開關(guān)電源中高帶寬線性調(diào)整支路的應(yīng)用

劉曉光 張 旌 齊 欣 劉云濤 李 君

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

開關(guān)電源中高帶寬線性調(diào)整支路的應(yīng)用

劉曉光1,2張 旌1齊 欣1劉云濤1李 君1

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

在中國散裂中子源中，快循環(huán)同步加速器射頻系統(tǒng)要求偏流源電源的輸出帶寬大于10 kHz，而開關(guān)電源樣機的輸出帶寬最大輸出只有3 kHz，無法滿足帶寬設(shè)計要求。因此在偏流源開關(guān)電源正式工程機中，加入了線性調(diào)整支路，以提高整個系統(tǒng)的輸出帶寬。開關(guān)電源中加入線性調(diào)整支路的方法有多種，本文介紹了開關(guān)電源并聯(lián)線性調(diào)整支路方法的選取原則，分析了不同方法的優(yōu)缺點，并對加入線性調(diào)整支路前后開關(guān)電源的帶寬測試結(jié)果進(jìn)行了對比。測試結(jié)果表明，線性調(diào)整支路可以彌補開關(guān)電源帶寬的不足，加并聯(lián)線性支路后的開關(guān)電源輸出帶寬大于10 kHz。

開關(guān)電源，線性支路，帶寬，測試

中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)是一臺正在建設(shè)中的中等規(guī)模的高通量散裂中子源，其主加速器是一臺25 Hz的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)。在快循環(huán)加速器對粒子進(jìn)行俘獲和加速的過程中，隨著高頻加速電壓頻率的改變，加速腔的諧振頻率也將隨之改變。為滿足鐵氧體加載腔的調(diào)諧需要，要求采用射頻偏流源為腔體提供一個可變直流偏置磁場，對腔的諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。這臺電源的動態(tài)響應(yīng)是射頻偏流源的主要技術(shù)指標(biāo)，其中輸出帶寬要求大于10 kHz。

閉環(huán)幅頻特性的幅值減小到0.707M0(M0為零頻幅值)時的頻率，稱帶寬頻率，用ωb表示。頻率范圍0≤ω≤ωb稱為系統(tǒng)帶寬。帶寬大的系統(tǒng)能通過較高頻率的輸入信號，重現(xiàn)輸入信號的能力較強，但抑制輸入端高頻噪聲的能力較弱[1]。在對數(shù)幅頻特性曲線中，帶寬頻率ωb所對應(yīng)縱坐標(biāo)的值為-3dB。因此在仿真和測試時，將幅頻特性值降至-3dB時所對應(yīng)的頻率視為帶寬頻率。

英國散裂中子源(ISIS)和美國散裂中子源(Spallation Neutron Source, SNS)的射頻偏流源電源都采用了線性電源方案[2]，應(yīng)用大量三極管并聯(lián)輸出，利用三極管的放大作用，對控制電路輸出的小電流信號進(jìn)行線性放大而實現(xiàn)大電流輸出[3]。線性電源的輸出帶寬容易做到很高，但整機體積大，效率低。CSNS/RCS射頻偏流源樣機采用開關(guān)電源方案。開關(guān)電源工作在高頻的開/關(guān)狀態(tài)，體積小，轉(zhuǎn)換效率高，但輸出帶寬較低，單純采用開關(guān)電源很難達(dá)到輸出帶寬10 kHz的指標(biāo)要求。為了使射頻偏流源的輸出帶寬大于10 kHz，進(jìn)而滿足快速調(diào)諧的需求，在開關(guān)電源方案中增加一個線性電源調(diào)整支路來補償開關(guān)電源帶寬不足。

開關(guān)電源中加線性支路的方案在國內(nèi)外電源設(shè)計中應(yīng)用較少，有一定的技術(shù)難度。本文將從電源的結(jié)構(gòu)、線性支路選取原則、帶寬測量結(jié)果等方面介紹開關(guān)電源并聯(lián)線性支路的方案。圖1為并聯(lián)線性支路的開關(guān)電源等效電路圖。

圖1 并聯(lián)線性支路的開關(guān)電源等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of a switching power supply with parallel linear branch.

1 開關(guān)電源并聯(lián)線性支路的結(jié)構(gòu)

偏流源電源的主電路，包含開關(guān)電源和線性調(diào)整支路兩部分。圖2為偏流源電源的主電路結(jié)構(gòu)。

開關(guān)電源主回路采用四模塊并聯(lián)輸出的方案。功率變換單元由變壓器、輸入整流器、Buck降壓斬波電路、儲能電容、二象限斬波器、輸出LC濾波器等部分組成[4]。功率變換分為三級，前級為變壓器不控整流；中間級是Buck降壓斬波部分，采用輸入功率控制電路穩(wěn)定直流母線電壓，同時克服負(fù)載功率波動對電網(wǎng)的影響；后級二象限斬波器采用了先進(jìn)的倍頻斬波技術(shù)，通過DC/DC變換及反饋控制，實現(xiàn)對輸出電流的跟蹤控制，輸出期望的電流波形[5]。

圖2 偏流源電源的主電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Circuit of bias current power supply.

