中心議題：

• 大功率直流電源的拓撲結構
• 大功率直流電源的控製方案
• 電源的數據傳輸拓撲結構

本文基於IGBT器件
，利用DC/DC電源並聯技術設計大功率直流電源。該電源可用作EAST托卡馬克裝置中的大功率垂直位移快速控製直流電源。對該電源裝置進行了仿真和實驗，獲得了較為滿意的動靜態性能。

隨著電力電子技術的發展

，很多場合需要大功率大電流的直流電源。EAST的磁約束核聚變裝置使用的直流快控電源即是一種大功率直流電源
，其技術要求為：電壓響應時間1ms峰值電壓50V
；最大電流20kA，能實現4個象限的運行。針對此要求
，不可避免地需采用電源並聯技術，即功率管並聯或電源裝置的並聯。對於20kA直流電源，若采用功率管IGBT並聯
，每個橋臂則至少需15隻功率管並聯
，這不但給驅動帶來很大困難，而且，在一般情況下，電流容量較大的功率管的電壓容量也較大

，在實際電壓隻有50V 的情況下
，對功率管的電壓容量而言，這是極大的浪費。因此
，提出采用多米諾結構的DC/DC電源裝置並聯技術思路。

對電源並聯係統的基本要求為：
1)在電網擾動或負載擾動下保持輸出電壓穩定；
2)各模塊調製頻率一致。若不一致，則產生低頻脈動信號，增大輸出電流和電壓的紋波成分；
3)控製各模塊電流
，使其均分負載電流。

1 大功率直流電源的拓撲結構

DC/DC電源並聯有兩種拓撲結構，一種是采用輸入直流母線結構，其係統結構框圖如圖1a所示，主要包括整流變壓器和不可控二極管整流電路

，N 路DC/DC變換器
，泵升電壓抑製電路等；另一種是采用獨立的AC-DC/DC電源並聯，係統結構圖如圖1b所示。

采用圖1a所suo示shi的de拓tuo撲pu結jie構gou
，係xi統tong需xu大da容rong量liang不bu可ke調tiao直zhi流liu電dian源yuan
，一yi般ban可ke采cai用yong整zheng流liu變bian壓ya器qi降jiang壓ya，二er極ji管guan整zheng流liu並bing經jing電dian容rong濾lv波bo得de到dao。這zhe種zhong結jie構gou雖sui可ke保bao證zheng並bing聯lian的de每mei條tiao支zhi路lu有you共gong同tong的de直zhi流liu電dian壓ya輸shu入ru，避bi免mian並bing聯lian支zhi路lu因yin直zhi流liu側ce輸shu入ru電dian壓ya不bu同tong而er帶dai來lai的de不bu均jun衡heng，但dan該gai直zhi流liu電dian源yuan的de容rong量liang大da
，電dian流liu達da20KA，直流母線承受的負荷過重，前級AC-DC設備要求較高，不易實現。另外
，輸入端共用母線不利於實現完全意義上的獨立電源模塊的並聯。因此，采用如圖1b所示的AC-DC/DC直流電源並聯的拓撲結構。

圖1b所示的拓撲結構可保證每個AC-DC/DC電源模塊的獨立性，即可實現直流電源裝置的並聯
，能夠根據實際的電壓，電流及功率的要求自由地增減模塊的個數！在實際應用中有很大的空間，有一定的研究價值。但這種拓撲結構也有它不利的一麵！即若變壓器輸出電壓略有差別
，則每個整流模塊的輸出電壓將不同
，從而造成各整流模塊輸出電流嚴重不平衡。

不過，這種不平衡可采取如下相應措施進行抑製：首先
，在采用獨立的AC-DC/DC電源並聯時，應盡量做到每個模塊的AC-DC/DC輸出直流電壓接近相等
；其次，針對由於變壓器輸出電壓不同造成的各整流模塊輸出電流的不平衡，可在DC/DC環節設置均流措施。DC/DC模塊采用的是受限單極型脈寬調製方式(PDW)，通過調節各DC/DC模塊的占空比使各回路的負載趨於平衡。當電源模塊給定電流正負切換時，可實現不同象限的運行
，滿足係統4象限運行的要求。

