高能同步輻射光源高精度直流穩流電源樣機研制

郭曉玲，劉 鵬，韓 超，陳 斌

(1.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；2.東莞中子科學中心，廣東 東莞 523803)

同步輻射光源已成為眾多學科前沿領域不可或缺的大科學裝置，我國現有的同步輻射光源均是中、低能光源，而與國家重大需求和工業核心創新能力相關的研究急需高性能的同步輻射光源支撐。高性能同步輻射光源的建造將大幅縮小我國與國際先進光源的差距，并使我國進入世界先進水平行列，為與國家安全和工業核心創新能力相關的研究領域提供獨一無二的強大支撐[1-5]。即將建設的高能同步輻射光源(HEPS)將成為世界上性能最為先進的光源[6-7]，其能量高、發射度極小，其高能量對加速器的設計、建造和運行提出了很大的挑戰。但目前國內加速器技術的積累與光源建設的需求仍有較大差距，為保證裝置的順利建設，中國科學院高能物理研究所建設了高能光源的驗證裝置(HEPS-TF)[8]，在驗證裝置中，對HEPS的關鍵技術和可能遇到的技術難點進行了提前研究和驗證。

HEPS的電源系統包括增強器電源系統和儲存環電源系統兩大部分[9]，而物理設計中對儲存環四極磁鐵電源的穩定度、紋波等指標提出了很高的要求。為驗證該類型電源的可行性，掌握其關鍵技術，本文在HEPS-TF中研制高精度直流穩流電源樣機。

1 電源樣機參數

在HEPS-TF項目中，四極磁鐵電源樣機的額定工作點設計為290 A/50 V，其主要設計指標列于表1。其中，對電流的長期穩定度要求為10 ppm(8 h)，高于目前國內加速器中常規磁鐵電源的要求。對電源輸出電壓的紋波要求，也普遍高于目前各大加速器常見的磁鐵電源要求[10-12]。

表1 HEPS-TF四極磁鐵電源樣機主要參數Table 1 Parameter of HEPS-TF quadrupole magnet power supply prototype

在HEPS正式項目中，該類型的四極磁鐵電源將多達800余臺。為了滿足加速器系統的可靠、連續運行，在設計階段還需考慮電源的可靠性、可維修性。由于在正式項目中，電源的輸出功率、電流等參數可能與驗證裝置不同，因此電源樣機的研制中還需考慮其靈活性、可調整性等。

2 電路拓撲設計

為了提高電源的靈活性和可靠性，在電源樣機的拓撲結構中采用模塊化設計。模塊化拓撲的優點是電源的輸出靈活、可調整，可根據系統的需要進行模塊的串、并聯，實現大功率或不同功率輸出[13]。在HEPS正式項目中，若對磁鐵電源的輸出功率進行大調整，可根據系統需要改變模塊的數量及連接方式。另外，正式項目中該類型的磁鐵電源數量龐大，若所有電源采用相同類型的模塊，則可提高備用模塊的通用性。在電源發生故障時，通過快速更換備用模塊實現快速維修，降低故障時間。

電源樣機的額定功率設計為15 kW，采用兩個額定輸出為150 A/50 V的模塊并聯的方式。其中，每個模塊由整流和高頻DC/DC兩級組成，其拓撲結構如圖1所示。

前級的整流電路實現380 V交流電到直流電的轉換，經過LC濾波后輸出至后級的高頻DC/DC變換電路。高頻DC/DC電路通過在模塊內部、模塊之間采用串并聯脈寬多重化錯相，提高了電源的等效開關頻率和響應速度，從而進一步降低輸出紋波。通過兩級變化，并合理優化輸出級的LC濾波，可有效降低輸出紋波，提高電源輸出電流的短期穩定度，從而降低電壓紋波，并為電流長期穩定度的達標提供基礎。

圖1 電源樣機單模塊硬件電路拓撲Fig.1 Single module’s hardware topology of power supply prototype

