高精度的IGBT开关脉冲直流稳流电源

2003年第25卷第5期第11页

电气传动自动化

E LECTRIC D RIVE AUTOMATI O N

V ol.25,N o.5

2003,25(5):11～13

文章编号:1005—7277(2003)05—0011—03

高精度的IG B T开关脉冲/直流稳流电源

万国华,党怀东,郭宏林,王有云

(天水电气传动研究所,甘肃天水741018)

摘要:介绍了一种高精度的大功率IG BT脉冲/直流稳流电源,分析并讨论了IG BT电源的电流快速性和IG BT 线性控制技术。

关键词:电流稳定度;纹波;脉冲;高精度;电源;IG BT斩波;线性控制

中图分类号:T M91文献标识码:B

Hi g h-p recision IGBT switch p ulse/DC current stabilized p ow er su pp l y

WAN Guo-hua,DANG Huai-don g,GUO Hon g-lin,WANG Y ou-y un

(T ianshui Electr ic Dr iv e Resear ch Institute,T ianshui741018,China) Abstract:A hi g h-p recision bi g-p ow er IG BT p ulse/DC current stabilized p ow er su pp l y is p resented.T he IG BT p ow er su pp l y w ith hi g h s p eed character and IG BTlinearit y control technolo gy are anal y zed and discussed.

K e y w ords:current stabilit y;ri pp le;p ulse;hi g h-p recision;p ow er su pp l y;IG BT cho pp er;linearit y control

1引言

近几年,随着我国在高、精、尖技术的不断发展,特别是高能物理研究和重离子加速器在工业和医疗上越来越多的应用,需要许多高性能的加速器磁铁电源。在离子加速器中,要求磁场建立和离子注入严格同步,离子注入时磁场迅速建立,离子去时磁场迅速消失,因而需快速响应无滞后的脉冲电流源。同时因离子质量轻,电流的波动将影响磁系统的束流能力,故电源电流必须满足极低的纹波(10-4-10-5)和高稳定度的要求(10-4-10-5)。

随着近几年IG BT开关器件的不断发展,其电流、电压等级不断提高,可以使用IG BT开关器件组成同步加速器磁铁电源(大、中、小容量均可),这种电源采用H桥PWM斩波来调节输出电压和电流,经无源LC滤波(因IG BT器件工作开关频率高,电源输出频率可达20kH z左右,这样无源滤波容量较小),负载上就能得到电流纹波极小的直流电流。由于IG BT开关频率可达20kH z,其滞后时间约为0.05ms,远小于晶闸管整流的滞后时间,缩短了系统调节时间,为电流调节提供了一个快速调节通道,使得系统实际电流近似于无滞后的跟踪给定电流。

本文提出了一种用IG BT开关器件组成的大电流、高精度的快脉冲/直流稳流电源,并进行系统设计和实验。结果表明该系统设计合理,动态响应快、精度高、效率高、成本低、体积小,可以满足重离子加速器对负载电源的要求。2系统主回路

系统主回路结构如图1所示,由于电源工作模式为脉冲/直流,当电源电流快速上升(或下降)到给定电流时,系统开始长期稳定运行直至下一个脉冲开始。因此为了节约能源,提高效率及降低成本,采用如图1所示的方案。IG BT5仅作为二极管使用,其目的是为了方便叠层母排的设计,以便更好地抑制IG BT开通关断时产生的尖峰电压。由变压器(T2)、整流器(A2)、L2、C2、IG BT5组成稳流工作时PWM斩波电路的供电源,输出电压为U2;T1、A1、L1、C1、IG BT6组成脉冲工作时PWM斩波电路的强触发供电电源,其输出电压为U1。当电流上升时,IG BT6开通,U1电压作用到H桥PWM电路;当电流上升到给定电流时,IG BT6关断,此时H桥PWM

电路的

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・12・2003年第5期

供电电压为U2。系统中,若负载电阻为R fz,电感为L fz,负载电流为I fz。

U2=[(I fz×R fz)+3U T]×α1

U1=[(I fz×R fz)+L fz×(d i/d t)+3U T]×α2

式中:U T为IG BT导通压降。α1、α2为系数,包括IG2 BT导通的占空比,LC滤波消耗的电能等。α1、α2一般取1.1～1.5,若α取太大,则占空比一定小,这样输出纹波增大,滤波容量大。

当负载需要正电流(负载上正下负)时,IG BT2、IG BT3工作;负载需要负电流(下正上负)时,IG BT1、IG BT4工作,高频开关器件IG BT工作频率为5～10kH z,这种输出载波频率为10～20kH z。

3系统控制结构

系统控制结构如图2所示。

电流给定(I

g

)与电流反馈比较后,经过PI运算,来控制PWM脉冲信号(A7、A10),再根据A5判断的给定信号的正负来判断IG BT1、IG BT4工作或IG BT2、IG BT3工作,从而使负载得到正或负的输出电流,图2中电流反馈用于保证系统的精度和稳定度。但这种输入为脉冲信号的工作状态下,单靠反馈控制满足系统跟踪性和快速性是困难的,为此引入前馈控制构成复合控制来缩短系统的调节时间。图2中PWM前馈(A6)是为了改善系统的跟踪性能;A3为微分判断,主要以微分判断给定的变化率是否满足设定的变化率,以及判断给定电流是否在上升时满足设定的变化率条件,从而给出一个IG BT6导通的条件;A2(实际电流判断)判断实际电流是否达到设定值,若没有达到,则给出一个IG BT6导通的另一个条件,若实际电流达到设定值,则控制A3线性关断IG BT6。

一般来说IG BT为开关器件,它不象调整管那样工作在线性区,但在特殊场合IG BT要求工作在线性区。在此方案中,若将IG BT作为开关器件使用,当实际电流达到给定电流时,IG BT6关断,电流波形会出现一个向下的缺口。这是由于突然去掉强触

发电压U1,而稳态工作电压U2不能维持磁

铁负载的大电流。因此,IG BT6在此类电源中

不能作为开关器件工作,

在IG BT6关断时必须作为

线性器件工作。

FZ1600R12K F4(1600A/

1200V)IG BT的V G E与I C

之间的关系如图4所示。

由图4可知,当IG BT工作

控制电压V G E在6.8V～10.4V之间时,I C的电流在线性变化。当A4控制单元得到让IG BT6线性关断的信号后,通过实际电流信号与给定的电流信号比较,来控制IG BT6线性关断,从而避免IG BT6关断时的电流波形缺口。

4系统设计及试验结果

以下是根据上述方案为某研究所设计的一台重离子加速器磁铁电源。其参数如下,工作模式:脉冲/直流;磁铁电感l=0.0187H;电阻R l=0.0282Ω;输出电压U L=0～130V;电流0～1050A;电流长期稳定度(S I)小于:1×10-4/8h(1050A时)。

S I=[(I M AX-I MI N)/(I M AX+I MI N)]×2

式中:I M AX为8小时内的电流最大值;I MI N为8小时内的电流最小值;电流纹波小于为1×10-4(1050A 时);电流上升时间为0.2s。

从参数中可以得出,电流稳定时供电电压U2=

30V;电流上升时供电电压U1=130V。电流稳