The paper presents a long-pulse modulator for klystron using a high-voltage solid-state switch and a droop compensator. The modulator guarantees the safe of klystron by limiting the amount of energy transferred to klystron in case of arc. The high performance of the modulator is also achieved by the fast transition time, high flatness and average power. The proposed prototype has produced pulses with a flat-top voltage -90[kV], pulse width 1ms and pulse frequency 200[Hz]. The validity of the long-pulse modulator for klystron has been verified by the simulation and experimental works.
The Korean Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) tokamak device is being constructed to perform long-pulse, high-beta, advanced tokamak fusion physics experiments. The long-pulse operation requires the non-inductive current drive system such as the Lower-Hybrid Current Drive (LHCD) system. The LHCD system drives the non-inductive plasma current by means of C-band RF with 2-MW CW power and 5-GHz frequency. For the LHCD test experiments, an RF test system is developed. It is composed of a 5-GHz, 1.5-MW pulsed magnetron and a compact pulse modulator with $4\;{\mu}s$ of pulse width. The pulse modulator provides the maximum output voltage of 45 kV and the maximum current of 90 A. It is composed of 7 stages of Pulse Forming Network (PFN), a thyratron tube (E2V, CX1191D), and a pulse transformer with 1:4 step-up ratio. In this paper, the detailed design and the performance test of the pulse modulator are presented.
This paper describes the design of a power cell-based pulsed power modulator with fast rise times. The pulse-generating section of the pulse power modulator is a series stack of power cells. Each power cell is composed of a storage capacitor, a pulse switch, and a bypass diode. When the pulse switches are turned on, the capacitors are connected in series and the sum of voltages is applied to the load. For output pulses with fast rise times, an IGBT with fast turn-on characteristics is adopted as a pulse switch and the optimized gate driving method is used. Pspice simulation is performed to account for the gate driving method. A 10 kV, 12-power cell-based pulsed power modulator is tested under resistive load and plasma reactor load. The rise times of output pulses less than 20 ns are confirmed, showing that the pulsed power modulator can be effectively applied to pulsed power applications with fast rise times.
200-MW pulse modulators(total 11units) for the PLS linac employ the SCR phase control circuit. It controls 3-phase AC line voltage for the high-voltage DC power supply (DCPS, maximum of 25kVDC, 4.2A) which charges the pulse forming network(PFN). The PFN delivers 400kV, 500A, ESW $7.5{\mu}s$ pulse power to the 80-MW klystron amplifier tube. The SCR regulates 3-phase AC power and feeds to the high voltage transformer. Two different types of the transformer configurations namely ${\Delta}-{\Delta}$ and ${\Delta}-Y$, are alternatively installed to 11 modulator units for the suppression of harmonic noises. RC filters and reactors are also installed. Currently, approximately 110-kW of average AC power per unit is consumed at the normal operation level of the modulator with 30pps. This paper presents the operational characteristics of the high power pulse modulator, especially the experimental results of the AC line harmonic components generated by the operation of the high power pulse modulator to suppress the switching noises from the SCR and rectifying diode arrays.
A pulse generator of one stage magnetic pulse compression modulator was simulated by electromagnetic transients program (EMTP). The pulse generator was expected to generate ${\sim}80kV$ peak voltage, ${\sim}140ns$ pulse width and about $70{\sim}75%$ energy delivery efficiency from initial charge capacitor $(0.2{\mu}F)$ to dummy load $(25{\Omega})$. From this simulation, the scheme of pulse circuit could be estimated as a practically reasonable design.
Microwave heating system of KSTAR consists of ECH and LHCD. ECH and LHCD offer the reliability of operation in the beginning of plasma formation and non-inductive current drive for long time steady state operation with maintaining MHD stability, respectively. LHCD demands 5 GHz of frequency and consists of c-band waveguide, 4-port circuitor, dry dummy load, dual directional coupler, E-bend, arc detector. Our system is a lineup type pulse modulator that has 45 kV of output pulse voltage, 90 A of pulse current, 4 us of pulse width. 1:4 step-up pulse transformer, 7 stages of PFN and thyratron tube (E2V, CX1191D) are used in this modulator. The purpose of this paper is to show the modulator design and experimental result.
