EAST-NBI抑制极电源IGBT串联技术的研究
2017-07-17张亚兵刘智民蒋才超陈世勇潘军军胡纯栋
张亚兵 刘智民 蒋才超 刘 胜 陈世勇 潘军军 胡纯栋
1（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）2（中国科学技术大学 合肥 230026）
EAST-NBI抑制极电源IGBT串联技术的研究
张亚兵1,2刘智民1,2蒋才超1刘 胜1陈世勇1潘军军1胡纯栋1
1（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）2（中国科学技术大学 合肥 230026）
中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)是东方超环(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)核聚变实验装置辅助加热的重要组成部分。目前NBI离子源引出系统采用四电极结构，即加速电极、梯度电极、抑制电极和地电极。抑制极电源是为其中的抑制电极提供负电位的高压直流电源。根据抑制极电源输出特性的要求，输出端采用串联绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)作为调制开关。为研究IGBT串联技术对均压效果和抑制极电源输出特性的影响，采用PSpice软件对IGBT开关进行了建模，并进行了不同电路参数下的仿真。仿真表明：一定条件下，电阻电容二极管(Resistance Capacitance Diode, RCD)缓冲电路中电容参数对动态均压效果和电源关断特性具有决定性影响，缓冲电阻影响电容的放电时间及放电电流峰值。最后给出了相应的实验测试结果。该研究结果可以明确缓冲电路参数与均压效果以及抑制极电源开关特性之间的定量关系，为抑制极电源开关特性的进一步优化及其与加速极电源的特性匹配提供数据指导，对于NBI离子源的安全稳定运行具有重要意义。
抑制极电源，绝缘栅双极型晶体管串联，PSpice，电阻电容二极管，均压
中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)是东方超环(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)辅助加热和电流驱动的重要组成部分[1-4]。抑制电极是EAST-NBI离子源引出系统四电极之一[4]，其作用是在束引出时，与其它电极形成良好的束光学特性，获得近似平行的引出离子束；同时抑制反向电子进入加速区，避免轰击离子源栅电极和弧室，有利于离子源安全稳定运行[5-7]。抑制电极由高压直流电源提供负电位，NBI系统运行时，要求抑制极电源能够快速开通和关断输出高电压，因此需要快速高压开关。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)具有阻断电压高、承受电流大、通态压降低、开关速度快、驱动电路简单等优点[8]，抑制极电源输出端采用串联IGBT作为调制开关。串联IGBT开关的均压电路采用电阻电容二极管(Resistance Capacitance Diode, RCD)缓冲电路[9]，其参数一般根据吸收浪涌电压的能力计算得到，但是参数值对特定条件下串联IGBT的均压效果和电源输出特性的影响，较难准确理论计算。本文采用PSpice软件，对串联IGBT开关部分进行了建模和仿真，结合仿真结果分析了RCD缓冲电路对均压效果和抑制极电源输出特性的影响。实验测试结果表明，仿真模型具有较好的准确性，同时验证了相应的结论。
1 EAST-NBI抑制极电源
1.1 抑制极电源结构
根据EAST-NBI运行要求，抑制极电源主要设计指标为：输出最大电压-5 kV DC，最大电流30 A，电压稳定度3%，上升时间≤5 μs，下降时间≤35 μs，电压隔离度10 kV DC，稳态运行。抑制极电源主回路电源进线为380 V AC/50 Hz，经断路器、熔断器后接三相晶闸管调压装置，然后经两组变压器接12脉波整流电路，最后经滤波电路和串联IGBT开关输出。抑制极电源主回路如图1所示。
图1 抑制极电源主回路Fig.1 Main circuit of suppressor grid power supply.