線性調(diào)整支路工作模式為線性調(diào)整單元與電源負(fù)載并聯(lián)，根據(jù)偏流源的輸入給定信號，自動實現(xiàn)輸出電流的快調(diào)節(jié)功能。開關(guān)電源加并聯(lián)線性調(diào)整支路后的整個系統(tǒng)可以簡化為圖1所示的結(jié)構(gòu)。整個電源的工作過程為：將線性調(diào)整支路的給定設(shè)置為零，電源的給定值與負(fù)載電流的反饋值相減后送入線性調(diào)整支路控制器，經(jīng)過比例積分(PI)調(diào)節(jié)后的信號驅(qū)動線性器件，進(jìn)而控制線性調(diào)整支路的輸出電流。通過調(diào)節(jié)線性支路的電流，最終達(dá)到總給定與負(fù)載電流相等的目的。

2 高帶寬線性調(diào)整支路的選取

提高開關(guān)電源系統(tǒng)輸出帶寬，可以采用增加線性調(diào)整支路的方案，這種方案分為兩大類。第一類為線性調(diào)整器件串入主回路。由于線性調(diào)整支路與負(fù)載是串聯(lián)關(guān)系，功耗太大，線性調(diào)整器的選型非常困難，這種方案在成本和效率上都不合適。第二類為線性器件與負(fù)載并聯(lián)，即線性分流方案。

線性分流方案提高系統(tǒng)帶寬的原理為：因開關(guān)電源帶寬有限，因此開關(guān)電源對電流給定信號疊加的高頻信號無響應(yīng)，即開關(guān)電源只能響應(yīng)低頻信號，而加入的高帶寬線性調(diào)整支路反饋點可以檢測到低頻信號的電流，因此線性調(diào)整支路只需輸出疊加的高頻電流信號即可，這樣就實現(xiàn)了提高整個系統(tǒng)帶寬的目的。線性分流方案又可以分為方案一和方案二，其工作過程與原理大致相同。下面介紹線性分流方案一和線性分流方案二的優(yōu)缺點及選擇過程。

圖3為線性分流方案一原理圖，其中Iref為電流給定信號；VCCS為開關(guān)電源；+30 V、-30 V、NPN1及PNP1為高帶寬線性調(diào)整支路；PI為線性調(diào)整支路控制器，反饋點為負(fù)載電流。

圖3 線性分流方案一原理圖Fig.3 Schematic of the first linear diversion program.

線性分流方案一的優(yōu)點是由NPN1與PNP1組成的推拉結(jié)構(gòu)有輸出與吸入電流的能力，損耗較小且較穩(wěn)定，輸出功率時由+30 V與-30 V的電源提供，原有開關(guān)電源不必做任何調(diào)整。缺點是需要額外的兩個電源，NPN1與PNP1需配對，若選用三極管還得多只并聯(lián)；電流過零處存在交越失真現(xiàn)象，當(dāng)要求輸出跟蹤精度達(dá)到0.001時存在技術(shù)風(fēng)險。

圖4為線性分流方案二原理圖。IDC為直流偏置電流源；NPN為高帶寬線性調(diào)整支路；VDC為線性調(diào)整支路墊補電路(在選用IGBT為線性調(diào)整器件時才用)。VDC反接的目的為調(diào)整IGBT的管壓降，使之工作在線性區(qū)及滿足輸出電壓負(fù)壓的情況。

在線性分流方案二中，開關(guān)電源的輸出要先加入一個直流偏置電流，線性調(diào)整支路根據(jù)電流給定信號Iref來調(diào)整負(fù)載電流，與線性分流方案一中吸入電流時的工作狀態(tài)相同。此方案優(yōu)點是多只NPN管或相似特性的IGBT或是MOSFET都可作為線性調(diào)整器件，省去了多只管子配對的麻煩，此外也無電流過零時存在的交越失真現(xiàn)象。缺點是線性支路使用IGBT時功耗比方案一大些，主偏流源（即開關(guān)電源）中需加入一個直流偏置電流源IDC。

圖4 線性分流方案二原理圖Fig.4 Schematic of the second linear diversion program.