3 控制方案設計

該電源樣機的關鍵點和難點之一在于對電流長期穩定度的要求，若該指標不能達標，則會否定整個物理設計的可行性。電流的穩定度包括長期穩定度和短期穩定度，其中，短期穩定度是長期穩定度的基礎和前提。電源輸出電壓中的低頻紋波含量直接影響電流的短期穩定度，為提高短期穩定度，需盡量降低電壓低頻紋波。另外，為降低電源運行時電源系統之間、電源系統對其他系統設備的干擾和影響，在設計參數中對電壓高頻紋波成分提出較高要求。

本樣機中，電源的控制部分采用數字和模擬調節相結合的控制方式。其中，作為內環的電壓環采用模擬調節的方式。與離散調節的數字控制相比，模擬控制屬于連續調節，它具有調節帶寬和調節速度高的優點。而最外環的電流調節器采用數字控制的方式，采用自主研發的高精度電源數字控制器實現對電流穩定度的精密控制，使輸出電流的穩定度最終達到設計目標。

這種控制方式將數字控制和模擬控制的優點相結合，既具有數字控制的靈活、穩定優勢，又具有模擬調節的帶寬、速度優勢，還能利用經典模擬調節的經驗降低電源生產的要求和難度。相對于純數字控制，模擬調節避免了數字控制對PWM控制精度的限制，降低了兩環的耦合關系，從而降低了樣機調試的難度。樣機的控制框圖結構如圖2所示。

圖2 樣機的控制框圖結構Fig.2 Structure of control block diagram for prototype

電壓控制環作為控制環路的內環，其目的是降低電源輸出的電壓紋波。由于在本電源樣機中采用模塊化設計，因此需在模塊間設計均流控制，以實現模塊間的輸出電流均衡，圖3為內環模擬閉環控制結構。

圖3 模擬閉環控制結構Fig.3 Structure of analog closed-loop control

最內環的均流環實現兩個模塊之間的均流控制，而電壓環的控制則實現對并聯后電壓紋波的抑制。最外環的電流環是保證電流穩定度的關鍵，為實現10 ppm的高穩定度，對電流調節環采用數字控制的方式，這可避免模擬控制的溫度漂移、器件參數漂移等影響。數字控制環路具有如下優點[14]：1) 給定為數字量，避免了給定引入的溫度漂移；2) 通過軟件即可調節和優化電源控制回路的參數，如電源的控制框架發生變化，可通過軟件更改，無需重新設計硬件；3) 電源與其遠程控制系統的接口成為電源的數字控制器的一部分，可直接通過數字量進行電源的本地與加速器控制系統間的信息交互，節省了傳統模擬控制所需的中間數模和模數轉換環節；4) 電源控制系統硬件以大規模集成電路為主，降低了設備故障率；5) 可通過PC機進行全面的電源監控和診斷。

為降低反饋信號中的干擾量，在電流的閉環反饋中采用電流型傳感器。由于電流信號比電壓信號具有更高的抗干擾性，因此采用電流型傳感器可避免采樣信號在傳輸中被干擾。另外，采用電流型DCCT還可將I/V轉換部分設計在靠近AD采樣端，以進一步降低環境的干擾。

影響電流長期穩定度的另一重要因素是電源的溫度漂移，即由溫度變化產生的器件參數變化[15]。由于樣機的最外環控制為數字控制的電流調節器，因此該環路上和環路外的每部分溫度漂移均會影響輸出電流的穩定度。

作為最外環的數字電流控制環，反饋環節中每部分產生的溫度漂移均將對電源整體的輸出產生影響。本樣機中的電流反饋包括電流型DCCT、波段電阻和ADC。為降低DCCT的溫度漂移，自主研發規格為300 A的高精度、低溫度漂移的電流型傳感器；為降低I/V轉換過程引入的溫度漂移，對波段電阻進行了精密的溫度系數測量，并根據測量結果進行電阻配對，以相互抵消溫度漂移系數。最后，為降低ADC受溫度的影響，對AD板的關鍵芯片進行恒溫控制。通過測試，恒溫控制精度可達0.1 ℃[16]。

