超高穩(wěn)定度電源研制

田煥霞 闞朝新 蕭飛 田策 王二鵬

摘 要：文章介紹了在離子加速器及核磁共振設(shè)備上使用的一種超高穩(wěn)定度磁鐵線性電源。采用的設(shè)計(jì)方案是用調(diào)壓器或可控硅調(diào)壓，保證功率三極管CE兩端的管壓降保持在合理的范圍內(nèi)，采用高精密采樣、比較、控制環(huán)節(jié)保證電流的穩(wěn)定度。文中簡(jiǎn)述了該電源的控制原理、技術(shù)性能及采用的一些保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：超高穩(wěn)定度；線性電源；高精密采樣

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）27-0051-02

Abstract： A linear power supply for ultra-high stability magnets used in ion accelerators and nuclear magnetic resonance （NMR） equipment is introduced in this paper. The adopted design scheme is to use voltage regulator or SCR to adjust the voltage to ensure that the voltage drop at both ends of the power Triode CE is kept within a reasonable range， and to adopt high precision sampling， comparison and control links to ensure the stability of the current. The control principle， technical performance and some protective measures of the power supply are briefly described in this paper.

Keywords： ultra high stability； linear power supply； high precision sampling

1 概述

在離子加速器實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)橐箅x子通過的磁場(chǎng)非常穩(wěn)定，所以要求磁鐵電源所提供穩(wěn)定的電流。磁場(chǎng)穩(wěn)定度8小時(shí)內(nèi)達(dá)到10ppm，甚至更高，則要求電流穩(wěn)定度8小時(shí)也要達(dá)到10ppm，更高的則為1ppm。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中要求電流應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)范圍，并要求有過溫、過壓、過流等一系列保護(hù)措施。

超高穩(wěn)定度恒流源電流穩(wěn)定度技術(shù)指標(biāo)如下：

1分鐘內(nèi) 電流穩(wěn)定度1ppm

5分鐘內(nèi) 電流穩(wěn)定度2ppm

24小時(shí)內(nèi) 電流穩(wěn)定度10ppm

電流調(diào)節(jié)范圍為0到額定電流值

2 電源工作原理及系統(tǒng)方框圖

2.1 系統(tǒng)方框圖

圖1為電流穩(wěn)定度達(dá)到10ppm（24小時(shí)內(nèi)）的電源系統(tǒng)方框圖。

2.2 工作原理

下面介紹為了達(dá)到指標(biāo)要求，系統(tǒng)在采樣、基準(zhǔn)、反饋、控制等方面所采取的具體措施。

（1）主控單元

為了保證系統(tǒng)的高可靠性、高穩(wěn)定度、高抗干擾能力，系統(tǒng)采用了PLC來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制功能。實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，啟/停機(jī)、參數(shù)設(shè)置、穩(wěn)壓控制和故障報(bào)警觸等。

（2）主電路調(diào)壓部分

為了保證電流的穩(wěn)定度，必須保證功率驅(qū)動(dòng)三極管CE兩端的管壓降Uce保持在8-18V電壓范圍內(nèi)，因此要求主電路調(diào)壓部分能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的Uce值實(shí)現(xiàn)Us值的自動(dòng)調(diào)整。

在CDT-XX-WL/R系列電源的設(shè)計(jì)過程中，主電路輸出電壓可以采用以下兩種模式：

a.采用可控硅實(shí)現(xiàn)管壓降的調(diào)節(jié)。

b.采用變壓器機(jī)械調(diào)壓實(shí)現(xiàn)管壓降的調(diào)節(jié)。

調(diào)壓過程：

系統(tǒng)通過傳感器采集Uce之間的電壓，控制器判斷電壓是否滿足由當(dāng)前Uce工作的電壓范圍，然后判定是否需要調(diào)壓，由于三極管的穩(wěn)壓工作范圍較寬（8-18V），所以調(diào)壓環(huán)節(jié)的調(diào)整頻次比較低。

（3）比較放大單元

設(shè)定的電流通過控制器將數(shù)據(jù)傳送到DA板，數(shù)據(jù)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換輸出一電壓值VREF，VREF與回路采樣反饋的電壓VfED進(jìn)行比較后輸出一電壓值，該電壓值經(jīng)放大單元放大后控制調(diào)整管電流的大小。

由圖2可知，這里選用的是串聯(lián)穩(wěn)流電路。從圖中可看出取樣電阻RS與負(fù)載串聯(lián)，RS的阻值不變，RS上電壓降的大小直接反映出負(fù)載電流的大小。所謂穩(wěn)定“電流”，就是穩(wěn)定RS上電壓降URS，URS穩(wěn)定了，負(fù)載電流也就穩(wěn)定了，整個(gè)穩(wěn)流系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)控制。

采樣器件的選擇是電流穩(wěn)定度的關(guān)鍵，選用高穩(wěn)定度采樣電阻，也可以選用零磁通直流電流互感器（簡(jiǎn)稱DCCT）。DCCT可選用HITEC或LEM公司的產(chǎn)品。要使電流達(dá)到10ppm以內(nèi)的指標(biāo)，采樣器件的度系數(shù)指標(biāo)必須小于5ppm。

（4）調(diào)整單元

調(diào)整單元的作用為電流放大，原理圖如圖3。

有圖3可知，該驅(qū)動(dòng)部分由若干個(gè)三極管并聯(lián)輸出，三極管V4為后級(jí)三極管提供驅(qū)動(dòng)電流，最多可驅(qū)動(dòng)16只三極管，單只三極管的輸出電流按不大于3A設(shè)計(jì)，根據(jù)所需電流大小確定三級(jí)管的數(shù)量。MJ15024的耗散功率是比較大的，在實(shí)際應(yīng)用中我們采用水冷板對(duì)其散熱。

3 保護(hù)功能

該電源設(shè)置有過電流、過電壓、超溫度、負(fù)載故障等保護(hù)，系統(tǒng)若出現(xiàn)故障，主電路立即斷電，并在本地觸摸屏或遠(yuǎn)程控制界面顯示故障信息。

4 工作環(huán)境

系統(tǒng)電流若要達(dá)到高穩(wěn)定度要求，必須要在一定的工作環(huán)境下工作：

（1）對(duì)于功率器件，要采用二次去離子水進(jìn)行冷卻。

（2）工作環(huán)境溫度20℃-30℃。

另外，電流除與工作環(huán)境有關(guān)外，還與安裝工藝、電氣布局、系統(tǒng)接地等因素有關(guān)。

5 結(jié)束語

CDT-XX-WL/R系列電源通過測(cè)試和試驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。該系列產(chǎn)品已成功應(yīng)用在中國(guó)原子能科學(xué)研究院、合肥光源、蘭州近代物理研究所等加速器實(shí)驗(yàn)室，在醫(yī)用核磁共振成像系統(tǒng)應(yīng)用也非常成功。

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