2 Hz增強器電源的設計與研制

李 洋，龍鋒利，陳素穎，齊 欣,3，張 旌

(1.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；2.中國科學院大學，北京 100049；3.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803)

高能同步輻射光源增強器的動態電源不同于普通磁鐵電源，輸出電流是具有一定重復頻率的帶直流偏置的正弦波電流[1]。對于感性負載，變化的電流將帶來能量的吞吐。在電流上升階段，磁鐵負載從電網吸收能量，并存儲在電感中；在電流的下降階段，負載向電源回饋能量[2]。為抑制這種能量波動對電網輸入電流的影響，需在輸入級加入功率控制環節[3]，平穩功率波動。與此同時，為實現0.1%的電流跟蹤誤差，電流調節器的PI參數需通過計算和不斷調試達到最小的跟蹤誤差[4]。

本文結合動態電源的工作特點，研制一臺動態電源樣機。通過電路設計和結構設計實現電源所需的全部功能。通過優化電源控制參數，合理選擇測試方法，使輸出電流的跟蹤誤差達到0.1%的目標。

1 電源設計

根據電源輸出電流和功率的要求，電源外觀整體設計采用柜式結構、自下而上的設計方案。電源電流的輸出波形如圖1所示。

圖1 增強器電源的2 Hz偏置正弦波輸出Fig.1 2 Hz offset sine wave output of booster power supply

電路部分由前級的Boost電路和后級的2Q變換器以及輸出濾波環節組成。在控制器的選擇上，采用自主研發的基于CycloneⅡ的FPGA為主的數字電源控制模塊(DPSCM)，結合高精度AD/DA板[5]，滿足了控制的需求，且均采用多環路控制方案，保證電源的可靠運行[6]。電源的規格列于表1。

表1 增強器電源的設計參數Table 1 Design parameter of booster power supply

1.1 電源電路設計

電源電路結構框圖如圖2所示。電源采用三相380 V供電，經過三相變壓器后，得到三相低壓電壓，經過整流后，得到50 V左右的低壓直流電壓。經過升壓電路后[7]，得到約80 V的平穩直流電壓，供輸出級使用。逆變輸出電流經過輸出濾波電路后得到所需交流電流[8]。

圖2 增強器電源電路結構框圖Fig.2 Block diagram of booster power supply circuit

選擇升壓電路作為前級功率控制主要從電路結構方面進行了考慮。如果選用降壓電路，則需為輸入提供平穩的直流電壓，因此需要LC濾波電路來平穩三相整流電壓。這樣增加了系統的成本。

1.2 主電路和控制電路設計

電源控制采用前級和后級分別獨立控制，待母線電壓建立后，后級逆變電路才能正常輸出所需的電流，兩者之間通過聯鎖保護電路來實現。為安全工作，電源在啟動時，設置了軟啟動程序。升壓電路會從零給定逐漸累積到給定電壓，這樣控制母線電壓的占空比就不會突然打開，導致母線電壓過沖，影響到母線電容的安全[9]。電源的整體控制框圖示于圖3。

圖3 電源整體控制框圖Fig.3 Block diagram of power supply overall control

前級升壓電路的功能一方面提供了平穩的母線電壓，另一方面的作用是平穩輸入功率帶給電網的波動。在電源運行期間，隨著輸出電流的正弦變化，母線電壓也會產生2 Hz的低頻波動。通過增加電容容量或提高升壓電路輸出的電壓能減小母線上的低頻波動[10]。前級升壓電路的控制框圖示于圖4。圖4中，iL為前級電感電流，E為母線電壓。

圖4 升壓電路的控制框圖Fig.4 Control block diagram of Boost circuit

后級逆變電路采用兩象限(2Q)變換器[11]，保證在輸出電流正向、輸出電壓正負交替的工作過程中，電源能正常運行。驅動波形采用PWM錯相技術[12]，如圖5所示，在不改變IGBT的開關頻率下，提高了電源的輸出頻率，減小了濾波電感體積，增加了電流輸出的精確度和平穩性。

圖5 后級逆變電路的驅動波形Fig.5 Driving waveform of inverter circuit

電源的控制器采用數字電源控制模塊(DPSCM)。通過設計的背板，將FPGA主板與AD/DA板以及電源板連在一起，并將控制信號引出到電源的主電路部分[13]。通過LabVIEW控制界面可設置數字控制器的各種參數，并能通過控制界面實現對輸出波形的波形下載[14]，如圖6所示。

圖6 DPSCM電源參數控制界面Fig.6 DPSCM power parameter control interface

1.3 結構設計

電源采用下進下出的接線方式。三相濾波器、三相變壓器和軟啟動電路位于機柜的最下方。電源的三相總斷路器和控制電斷路器位于電源前面板的下方。功率單元位于電源機柜的中間。為給負載電感提供能量泄放通道，直流母線上需有足夠的電容，因此將電容組放置在柜體中部。控制機箱和顯示屏位于電源的最上方。

2 電源測試

根據設計要求，跟蹤誤差需達到0.1%。因是正弦波輸出，為便于測量，將時間上的誤差轉化為相位誤差，即給定正弦波形與實際電源輸出波形的相位差要小于0.057°，達到這一要求后即可認為電源滿足了輸出跟蹤誤差小于0.1%。測試框圖如圖7所示。

圖7 跟蹤誤差的測試框圖Fig.7 Test block diagram for tracking error

測試儀器包括：IPC-610研華工控機、NI PXI-1042Q數據采集機箱、PXI-6284(多功能I/O模塊；32路模擬量輸入18位AD，采樣率625 kS/s)、HITEC DCCT 160A(小信號-3 dB，帶寬250 kHz，線性誤差<4 ppm)。

兩路正弦信號數據經過LabVIEW軟件的FFT分析，得到兩路信號的相位差，再減去數字控制器中模數轉換器的濾波時間常數對應的角度，進而得到電源實際跟蹤誤差[15]。從測試結果可看出，電源的跟蹤誤差小于0.1%。電源輸出電流跟蹤誤差的測試界面如圖8所示。

圖8 2 Hz電源跟蹤誤差的測試界面Fig.8 Test interface of tracking error

采樣系統的電壓范圍為0～3 V。通過DCCT傳感器1 000∶1的電流變比和37 Ω采樣電阻的轉換，對應到實際輸出電流最大為81 A。綜合考慮，選擇測試電流為直流31 A疊加交流28 A。這樣進入采樣系統的電壓約為2.2 V。

3 結論

2 Hz增強器電源的設計與研制表明，電源設計合理，實際測試結果滿足設計指標的要求。跟蹤誤差的測試表明，電源能實現小于0.1%的跟蹤誤差，能滿足高能同步輻射光源對增強器電源的要求。