郭曉玲，劉 鵬，韓 超，陳 斌

(1.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；2.東莞中子科學(xué)中心，廣東 東莞 523803)

同步輻射光源已成為眾多學(xué)科前沿領(lǐng)域不可或缺的大科學(xué)裝置，我國(guó)現(xiàn)有的同步輻射光源均是中、低能光源，而與國(guó)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(guó)與國(guó)際先進(jìn)光源的差距，并使我國(guó)進(jìn)入世界先進(jìn)水平行列，為與國(guó)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(dú)一無(wú)二的強(qiáng)大支撐[1-5]。即將建設(shè)的高能同步輻射光源(HEPS)將成為世界上性能最為先進(jìn)的光源[6-7]，其能量高、發(fā)射度極小，其高能量對(duì)加速器的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行提出了很大的挑戰(zhàn)。但目前國(guó)內(nèi)加速器技術(shù)的積累與光源建設(shè)的需求仍有較大差距，為保證裝置的順利建設(shè)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所建設(shè)了高能光源的驗(yàn)證裝置(HEPS-TF)[8]，在驗(yàn)證裝置中，對(duì)HEPS的關(guān)鍵技術(shù)和可能遇到的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了提前研究和驗(yàn)證。

HEPS的電源系統(tǒng)包括增強(qiáng)器電源系統(tǒng)和儲(chǔ)存環(huán)電源系統(tǒng)兩大部分[9]，而物理設(shè)計(jì)中對(duì)儲(chǔ)存環(huán)四極磁鐵電源的穩(wěn)定度、紋波等指標(biāo)提出了很高的要求。為驗(yàn)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(jī)。

1 電源樣機(jī)參數(shù)

在HEPS-TF項(xiàng)目中，四極磁鐵電源樣機(jī)的額定工作點(diǎn)設(shè)計(jì)為290 A/50 V，其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)列于表1。其中，對(duì)電流的長(zhǎng)期穩(wěn)定度要求為10 ppm(8 h)，高于目前國(guó)內(nèi)加速器中常規(guī)磁鐵電源的要求。對(duì)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(jiàn)的磁鐵電源要求[10-12]。

表1 HEPS-TF四極磁鐵電源樣機(jī)主要參數(shù)Table 1 Parameter of HEPS-TF quadrupole magnet power supply prototype

在HEPS正式項(xiàng)目中，該類型的四極磁鐵電源將多達(dá)800余臺(tái)。為了滿足加速器系統(tǒng)的可靠、連續(xù)運(yùn)行，在設(shè)計(jì)階段還需考慮電源的可靠性、可維修性。由于在正式項(xiàng)目中，電源的輸出功率、電流等參數(shù)可能與驗(yàn)證裝置不同，因此電源樣機(jī)的研制中還需考慮其靈活性、可調(diào)整性等。

2 電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

為了提高電源的靈活性和可靠性，在電源樣機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用模塊化設(shè)計(jì)。模塊化拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是電源的輸出靈活、可調(diào)整，可根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行模塊的串、并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大功率或不同功率輸出[13]。在HEPS正式項(xiàng)目中，若對(duì)磁鐵電源的輸出功率進(jìn)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(xiàng)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(shí)，通過(guò)快速更換備用模塊實(shí)現(xiàn)快速維修，降低故障時(shí)間。

電源樣機(jī)的額定功率設(shè)計(jì)為15 kW，采用兩個(gè)額定輸出為150 A/50 V的模塊并聯(lián)的方式。其中，每個(gè)模塊由整流和高頻DC/DC兩級(jí)組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

前級(jí)的整流電路實(shí)現(xiàn)380 V交流電到直流電的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)LC濾波后輸出至后級(jí)的高頻DC/DC變換電路。高頻DC/DC電路通過(guò)在模塊內(nèi)部、模塊之間采用串并聯(lián)脈寬多重化錯(cuò)相，提高了電源的等效開(kāi)關(guān)頻率和響應(yīng)速度，從而進(jìn)一步降低輸出紋波。通過(guò)兩級(jí)變化，并合理優(yōu)化輸出級(jí)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(zhǎng)期穩(wěn)定度的達(dá)標(biāo)提供基礎(chǔ)。

圖1 電源樣機(jī)單模塊硬件電路拓?fù)銯ig.1 Single module’s hardware topology of power supply prototype

3 控制方案設(shè)計(jì)

該電源樣機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)之一在于對(duì)電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度的要求，若該指標(biāo)不能達(dá)標(biāo)，則會(huì)否定整個(gè)物理設(shè)計(jì)的可行性。電流的穩(wěn)定度包括長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，其中，短期穩(wěn)定度是長(zhǎng)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(yùn)行時(shí)電源系統(tǒng)之間、電源系統(tǒng)對(duì)其他系統(tǒng)設(shè)備的干擾和影響，在設(shè)計(jì)參數(shù)中對(duì)電壓高頻紋波成分提出較高要求。

