中国散裂中子源大功率可编程脉冲电源设计

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1、第22卷第11期强激光与粒子束Vo1．22，No．112010年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNOV．，2010文章编号：1001—4322(2010)112689～06中国散裂中子源大功率可编程脉冲电源设计沈莉，黄川，池云龙，唐靖宇，周国仲(中国科学院高能物理研究所，北京100049)摘要：在中国散裂中子源大功率可编程脉冲电源设计中，主回路采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)H桥串并联拓扑，错相工作方式，利用IGBT功率放大的特性，实现了电源高功率(60MW)、高频率(1．8432MHz)、高压(3．3l9kV)和

2、大电流(18kA)的要求，并通过电源反馈控制系统，实现了电源的快速响应时间，使电源跟踪精度达到1．5，满足指标要求。在电源研制中，解决了IGBT高压、大电流的均压和均流问题；由于IGBT工作在开关状态，为了消除谐波，利用多重化技术，得到了光滑的输出脉冲电流曲线；采用电流互感器的并联，实现了输出大电流的检测；电源的反馈控制策略采用比例和前馈运算，实现了电源输出波形对给定波形的快速跟踪。关键词：快速跟踪；谐波；IGBTH桥；错相工作；多重化处理中图分类号：TL54文献标志码：Adoi：10．3788／HPLPB20102211．2689中国散裂中子源(C

3、SNS)是我国新的大型科学装置，由直线加速器(LINAC)、快循环同步加速器(RCS)和靶站组成，是一台束流功率为100kw的散裂中子源。RCS注入系统是将经LINAC预加速的H一离子束流通过剥离的方式注入到RCS环中。由于注入系统采用凸轨方案和相空间涂抹技术，束流的空间电荷效应是限制环累积流强的重要因素。为了减小束流的空间电荷效应，注入过程中需要采用相空间涂抹技术，将LINAc的发射度较小的束流，涂抹到较大的环的接收度中，同时为了涂抹均匀，必须通过尝试的方式，改变凸轨的变化规律，得到最佳的束流分布，这就要求涂抹凸轨磁铁脉冲电源的下降沿能够由程序控制

4、，通过改变程序来控制它的下降沿，找到一个最佳工作点，得到最佳的束流分布。CSNS大功率可编程脉冲电源用于CSNS快循环同步加速器注入涂抹凸轨磁铁。电源的输出脉冲功率高，脉冲电流大，脉冲下降沿由程序控制，脉冲下降速率快，跟踪精度要求高。高功率、高频率、快速的响应时间和最佳的反馈控制策略是该脉冲电源具有良好性能的关键。因此该电源采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率放大的方式产生脉冲电流，用程序控制电源的给定波形，通过电源反馈控制系统，使电源的输出波形跟踪电源的给定波形，达到控制电源输出脉冲电流下降沿的目的。本文主要研究了CSNS大功率可编程脉冲电源设计

5、的关键技术。1CSNS大功率可编程脉冲电源CSNS快循环同步加速器注人系统有8块涂抹凸轨磁铁，其中4块是水平涂抹凸轨磁铁，另外4块是垂直涂抹凸轨磁铁。它们分别串联使用，各需要一台脉冲电源驱动，这两台电源分别是水平涂抹凸轨磁铁脉冲电源(BHPS)和垂直涂抹凸轨磁铁脉冲电源(BVPS)口]。电源样机已由中国科学院高能物理研究所和西安爱科电子有限责任公司共同研制完成。CSNS大功率可编程脉冲电源样机设计指标为：脉冲电流18kA，要求峰值电压大于3150V，脉冲平顶50s，上升时间1ms，下降时间300~550s(可控)，脉冲电流下降沿最大下降速率260A／

6、t~s，跟踪误差小于2。因此可以看出，该电源是一台高功率、大电流和快速响应的可编程脉冲电源。为了达到以上要求，电源由功率器件IGBT拓扑组成，根据IGBT的特性，IGBT输出电压的平均值为V。一DVd(1)式中：Vo为IGBT输出电压平均值；D为IGBT栅极触发脉冲占空比；为IGBT集电极电压。经滤波网络后，负载电流的平均值为J。一KDVd(2)式中：K为与滤波电感、电缆、负载有关的常数。*收稿日期：200909—01；修订日期：2O1O—O4一O2基金项目：中国散裂中子源工程预研项目作者简介：沈莉(1961)，女，高级工程师，从事高功率脉冲电源及电

7、源控制技术的研究；shenl@ihep．ac．cn。强激光与粒子束第22卷由于a和K是固定不变的，根据式(2)，负载电流随IGBT栅极触发脉冲占空比的变化而变化，只要控制IGBT栅极触发脉冲的占空比(即脉冲宽度调制信号)，就可以控制脉冲电流的大小、上升沿、平顶和下降沿。为了得到所要求的输出脉冲电流，电源通过对给定波形进行编程，然后将给定波形与电源输出脉冲电流进行比较，再通过电源控制器产生脉冲宽度调制(PWM)信号，控制IGBT栅极，使电源输出脉冲电流跟踪给定波形，成为受程序控制的脉冲电流。图1为电源反馈控制系统，该控制系统中的测量元件对被控参数(输出

8、脉冲电流)进行测量，与给定波形比较后输入控制器，控制器根据一定的控制规律产生相应的控制信号，驱动执行机构工作