大功率四極管調(diào)制器的特性分析及控制研究

　　1 引言

　　目前國內(nèi)外研究磁約束核聚變的Tokamak裝置中，需要多種大功率二級加熱方式對等離子體進行加熱，而二級加熱系統(tǒng)都需要高品質(zhì)的高壓脈沖直流電源為其供電。這些加熱設(shè)備要求高壓電源具有快速的調(diào)節(jié)能力，并且在平頂段有很高的穩(wěn)定度，在負載發(fā)生故障時能迅速切斷高壓電源。

　　大功率四極管調(diào)制器是一種高壓可控電子管，因此，為滿足加熱系統(tǒng)對高壓電源的特殊要求，國外很多裝置上都采用大功率四級管作為高壓直流電源的最后一級調(diào)節(jié)輸出。調(diào)制器作為高壓電源的關(guān)鍵部件，對其進行合理的建模并制定合適的控制策略，直接關(guān)系到高壓直流電源的輸出品質(zhì)。本文分析了中國環(huán)流器2A裝置(HL-2A)中輔助加熱設(shè)備上使用的TM-703FB型四極管調(diào)制器，根據(jù)其恒流特性曲線，有效的擬合并建立了四極管調(diào)制器的數(shù)學函數(shù)模型，通過對此模型的仿真提出了一種調(diào)制器的PI控制策略。

　　2 TM-703FB型四極管調(diào)制器介紹

　　調(diào)制器的四極分別為陰極、陽極、一柵和簾柵。其中簾柵一般作為抑制極，主要作用是減小一柵與陽極、陰極的耦合作用。圖1為四極管結(jié)構(gòu)示意圖。

　　陰極實際上就是四極管的燈絲，當燈絲被加熱到足夠溫度時，陰極就可以發(fā)射足夠量的電子，以保證管內(nèi)電流流通。TM-703FB型四極管采用的是釷鎢陰極燈絲，燈絲電壓要求為交流10V，燈絲電流為300A。

　　陽極的作用主要是建立必要的管內(nèi)電場，接收陰極發(fā)射出來的電子，形成陽極電流使四極管導通，并傳導電子轟擊陽極產(chǎn)生的熱量和其他輻射熱量。

　　一柵的主要作用是通過電壓對陰極表面電場產(chǎn)生有效的均勻的控制作用。柵極電壓改變時，陽極電流會隨之變化?？梢钥闯?，四極管的輸出是通過調(diào)節(jié)一柵電壓，進而改變陽極電流來調(diào)節(jié)的。

　　圖1 四極管示意圖

　　3 四極管恒流曲線分析及建模

　　3.1 恒流曲線分析

　　圖2是TM-703FB恒流曲線圖(二柵電壓固定為+1500V)。圖中陽極電壓VAK為四極管電流回路的電壓降?？梢钥吹?，當四極管電流(也即四極管陽極電流)值恒定時，四極管的陽極電壓和一柵電壓在一柵電壓為負值的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)近似的線性。具體到HL-2A裝置的輔助加熱設(shè)備的應(yīng)用中，四極管的預計調(diào)節(jié)區(qū)間即處于恒流曲線中的線性區(qū)域。因此，可以針對這個線性區(qū)域，對四極管的一柵控制電壓、陽極電流、陽極電壓降間的關(guān)系進行。

　　圖2 TM-703FB型四極管恒流曲線圖

　　合適的曲線擬合，建立合理的輸出函數(shù)。

　　3.2 四極管輸出函數(shù)的建模

　　在圖2的恒流曲線圖中，每條曲線表示在特定陽極電流的條件下，一柵電壓和陽極電壓降的關(guān)系。對曲線做線性處理，得到一柵電壓與陽極電壓、電流的關(guān)系。數(shù)據(jù)整理如表1。

　　表1 一柵電壓、陽極電流和陽極電壓降的關(guān)系

　　調(diào)制器的調(diào)制能力體現(xiàn)在陽極電壓降上，通過一柵電壓控制陽極電壓降。根據(jù)恒流曲線，在可以得到陽極電壓降VAK對一柵電壓Vgl的一次函數(shù)，在二柵電壓固定+1500V情況下，得到的陽極電壓降函數(shù)表達式：