圖4為高穩定度直流穩流電源樣機，樣機采用水冷的冷卻方式，整機設計為4U機箱，內置兩個電源模塊，并在控制部分集成自主產權的高精度數字控制器。

圖4 高穩定度直流穩流電源樣機Fig.4 High stability DC power supply prototype

4 實驗和測試

對該磁鐵電源樣機的各設計參數進行了測試，測試中所用負載均為167 mΩ電阻性負載。

4.1 長期穩定度

為保證電源樣機在各工作點的電流穩定度均可達到物理要求，在60、150、240和290 A工作電流下，分別對電源進行10 h長期穩定度測試，測試結果波形如圖5所示。通過式(1)計算得到的4個工作點的穩定度列于表2。由表2可知，在4個工作點，電流的長期穩定度均優于設計指標。

圖5 電流長期穩定度測試結果波形Fig.5 Waveform of current long-term stability test result

(1)

其中：S為穩定度；Imax和Imin分別為所測得電流的最大和最小值。

表2 電流長期穩定度測試結果Table 2 Result of current long-term stability test

4.2 電流重復性

物理設計對電源的輸出電流重復性提出10 ppm的要求。為達到此要求，在電流閉環調節中對每次開機穩定后AD的恒溫控制進行量化處理，保證每次開機穩定后關鍵器件的工作溫度相同。電流重復性測量波形如圖6所示。

電流重復性R為：

(2)

其中，Ia1和Ia2分別為兩次測得電流的平均值。測試結果表明，電源的重復性為3.22×10-6，優于設計指標要求。

圖6 電流重復性測試波形Fig.6 Waveform of current repeatability test

4.3 電壓紋波

1) 低頻紋波

在本樣機中，低頻紋波是指600 Hz以下的電壓紋波，4個工作點的測試結果如圖7所示。

由測試結果可見，4個工作點的低頻電壓紋波均小于5 mV，優于設計指標。

2) 高頻紋波

高頻紋波是指高于600 Hz的電壓紋波，其4個工作點的測試結果如圖8所示。測試結果表明，高頻紋波有效值均小于10 mV，優于設計要求40 mV。

輸出電流：a——290 A；b——240 A；c——150 A；d——60 A 圖7 電源輸出低頻電壓紋波波形Fig.7 Waveform of voltage low-frequency ripple

輸出電流：a——290 A；b——240 A；c——150 A；d——60 A圖8 電源輸出高頻電壓紋波波形Fig.8 Waveform of voltage high-frequency ripple

4.4 電源樣機整機溫度系數測試

為測試電源樣機對工作環境溫度的要求，對電源整機的溫度系數進行了測試。測試中，將電源裝入溫度可調的電源機柜中，調節機柜內溫度并測量電源輸出電流的變化。圖9為樣機輸出電流與工作溫度變化波形。

圖9 樣機輸出電流與工作溫度變化波形Fig.9 Waveform of current change with temperature

根據所測數據，計算得到電源的整體溫度系數為0.5 ppm/℃。該結果表明，電源對工作環境溫度要求不高，這可大幅降低HEPS電源系統中對空調系統的要求。

4.5 電源分辨率測試

在額定290 A工作電流下，按0.003 A的步長增加電流，圖10為電源分辨率測試電流波形。由測試結果可知，電源的分辨率達到10-5。

圖10 電源分辨率測試電流波形Fig.10 Current waveform in resolution test

5 結論

為驗證HEPS的物理設計指標在電源系統中的可行性，研制了高精度直流穩流電源。通過實驗證明，物理設計可達到四極磁鐵電源提出的指標要求。通過電源樣機的研制，掌握了該類型電源樣機的關鍵技術，為正式項目中電源的研制和生產積累了經驗。