1.2 串联IGBT开关
NBI正常运行时，引出系统中各电极处于高真空环境，其中抑制电极(Suppressor Grid)和梯度电极(Gradient Grid)距离约7 mm。在离子束引出时刻，两电极上的电压分别为-1.4 - -1.7 kV和55-65 kV，由于两电极间的绝缘强度受多种因素影响，两电极间会出现打火现象。打火时，抑制极电源电流峰值超出正常值30倍以上，输出端电压也由负变正，所以抑制极电源容量很大，并需要快速保护。同时在NBI正常运行过程中，在离子束引出时刻，需要抑制极电源与等离子体电极电源匹配同步的上升沿和下降沿[5]。
基于以上要求，并考虑到单管IGBT耐压值的限制，在抑制极电源输出端设计了串联IGBT开关，如图2所示。
根据抑制极电源开关频率不高（通常工作在1-100 Hz）的特点，均压电路采用静态均压电阻结合RCD充放电型缓冲电路的方案。如图2所示，VT1-VT6为6个IGBT模块，R1-R6为静态均压电阻，C1-C6为缓冲电容，R11-R16为缓冲电阻，D1-D6为缓冲电路二极管。另外，R21-R26 为IGBT栅极驱动电阻，主要用于控制驱动电压的前后沿陡度；R31-R36和V1-V6分别为栅极保护电阻和栅电压钳位二极管，用于栅极过压的保护。此方案结构简单，运行可靠，可以通过参数的调整，在电压过冲程度和电源快速响应特性之间做平衡选择。
图2 串联IGBT开关Fig.2 Switch of series connected IGBTs.
2 仿真模型
本文根据IGBT数据手册，利用PSpice软件中Model Editor对相应型号的IGBT进行了模型参数的提取和优化，得到了IGBT的近似模型。为得到电路仿真模型，根据目前抑制极电源原理和参数做了如下简化与假设：
1) 串联IGBT开关的前级电路简化为5 kV直流电源；
2) 抑制极电源正常运行过程中的负载等效为800 Ω电阻；
3) 不考虑均压电路寄生电感；
4) IGBT驱动信号假设为±15 V梯形波，上升沿和下降沿时间均为1 μs；
5) 忽略IGBT的温度效应。
电路仿真模型如图3所示。其中，Z1-Z6为6只串联的IGBT，V1-V6为IGBT驱动信号，电源电压Vin=5 kV，负载Rout=800 Ω，限流电感L1=3 mH，D13、R13组成 L1续流回路，杂散电感L2=0.4 mH。
均压电路中静态均压电阻Rd、缓冲电容Cs、缓冲电阻Rs的初始值，由以下公式进行估算[10]：
式中：n是IGBT串联个数；Roff是IGBT漏电阻；Vce-max是IGBT集射极间最大电压；Icm是IGBT最大集电极脉冲电流；LS、Io是电路母线电感和电流；ΔU是总电压过冲量；fT是器件开关频率。
由于限流电感产生的电压过冲量主要经其续流回路消耗，故LS取值为杂散电感值0.4 mH；总电压过冲量取值为电源电压的20%，即ΔU=1 kV。由以上计算知，缓冲电路参数可取如下值：Rd=50 kΩ，CS=87 nF，RS=50 Ω。
3 仿真结果与分析
3.1 缓冲电容的影响
仿真中设置Z1的驱动信号比Z2-Z6提前500ns，周期500 μs，占空比0.5，Rd=50 kΩ，RS=50Ω。故考察均压效果时，着重对比Z1和Z2两端电压。表1给出了以上条件下，不同缓冲电容值CS对应的电源开通时间ton、关断时间toff、关断时Z1两端电压VZ1以及对应时刻Z2两端电压VZ2。
表1 不同缓冲电容值对应的电源开通/关断时间及Z1/Z2两端电压Table 1 On/off time of power supply and voltage of Z1/Z2 at different CS.
由表1可知，CS对电源输出开通时间影响很小，对关断时间影响较大。这是因为开通时，CS通过RS放电，当RS取值较小时，CS取值在一定范围内均可以实现快速放电，故其放电过程对开通过程影响很小。关断时，CS通过二极管充电，但是充电电流峰值受母线电流限制，充电过程较长，且CS取值影响充电时间，故CS改变了IGBT端电压上升时间，从而对电源输出关断时间影响较大。
同时可以看出，CS取值越大，关断时Z1、Z2两端的电压越接近，即电压不均衡度越小。这是因为关断时CS对Z1两端的过电压起到了缓冲作用，且CS越大均压效果越好。
图4给出了Rd=50 kΩ、RS=50 Ω、CS=150 nF时，C1的电流IC1，Z1、Z2两端电压VZ1、VZ2及负载两端电压outRV的波形。
图4 Rd=50 kΩ、RS=50 Ω、CS=150 nF时，C1的充电电流波形(a)，Z1、Z2两端电压波形(b)和电源电压波形(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.
