高精度加速器特种磁铁电源的研究(张希泰)

高精度加速器特种磁铁电源的研究

张希泰1, 王有云2 , 党怀东2, 杨荣2

（1. 兰州长城电工股份有限责任公司，甘肃兰州730000

2 .天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741018）

摘要：针对同步加速器系统中小电感、大电流特种磁铁对电源的高稳定度、低纹波的严格要求，提出了一种基于两级Buck Chopper电路串联的多相多重化的拓扑结构，分析了其工作原理。试验结果表明,该方案满足了同步加速器特种磁铁对电源的高要求。

关键词：磁铁；高稳定度；低纹波；多相多重化

中图分类号：TM461 文献标识码：A

Research for the High Precision Power Supply for Special Magnet of the

Synchrotron

ZHANG Xi-tai1, W ANG Y ou-yun2, DANG Huai-dong2, YANG rong2

(1. Lanzhou Great Wall Electrical co.,LTD Lanzhou 730000, China

2. Tianshui Electric Drive Research Institute Co.,Ltd, Tianshui 741018, China)

Abstract: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 researched 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 configuration

1. 引言

随着电力电子技术的迅速发展，高频开关电源的应用已越来越广泛。特别是近年来基础物理研究在工业和医疗上越来越多的应用，我国加大了各种加速器的建设，这就需要高性能的加速器磁铁电源。加速器物理研究领域，常常需要具有

1作者简介：

张希泰：男，陕西户县人，1962年11月生，高级工程师，硕士，研究方向为中压电器、高精度加速器特种电源

大电流（2000A左右）输出能力的稳流电源向小电感（≤1mH）的磁铁供给励磁电流，这些应用要求电源的输出电流具有很高的稳定度（10-4-10-5）和极低的电压纹波（10-3-10-4）[1]。

高精度的加速器磁铁电源过去常采用线性调整管或晶闸管整流电源[2]。线性调整管存在着能量损耗大、效率低、成本高等缺点，不适合用于大功率大电流场合。晶闸管整流电源容量大、系统结构简单，但负载中的谐波（特征谐波和非特征谐波）导致无源（有源）滤波器中负担加重，增加了电源的成本和体积，随着IGBT等开关器件的不断发展，其电流、电压等级不断提高，可以使用IGBT开关器件组成高精度的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斩波或Buck Chopper电路来调节输出电压和电流，经高频无源LC滤波，负载上就能得到电流纹波极小的直流电流。

本文提出了用IGBT开关器件组成的基于两级Buck Chopper电路多相多重化的拓扑结构，来组成大电流、高精度的直流稳流电源，并进行系统设计和实验，结果表明：系统设计合理，动态响应快、精度高、效率高、成本低、体积小，可以满足加速器特种磁铁对负载电源的要求。

2. 两级Buck Chopper电路串联的多相多重拓扑结构及其控制电路

2.1 主回路

本文所述的两级Buck Chopper电路串联的多相多重拓扑结构的主电路简图如图2-1所示。其工作原理是：

图2-1 主电路简图

三相电源经断路器Q接入进线滤波器U11～U14，进线滤波器用来衰减电网与电源间彼此的噪声干扰。变压器T1～T4副边绕组彼此移相15°，三相整流器A1、A2串联构成12脉波整流，A3、A4串联也构成12脉波整流，从电网侧观察这两个12脉波整流则是组成了24脉波整流，这将大大减少电网谐波、提高功率因数。三相整流器A1～A4和滤波电感L1、L2，储能电容C11～C14一起构成两路电压源，为前级降压斩波电路A5～A8供电。前级降压斩波电路A5～A8采用Buck Chopper，4个Buck Chopper分两对并联，使用电压闭环控制，以保证后级

A9、A10和A11、A12输入电压相等且相对恒定。

图2-2 控制电路简图

后级降压斩波电路A9～A12也采用Buck Chopper结构，4个Buck Chopper 并联输出负载电流。与前级降压斩波电路不同的是，后级4个Buck Chopper使用均流控制和移相倍频控制技术，采用Buck Chopper电路多相多重化的拓扑结构[3]。

2.2 控制回路

控制电路如图3-2所示，其工作原理是：

首先，电流给定基准信号送入一比例器转变为电压给定信号，比例器的输出信号与电压传感器U7、U8输出的信号组成电压闭环，然后送入脉冲形成电路和三角波发生器的输出信号进行比较，形成PWM信号，将该PWM信号联接到前级降压斩波电路A5、A6、A7、A8中驱动IGBT，使前级斩波电路工作随电流给定信号变化，以确保后级斩波器占空比恒定。

振荡器产生一高频时钟信号，经分频-移相电路处理成4路彼此相移为1/4周期的三角波。电流给定基准的信号送入减法器，与电流传感器U1输出的信号进行比较，得到一误差信号，将该误差信号用电流调节器放大，然后分别送入减法器，与电流传感器U3、U4、U5、U6输出的信号进行比较，得到四个误差信号，将该四个误差信号分别用均流调节器放大，然后送入脉冲形成电路。和前述四路彼此相移为1/4周期的三角波进行比较，形成PWM信号，将该PWM信号