高能同步輻射光源高精度直流穩(wěn)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(lǐng)域不可或缺的大科學裝置，我國現(xiàn)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(yè)核心創(chuàng)新能力相關(guān)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(yè)核心創(chuàng)新能力相關(guān)的研究領(lǐng)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(fā)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(zhàn)。但目前國內(nèi)加速器技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)和可能遇到的技術(shù)難點進行了提前研究和驗證。

HEPS的電源系統(tǒng)包括增強器電源系統(tǒng)和儲存環(huán)電源系統(tǒng)兩大部分[9]，而物理設計中對儲存環(huán)四極磁鐵電源的穩(wěn)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(guān)鍵技術(shù)，本文在HEPS-TF中研制高精度直流穩(wěn)流電源樣機。

1 電源樣機參數(shù)

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(wěn)定度要求為10 ppm(8 h)，高于目前國內(nèi)加速器中常規(guī)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(shù)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(tǒng)的可靠、連續(xù)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(shù)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(diào)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(jié)構(gòu)中采用模塊化設計。模塊化拓撲的優(yōu)點是電源的輸出靈活、可調(diào)整，可根據(jù)系統(tǒng)的需要進行模塊的串、并聯(lián)，實現(xiàn)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(diào)整，可根據(jù)系統(tǒng)需要改變模塊的數(shù)量及連接方式。另外，正式項目中該類型的磁鐵電源數(shù)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(fā)生故障時，通過快速更換備用模塊實現(xiàn)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(lián)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

前級的整流電路實現(xiàn)380 V交流電到直流電的轉(zhuǎn)換，經(jīng)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(nèi)部、模塊之間采用串并聯(lián)脈寬多重化錯相，提高了電源的等效開關(guān)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(yōu)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(wěn)定度，從而降低電壓紋波，并為電流長期穩(wěn)定度的達標提供基礎(chǔ)。

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(guān)鍵點和難點之一在于對電流長期穩(wěn)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(wěn)定度包括長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，其中，短期穩(wěn)定度是長期穩(wěn)定度的基礎(chǔ)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(wěn)定度，為提高短期穩(wěn)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(tǒng)之間、電源系統(tǒng)對其他系統(tǒng)設備的干擾和影響，在設計參數(shù)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(shù)字和模擬調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制方式。其中，作為內(nèi)環(huán)的電壓環(huán)采用模擬調(diào)節(jié)的方式。與離散調(diào)節(jié)的數(shù)字控制相比，模擬控制屬于連續(xù)調(diào)節(jié)，它具有調(diào)節(jié)帶寬和調(diào)節(jié)速度高的優(yōu)點。而最外環(huán)的電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字控制的方式，采用自主研發(fā)的高精度電源數(shù)字控制器實現(xiàn)對電流穩(wěn)定度的精密控制，使輸出電流的穩(wěn)定度最終達到設計目標。

這種控制方式將數(shù)字控制和模擬控制的優(yōu)點相結(jié)合，既具有數(shù)字控制的靈活、穩(wěn)定優(yōu)勢，又具有模擬調(diào)節(jié)的帶寬、速度優(yōu)勢，還能利用經(jīng)典模擬調(diào)節(jié)的經(jīng)驗降低電源生產(chǎn)的要求和難度。相對于純數(shù)字控制，模擬調(diào)節(jié)避免了數(shù)字控制對PWM控制精度的限制，降低了兩環(huán)的耦合關(guān)系，從而降低了樣機調(diào)試的難度。樣機的控制框圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 樣機的控制框圖結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of control block diagram for prototype

電壓控制環(huán)作為控制環(huán)路的內(nèi)環(huán)，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(xiàn)模塊間的輸出電流均衡，圖3為內(nèi)環(huán)模擬閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

圖3 模擬閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of analog closed-loop control