　　(1) A、 B和陽極電流IA相關(guān)，如表2：

　　表2 IA與A、B參數(shù)關(guān)系

　　式中IA為陽極電流，即四極管輸出回路電流。由式(1)、(2)、(3)可以完整的建立陽極電壓降與陽極電流IA、一柵電壓Vgl耦合的四極管調(diào)制器的仿真函數(shù)模型。[!--empirenews.page--]

　　4 Simulink仿真

　　根據(jù)式(1)、(2)、(3)可以建立調(diào)制器函數(shù)的Matlab/Simulink仿真模型，如圖3所示：

　　圖3 調(diào)制器仿真模型

　　針對HL-2A裝置中電子回旋加熱管的負載特性，可將調(diào)制器負載等效為2500Ω的電阻性負載。在HL-2A裝置中，調(diào)制器的前一級高壓輸入為晶閘管整流后濾波得到，因此，在調(diào)制器由空載到帶載的切換過程中，調(diào)節(jié)速度較慢的晶閘管整流系統(tǒng)無法有效的補償負載投切過程中造成的調(diào)制器前端高壓平臺的輸入電壓的波動。這種波動是對負載極其有害的。因此，使用調(diào)制器進行反饋調(diào)節(jié)是必須的。

　　調(diào)制器反饋回路的仿真模型中，負載投切造成的電壓波動由恒定數(shù)值疊加一個負半波的正弦信號模擬。疊加后作為調(diào)制器的高壓輸入。圖4為調(diào)制器反饋調(diào)節(jié)仿真回路模型，其中Subsystem模塊即為圖2中調(diào)制器仿真模塊封裝圖。Vin端為調(diào)制器的高壓輸入;Ia端為調(diào)制器模型中需要的負載電流參數(shù)，由調(diào)制器輸出電壓經(jīng)負載函數(shù)得到;Vgl為一柵控制量輸入端。

　　圖4 調(diào)制器反饋控制仿真回路

　　閉環(huán)仿真采用PI反饋策略，驗證比例積分反饋策略的有效性。另外，還將一柵控制值固定為10V，把調(diào)制器單純作為高速開關(guān)進行一次開環(huán)仿真，得到對比波形。圖5為開環(huán)、閉環(huán)仿真的對比波形圖。

　　圖5 調(diào)制器開環(huán)仿真波形

　　圖5中，Vin表示高壓平臺提供給調(diào)制器的輸入電壓，仿真中已經(jīng)人為疊加一個模擬的電壓波動，幅值為5000V。Vout為調(diào)制器輸出值，Control為調(diào)制器的一柵控制值。在開環(huán)系統(tǒng)中，調(diào)制器作為開關(guān)使用，一柵控制量固定為0V，負載被動的跟隨高壓平臺電壓波動。如果負載需要恒定值，則需要人為設(shè)定調(diào)制器一柵的給定值曲線。在HL-2A裝置中，調(diào)制器負載系統(tǒng)比較復雜，這種人為摸索一柵給定值曲線的方式比較繁瑣，也不太可靠。而從閉環(huán)反饋仿真波形可以看到，采用PI反饋的調(diào)制器系統(tǒng)，一柵控制量跟隨高壓平臺輸入的波動，在-160V到0V范圍內(nèi)變化，能有效的消除輸入波動的影響，為負載提供高質(zhì)量的直流電壓電源。而且PI反饋適應(yīng)性好，能有效的適合比較復雜的負載變化，更可以糅合模糊控制，對PI參數(shù)的給定進行模糊邏輯處理，更有效的應(yīng)對多變的負載情況。

　　5 結(jié)論

　　本文對大功率四極管調(diào)制器的特性曲線進行了研究，并提出一種近似線性的思路，對調(diào)制器的恒流曲線作了插值擬合，提出大功率四極管在可調(diào)區(qū)間內(nèi)的一種有效的數(shù)學模型。針對HL-2A裝置中調(diào)制器的實際運行工況，使用這種數(shù)學模型研究了調(diào)制器輸出的PI反饋控制策略，并進行了Matlab仿真。仿真結(jié)果證明這種調(diào)制器數(shù)學模型的有效性，并給在HL-2A裝置中對調(diào)制器輸出進行閉環(huán)反饋控制這一思路提供了有力的支持。