一種波形可編程掃描電源研制

李 瑞 胡志敏 胡鵬飛

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

開關(guān)電源技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、科研設(shè)備等領(lǐng)域，具有效率高、體積小、重量輕等特點(diǎn)。輻照處理可使產(chǎn)品可能載帶的致病菌減少至安全水平，但輻射消毒、滅菌產(chǎn)品的吸收劑量分布，要有較好的均勻性。低能電子加速器是重要的輻照設(shè)備，電子束由掃描磁鐵的作用而均勻照射到待輻照物品上，因此掃描電源的性能對(duì)電子束滅菌效果有重要影響。

本文設(shè)計(jì)一臺(tái)峰值電流為±14 A、工作頻率10–20 Hz連續(xù)可調(diào)、線性誤差小于0.1%的三角波掃描磁鐵電源以滿足滅菌加速器的需求。該掃描電源由斬波穩(wěn)壓部分、四象限變換器、負(fù)反饋控制電路組成。斬波穩(wěn)壓電路技術(shù)成熟，可參閱文獻(xiàn)[1]。

1 電源設(shè)計(jì)

1.1 概述

掃描頻率在 100 Hz以上的掃描電源通常采用開環(huán)控制模式，即在負(fù)載磁鐵兩端加一個(gè)方波電壓，由于是感性負(fù)載，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指數(shù)波形電流，但由于波形的工作周期遠(yuǎn)小于磁鐵的時(shí)間常數(shù)，因此可得到一個(gè)近似的三角波掃描電流。

本課題中掃描電源的負(fù)載電感為26 mH，電阻值0.55 ?，時(shí)間常數(shù)為52 ms，而掃描電流的周期為67 ms，二者非常接近，致使輸出電流是一個(gè)指數(shù)曲線，而非期望的三角波。同時(shí)，負(fù)載變化也會(huì)對(duì)掃描電流產(chǎn)生影響，從而影響消毒效果，因此本電源采用電流閉環(huán)反饋方式，實(shí)現(xiàn)精密三角波掃描電流。

1.2 工作原理

圖1中i(t)是理想的輸出電流波形，iL(t)為采用高頻調(diào)制掃描鐵中的電流波形，UL(t)是加在負(fù)載電感兩端的電壓曲線。

圖1 波形實(shí)現(xiàn)原理Fig.1 Modulation for load current.

負(fù)載電壓為：U=Ldi(t)/dt，其中U為負(fù)載電感兩端電壓，L為負(fù)載電感量，R為負(fù)載電阻，i(t)為負(fù)載電流。由此可知，該負(fù)載峰值感應(yīng)電壓為25 V。

掃描磁鐵中50 kHz高頻紋波電流為：Δi=uTon/(DL)=2.5×10?5/(0.8×2.26) = 12 mA，其中，Δi為高頻紋波電流，Ton為脈沖電壓寬度，D為占空比，L為負(fù)載電感量。高頻紋波電流相對(duì)于滿刻度電流比值為：γ=Δi/ip= 0.012/14 = 8.5×10?4。式中，ip為輸出電流峰值。因此，高頻紋波電流相對(duì)于滿度電流，誤差小于0.1%，滿足使用要求。

1.3 參考掃描波形發(fā)生模塊

如圖2所示，B1模塊功能是產(chǎn)生波形對(duì)稱鋸齒波參考源，U3B接成正反饋電路，用以產(chǎn)生振蕩的方波，D1、D2是5.1 V的穩(wěn)壓二極管，對(duì)輸出的方波進(jìn)行整形，產(chǎn)生對(duì)稱的比較電壓，U3A是一個(gè)積分電路，對(duì)輸入的方波進(jìn)行積分從而輸出一個(gè)三角波。輸出波形的頻率由R5和C2確定，調(diào)整R5可改變掃描波形的頻率。

圖2 掃描電源控制電路Fig.2 Control circuit for the scanning power supply.

1.4 H橋變換器設(shè)計(jì)

B3模塊用以產(chǎn)生50 kHz的PWM波形，Ho和Lo互補(bǔ)輸出，分別作為專用驅(qū)動(dòng)芯片IRS2110[2]的輸入信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、無(wú)需為半橋上管提供隔離驅(qū)動(dòng)電源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

H橋電路的四個(gè)功率管(T1和T4一組，T2和T3一組)輪流導(dǎo)通，從而在電感L1和電阻R5上產(chǎn)生交替的高頻電壓(圖 3)。如圖 1所示，在電流iL(t)的上升段，T1導(dǎo)通時(shí)間比T2長(zhǎng)，電感電流持續(xù)增加，在電流iL(t)的下降段，T1導(dǎo)通時(shí)間比T2短，電感電流持續(xù)減小。

圖3 掃描電源主變換電路Fig.3 H bridge convert.

1.5 反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，B2模塊是并聯(lián)電流負(fù)反饋[3]，其傳遞函數(shù)為：

由此產(chǎn)生的極點(diǎn)為：fp1= (C3+C5)/(2πR8C3C5)，產(chǎn)生的零點(diǎn)為：fz= 1/(2πR8C3)，負(fù)載兩端電壓引起的電流傳遞函數(shù)為：G(s) =1/R15(s L1/R15+1)，其中，L1為負(fù)載電感量，R15為負(fù)載電阻。

負(fù)載電感產(chǎn)生的極點(diǎn)：fp2=R15/(2πL1)，為使掃描電源有最大帶寬，將零點(diǎn)fz和負(fù)載電感極點(diǎn)fp2盡量靠近，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖4，CH3是圖2中U3B的輸出波形，是一個(gè)對(duì)稱的方波，該對(duì)稱方波通過(guò)U3A構(gòu)成的積分器變成一個(gè)對(duì)稱的頻率可編程的三角波CH2，作為掃描電源的電流給定信號(hào)。CH1是掃描電源的實(shí)測(cè)輸出電流波形，完全跟蹤和復(fù)現(xiàn)了CH2的波形。圖5為H橋變換器上下功率管的工作波形，為防止上下管出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通，設(shè)置了1 ms左右的死區(qū)時(shí)間。

圖4 輸出波形Fig.4 Output waveform.

圖5 H橋上下橋臂門極波形Fig.5 MosFet gate waveform of H bridge.

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)測(cè)波形驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，調(diào)節(jié)R5可改變掃描電流的工作頻率，實(shí)現(xiàn)從10–20 Hz可調(diào)。由于采用恒定電流積分技術(shù)，因此，參考波形是一個(gè)線性對(duì)稱的三角波。調(diào)節(jié)圖2中電位器R6可改變B2負(fù)反饋模塊給定波形的幅度，由于電流并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸出電流將會(huì)跟蹤參考波形，從而實(shí)現(xiàn)用高頻調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)掃描電源的閉環(huán)反饋，電流對(duì)稱性和線性度不再受制于負(fù)載的變化，滿足技術(shù)要求。

1 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, 1998 ZHANG Zhansong, CAI Xuansan. Principle and design for switching power supply[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 1998

2 International Rectifier, www. irf. com, data sheet No.Pd60147-N

3 童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1988 TONG Shibai. Analog electronics[M]. Beijing: Higher Education Press, 1988