最內(nèi)環(huán)的均流環(huán)實現(xiàn)兩個模塊之間的均流控制，而電壓環(huán)的控制則實現(xiàn)對并聯(lián)后電壓紋波的抑制。最外環(huán)的電流環(huán)是保證電流穩(wěn)定度的關(guān)鍵，為實現(xiàn)10 ppm的高穩(wěn)定度，對電流調(diào)節(jié)環(huán)采用數(shù)字控制的方式，這可避免模擬控制的溫度漂移、器件參數(shù)漂移等影響。數(shù)字控制環(huán)路具有如下優(yōu)點[14]：1) 給定為數(shù)字量，避免了給定引入的溫度漂移；2) 通過軟件即可調(diào)節(jié)和優(yōu)化電源控制回路的參數(shù)，如電源的控制框架發(fā)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(tǒng)的接口成為電源的數(shù)字控制器的一部分，可直接通過數(shù)字量進行電源的本地與加速器控制系統(tǒng)間的信息交互，節(jié)省了傳統(tǒng)模擬控制所需的中間數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；4) 電源控制系統(tǒng)硬件以大規(guī)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(jiān)控和診斷。

為降低反饋信號中的干擾量，在電流的閉環(huán)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(zhuǎn)換部分設計在靠近AD采樣端，以進一步降低環(huán)境的干擾。

影響電流長期穩(wěn)定度的另一重要因素是電源的溫度漂移，即由溫度變化產(chǎn)生的器件參數(shù)變化[15]。由于樣機的最外環(huán)控制為數(shù)字控制的電流調(diào)節(jié)器，因此該環(huán)路上和環(huán)路外的每部分溫度漂移均會影響輸出電流的穩(wěn)定度。

作為最外環(huán)的數(shù)字電流控制環(huán)，反饋環(huán)節(jié)中每部分產(chǎn)生的溫度漂移均將對電源整體的輸出產(chǎn)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(fā)規(guī)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(zhuǎn)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(shù)測量，并根據(jù)測量結(jié)果進行電阻配對，以相互抵消溫度漂移系數(shù)。最后，為降低ADC受溫度的影響，對AD板的關(guān)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(wěn)定度直流穩(wěn)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(nèi)置兩個電源模塊，并在控制部分集成自主產(chǎn)權(quán)的高精度數(shù)字控制器。

圖4 高穩(wěn)定度直流穩(wěn)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(shù)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(wěn)定度

為保證電源樣機在各工作點的電流穩(wěn)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(wěn)定度測試，測試結(jié)果波形如圖5所示。通過式(1)計算得到的4個工作點的穩(wěn)定度列于表2。由表2可知，在4個工作點，電流的長期穩(wěn)定度均優(yōu)于設計指標。

圖5 電流長期穩(wěn)定度測試結(jié)果波形Fig.5 Waveform of current long-term stability test result

(1)

其中：S為穩(wěn)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(wěn)定度測試結(jié)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(huán)調(diào)節(jié)中對每次開機穩(wěn)定后AD的恒溫控制進行量化處理，保證每次開機穩(wěn)定后關(guān)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(jié)果表明，電源的重復性為3.22×10-6，優(yōu)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(jié)果如圖7所示。

由測試結(jié)果可見，4個工作點的低頻電壓紋波均小于5 mV，優(yōu)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(jié)果如圖8所示。測試結(jié)果表明，高頻紋波有效值均小于10 mV，優(yōu)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(shù)測試

為測試電源樣機對工作環(huán)境溫度的要求，對電源整機的溫度系數(shù)進行了測試。測試中，將電源裝入溫度可調(diào)的電源機柜中，調(diào)節(jié)機柜內(nèi)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(jù)所測數(shù)據(jù)，計算得到電源的整體溫度系數(shù)為0.5 ppm/℃。該結(jié)果表明，電源對工作環(huán)境溫度要求不高，這可大幅降低HEPS電源系統(tǒng)中對空調(diào)系統(tǒng)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(jié)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(jié)論

為驗證HEPS的物理設計指標在電源系統(tǒng)中的可行性，研制了高精度直流穩(wěn)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(guān)鍵技術(shù)，為正式項目中電源的研制和生產(chǎn)積累了經(jīng)驗。