2 大功率直流電源的控製方案

在zai托tuo卡ka馬ma克ke快kuai控kong電dian源yuan的de應ying用yong中zhong，要yao求qiu電dian源yuan輸shu出chu電dian流liu實shi時shi跟gen蹤zong給gei定ding電dian流liu曲qu線xian。因yin此ci，該gai電dian源yuan係xi統tong是shi電dian流liu隨sui動dong係xi統tong，係xi統tong的de快kuai速su性xing將jiang是shi一yi較jiao重zhong要yao的de性xing能neng指zhi標biao。而er控kong製zhi方fang式shi的de選xuan擇ze將jiang影ying響xiang整zheng個ge係xi統tong的de靜jing態tai與yu動dong態tai性xing能neng指zhi標biao。
[page]
為更好提高係統穩態和動態性能指標的精度
，實現電流跟隨性
，采用兩級電流控製(圖2)

，即總電流環和模塊電流環相互配合，不僅可提高性能指標，且可實現各模塊電流的均衡。

外(wai)環(huan)的(de)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)是(shi)實(shi)現(xian)電(dian)流(liu)的(de)實(shi)時(shi)跟(gen)蹤(zong)，采(cai)用(yong)反(fan)饋(kui)加(jia)前(qian)饋(kui)的(de)複(fu)合(he)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)。複(fu)合(he)控(kong)製(zhi)中(zhong)的(de)前(qian)饋(kui)控(kong)製(zhi)不(bu)影(ying)響(xiang)原(yuan)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。但(dan)卻(que)可(ke)在(zai)不(bu)增(zeng)大(da)開(kai)環(huan)增(zeng)益(yi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)態(tai)精(jing)度(du)和(he)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)。為(wei)達(da)到(dao)控(kong)製(zhi)效(xiao)果(guo)。又(you)不(bu)使(shi)前(qian)饋(kui)通(tong)道(dao)的(de)結(jie)構(gou)變(bian)得(de)複(fu)雜(za)。前(qian)饋(kui)控(kong)製(zhi)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)一(yi)階(jie)導(dao)數(shu)，且(qie)加(jia)到(dao)信(xin)號(hao)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)。內(nei)環(huan)模(mo)塊(kuai)電(dian)流(liu)環(huan)的(de)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)如(ru)下(xia)。

1)改造控製對象的傳遞函數。
2)限製電流最大輸出
，同時又實現各電源模塊的均流。

3 數據傳輸拓撲結構

EAST等離子體垂直位移快控電源的均流是裝置並聯的一重要問題。監控計算機和電源模塊的CPU數據傳輸采用主從方式(圖3)，即由每一電源模塊的CPU 負fu載zai實shi現xian各ge自zi的de電dian流liu控kong製zhi
，並bing向xiang監jian控kong計ji算suan機ji發fa送song該gai電dian源yuan模mo塊kuai狀zhuang態tai信xin息xi
，監jian控kong計ji算suan機ji的de作zuo用yong是shi實shi現xian對dui各ge電dian源yuan模mo塊kuai的de統tong一yi管guan理li，包bao括kuo向xiang每mei個ge電dian源yuan模mo塊kuai發fa送song啟qi動dong和he停ting止zhi指zhi令ling。發fa送song電dian流liu給gei定ding信xin號hao，采cai集ji直zhi流liu輸shu出chu總zong電dian流liu

