大功率四极管调制器的特性分析及控制研究

1 引言

目前国内外研究磁约束核聚变的Tokamak装置中，需要多种大功率二级加热方式对等离子体进行加热，而二级加热系统都需要高品质的高压脉冲直流电源为其供电。这些加热设备要求高压电源具有快速的调节能力，并且在平顶段有很高的稳定度，在负载发生故障时能迅速切断高压电源。

大功率四极管调制器是一种高压可控电子管，因此，为满足加热系统对高压电源的特殊要求，国外很多装置上都采用大功率四级管作为高压直流电源的最后一级调节输出。调制器作为高压电源的关键部件，对其进行合理的建模并制定合适的控制策略，直接关系到高压直流电源的输出品质。本文分析了中国环流器2A装置(HL-2A)中辅助加热设备上使用的TM-703FB型四极管调制器，根据其恒流特性曲线，有效的拟合并建立了四极管调制器的数学函数模型，通过对此模型的仿真提出了一种调制器的PI控制策略。

2 TM-703FB型四极管调制器介绍

调制器的四极分别为阴极、阳极、一栅和帘栅。其中帘栅一般作为抑制极，主要作用是减小一栅与阳极、阴极的耦合作用。图1为四极管结构示意图。

阴极实际上就是四极管的灯丝，当灯丝被加热到足够温度时，阴极就可以发射足够量的电子，以保证管内电流流通。TM-703FB型四极管采用的是钍钨阴极灯丝，灯丝电压要求为交流10V，灯丝电流为300A。

阳极的作用主要是建立必要的管内电场，接收阴极发射出来的电子，形成阳极电流使四极管导通，并传导电子轰击阳极产生的热量和其他辐射热量。

一栅的主要作用是通过电压对阴极表面电场产生有效的均匀的控制作用。栅极电压改变时，阳极电流会随之变化。可以看出，四极管的输出是通过调节一栅电压，进而改变阳极电流来调节的。

图1 四极管示意图

3 四极管恒流曲线分析及建模

3.1 恒流曲线分析

图2是TM-703FB恒流曲线图(二栅电压固定为+1500V)。图中阳极电压VAK为四极管电流回路的电压降。可以看到，当四极管电流(也即四极管阳极电流)值恒定时，四极管的阳极电压和一栅电压在一栅电压为负值的区域内呈现近似的线性。具体到HL-2A装置的辅助加热设备的应用中，四极管的预计调节区间即处于恒流曲线中的线性区域。因此，可以针对这个线性区域，对四极管的一栅控制电压、阳极电流、阳极电压降间的关系进行。

图2 TM-703FB型四极管恒流曲线图

合适的曲线拟合，建立合理的输出函数。

3.2 四极管输出函数的建模

在图2的恒流曲线图中，每条曲线表示在特定阳极电流的条件下，一栅电压和阳极电压降的关系。对曲线做线性处理，得到一栅电压与阳极电压、电流的关系。数据整理如表1。

表1 一栅电压、阳极电流和阳极电压降的关系

调制器的调制能力体现在阳极电压降上，通过一栅电压控制阳极电压降。根据恒流曲线，在可以得到阳极电压降VAK对一栅电压Vgl的一次函数，在二栅电压固定+1500V情况下，得到的阳极电压降函数表达式：

(1) A、 B和阳极电流IA相关，如表2：

表2 IA与A、B参数关系

式中IA为阳极电流，即四极管输出回路电流。由式(1)、(2)、(3)可以完整的建立阳极电压降与阳极电流IA、一栅电压Vgl耦合的四极管调制器的仿真函数模型。[p]

4 Simulink仿真

根据式(1)、(2)、(3)可以建立调制器函数的Matlab/Simulink仿真模型，如图3所示：

图3 调制器仿真模型

针对HL-2A装置中电子回旋加热管的负载特性，可将调制器负载等效为2500Ω的电阻性负载。在HL-2A装置中，调制器的前一级高压输入为晶闸管整流后滤波得到，因此，在调制器由空载到带载的切换过程中，调节速度较慢的晶闸管整流系统无法有效的补偿负载投切过程中造成的调制器前端高压平台的输入电压的波动。这种波动是对负载极其有害的。因此，使用调制器进行反馈调节是必须的。

调制器反馈回路的仿真模型中，负载投切造成的电压波动由恒定数值叠加一个负半波的正弦信号模拟。叠加后作为调制器的高压输入。图4为调制器反馈调节仿真回路模型，其中Subsystem模块即为图2中调制器仿真模块封装图。Vin端为调制器的高压输入;Ia端为调制器模型中需要的负载电流参数，由调制器输出电压经负载函数得到;Vgl为一栅控制量输入端。

图4 调制器反馈控制仿真回路

闭环仿真采用PI反馈策略，验证比例积分反馈策略的有效性。另外，还将一栅控制值固定为10V，把调制器单纯作为高速开关进行一次开环仿真，得到对比波形。图5为开环、闭环仿真的对比波形图。

图5 调制器开环仿真波形

图5中，Vin表示高压平台提供给调制器的输入电压，仿真中已经人为叠加一个模拟的电压波动，幅值为5000V。Vout为调制器输出值，Control为调制器的一栅控制值。在开环系统中，调制器作为开关使用，一栅控制量固定为0V，负载被动的跟随高压平台电压波动。如果负载需要恒定值，则需要人为设定调制器一栅的给定值曲线。在HL-2A装置中，调制器负载系统比较复杂，这种人为摸索一栅给定值曲线的方式比较繁琐，也不太可靠。而从闭环反馈仿真波形可以看到，采用PI反馈的调制器系统，一栅控制量跟随高压平台输入的波动，在-160V到0V范围内变化，能有效的消除输入波动的影响，为负载提供高质量的直流电压电源。而且PI反馈适应性好，能有效的适合比较复杂的负载变化，更可以糅合模糊控制，对PI参数的给定进行模糊逻辑处理，更有效的应对多变的负载情况。

5 结论

本文对大功率四极管调制器的特性曲线进行了研究，并提出一种近似线性的思路，对调制器的恒流曲线作了插值拟合，提出大功率四极管在可调区间内的一种有效的数学模型。针对HL-2A装置中调制器的实际运行工况，使用这种数学模型研究了调制器输出的PI反馈控制策略，并进行了Matlab仿真。仿真结果证明这种调制器数学模型的有效性，并给在HL-2A装置中对调制器输出进行闭环反馈控制这一思路提供了有力的支持。