開關(guān)型掃描磁鐵電源的研制

胡鵬飛 李 瑞 胡志敏 王東興 李德明

(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

2–5 MeV高頻高壓型電子加速器廣泛應(yīng)用于電線電纜和熱縮產(chǎn)品交流、食品輻照、廢水處理等，它們的束流掃描的電流波形多采用線性反饋電路獲取[1]，此類掃描電源的缺點(diǎn)是：1) 輸出功率管承受的功率較大，可靠性低；2) 電路保護(hù)僅考慮功率輸出級(jí)出現(xiàn)事故的可能性，對(duì)掃描信號(hào)發(fā)生器的事故不能保護(hù)；3) 需四根輸出線，不方便。

開關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電力、石化、汽車、新能源和各類加速器等領(lǐng)域。根據(jù)此類掃描電源的技術(shù)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了電流峰值為±4～±16 A的三角波開關(guān)型掃描磁鐵電源，本文介紹其研制方案。

1 電源設(shè)計(jì)

三角波開關(guān)電源由整流濾波電路、Buck電路、負(fù)反饋控制電路、H橋逆變電路和過流保護(hù)電路組成(圖1)。通過整流濾波、Buck降壓和負(fù)反饋控制電路輸出穩(wěn)定可調(diào)的電壓Vo。Vo作為H橋逆變電路的供電電壓，逆變產(chǎn)生的可調(diào)方波電壓提供給感性負(fù)載，從而在磁鐵負(fù)載中形成近似三角波電流。

圖1 電源系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of power supply system.

1.1 整流濾波電路

磁鐵負(fù)載電感為12.4 mH，電阻為4.4 ?，要求輸出峰值電流為16 A，所需峰值電壓190 V，平均功率400 W?？紤]到Buck電路最大占空比為0.9及電路損耗，設(shè)計(jì)變壓器次級(jí)輸出電壓為170 V，輸出最大電流2.4 A。濾波電容C1選用1000 μF/ 450 V電容，設(shè)計(jì)電壓紋波<13%，功率電阻R1為泄放電阻。

由于該掃描電源用于5 MeV高壓加速器上，為避免加速器高壓打火引起掃描電源設(shè)備損壞，故采用工頻變壓器，實(shí)現(xiàn)隔離和電壓變換雙重功能。

1.2 Buck降壓電路

Buck降壓電路[2]完成DC-DC轉(zhuǎn)換，通過調(diào)整功率管開關(guān)時(shí)間控制輸出電壓 Vf，開關(guān)頻率為 50 kHz，選用通用型PWM芯片TL494實(shí)現(xiàn)。

Buck電路占空比為0.5時(shí)，L1上電流波動(dòng)最大，設(shè)L1上電流波動(dòng)小于±35%，則

其中E為Buck電路輸入級(jí)最高有效值電壓，Dt為一個(gè)周期內(nèi)Buck電路的開通時(shí)間，Di為電流最大波動(dòng)值。

選用L1為1.5 mH、C2為330 μF。實(shí)測(cè)滿功率輸出條件下L1上電流波動(dòng)為0.7 A，C2上電壓波動(dòng)為5.8 V，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 負(fù)反饋控制電路

閉環(huán)負(fù)反饋控制電路有穩(wěn)定和調(diào)節(jié)Vo的功能。取樣電壓Vf經(jīng)PID校正后送至PWM生成器，自動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，起到穩(wěn)定Vo作用，控制電壓Vcontrol利用運(yùn)放EA虛短、虛斷特點(diǎn)，調(diào)節(jié)PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)Vo從36–195 V連續(xù)可調(diào)的功能。

被校正對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

校正零點(diǎn)為4.8 Hz，極點(diǎn)為0 Hz和1.6 kHz。而LC電路產(chǎn)生的二極極點(diǎn)在500 Hz左右。零點(diǎn)選用4.8 Hz對(duì)電路震蕩起到了良好的抑制作用。

1.4 H橋逆變控制電路

IGBT是開關(guān)電源穩(wěn)定運(yùn)行的核心部件，得有安全可靠的驅(qū)動(dòng)電路。IRS2453D[3]可進(jìn)行 H橋驅(qū)動(dòng)，最高承受電壓600 V，死區(qū)時(shí)間1 μs, 工作頻率100 Hz–100 kHz。選用IRS2453D產(chǎn)生工作頻率為150 Hz、死區(qū)時(shí)間為1 μs的全橋電壓信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)電路工作在150 Hz時(shí)輸出不穩(wěn)定，有可能死區(qū)時(shí)間紊亂，從而損壞功率管，所以在 IRS 2453D后加兩路IR2110[4]進(jìn)行IGBT驅(qū)動(dòng)。

功率管選用 80N60[5]，承受的最高電壓為 600 V，在25oC可通過最大電流為80 A，100oC時(shí)為40 A。正常工作時(shí)的最大電流為16 A，滿足實(shí)際工作要求。

1.5 過流保護(hù)電路

過流保護(hù)是通過從負(fù)載中取樣電流實(shí)現(xiàn)，使電流限制在±3.5～±16.5 A，采用LM393和555設(shè)計(jì)啟動(dòng)延時(shí)電路(圖2)。

圖2 啟動(dòng)延時(shí)電路Fig.2 Start delay circuit.

