的實驗測試結(jié)果。

由圖5可知，隨著緩沖電容的增大，串聯(lián)IGBT的均壓效果越好，但IGBT關(guān)斷時間越長，降低了串聯(lián)IGBT開關(guān)的快速性。當緩沖電容為150 nF時（圖5(b)），串聯(lián)的IGBT無關(guān)斷過電壓現(xiàn)象，動態(tài)不均壓程度約15%，關(guān)斷時間約30 μs，實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好。另外，實驗測試結(jié)果相比同條件下的仿真結(jié)果，動態(tài)不均壓程度略大，主要是由于實驗中各個IGBT自身參數(shù)的不一致造成的，因此實際應用中應選擇同型號同批次器件。

圖5 緩沖電容為75 nF (a)、150 nF (b)和330 nF (c)時，Z1、Z2兩端電壓及電源電壓測試波形Fig.5 Voltage wave of Z1, Z2 and power supply when snubber capacitance is 75 nF (a),150 nF (b) and 330 nF (c).

5 結(jié)語

在負載確定的條件下，抑制極電源的開關(guān)特性主要由串聯(lián)IGBT開關(guān)決定。RCD緩沖電路的應用，間接改變了器件的開關(guān)特性，對均壓效果和電源的輸出特性具有重要影響。其中緩沖電容的參數(shù)選擇尤為重要。緩沖電容取值較大時，有利于實現(xiàn)更好的均壓效果，但會極大影響電源關(guān)斷速度；取值較小時有利于提高電源開關(guān)速度，但是會削弱均壓效果，甚至在IGBT兩端產(chǎn)生電壓振蕩，造成動態(tài)不穩(wěn)定。緩沖電阻的取值較小時，有利于緩沖電容的快速放電；但是過小，會使緩沖電容放電電流過大，對開通過程中的IGBT造成危害。

本文結(jié)合PSpice仿真軟件，根據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)建模，給出了上述參數(shù)的定量關(guān)系。實驗測試結(jié)果驗證了仿真模型以及相關(guān)結(jié)論的正確性。以上結(jié)果，對于關(guān)鍵參數(shù)在均壓效果和電源開關(guān)特性之間做平衡選擇具有重要指導意義，也為抑制極電源與加速極電源前后沿匹配的進一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，對于NBI離子源的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

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Research on the technology of series-connected IGBTs in EAST-NBI suppressor grid power supply

ZHANG Yabing1,2LIU Zhimin1,2JIANG Caichao1LIU Sheng1CHEN Shiyong1PAN Junjun1HU Chundong1

1(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) 2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: Neutral beam injector (NBI) is one of the important parts of experimental advanced superconducting tokamak (EAST) for auxiliary heating. Four grids structure, including accelerator grid, gradient grid, suppressor grid and ground grid, is adopted in extraction system of NBI ion source. The suppressor grid power supply is high voltage DC power supply to offer negative potential to suppressor grid. To meet the requirements of output characteristics of suppressor grid power supply, series-connected insulated gate bipolar transistor (IGBT) is used as modulation switch in output port. Purpose: This work aims to research the influence of the technology of series-connected IGBTs to voltage balancing effect and output characteristics of suppressor grid power supply. Methods: In this paper, IGBT switch is modeled and simulated at different parameters with PSpice software. Results:The simulation results show that, under certain conditions, the value of capacitance in resistance capacitance diode (RCD) snubber circuit has a crucial influence on the effect of dynamic voltage balancing and the turn-off characteristics of power supply, and the value of resistance determines the discharge time and the peak discharge current of capacitance. Finally, the corresponding test result is presented. Conclusion: This research can identify the quantitative relationship between parameters of snubber circuit and effect of voltage balancing, as well as output characteristics of suppressor grid power supply. So that, it can guide the optimization of suppressor grid power supply with simulation data, which is meaningful for the security and stability of NBI ion source operation.

ZHANG Yabing, male, born in 1992, graduated from Anhui University of Science and Technology in 2014, master student, focusing on

JIANG Caichao, E-mail: jcch@ipp.ac.cn

date: 2017-01-11, accepted date: 2017-05-08

Suppressor grid power supply, Series connected IGBTs, PSpice, RCD, Voltage balancing

TL67，TL62，TM89

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.070402

中國科學院等離子體物理研究所所長基金(No.DSJJ-15-GC03)資助

張亞兵，男，1992年出生，2014年畢業(yè)于安徽理工大學，現(xiàn)為碩士研究生，研究方向為變流電源及控制技術(shù)

蔣才超，E-mail: jcch@ipp.ac.cn

2017-01-11，

2017-05-08

Supported by Foundation of Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences (No.DSJJ-15-GC03)

converter power and its control technology