Jang, Sung-Duck;Son, Yoon-Gyu;Oh, Jong-Seok;Bae, Young-Soon;Cho, Moo-Hyun;NamKung, Won
Nuclear Engineering and Technology
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제38권8호
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pp.785-792
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2006
The microwave heating system of KSTAR consists of ECH and LHCD. ECH and LHCD offer the benefits ofa reliable operation at the start of plasma formation and a non-inductive current drive durable steady state operation, respectively. LHCD uses a C-band microwave system with a frequency of 5 GHz. A pulsed power modulator with a power of 3.6 MW, $4{\mu}S$, 200 pps is required to drive the high-powered magnetron. The development of a pulse modulator with 1:4 pulse transformers is the focus of the research in this study. The peak power handling capability is 3.6 MW (45 kV, 90 A at load side with a pulse width of $4{\mu}S$). This paper describes the system overview and test results of the pulsed modulator. In particular, a simulated waveform is compared with the tested waveform.
일반적으로 추력기는 on/off 제어 방식을 이용한다. Bang-Bang Control, PWM(Pulse Width Modulator), PWPF(Pulse Width Pulse Frequency) 등이 그 방법으로 많이 이용되고 있다. PWPF를 설계할 때 파라미터($K_m$, ${\tau}$, $U_{on}$, $U_{off}$, $U_m$)를 잘못 선정하면 위상 지연, 연료 낭비, 수명 감소 등이 발생한다. 그러므로 파라미터가 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하고 적절한 파라미터를 선정하여야 한다. 본 논문은 정적 해석을 수행하여 PWPF 파라미터 설계방안을 제시하였으며, 동적 분석 및 시뮬레이션을 수행하여 설계변수에 미치는 상호 영향을 분석하였다.
본 논문에서는 광량 변화에 따른 저전력 작은 면적을 가지는 포토플래시 용 펄스폭 변조기를 제안한다. 광량 제어 회로는 정전용량, 포토다이오드, 그리고 비교기로 꾸밀 수 있다. 제안된 펄스폭 변조기는 대기 전력 소모를 줄이기 위해서 비교기를 제외한 모든 부분을 디지털회로로 설계하였다. 그리고 IGBT 드라이버는 지연 소자를 사용하여 단락 방지 회로를 추가하였다. 제안된 펄스폭 변조기는 $0.5V{\sim}2.5V$의 변조 신호 전압의 범위와 300Hz 동작 속도에서 $0.14ms{\sim}1.65ms$의 펄스폭 변조 범위를 가진다. 제안된 펄스폭 변조기는 $0.35{\mu}m$ CMOS 공정으로 제작되었으며, $0.85mm{\times}0.56mm$의 면적을 가진다. 제안된 회로는 300Hz 그리고 3.0V에서 3.0mW의 전력을 소모한다.
Ryoo, Hong-Je;Kim, Jong-Soo;Rim, Geun-Hie;Goussev, G.I.;Sytykh, D.
전기학회논문지
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제56권1호
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pp.88-99
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2007
In this paper, a novel new pulse power generator based on IGBT stacks is proposed for pulse power application. Because it can generate up to 60kV pulse output voltage without any step- up transformer or pulse forming network, it has advantages of fast rising time, easiness of pulse width variation and rectangular pulse shape. Proposed scheme consists of series connected 9 power stages to generate maximum 60kV output pulse and one series resonant power inverter to charge DC capacitor voltage. Each power stages are configured as 8 series connected power cells and each power cell generates up to 850VDC pulse. Finally pulse output voltage is applied using total 72 series connected IGBTs. To reduce component for gate power supply, a simple and robust gate drive circuit is proposed. For gating signal synchronization, full bridge invertor and pulse transformer generates on-off signals of IGBT gating with gate power simultaneously and it has very good characteristics of short circuit protection.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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