中性束诊断系统中高压电源的保护分析
李 伟，张敬华，龚海涛
（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥230009）
摘要：文章介绍了DNB中所必需的电源系统，着重介绍了加速极电源的结构，功能及工作原理。设计了相应的保护电路。仿真和实验结果表明它们对系统的安全运行提供了可靠的保障。
关键词：中性束诊断；加速极电源；保护电路；仿真
中图分类号： 文献标识码：
Analyses of High Voltage Power Supply’s Protection in DNB
LI wei，ZHANG Jing-hua, GONG Hai-tao
(College of Electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)
Abstract：Necessary power supplies for DNB are described in this paper. The configuration, function and working principle of accelerator supply are also given. Corresponding protection circuits have been designed. Simulation and experiments show that the protection circuits provide reliable safeguard for safe running of the system.
Key words： DNB；accelerator supply；protecting circuit；simulation
1中性束诊断（DNB）系统简介
目前，世界各国使用的各种能源要么不可再生，要么污染环境，而只有核聚变具有取之不竭，高效率，无污染等优点，已为世界各国接受为人类未来主要能源之一。世界各国发明了各种装置来实现受控热核聚变。中科院等离子体物理研究所实施的HT-7,HT-7U实验取得了优异的成绩。该所从德克萨斯引进的一套中性束诊断（DNB）系统。下面对该系统作一些简介。
该系统有产生100 ms脉冲源的九路电源。在这九路电源中，弧电源、缓冲偏置电源、四路灯丝电源、磁体偏转电源，抑制电源均已基本通过实验。而加速极电源，即高压电源，我们将采用原来ECRH中的80 kV负高压经过改造而得到。这个电压为正50 kV。
图1为DNB中电源系统的结构框图。系统有一个严格的要求：弧电源，灯丝电源，缓冲偏置电源和弧斩波器必须以加速极栅格为参考电平，而其他的电源都是以地为参考。系统还有一个重要地要求，为了保护栅格，当束源出现打火时，加速器电压必须能迅速减小。
由于初级电源的局限性，加速极电源采用了电容器能量存储系统，而其他电源系统的初级电源都是采用480 V的三相装置。
图1 DNB中电源系统结构框图
2高压电源系统介绍
加速极电源为中性束诊断系统提供了50 kV，7.3 A的加速电流，同时也为梯级栅格提供了一个可调的，减小的电势。一个参数为20 uF的电容器组为脉冲源提供能量，它可充电至100 kV。利用大功率四极管组成的一个调整电路，可以控制加速极电源的通断和输出的大小调节。
缓冲器（SNUBBER）由电感，电阻和二极管组成。电感用于限制电压上升时间，反并联的电阻和二极管用于电感的续流，防止过电压。限流电阻用来限制负载的过电流。
10000：1的高高压分压器将输出电压反馈给控制系统，为达到快速且高的要求，此分压器带有RC补偿网络，使其带宽达到100 kHz；采用高稳定系数的电阻，并将电阻、电容浸在变压器油中，消除温漂的影响。
图2为50 kV高压电源反馈控制框图。
图2 加速极电源反馈控制框图
以下是它的工作原理：
工作之前，先使调整管的控制栅电压为-900 V，之后加入帘栅极电压1500 V，调整管处于截止状态，高压电容器由直流充电机将其电压充到Ucmax,此时调整管承受全部电压，负载电压Uout等于零。
当启动脉宽信号加入时，误差放大器工作，将输出电压取样Uout和给定电压Uref的误差信号放大后送入积分器，积分器的输出电压控制控制栅电源的输出电压Ugrid,使调整管处于线性放大状态。
若Uout低于给定电压Uref，误差放大器输出一正值Uerr,积分器电压Us增加,控制栅电源的输出电压Ugrid随之上升，使管压降Uac降低，输出电压维持50 kV不变；反之Uout高于给定电压Uref时，误差放大器输出一负值Uerr,积分器电压Us下降,控制栅电源的输出电压Ugrid随之下降,使管压降Uac升高，输出电压维持50 kV不变，实现了反馈调节，达到输出50 kV恒定。
没有脉宽信号或放电结束时，误差放大器停止工作，同时积分器输出Us为零，使Ugrid恢复到-900 V，调整管截止。
3安全保护措施
由于离子体很不稳定，这就对加速极电源的安全可靠的工作提出了很高的要求。
3．1故障及安全防护
除了通常的阳极过流互锁、帘栅电流互锁和冷却互锁外，管子还需要具有因高的阳极电压引起的电弧造成的内部损坏的保护措施，所以在阳极端串联保护电阻来帮助吸收起弧时电源的储能。
高于15 kV的真空电子管产生的X—射线，其危险性随电压的升高而增大，Y841工作在它的额定电压电流时就是一个X—射线源，管子外壳的防护能力极有限，另外随着管子的老化和性能的退化，它的射线强度会增加。在高压运行时，管子的四周都必须有良好的屏蔽，X—射线等级必须定期进行检查，绝不可以在没有屏蔽的环境下运行。
由于大功率四极管的价格较高，仅靠上面有限的保护和安全防护是不够的。同时为了保护负载，我们又投入大量的精力设计出了较为可靠的保护电路。
3．2 四极管保护
根据控制要求，当四极管正常工作时，其阳极电压必须大于3 000 V。由于帘栅极与阴极距离很近，且帘栅极电压为固定的1 500 V,如果阳极电压小于3 000 V，阴极将会有大量的电子流到帘栅极，造成帘栅极过电流，严重时会烧毁帘栅极，因此必须对帘栅极进行保护。
当帘栅极出现电流时，帘栅极电压将会下降，在这里我们通过电压比较器发出的信号送给控栅极驱动电路，使得四极管截止，从而达到保护帘栅极的目的。其保护电路如图3所示。
图3 帘栅极保护电路图
3．3负载保护
在这里，我们同时考虑了过电流和过电压两种情况，其保护电路结构基本相同。
该电路的设计主要由三个元件组成，比较器LM311，555C定时器，CD4027的双JK触发器。在这里采用555定时器的主要作用是用它组成一个单稳态触发器，以产生一个114ms的脉冲信号。
由于考虑到高压电源刚起动时，它上升到稳定值需要一个上升时间，而在这段时间内斜率可能很大，有可能造成电路误操作。所以加进去这个信号以获得延时。
前面的比较器则同时为555提供下降沿的触发信号和为JK触发器提供电平翻转所需的上升沿的触发信号。
以下图4和图5是Orcad仿真电路及在探测点处的仿真波形。
图4 故障检测仿真电路
图5 故障提示信号
3．4 CROWBAR保护
撬棒保护是DNB高压电源系统的保护，该电路用于在严重故障情况短路高压电源，泄放能量，保护负载，同时也可避免高压四极管（MOD/REG）的损坏。撬棒（CROWBAR）系统可以在故障检测到以后10 μs内动作。3个50 kV的引燃管是撬棒系统的主要开关元件。当故障被检测到以后触发脉冲被加入，引起真空引燃管中的水银蒸发，形成高导电通道。当电压降到水银蒸发电离域值以下时，引燃管恢复阻断，为下次投入做到准备。
4结语
本文着重对加速极电源反馈系统的结构及工作原理进行了分析，针对它自身的特点及在整个DNB系统中的重要作用，对运行中可能出现的故障进行了分析，并设计出了相应的保护电路。实验表明，这些保护电路对系统的安全可靠运行具有重大意义。
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作者简介：李伟（1979－），女，河北省石家庄人，合肥工业大学硕士研究生，主要从事托卡马克电源方面的研究
