大功率脈沖電源的模塊化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

張志新 高大慶 史春逢 黃玉珍 陳又新 封安輝 閆懷海

1（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

大功率脈沖電源的模塊化設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

張志新1,2高大慶1史春逢1黃玉珍1陳又新1封安輝1閆懷海1

1（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

以蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(Main Cooler Storage Ring at Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL-CSRm)四極鐵電源為例，介紹了一種大功率數(shù)字脈沖電源的模塊化設(shè)計(jì)方法。采用了模塊化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，大幅度降低了電源尺寸，提高了原部件集成度和功率密度，對(duì)電源進(jìn)行了熱分析。搭建完成了一臺(tái)樣機(jī)，通過樣機(jī)驗(yàn)證，測(cè)試了電源熱分布及電磁兼容性EMC (Electro Magnetic Compatibility)性能。測(cè)試結(jié)果表明，這種模塊化結(jié)構(gòu)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

高功率密度，脈沖電源，模塊化，熱分析，電磁兼容性

大功率脈沖電源標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)是電源技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。通過提高電源功率密度，降低電源成本，提高電源可靠性[1]，通用電源的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)方法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)中。蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(Main Cooler Storage Ring at Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL-CSRm)是我國(guó)最大的一臺(tái)重離子加速器，隨著重離子加速器性能的不斷提高，電源性能也需不斷提高。但是加速器電源的特殊性使得加速器用電源，特別是動(dòng)態(tài)電流輸出的脈沖電源的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)還存在一些困難。本文針對(duì)蘭州重離子加速器上大面積應(yīng)用的一種大功率脈沖開關(guān)電源，提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)思路，并且搭建完成了一臺(tái)大功率脈沖電源進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 CSRm四極鐵脈沖電源工作電流波形Fig.1 Current wave of power supply.

1 大功率脈沖電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)參數(shù)

HIRFL-CSRm勵(lì)磁電源工作于脈沖模式。其中30臺(tái)四極鐵電源為脈沖電源，輸出最大脈沖平頂電流590 A，時(shí)間1?5 s，平底電流20 A，電流上升下降時(shí)間是3 s，跟蹤誤差小于±1×10?4。四極鐵勵(lì)磁線圈電感為79.6 mH，電阻為91.4 m?。脈沖電源工作波形如圖1，電源主電路采用H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]，如圖2所示。

1.2 電源各元部件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

模塊化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)首先需將電源劃分為幾個(gè)部分，各部分功能及結(jié)構(gòu)上相對(duì)統(tǒng)一；其次需仔細(xì)研究各組成部分，進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，形成各個(gè)功能模塊；最后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，形成一系列的標(biāo)準(zhǔn)化功能模塊。標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)節(jié)最重要的是各模塊的接口設(shè)計(jì)以及模塊功能優(yōu)化，以便于增加模塊的互換性，最大發(fā)揮各模塊的使用效率。根據(jù)以上原則以及國(guó)內(nèi)電源廠商的具體情況，CSR主環(huán)脈沖電源可劃分為前級(jí)整流濾波、功率變換、高頻濾波、控制及繼電保護(hù)幾個(gè)功能模塊[3]，如圖2所示。

電源采用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的數(shù)字控制器，使控制器的標(biāo)準(zhǔn)化模塊化盡量簡(jiǎn)化。控制用所有電路板、零磁通電流傳感器(Direct Current-CurrentTransformer, DCCT)和7寸控制屏幕安裝于3U的控制機(jī)箱內(nèi)，所有繼電保護(hù)電路和輔助電源安裝于一塊底板上，該底板采用了立式抽拉式安裝，與功率變換器高度相同。

圖2 脈沖電源工作電路原理Fig.2 Current principle of the power supply.

電源主回路前級(jí)主要功能為進(jìn)行電壓變換并進(jìn)行整流濾波，由式(1)及電源參數(shù)計(jì)算出所需最小前級(jí)電壓54 V。

通常該環(huán)節(jié)采用整流變壓器+二極管全橋整流+LC濾波方案，此方案成熟可靠，成本低廉，但是體積龐大，集成化程度低。本文經(jīng)過調(diào)研采用了一種高頻穩(wěn)壓源，該穩(wěn)壓電源采用高頻開關(guān)原理，穩(wěn)壓精度高，功率密度大，體積大大縮小，采用寬600 mm標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)，如圖3(a)中穩(wěn)壓源部分。功率變換器采用全橋結(jié)構(gòu)，此部分的集成化設(shè)計(jì)是脈沖電源模塊化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，功率變換器采用了更緊湊的疊層母排結(jié)構(gòu)，其核心是儲(chǔ)能電容與半導(dǎo)體功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的安裝結(jié)構(gòu)。由圖2知，IGBT與電解電容并聯(lián)的結(jié)構(gòu)需滿足：

