[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种用于散裂中子源（SNS）速调管电源系统的140 kV、10 MW峰值、1 MW平均功率的多相准谐振升压转换器/调制器。该系统采用20 kHz多相H桥IGBT拓扑结构，实现零电压开关（ZVS），并结合非晶态纳米晶变压器、谐振并联倍压技术以及带有自适应前馈与反馈控制的PWM控制，实现了高效率和精确的输出波形调节。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于SNS速调管电源系统的高功率、高效率调制器，能够实现140 kV电压与10 MW峰值功率输出。
• 在高频与高电压条件下，通过IGBT的零电压开关（ZVS）技术，最大限度降低开关损耗。
• 采用带有自适应前馈与反馈控制技术的PWM控制，精确调节输出波形。
• 设计一种高频、低损耗的变压器，采用非晶态纳米晶磁芯材料，实现高效电能传输。
• 通过计算机仿真、缩比模型测试以及首件原型机测试结果，验证设计方案。

提出的方法

• 采用20 kHz多相准谐振桥式拓扑结构，通过三个H桥IGBT网络驱动高频变压器的初级绕组。
• DC-DC转换器的输入电压来自13.8 kV至2300 Y变电站的浇注式铁芯变压器。
• 在变压器次级采用谐振并联倍压技术，提升输出电压，并与漏感谐振，以实现IGBT的零电压开关（ZVS）。
• 对20 kHz脉冲信号应用脉宽调制（PWM），并结合自适应前馈与反馈控制，以调节输出波形。
• 在升压变压器中采用非晶态纳米晶磁芯材料，以在20 kHz开关频率和高磁通密度下最大限度降低铁损。
• 通过自愈式金属化雾面聚丙烯牵引电容器实现能量存储与滤波。

实验结果

研究问题

• RQ1 多相准谐振升压转换器是否能够在140 kV电压与10 MW峰值功率条件下实现IGBT的零电压开关？
• RQ2 在负载条件变化的情况下，带有自适应前馈与反馈控制的PWM在调节高压、大功率输出波形方面的有效性如何？
• RQ3 采用非晶态纳米晶磁芯材料在高频、高磁通密度变压器中对降低铁损的改善程度如何？
• RQ4 计算机仿真与缩比模型测试结果与首件原型机性能之间的相关性如何？
• RQ5 在额定满载运行条件下，系统的实际效率与电压调节性能如何？

主要发现

• 通过合理选择变压器漏感与倍压电容，成功实现了IGBT的零电压开关（ZVS）。
• 采用非晶态纳米晶磁芯材料，使在20 kHz开关频率与高磁通密度下铁损显著降低。
• 计算机仿真、缩比模型测试与首件原型机测试结果在关键性能参数上表现出高度一致性。
• 采用自适应前馈与反馈控制技术的PWM控制，成功实现了输出波形的精确调节。
• 该设计成功实现了140 kV、10 MW峰值功率与1 MW平均功率输出，完全满足SNS速调管电源系统的需求。
• 多相准谐振桥式拓扑在高功率脉冲运行中表现出高效率与强鲁棒性。