[논문 리뷰] 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. Doss외 3명|ArXiv.org|2000. 08. 17.

Gyrotron and Vacuum Electronics Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스파라션 뉴트론 서셉션(SNS) 클리스트론 전원 시스템을 위한 140 kV, 10 MW 피크, 1 MW 평균 출력의 다상 준공진 부스트 컨버터/모듈레이터를 제시한다. 20 kHz 다상 H브릿지 IGBT 구조를 사용하며, 정압 스위칭(ZVS), 아모르프ัส 나노결정성 트랜스포머, 준공진 병렬 피킹, 적응형 피드포워드 및 피드백을 포함한 PWM 제어를 통해 높은 효율성과 정밀한 출력 파형 조절을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• SNS 클리스트론 전원 시스템에 적합한 140 kV 및 10 MW 피크 전력을 공급할 수 있는 고출력, 고효율 모듈레이터 개발.
• 고주파 및 고전압 조건에서 스위칭 손실을 최소화하기 위해 IGBT에서 정압 스위칭(ZVS)을 달성하기.
• 적응형 피드포워드 및 피드백 제어 기법을 사용한 PWM을 통해 고정밀 출력 파형 조절.
• 고주파, 저손실 트랜스포머를 아모르프ัส 나노결정성 코어 재료로 설계하여 효율적인 전력 전달 달성.
• 컴퓨터 시뮬레이션, 스케일 모델 테스트 및 최초 원형 프로토타입 결과를 통해 설계 검증.

제안 방법

• 20 kHz 다상 준공진 브릿지 구조는 고주파 트랜스포머의 1차 측에 3개의 H브릿지 IGBT 네트워크를 사용한다.
• DC-DC 컨버터는 13.8 kV에서 2300 Y 변전소 캐스트코어 트랜스포머로부터 입력 전압을 취득한다.
• 트랜스포머 2차 측에 준공진 병렬 피킹을 적용하여 출력 전압을 증폭하고, 누설 인덕턴스와 공진시켜 IGBT의 ZVS를 가능하게 한다.
• 20 kHz 펄스에 대한 펄스 폭 변조(PWM)를 적용하고, 출력 파형 조절을 위해 적응형 피드포워드 및 피드백 제어를 사용한다.
• 부스트 트랜스포머에 아모르프ัส 나노결정성 코어 재료를 사용하여 고유속도 및 20 kHz 스위칭 주파수에서의 코어 손실을 최소화한다.
• 에너지 저장 및 필터링은 자기 복구 기능이 있는 메탈라이즈드 흐린 폴리프로필렌 트랙션 커패시터를 사용하여 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 140 kV 및 10 MW 피크 전력 조건에서 다상 준공진 부스트 컨버저가 IGBT의 정압 스위칭(ZVS)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 변동하는 부하 조건 하에서 적응형 피드포워드 및 피드백 제어 기법을 포함한 PWM이 고전압, 고출력 출력 파형 조절에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 고주파, 고자속 트랜스포머에서 아모르프ัส 나노결정성 코어 재료의 사용이 코어 손실을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 컴퓨터 시뮬레이션 및 스케일 모델 결과가 최초 원형 프로토타입의 성능과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 정격 전력 운용 조건 하에서 시스템의 실현 가능한 효율성과 전압 조절 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 적절한 트랜스포머의 누설 인덕턴스 및 피킹 커패시턴스 선택을 통해 IGBT의 정압 스위칭(ZVS)이 성공적으로 달성되었다.
• 아모르프ัส 나노결정성 코어 재료의 사용으로 20 kHz 스위칭 주파수 및 고자속 조건에서 낮은 코어 손실을 달성할 수 있었다.
• 컴퓨터 시뮬레이션, 스케일 모델 테스트 및 최초 원형 프로토타입 결과 간 핵심 성능 파rameter에서 높은 일치도를 보였다.
• 적응형 피드포워드 및 피드백 기법을 통합한 PWM 제어를 통해 정밀한 출력 파형 조절이 가능했다.
• 설계는 SNS 클리스트론 전원 시스템의 요구 사항을 충족하여 140 kV, 10 MW 피크 및 1 MW 평균 전력을 성공적으로 공급하였다.
• 다상 준공진 브릿지 구조는 고출력 펄스 운용에서 높은 효율성과 뛰어난 내구성을 입증하였다.