電路開啟時(shí)，15 V電壓經(jīng)R2和C2作用產(chǎn)生指數(shù)形電壓輸入LM393的3端，并與電壓2端比較，使W1在0.6 μs內(nèi)不會(huì)參與到限流比較中，在0.6 μs后電流若超出額定范圍就會(huì)報(bào)警，且通過固態(tài)繼電器控制電壓輸入，起到保護(hù)電路的作用。

2 輸出電流線性誤差

磁鐵線圈為感性負(fù)載，可用RL串聯(lián)等效回路(圖3)形成三角波[6]，電路電壓電流方程為：

其中，L為負(fù)載等效電感，RL為負(fù)載等效電阻，I1為L(zhǎng)上電流，Us為負(fù)載供電電壓。

圖3 負(fù)載RL等效電路圖Fig.3 Equivalent RL circuit of the load.

當(dāng)電路Us為方波輸入時(shí)，L上的電流以指數(shù)形式變化(圖4a)。由于負(fù)載等效電阻R的存在，L上的電流以指數(shù)而非線性輸出(圖4b中曲線1)。當(dāng)周期較小、頻率較大時(shí)，相當(dāng)于取近似指數(shù)曲線上最初近似線性的一部分(圖4b中曲線2)，感性負(fù)載電流近似為三角波。線性輸出電流方程為：

其中，I2為L(zhǎng)上線性輸出電流。

線性誤差數(shù)值為ΔIL=I1–I2，則線性誤差比例為

計(jì)算得：

圖4 L上電流變化(a)及線性近似(b)Fig.4 Current variation (a) and current linear approximation on L(b).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

加速器要求輸出可調(diào)、紋波小和高可靠性的三角波掃描磁鐵電源，技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓220 V，工作頻率150 Hz，輸出電流峰峰值范圍±4–±16 A，設(shè)置內(nèi)控和外控，在輸出電流峰值達(dá)16 A時(shí)對(duì)應(yīng)控制電壓為5 V。

實(shí)際電源測(cè)試表明，當(dāng)輸入電壓為220 V時(shí)，母線電壓Vo輸出為190 V，負(fù)載電流峰值輸出為16 A，外控顯示輸出為 5 V，負(fù)載電流最大波動(dòng)為0.6%，滿足設(shè)計(jì)要求(圖5)。

圖5 開關(guān)型掃描磁鐵電源實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 Results of the beam-scanning power supply.

4 結(jié)語

掃描磁鐵電源采用開關(guān)電源技術(shù)，具有高穩(wěn)定性、高效率、頻率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，可減小電源體積，降低設(shè)備成本，保證了加速器高效、可靠運(yùn)行。在近似三角波電流方面可采用閉環(huán)負(fù)反饋優(yōu)化，使線性誤差進(jìn)一步降低；在PID校正環(huán)節(jié)，可進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，使電源電流的工作范圍擴(kuò)大，穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)。該電源在加速器已正常使用，并運(yùn)行良好。

1 龔培榮, 盧宋林, 斯厚智. 新型地那米加速器磁場(chǎng)掃描電源的研制[J]. 核技術(shù), 1999, 22(1): 1–5

GONG Peirong, LU Songlin, SI Houzhi. New scanningpower supply of Dynamitron accelerator[J]. Nucl Tech, 1999, 22(1): 1–5

2 葛繼云, 張燦哲, 岳力生, 等. 60 A 200 V 重離子掃描磁鐵供電三角波電源[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 1998, 32(1): 65–68

GE Jiyun, ZHANG Canzhe, YUE Lisheng, et al. 60 A 200 V heavy-ion scan magnet power supply triangle[J]. At Energy Sci Technol, 1998, 32(1): 65–68

3 張占松, 蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2004: 16–27

ZHANG Zhansong, CAI Xuansan. Switching power supply schematic and design[M]. Beijing: Electron Ind Press, 2004: 16–27

4 IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF: HIGH AND LOW SIDE DRIVER. www.irf.com

5 IRS2453(1)D(S). SELF-OSCILLATING FULL BRIDGE DRIVER IC. http: // www. irf. Com / technical-info /

6 FGH80N60FD.600V, 80A Field Stop IGBT. http://www. fairchildsemi.com/