然而，解決線性分流方案二的缺點要比解決方案一的缺點更容易。方案二中加入的IDC電流源可在主偏流源內(nèi)部給定上疊加一個直流偏置分量，即IDC由主偏流源提供。雖然方案二的功耗更大，但只要管子選型與散熱處理得當(dāng)，這些問題都較容易，不存在較大的技術(shù)風(fēng)險。綜合考慮后，決定選擇線性分流方案二作為CSNS/RCS的偏流源方案。

對線性分流方案二進(jìn)行系統(tǒng)仿真[6]，給定直流偏置為100 A、幅值為10 A、頻率為10 kHz的交流信號。圖5為10 kHz小信號下系統(tǒng)響應(yīng)圖，輸出電流峰值為107.7 A，交流幅值為7.7 A。由對數(shù)幅頻特性公式得：

式中，Ip_out為輸出交流信號的幅值；Ip_in為給定交流信號的幅值?？梢钥闯觯陬l率為10 kHz時，對數(shù)幅頻特性值大于-3 dB，即輸出信號的幅值還沒有衰減至給定幅值的0.707倍，該方案可以滿足要求。至于實際帶寬能否達(dá)到10 kHz，需實際測試驗證。

圖5 10 kHz小信號下系統(tǒng)響應(yīng)圖Fig.5 Response diagram of small signal at 10 kHz.

3 帶寬測量結(jié)果及分析

分別測量不并聯(lián)線性支路和并聯(lián)線性支路兩種情況下，偏流源輸出帶寬的情況。測試方法為：在100 A直流電流偏置下給定一定頻率的正弦波，其峰值電流為10 A，測試電源輸出響應(yīng)，以-3 dB點作為電源的頻率響應(yīng)帶寬。圖6為不加線性調(diào)整支路的開關(guān)電源輸出帶寬測試曲線；圖7為并聯(lián)線性調(diào)整支路的開關(guān)電源輸出帶寬測試曲線。

圖6 不加線性調(diào)整支路的開關(guān)電源輸出帶寬Fig.6 Output bandwidth of switching power supply without linear branch.

圖7 并聯(lián)線性調(diào)整支路的開關(guān)電源輸出帶寬Fig.7 Output bandwidth of switching power supply with parallel linear branch.

由測試結(jié)果可以看出，在未并聯(lián)線性調(diào)整支路時，偏流源電源輸出頻率響應(yīng)-3 dB所對應(yīng)的頻率大約為3 kHz，因此系統(tǒng)的輸出帶寬僅為3 kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10 kHz的要求。而在并聯(lián)線性調(diào)整支路后，在頻率為2.2 kHz處存在諧振峰，頻率在小于10 kHz時，系統(tǒng)的頻率效應(yīng)始終大于-3 dB，此時系統(tǒng)的輸出帶寬大于10 kHz。

并聯(lián)線性支路后，帶寬實際測試曲線為什么從某個頻段處開始下降，到最低點后再上升呢？線性調(diào)整支路相當(dāng)于是一個并聯(lián)在負(fù)載端的“高帶寬受控電阻”，起到分流負(fù)載電流的目的。設(shè)定開關(guān)電源的帶寬為fc1，線性支路的帶寬為fc2，測試信號頻率為f，當(dāng)f

4 結(jié)語

偏流源開關(guān)電源樣機的輸出帶寬僅為3 kHz左右，達(dá)不到10 kHz的技術(shù)要求。在并聯(lián)線性支路后，整個偏流源電源的小信號頻率響應(yīng)帶寬大于10kHz。因此，線性調(diào)整支路可以彌補開關(guān)電源帶寬的不足，開關(guān)電源并聯(lián)線性調(diào)整支路的方案是可行的。此外，控制方面需要加入“漏電流”檢測，以便從根本上消除測試帶寬時中間頻段的增益跌落。

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WANG Huayi, YANG Xixia. The principle of automatic control[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010

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3 康華光, 陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998

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4 王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000

WANG Zhaoan, HUANG Jun. Power electronics[M]. Beijing: China Machine Press, 2000

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LI Rui. The design, manufacture and test of the switch-mode dynamic power supplies for SSRF booster[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Applied Physics, 2007

6 林飛, 杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京: 中國電力出版社, 2008

LIN Fei, DU Xin. Power electronics applied technology[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2008

CLCTL503.5

Application of high-bandwidth linear adjustment branch in switching power supply

LIU Xiaoguang1,2ZHANG Jing1QI Xin1LIU Yuntao1LI Jun1
1(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: China Spallation Neutron Source (CSNS) is a medium-sized high-flux spallation neutron source under construction with Rapid Cycling Synchrotron (RCS) of 25 Hz as the main accelerator. The RF cavity of RCS requires that the output bandwidth of bias current source is greater than 10 kHz, while the maximum output bandwidth of switching power supply prototype is only 3 kHz, which can’t meet the design requirements. Purpose: In order to improve the output bandwidth of the entire system, the linear adjustment branch is added to the switching power supply in a formal bias current source. Methods: This paper introduced the principle of selecting the linear adjustment branch, analyzed the advantages and disadvantages of the different methods and showed the test results of output bandwidth after adding linear adjustment branch. Results: The output bandwidth of the system after adding linear adjustment branch is greater than 10 kHz. Conclusion: Linear adjustment branch can compensate for the output bandwidth of the switching power supply.

Switching power supply, Linear adjustment branch, Bandwidth, Testing

TL503.5

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010103

劉曉光，男，1988年出生，現(xiàn)為中國科學(xué)院大學(xué)在讀碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

2013-11-13，

2013-12-10