1、高精度加速器特種磁鐵電源的研究張希泰作者簡介：張希泰：男，陜西戶縣人 ，1962年11月生，高級工程師，碩士，研究方向為中壓電器、高精度加速器特種電源 , 王有云2 , 黨懷東2 , 楊榮2（1. 蘭州長城電工股份有限責任公司，甘肅 蘭州 7300002 .天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅 天水 741018）摘要：針對同步加速器系統中小電感、大電流特種磁鐵對電源的高穩定度、低紋波的嚴格要求，提出了一種基于兩級Buck Chopper電路串聯的多相多重化的拓撲結構，分析了其工作原理。試驗結果表明,該方案滿足了同步加速器特種磁鐵對電源的高要求。關鍵詞：磁鐵；高穩定度；低紋波； 多相多重化中圖

2、分類號：TM461 文獻標識碼：AResearch for the High Precision Power Supply for Special Magnet of the SynchrotronZHANG Xi-tai1, WANG You-yun2, DANG Huai-dong2, YANG rong2(1. Lanzhou Great Wall Electrical co.,LTD Lanzhou 730000, China2. Tianshui Electric Drive Research Institute Co.,Ltd, Tianshui 741018, China)Abs

3、tract: In synchrotron, a few special magnet which with low inductance and high working current has extremely requirements for the power supply, it need high stabilized output current and low voltage ripple. A multiphase and multiple configuration topology based on two buck chopper in parallel is res

4、earched in this paper, the test results indicates this scheme can fulfil the special requirements.Key words: low inductance; high-precision; low voltage ripple; multiphase and multiple configuration1. 引言隨著電力電子技術的迅速發展，高頻開關電源的應用已越來越廣泛。特別是近年來基礎物理研究在工業和醫療上越來越多的應用，我國加大了各種加速器的建設，這就需要高性能的加速器磁鐵電源。加速器物理研究領域，

5、常常需要具有大電流（2000A左右）輸出能力的穩流電源向小電感（1mH）的磁鐵供給勵磁電流，這些應用要求電源的輸出電流具有很高的穩定度（10-4-10-5）和極低的電壓紋波（10-3-10-4）1。 高精度的加速器磁鐵電源過去常采用線性調整管或晶閘管整流電源2。線性調整管存在著能量損耗大、效率低、成本高等缺點，不適合用于大功率大電流場合。晶閘管整流電源容量大、系統結構簡單，但負載中的諧波（特征諧波和非特征諧波）導致無源（有源）濾波器中負擔加重，增加了電源的成本和體積， 隨著IGBT等開關器件的不斷發展，其電流、電壓等級不斷提高，可以使用IGBT開關器件組成高精度的同步加速器磁鐵電源（大、中、小

6、容量均可），這種電源采用H橋PWM斬波或Buck Chopper電路來調節輸出電壓和電流，經高頻無源LC濾波，負載上就能得到電流紋波極小的直流電流。本文提出了用IGBT開關器件組成的基于兩級Buck Chopper電路多相多重化的拓撲結構，來組成大電流、高精度的直流穩流電源，并進行系統設計和實驗，結果表明：系統設計合理，動態響應快、精度高、效率高、成本低、體積小，可以滿足加速器特種磁鐵對負載電源的要求。2. 兩級Buck Chopper電路串聯的多相多重拓撲結構及其控制電路2.1 主回路本文所述的兩級Buck Chopper電路串聯的多相多重拓撲結構的主電路簡圖如圖2-1所示。其工作原理是：圖

7、2-1 主電路簡圖三相電源經斷路器Q接入進線濾波器U11U14，進線濾波器用來衰減電網與電源間彼此的噪聲干擾。變壓器T1T4副邊繞組彼此移相15°，三相整流器A1、A2串聯構成12脈波整流，A3、A4串聯也構成12脈波整流，從電網側觀察這兩個12脈波整流則是組成了24脈波整流，這將大大減少電網諧波、提高功率因數。三相整流器A1A4和濾波電感L1、L2，儲能電容C11C14一起構成兩路電壓源，為前級降壓斬波電路A5A8供電。前級降壓斬波電路A5A8采用Buck Chopper，4個Buck Chopper分兩對并聯，使用電壓閉環控制，以保證后級A9、A10和A11、A12輸入電壓相等且

