開關型掃描磁鐵電源的研制

胡鵬飛 李 瑞 胡志敏 王東興 李德明

(中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800)

2–5 MeV高頻高壓型電子加速器廣泛應用于電線電纜和熱縮產品交流、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是：1) 輸出功率管承受的功率較大，可靠性低；2) 電路保護僅考慮功率輸出級出現事故的可能性，對掃描信號發生器的事故不能保護；3) 需四根輸出線，不方便。

開關電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬等優點，廣泛應用于機械、電力、石化、汽車、新能源和各類加速器等領域。根據此類掃描電源的技術要求，我們設計了電流峰值為±4～±16 A的三角波開關型掃描磁鐵電源，本文介紹其研制方案。

1 電源設計

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

圖1 電源系統框圖Fig.1 Block diagram of power supply system.

1.1 整流濾波電路

磁鐵負載電感為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。考慮到Buck電路最大占空比為0.9及電路損耗，設計變壓器次級輸出電壓為170 V，輸出最大電流2.4 A。濾波電容C1選用1000 μF/ 450 V電容，設計電壓紋波<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備損壞，故采用工頻變壓器，實現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轉換，通過調整功率管開關時間控制輸出電壓 Vf，開關頻率為 50 kHz，選用通用型PWM芯片TL494實現。

Buck電路占空比為0.5時，L1上電流波動最大，設L1上電流波動小于±35%，則

其中E為Buck電路輸入級最高有效值電壓，Dt為一個周期內Buck電路的開通時間，Di為電流最大波動值。

選用L1為1.5 mH、C2為330 μF。實測滿功率輸出條件下L1上電流波動為0.7 A，C2上電壓波動為5.8 V，滿足設計要求。

1.3 負反饋控制電路

閉環負反饋控制電路有穩定和調節Vo的功能。取樣電壓Vf經PID校正后送至PWM生成器，自動調節開關管導通時間，起到穩定Vo作用，控制電壓Vcontrol利用運放EA虛短、虛斷特點，調節PWM的占空比，實現Vo從36–195 V連續可調的功能。

被校正對象的傳遞函數為：

校正零點為4.8 Hz，極點為0 Hz和1.6 kHz。而LC電路產生的二極極點在500 Hz左右。零點選用4.8 Hz對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是開關電源穩定運行的核心部件，得有安全可靠的驅動電路。IRS2453D[3]可進行 H橋驅動，最高承受電壓600 V，死區時間1 μs, 工作頻率100 Hz–100 kHz。選用IRS2453D產生工作頻率為150 Hz、死區時間為1 μs的全橋電壓信號。

實驗時電路工作在150 Hz時輸出不穩定，有可能死區時間紊亂，從而損壞功率管，所以在 IRS 2453D后加兩路IR2110[4]進行IGBT驅動。

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時為40 A。正常工作時的最大電流為16 A，滿足實際工作要求。

1.5 過流保護電路

過流保護是通過從負載中取樣電流實現，使電流限制在±3.5～±16.5 A，采用LM393和555設計啟動延時電路(圖2)。

圖2 啟動延時電路Fig.2 Start delay circuit.

電路開啟時，15 V電壓經R2和C2作用產生指數形電壓輸入LM393的3端，并與電壓2端比較，使W1在0.6 μs內不會參與到限流比較中，在0.6 μs后電流若超出額定范圍就會報警，且通過固態繼電器控制電壓輸入，起到保護電路的作用。

2 輸出電流線性誤差

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

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

圖3 負載RL等效電路圖Fig.3 Equivalent RL circuit of the load.

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

其中，I2為L上線性輸出電流。

線性誤差數值為ΔIL=I1–I2，則線性誤差比例為

計算得：

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 實驗結果

加速器要求輸出可調、紋波小和高可靠性的三角波掃描磁鐵電源，技術指標為：輸入電壓220 V，工作頻率150 Hz，輸出電流峰峰值范圍±4–±16 A，設置內控和外控，在輸出電流峰值達16 A時對應控制電壓為5 V。

實際電源測試表明，當輸入電壓為220 V時，母線電壓Vo輸出為190 V，負載電流峰值輸出為16 A，外控顯示輸出為 5 V，負載電流最大波動為0.6%，滿足設計要求(圖5)。

圖5 開關型掃描磁鐵電源實測結果Fig.5 Results of the beam-scanning power supply.

4 結語

掃描磁鐵電源采用開關電源技術，具有高穩定性、高效率、頻率可調等優點，同時，可減小電源體積，降低設備成本，保證了加速器高效、可靠運行。在近似三角波電流方面可采用閉環負反饋優化，使線性誤差進一步降低；在PID校正環節，可進一步優化參數，使電源電流的工作范圍擴大，穩定性進一步增強。該電源在加速器已正常使用，并運行良好。

1 龔培榮, 盧宋林, 斯厚智. 新型地那米加速器磁場掃描電源的研制[J]. 核技術, 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]. 原子能科學技術, 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. 開關電源的原理與設計[M]. 北京:電子工業出版社, 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/