，總zong電dian壓ya，交jiao流liu輸shu入ru電dian壓ya及ji各ge電dian源yuan模mo塊kuai的de交jiao流liu電dian壓ya電dian流liu，直zhi流liu輸shu出chu電dian流liu
，溫wen度du，熔rong絲si斷duan，門men禁jin等deng物wu理li量liang等deng。同tong時shi與yu上shang一yi級jiEAST總(zong)控(kong)計(ji)算(suan)機(ji)及(ji)係(xi)統(tong)各(ge)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)進(jin)行(xing)通(tong)訊(xun)，完(wan)成(cheng)各(ge)種(zhong)數(shu)據(ju)信(xin)息(xi)的(de)自(zi)動(dong)上(shang)報(bao)

，下(xia)報(bao)。模(mo)塊(kuai)的(de)自(zi)動(dong)切(qie)除(chu)與(yu)投(tou)入(ru)等(deng)任(ren)務(wu)。監(jian)控(kong)計(ji)算(suan)機(ji)給(gei)每(mei)個(ge)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)傳(chuan)輸(shu)相(xiang)同(tong)的(de)給(gei)定(ding)電(dian)流(liu)！在電源模塊電流環的調節控製作用下
，通過單片機的軟件編程，實現輸出相同的負載電流！獲得較好的均流效果。

4 結語

對dui於yu類lei似si托tuo卡ka馬ma克ke快kuai控kong電dian源yuan這zhe樣yang的de大da容rong量liang且qie對dui其qi，象xiang限xian運yun行xing和he電dian流liu跟gen蹤zong有you較jiao高gao要yao求qiu的de電dian源yuan係xi統tong，可ke采cai用yong多duo個ge獨du立li的de中zhong小xiao容rong量liang的de電dian源yuan模mo塊kuai通tong過guo並bing聯lian來lai滿man足zu電dian源yuan總zong容rong量liang的de需xu求qiu。多duo電dian源yuan的de並bing聯lian麵mian臨lin的de一yi個ge關guan鍵jian問wen題ti是shi各ge組zu成cheng模mo塊kuai之zhi間jian的de均jun流liu。利li用yong電dian源yuan模mo塊kuai的de智zhi能neng化hua和he自zi動dong控kong製zhi係xi統tong理li論lun，使shi電dian源yuan的de各ge個ge組zu成cheng模mo塊kuai成cheng為wei具ju有you電dian流liu跟gen蹤zong能neng力li的de閉bi環huan係xi統tong！由you控kong製zhi規gui律lv而er非fei硬ying件jian來lai實shi現xian各ge模mo塊kuai之zhi間jian的de均jun流liu。如ru此ci形xing成cheng的de係xi統tong也ye將jiang能neng夠gou滿man足zu快kuai控kong電dian源yuan的de快kuai速su電dian流liu跟gen蹤zong要yao求qiu。這zhe種zhong設she計ji方fang案an所suo以yi能neng夠gou得de到dao實shi現xian。關guan鍵jian在zai於yu具ju備bei了le以yi下xia條tiao件jian：

     1)單(dan)片(pian)機(ji)在(zai)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)和(he)並(bing)聯(lian)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)應(ying)用(yong)實(shi)現(xian)了(le)裝(zhuang)置(zhi)的(de)智(zhi)能(neng)化(hua)，大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)模(mo)塊(kuai)調(tiao)製(zhi)頻(pin)率(lv)的(de)一(yi)致(zhi)性(xing)。有(you)利(li)於(yu)減(jian)小(xiao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，電(dian)流(liu)的(de)低(di)頻(pin)紋(wen)波(bo)！克服了傳統方法難以實現各模塊調製頻率一致性的缺點。

     2)采用PWM技術DC/DC環節具有快速響應能力
；

     3)基於控製理論的電流跟蹤技術能以硬件均流不同的思路實現模塊之間的均流，通過監控計算機的控製
，向各模塊CPU 傳送相同的電流給定。實現電源模塊的靜態均流。

     在需要大功率輸出的場合。此係統具有良好的應用前景。符合電源係統數字化控製的發展趨勢。