式中，Ts是一周期內(nèi)單管開通的最長(zhǎng)時(shí)間；ΔV為允許輸入紋波峰峰值1%。計(jì)算得：C=107200 μF，為減小紋波取C盡可能的大，因此在模塊設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)置9×10000 μF的電容。此電源將兩模塊疊層母排并聯(lián)，儲(chǔ)能電容加倍，將原來的單個(gè)儲(chǔ)能電容單元分散開來，減小了單個(gè)疊母尺寸，如圖3(a)中功率變換器部分。此變換器可通過并聯(lián)或串聯(lián)的方式，滿足大小電流、高低電壓的需求。圖4為樣機(jī)電源用到的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

但是高頻濾波電感因電源功率較大，依舊采用了分立的電抗器，無法實(shí)現(xiàn)集成化，這也是電源集成化設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。

經(jīng)此想法設(shè)計(jì)后電源設(shè)計(jì)圖紙如圖3(a)所示，相比較，電源體積由原來圖3(b)的1.0 m×1.0 m×2.0 m設(shè)計(jì)成0.6 m×0.8 m×1.8 m (寬×深×高)。

圖3 CSRm四極鐵樣機(jī)電源(a)與原電源(b)的三維圖Fig.3 3D drawings of the new power supply (a) and the old one (b).

圖4 緊湊的功率單元模塊并聯(lián)設(shè)計(jì)Fig.4 Parallel compact module design of power unit.

2 電源功能測(cè)試結(jié)果

搭建完成的樣機(jī)電源，性能測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比較：圖5(a)為平頂550 A、平底20 A時(shí)一周期的仿真波形，左側(cè)為跟蹤誤差標(biāo)度，右側(cè)為脈沖電流的標(biāo)度；圖5(b)為一個(gè)周期內(nèi)DCCT回讀值與跟蹤誤差的圖示，仿真與真實(shí)波形較符合。平頂段時(shí)誤差為2.9×10?5，平底時(shí)誤差為2.3×10?4，已超過原CSRm四極鐵電源設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖5 仿真(a)與樣機(jī)(b)的跟蹤誤差與輸出電流Fig.5 Tracking error and output current of the simulation (a) and the prototype (b).

3 基于FloTHERM對(duì)大功率脈沖電源主要部分的熱分析與熱測(cè)試

高功率密度對(duì)大設(shè)備能大大提高空間利用率，但溫度問題緊隨而致，因此合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)和優(yōu)化發(fā)熱模塊的間距在小型化電源設(shè)計(jì)中顯得越來越重要[4]。電源工作時(shí)主要的發(fā)熱元器件為IGBT。由于IGBT工作在開關(guān)的模式下，因此在IGBT導(dǎo)通和開關(guān)時(shí)均會(huì)產(chǎn)生熱損耗，且在H橋電路中，主要由功率模塊本身及與其并聯(lián)的續(xù)流二極管產(chǎn)生損耗，總的損耗Pall分為導(dǎo)通損耗Pcond和開關(guān)損耗Psw[5]：

基于FloTHERM對(duì)功率單元進(jìn)行熱仿真，當(dāng)電源直流輸出500 A時(shí)，仿真的結(jié)果溫度分布如圖6(a)所示，而圖6(b)為美國(guó)FLIR公司生產(chǎn)的E40型號(hào)的紅外熱像儀對(duì)電源工作在500 A輸出時(shí)的功率變換器拍攝的紅外熱圖，可見最高溫度都出現(xiàn)在IGBT處，約為67 oC，與前期仿真結(jié)果接近。

圖6 對(duì)功率單元仿真溫度分布圖(a)與實(shí)際拍攝紅外熱圖(b)Fig.6 Thermal simulation of power unit (a) and the actual thermograph (b).

