[論文レビュー] Progress on the 140 KV, 10 Megawatt Peak, 1 Megawatt Average Polyphase Quasi-Resonant Bridge, Boost Converter/Modulator for the Spallation Neutron Source (SNS) Klystron Power System

W.A. Reass, J.D. Doss+3 more|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Gyrotron and Vacuum Electronics Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スパリレーション中性子源（SNS）klystron電源システム向けに、140 kV、10 MWピーク、1 MW平均の多相準共振ブーストコンバータ/モジュレータを提示する。20 kHzの多相HブリッジIGBTトポロジーを採用し、ゼロ電圧スイッチング（ZVS）、非晶質ナノ結晶性トランスフォーマ、共振シャントピーキング、および適応フィードフォワードとフィードバックを併用したPWM制御により、高効率かつ出力波形の安定化を実現した。

ABSTRACT

This paper describes electrical design and operational characteristics of a zero-voltage-switching 20 kHz polyphase bridge, boost converter/modulator for klystron pulse application. The DC-DC converter derives the buss voltages from a standard 13.8 kV to 2300 Y substation cast-core transformer. Energy storage and filtering is provided by self-clearing metallized hazy polypropylene traction capacitors. Three "H-Bridge" IGBT switching networks are used to generate the polyphase 20 kHz transformers primary drive waveforms. The 20 kHz drive waveforms are chirped the appropriate duration to generate the desired klystron pulse width. PWM (pulse width modulation) of the individual 20 kHz pulses is utilized to provide regulated output waveforms with adaptive feedforward and feedback techniques. The boost transformer design utilizes amorphous nanocrystalline material that provides the required low core loss at design flux levels and switching frequencies. Resonant shunt peaking is used on the transformer secondary to boost output voltage and resonate transformer leakage inductance. With the appropriate transformer leakage inductance and peaking capacitance, zero-voltage-switching of the IGBT's is attained, minimizing switching losses. A review of these design parameters and a comparison of computer calculations, scale model, and first article results will be performed.

研究の動機と目的

• SNS klystron電源システム向けに、140 kVおよび10 MWピーク出力を実現できる高出力・高効率のモジュレータを開発すること。
• 高周波および高電圧条件下でのスイッチング損失を最小限に抑えるために、IGBTにおけるゼロ電圧スイッチング（ZVS）を達成すること。
• 適応フィードフォワードおよびフィードバック制御技術を用いたPWM制御により、出力波形を正確に制御すること。
• 高周波・低損失を実現する非晶質ナノ結晶性コア素材を用いたトランスフォーマを設計すること。
• コンピュータシミュレーション、スケールモデル試験、初号機プロトタイプの結果を用いて設計を検証すること。

提案手法

• 20 kHzの多相準共振ブリッジトポロジーは、三つのHブリッジIGBTネットワークを用い、高周波トランスフォーマの一次側を駆動する。
• DC-DCコンバータは、13.8 kVから2300 Yの変電所キャストコアトランスフォーマからの入力電圧を供給する。
• トランスフォーマ二次側に共振シャントピーキングを施し、漏れインダクタンスと共振させることで、IGBTのZVSを可能にする。
• 20 kHzパルスのパルス幅変調（PWM）を、適応フィードフォワードおよびフィードバック制御を併用して適用し、出力波形を制御する。
• ブーストトランスフォーマには非晶質ナノ結晶性コア素材を用い、20 kHzスイッチング周波数および高磁束密度条件下でもコア損失を最小限に抑える。
• エネルギーの蓄積およびフィルタリングは、自己消弧型メタリックな曇りポリプロピレントレクションコンデンサを用いて実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多相準共振ブーストコンバータは、140 kVおよび10 MWピーク出力条件下でIGBTのゼロ電圧スイッチング（ZVS）を達成できるか？
• RQ2 変動する負荷条件下でも、高電圧・高出力の出力波形を制御するために、適応フィードフォワードおよびフィードバック制御を併用したPWMはどの程度効果的か？
• RQ3 非晶質ナノ結晶性コア素材の使用は、高周波・高磁束密度トランスフォーマにおけるコア損失をどの程度低減できるか？
• RQ4 コンピュータシミュレーションとスケールモデルの結果は、初号機プロトタイプの性能とどの程度一致するか？
• RQ5 定格出力下でのシステムの実現可能な効率および電圧調整度はどの程度か？

主な発見

• 適切なトランスフォーマ漏れインダクタンスおよびピーキングコンデンサの選定により、IGBTにおけるゼロ電圧スイッチング（ZVS）が成功裏に達成された。
• 非晶質ナノ結晶性コア素材の使用により、20 kHzスイッチング周波数および高磁束密度条件下でも低コア損失が実現された。
• コンピュータシミュレーション、スケールモデル試験、および初号機プロトタイプの結果は、主要な性能パラメータにおいて強い一致を示した。
• 適応フィードフォワードおよびフィードバック制御を組み合わせたPWM制御により、出力波形が安定して制御された。
• 設計は、SNS klystron電源システムの要件である140 kV、10 MWピーク、1 MW平均出力を正常に達成した。
• 多相準共振ブリッジトポロジーは、高出力パulses動作において高い効率と高い耐障害性を示した。