本樣機(jī)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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)對(duì)電流穩(wěn)定度的精密控制，使輸出電流的穩(wěn)定度最終達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這種控制方式將數(shù)字控制和模擬控制的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，既具有數(shù)字控制的靈活、穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)，又具有模擬調(diào)節(jié)的帶寬、速度優(yōu)勢(shì)，還能利用經(jīng)典模擬調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)降低電源生產(chǎn)的要求和難度。相對(duì)于純數(shù)字控制，模擬調(diào)節(jié)避免了數(shù)字控制對(duì)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(jī)調(diào)試的難度。樣機(jī)的控制框圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 樣機(jī)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(jī)中采用模塊化設(shè)計(jì)，因此需在模塊間設(shè)計(jì)均流控制，以實(shí)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的均流控制，而電壓環(huán)的控制則實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)10 ppm的高穩(wěn)定度，對(duì)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(diǎn)[14]：1) 給定為數(shù)字量，避免了給定引入的溫度漂移；2) 通過(guò)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(guò)軟件更改，無(wú)需重新設(shè)計(jì)硬件；3) 電源與其遠(yuǎn)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(guò)數(shù)字量進(jìn)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(shè)備故障率；5) 可通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行全面的電源監(jiān)控和診斷。

為降低反饋信號(hào)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(hào)比電壓信號(hào)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(hào)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(shè)計(jì)在靠近AD采樣端，以進(jìn)一步降低環(huán)境的干擾。

影響電流長(zhǎng)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(jī)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(huì)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(duì)電源整體的輸出產(chǎn)生影響。本樣機(jī)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(guò)程引入的溫度漂移，對(duì)波段電阻進(jìn)行了精密的溫度系數(shù)測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行電阻配對(duì)，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(duì)AD板的關(guān)鍵芯片進(jìn)行恒溫控制。通過(guò)測(cè)試，恒溫控制精度可達(dá)0.1 ℃[16]。

圖4為高穩(wěn)定度直流穩(wěn)流電源樣機(jī)，樣機(jī)采用水冷的冷卻方式，整機(jī)設(shè)計(jì)為4U機(jī)箱，內(nèi)置兩個(gè)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(jī)Fig.4 High stability DC power supply prototype

4 實(shí)驗(yàn)和測(cè)試

對(duì)該磁鐵電源樣機(jī)的各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試中所用負(fù)載均為167 mΩ電阻性負(fù)載。

4.1 長(zhǎng)期穩(wěn)定度

為保證電源樣機(jī)在各工作點(diǎn)的電流穩(wěn)定度均可達(dá)到物理要求，在60、150、240和290 A工作電流下，分別對(duì)電源進(jìn)行10 h長(zhǎng)期穩(wěn)定度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果波形如圖5所示。通過(guò)式(1)計(jì)算得到的4個(gè)工作點(diǎn)的穩(wěn)定度列于表2。由表2可知，在4個(gè)工作點(diǎn)，電流的長(zhǎng)期穩(wěn)定度均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖5 電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度測(cè)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(cè)得電流的最大和最小值。

表2 電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果Table 2 Result of current long-term stability test

4.2 電流重復(fù)性

物理設(shè)計(jì)對(duì)電源的輸出電流重復(fù)性提出10 ppm的要求。為達(dá)到此要求，在電流閉環(huán)調(diào)節(jié)中對(duì)每次開(kāi)機(jī)穩(wěn)定后AD的恒溫控制進(jìn)行量化處理，保證每次開(kāi)機(jī)穩(wěn)定后關(guān)鍵器件的工作溫度相同。電流重復(fù)性測(cè)量波形如圖6所示。

電流重復(fù)性R為：

(2)

其中，Ia1和Ia2分別為兩次測(cè)得電流的平均值。測(cè)試結(jié)果表明，電源的重復(fù)性為3.22×10-6，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 電流重復(fù)性測(cè)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(jī)中，低頻紋波是指600 Hz以下的電壓紋波，4個(gè)工作點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，4個(gè)工作點(diǎn)的低頻電壓紋波均小于5 mV，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2) 高頻紋波

高頻紋波是指高于600 Hz的電壓紋波，其4個(gè)工作點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖8所示。測(cè)試結(jié)果表明，高頻紋波有效值均小于10 mV，優(yōu)于設(shè)計(jì)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(jī)整機(jī)溫度系數(shù)測(cè)試

為測(cè)試電源樣機(jī)對(duì)工作環(huán)境溫度的要求，對(duì)電源整機(jī)的溫度系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試中，將電源裝入溫度可調(diào)的電源機(jī)柜中，調(diào)節(jié)機(jī)柜內(nèi)溫度并測(cè)量電源輸出電流的變化。圖9為樣機(jī)輸出電流與工作溫度變化波形。

圖9 樣機(jī)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(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)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(duì)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(duì)空調(diào)系統(tǒng)的要求。

4.5 電源分辨率測(cè)試

在額定290 A工作電流下，按0.003 A的步長(zhǎng)增加電流，圖10為電源分辨率測(cè)試電流波形。由測(cè)試結(jié)果可知，電源的分辨率達(dá)到10-5。

圖10 電源分辨率測(cè)試電流波形Fig.10 Current waveform in resolution test

5 結(jié)論

為驗(yàn)證HEPS的物理設(shè)計(jì)指標(biāo)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(guò)實(shí)驗(yàn)證明，物理設(shè)計(jì)可達(dá)到四極磁鐵電源提出的指標(biāo)要求。通過(guò)電源樣機(jī)的研制，掌握了該類型電源樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，為正式項(xiàng)目中電源的研制和生產(chǎn)積累了經(jīng)驗(yàn)。