由伯努利定律知，溫度場(chǎng)中當(dāng)溫度升高得越快，場(chǎng)中的壓力變小，導(dǎo)致熱量不能及時(shí)地散發(fā)出去，因此在設(shè)計(jì)主功率模塊時(shí)為避免同一水平層面的熱量累計(jì)，采用直立式和添加風(fēng)扇等外部手段將熱量及時(shí)地散發(fā)出去；將模塊分散開來，能有效地增大疊母與低溫環(huán)境的接觸，利于散熱。

4 電源EMC測(cè)試

模塊化樣機(jī)電源的主要問題除了散熱還有電磁兼容的問題，搭建樣機(jī)的電磁兼容性EMC (Electro Magnetic Compatibility)測(cè)試結(jié)果(圖7(a))：低高頻處均出現(xiàn)明顯的噪聲超標(biāo)現(xiàn)象，低頻0.15?0.50 MHz屬于差模噪聲，高頻≥5 MHz屬于共模噪聲。

針對(duì)樣機(jī)EMC測(cè)試結(jié)果分析，選用能在低、高頻處均有很好抑制效果的多級(jí)濾波結(jié)構(gòu)的濾波器。添加后測(cè)試結(jié)果如圖7(b)所示。EMC問題主要有輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射，分別在開關(guān)電源上主要體現(xiàn)為：開關(guān)管的開斷、高頻變壓器與電抗器、分布電容干擾、高頻線之間的耦合等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將電源的開關(guān)管部分、高頻元件用屏蔽層保護(hù)，減小發(fā)射噪聲；處理傳導(dǎo)噪聲時(shí)遵循阻抗最大失配原則，判斷設(shè)備各個(gè)電路的阻抗特性[6]，選用合適阻抗的濾波器以及吸收磁環(huán)。

圖7 樣機(jī)整改前(a)和后(b) EMC測(cè)試結(jié)果Fig.7 EMC test before (a) and after (b) modification.

5 結(jié)語

本文將電源前級(jí)采用穩(wěn)壓源模塊與H橋的斬波模式相結(jié)合，替代體積較大的工頻變壓器以及整流濾波等器件。采用新功率變換器結(jié)構(gòu)，并采用全數(shù)字控制器。通過多種措施實(shí)現(xiàn)了脈沖電源一種簡(jiǎn)單的模塊化設(shè)計(jì)思路，有效降低了開發(fā)成本，搭建完成了一臺(tái)樣機(jī)電源，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)方面分析和優(yōu)化，提高電源設(shè)備的可靠性，同時(shí)對(duì)電源EMC進(jìn)行了測(cè)試和整改。經(jīng)過72 h實(shí)際測(cè)試，樣機(jī)電源工作可靠，證明了本文提出的脈沖電源模塊化設(shè)計(jì)方案是可行的，可以應(yīng)用于加速器中，為大功率脈沖電源小型化設(shè)計(jì)做了一次有意義的嘗試。

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WU Guanghua, YAN Huaihai, CHEN Youxin, et al. Application of embedded database to digital power supply system in HIRFL[J]. Nuclear Techniques, 2014, 37(5): 050401

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3 張占松, 蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)(修訂版)[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2005: 16?17

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HAO Xiaodong, Qiao Enming. Power system electromagnetic compatibility design and application[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2007: 255?260

CLC TL503.5

Modularized design and realization of high power pulsed power supply

ZHANG Zhixin1,2GAO Daqing1SHI Chunfeng1HUANG Yuzhen1
CHEN Youxin1FENG Anhui1YAN Huaihai1

1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: The Main Cooler Storage Ring at Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL-CSRm) has 30 power supplies for the quadrupole magnets, with a big volume of 1 000 mm×1 000 mm×2 000 mm. Purpose: We attempt to significantly reduce the size of the equipment and improve the integration of the components and power density of the power supply. Methods: Firstly, a suitable and original topology is selected for overall design. Through changing the construction of the parts of the rectifier filter, power converter, high-frequency filter and the controller, digitalization, modularization and standardization were applied to reduce the costs and the geometric dimension. Thermal simulation of the power unit was performed before the prototype is completed, and the Electro Magnetic Compatibility (EMC) was tested finally. Results: The size of new designed power supply was decreased to 600 mm×800 mm×1 800 mm, and the performance testing results satisfied all of the design requirements. Conclusion: The modularized design of high power pulsed power supply not only reduce the geometric volume, increasing its power density, but also improve its overall performance, proving a feasible and meaningful reference for high power density equipment.

High power density, Pulsed power supply, Modularization, Thermal simulation, Electro Magnetic Compatibility (EMC)

TL503.5

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030402

西部之光博士課題(No.Y416010XBO)資助

張志新，男，1988年出生，2012年畢業(yè)于山西大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，核能與核技術(shù)工程專業(yè)，從事電源技術(shù)

2014-12-24，

2015-01-26