考察仿真结果可知，IGBT开通时电容放电电流峰值17 A，关断时充电电流峰值6 A。电源输出-2 kV的开通关断时间分别为ton=2 μs，toff=45 μs，电源输出-800 V的开通关断时间分别为ton＜2 μs，toff=30 μs。同时可以看出，先关断的Z1无明显过电压现象，串联IGBT间的均压效果较好。以上参数可以基本满足抑制极电源开关特性和串联IGBT均压的要求，是较为理想的参数。
另外，由图4看出，在IGBT关断稳态时仍存在静态不均压现象。主要原因是IGBT两端的电压在一定程度上被不同充电电压的缓冲电容钳位[10]，而由于缓冲电容泄放回路中静态均压电阻取值很大，其两端电压的重新分配即实现静态均压需要较长时间。
3.2 缓冲电阻的影响
表2给出了Rd=50 kΩ、CS=150 nF时，不同缓冲电阻值RS对应的缓冲电容充电和放电时间tch、tdisch，以及充电和放电电流峰值Ich、Idisch。
表2 不同缓冲电阻值对应的电容充放电参数Table 2 Charge and discharge parameters of capacitance at different RS.
由表2可知，缓冲电阻只影响缓冲电容的放电过程，缓冲电阻越小，放电时间越短，放电电流峰值越大。如缓冲电阻为5 Ω时，电容放电电流峰值达到150 A。因此在缓冲电容放电时间满足要求时，缓冲电阻可取较大值，避免电容放电电流过大对IGBT造成损坏。
4 结果与分析
为考察缓冲电容参数对均压电路作用的影响并与仿真结果进行对比，在EAST-NBI抑制极电源测试平台上进行了测试。串联IGBT开关采用6只英飞凌FF200R17KE3型号IGBT，驱动器为2SD315A集成驱动电路。测试中设置缓冲电容分别为75 nF、150 nF和330 nF，静态均压电阻Rd为50 kΩ，缓冲电阻RS为50 Ω，电源负载为833 Ω，测试电压为800 V，其他条件与上述仿真条件基本相同。图5给出了串联IGBT开关关断时其中两只IGBT单管和电源负载的实验测试结果。
由图5可知，随着缓冲电容的增大，串联IGBT的均压效果越好，但IGBT关断时间越长，降低了串联IGBT开关的快速性。当缓冲电容为150 nF时（图5(b)），串联的IGBT无关断过电压现象，动态不均压程度约15%，关断时间约30 μs，实验测试结果与仿真结果符合较好。另外，实验测试结果相比同条件下的仿真结果，动态不均压程度略大，主要是由于实验中各个IGBT自身参数的不一致造成的，因此实际应用中应选择同型号同批次器件。
图5 缓冲电容为75 nF (a)、150 nF (b)和330 nF (c)时，Z1、Z2两端电压及电源电压测试波形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 结语
在负载确定的条件下，抑制极电源的开关特性主要由串联IGBT开关决定。RCD缓冲电路的应用，间接改变了器件的开关特性，对均压效果和电源的输出特性具有重要影响。其中缓冲电容的参数选择尤为重要。缓冲电容取值较大时，有利于实现更好的均压效果，但会极大影响电源关断速度；取值较小时有利于提高电源开关速度，但是会削弱均压效果，甚至在IGBT两端产生电压振荡，造成动态不稳定。缓冲电阻的取值较小时，有利于缓冲电容的快速放电；但是过小，会使缓冲电容放电电流过大，对开通过程中的IGBT造成危害。
本文结合PSpice仿真软件，根据实际系统参数建模，给出了上述参数的定量关系。实验测试结果验证了仿真模型以及相关结论的正确性。以上结果，对于关键参数在均压效果和电源开关特性之间做平衡选择具有重要指导意义，也为抑制极电源与加速极电源前后沿匹配的进一步优化奠定了基础，对于NBI离子源的安全稳定运行具有重要意义。
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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
中国科学院等离子体物理研究所所长基金(No.DSJJ-15-GC03)资助
张亚兵，男，1992年出生，2014年毕业于安徽理工大学，现为硕士研究生，研究方向为变流电源及控制技术
蒋才超，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