8、相對恒定。 圖2-2 控制電路簡圖后級降壓斬波電路A9A12也采用Buck Chopper結構，4個Buck Chopper并聯輸出負載電流。與前級降壓斬波電路不同的是，后級4個Buck Chopper使用均流控制和移相倍頻控制技術，采用Buck Chopper電路多相多重化的拓撲結構3。2.2 控制回路控制電路如圖3-2所示，其工作原理是：首先，電流給定基準信號送入一比例器轉變為電壓給定信號，比例器的輸出信號與電壓傳感器U7、U8輸出的信號組成電壓閉環，然后送入脈沖形成電路和三角波發生器的輸出信號進行比較，形成PWM信號，將該PWM信號聯接到前級降壓斬波電路A5、A6、A7、A8中驅動IGB

9、T，使前級斬波電路工作隨電流給定信號變化，以確保后級斬波器占空比恒定。振蕩器產生一高頻時鐘信號，經分頻-移相電路處理成4路彼此相移為1/4周期的三角波。電流給定基準的信號送入減法器，與電流傳感器U1輸出的信號進行比較，得到一誤差信號，將該誤差信號用電流調節器放大，然后分別送入減法器，與電流傳感器U3、U4、U5、U6輸出的信號進行比較，得到四個誤差信號，將該四個誤差信號分別用均流調節器放大，然后送入脈沖形成電路。和前述四路彼此相移為1/4周期的三角波進行比較，形成PWM信號，將該PWM信號聯接到后級降壓斬波電路A9、A10、A11、A12中IGBT的柵極，驅動后級降壓斬波電路工作。該4路PWM

10、信號的占空比被全程控制在85以上，合成輸出頻率達數十千赫茲。用上述方法產生的4路PWM信號彼此相移為1/4周期，若每路PWM信號的頻率為10kHz，則圖2-1中在電源輸出端疊加得到的開關頻率為40kHz，這種方法被稱為移相倍頻控制技術。這樣就增加了輸出電壓的脈動數，而減小了輸出電壓（電流）紋波，加快了電源的調節響應速度。移相倍頻技術的應用，使無源濾波器的工作頻率得到大幅度的提高（如從每路的10kHz增加到輸出端的40kHz）。根據電磁學知識可知，這樣既降低了無源濾波器的容量，又減小了其體積。因為4個均流調節器的給定值都來自電流調節器的輸出，所以4個Buck Chopper都輸出相同大小的電流，

11、具有很好的均流特性。有利于充分發揮每個Buck Chopper橋的輸出能力，避免了自然均流時功率器件容量的浪費。兩級Buck Chopper串聯，多個Buck Chopper并聯輸出的拓撲結構，前級采用PID電壓閉環控制，后級采用總電流和均流兩個電流閉環控制、移相倍頻PWM控制。前級Buck Chopper的作用是抑制電網電壓波動和三相整流器產生的低次諧波對后級電路的影響，保證供給后級降壓斬波電路的電壓源是高穩定度的，這樣就保證后級chopper斬波器始終工作在85左右的占空比，有利于減小輸出電壓（電流）紋波。后級Buck Chopper的作用是通過電流閉環保證輸出電流的高精度和高穩定度。3.

12、裝置設計下面是我們為某加速器特種磁鐵電源設計的高精度磁鐵電源，其主要的技術指標為：工作模式 ： 直流 磁鐵負載參數 ： L=0.6 mH R= 0.069額定輸出電流/電壓 ： 1730A/116V電流穩定度：S ±6×10-5 /8h 電壓紋波：QVr±1×10-3（300Hz以上頻率）；運行方式：連續長期運行 從以上指標可以看出，該電源功率大，負載電感小，輸出電流穩定度高、輸出電壓紋波要求高。方案采用基于兩級Buck Chopper電路的多相多重拓撲結構及其控制電路3.1整流電壓計算對于圖3-1所示電路，其直流輸出電壓Uo為116V (3.1)式中R

13、是負載和電纜的等效電阻，L是負載電感，io是負載的運行電流。由直流輸出電壓Uo確定晶閘管整流電壓=145V (3.2)式中：1是前級降壓斬波電路的導通占空比（00.98），隨著電流給定的增加而線性增加。2是后級降壓斬波電路的導通占空比，一般取0.80.98。VCEsat是IGBT的導通壓降，一般取2.55V，其中VCEsat1是前級降壓斬波電路中IGBT的導通壓降，VCEsat2是后級降壓斬波電路中IGBT的導通壓降，VCEsat可查IGBT廠家的資料可得。3.2開關頻率的選取從減小濾波器件L和C的容量、體積的角度考慮，首先想到盡量選取較高的開關頻率fPWM 。但是從總體上考慮，高頻率并不一定

14、能減小電源的體積。這是因為電路的總損耗與開關周期T成反比。縮短周期會使損耗增大，則IGBT需要更大的散熱器以限制其溫升。決定開關頻率fPWM的另一個因素是IGBT的電壓、電流等級。從IGBT廠家資料可知，隨著電壓、電流等級的增大，IGBT的開關頻率降低。我們選用的IGBT為FF800R12KF 1200V/1600A通常，在硬開關情況下廠家推薦的開關頻率為4kHz15kHz， 我們的設計開關頻率為10kHz，采用移相倍頻控制技術，使電源的輸出頻率為40kHz。3.3輸出濾波器設計4濾波電感的選擇應保證直到輸出最小規定電流（通常為額定電流的1/10）時，電感電流也保持連續。即有 (4.3)式中T

15、on是斬波IGBT的導通時間。Io(min)是輸出電流的最小規定值。濾波電容的選擇必須滿足輸出紋波電壓的要求。在約300kHz以下頻率，輸出紋波電壓僅由電容C和其等效串聯電阻（ESR）Rc決定。由Rc決定的紋波分量與電感斜坡電流峰-峰值成正比，而由C決定的紋波分量與流過C的電流的積分成正比，兩者相位不同。一般應用中，C造成的電壓紋波遠比等效串聯電阻Rc造成的電壓紋波小，因此可以忽略不計。這樣，選擇濾波電容就是選取合適的Rc ，使輸出紋波電壓峰-峰值在要求的范圍內。 (4.4)式中Vor是輸出紋波電壓。根據RcC的平均值近似為常數（5080×10-6·F）來計算。取65

16、15;10-6來求解C，即有 (4.5)該輸出濾波器的截止頻率fc為 (4.6)截止頻率fc的高低將直接影響輸出紋波電壓。在實際設計過程中，選擇電感和電容時，要綜合考慮其重量、尺寸及成本等因素。從改善動態特性看，可考慮選擇小電感量，大電容值。3.4調節器設計如圖3-2所示，第二級4個chopper斬波器是并聯運行來輸出負載電流的，因此需要加入PI均流環來平衡輸出電流，為保證總輸出電流的精度，在均流環外面增加一個高精度的電流PID閉環(設計中均流環比高精度負載電流閉環響應快10倍以上)，這個閉環控制保證第二級多相多重拓撲結構中chopper斬波器占空比始終保持在0.85左右，同時由于占空比的基本

17、恒定，也大大減輕了輸出濾波負擔。為保證第二級chopper斬波器占空比始終保持在0.85左右，這就要求第一級的chopper斬波器為電壓PI閉環。實際設計中，要綜合考慮主電路的拓撲結構和負載的時間常數，還應滿足系統穩定的要求。取剪切頻率Fo為開關頻率的1/10到1/5，為了使系統穩定，通常的準則是：系統在剪切頻率處至少有35°45°的相位裕量；開環增益在剪切頻率附近的斜率應為-1。3.5 現場測試結果分析本文所述電源裝置已經完成現場調試并投入工業運行。 電壓紋波測試Vr±8×10-4（300Hz以上頻率）； Vr20mV （300Hz以下頻率）；圖5-1

18、 Io=600A,電源的輸出紋波電壓如圖5-1所示，經傅立葉分析，電源在工作電流Io=600A時的輸出紋波電壓：300Hz以上Vr35mV ，300Hz以下Vr20mV， Vr=輸出紋波電壓/輸出電壓=7.75×10-4 電流穩定度測試經過20100負載電流的測試電流穩定度：S ±5.5×10-5 /8h，滿足設計指標。電源在1258A電流工作時的8小時穩定度測試曲線如圖5-3所示 圖5-3電源穩定度測試曲線圖經計算電流穩定度S為可靠性：電源連續運行720小時無故障。4.結論開關電源常用的基本拓撲約有14種，每種拓撲都有其自身的特點和適用場合5。經過幾十年的不斷創新和快速發展，衍生的拓撲結構已達數百種。需要設計者結合應用實際，選擇滿足需要、經濟合理的拓撲結構。本文所述高精度特種磁鐵電源的各項測試數據均達到指標要求，證明該拓撲結構和控制原理正確可行。特別是針對小電感、大電流的磁鐵負載，采用基于兩級Buck Chopper電路多相多重化的拓撲結構在減小電壓紋波和提高輸出電流穩定度方面具有顯著效果。該裝置的優點是：輸出電流長期穩定度高、電壓紋波低、響應快、調節精度高。參考文獻：1