高稳定度大功率电磁铁扫描电源的研制*

侯瑞芬 张志高 范 雯 贺 建 戴 璐 林安利

(中国计量科学研究院，北京 100013)

0 引言

随着稀土永磁材料磁性能的不断提高，机电、医疗器械和磁选机等永磁体的主要应用领域对磁性能的测量提出了更高要求，希望能够直接测量更大尺寸的高矫顽力材料，这就需要测量所用的电磁铁能提供更大的高稳定度磁场和均匀区，因此，在磁性材料测量领域迫切需要更高电压、更大电流的大功率高稳定度的电磁铁扫描电源。

当前大量采用的电磁铁扫描电源有三种类型。一是传统的桥式电源，它存在稳定度低、过零点电流不连续、功率不大、输出电流和输出电压不够高、缺乏高度可靠的保护措施等缺点；二是可控硅电源，它对电网干扰强烈，缺乏安全保障；三是线性扫描电源，或称OCL式电源，国外的这类产品，例如美国LAKESHORE公司的MODEL660系列电磁铁电源和美国GMW公司的MODEL231HC系列电磁铁电源，具有稳定度高、纹波小和噪声低等优点，但是也存在明显的缺欠，主要表现在：效率低，大功率电源使用循环水冷，为了给冷却水降温，又使用空调制冷，增加结构的复杂性。其次，采用了低电压、大电流输出方式，要求电磁铁绕组并联使用，增大了电磁铁制造难度。为此，我们研制了高稳定度电磁扫描电源，本文介绍的扫描电源既具有线性扫描电源的全部优点，又克服其缺点，具有效率高和输出电压高等特点。

1 工作原理

高稳定度大功率双极电磁铁电源的工作原理框图如图1所示。电网的三相供电首先流经三相启动电路到三相主变压器，经过降压升流之后，分别流向可控硅正、负压随动电源，得到正随动电压V+和负随动电压V-。这两路电压分别供给OCL甲乙类推挽功率放大器的PNP型复合管和NPN型复合管。OCL为负载RL提供正负扫描电流。通过从采样电阻器RS上获得的采样电压，能准确测量向RL提供的输出电流，同时，主控制电路根据这一电压控制OCL放大器的输出电流，并经过反馈系统确保输出电流的高准确性和高稳定度。

图1 工作原理框图

2 关键电路设计

2.1 效率的提高与随动供电技术

可控硅式随动供电设计是本电源的核心技术。众所周知，在扫描电源中消耗功率最大的是输出大功率管，而大功率管的功耗等于集电极到发射极压降乘以流过晶体管的电流。该电流就是电源的输出电流，它是不可减少的工作电流，因此，设法降低管压降是减少管耗和提高效率的重要途径。

为了便于分析，首先假设电磁铁是一个阻性负载(由于扫描速度很低，电磁铁的感性分量影响可以暂作忽略)，即电压和电流同相位；其次假设当扫描到最大电流时，输出的最高电压达到直流供电电源的电压，由此可以得到图2和图3所示的输出电压、电流和管消耗曲线。图中，V+和V-为直流正负供电电源电压，PNP和NPN大功率晶体管管压降和流过的电流分别为Uc+、Ic+和Uc-、Ic-。

图2 普通电源的输出电压、电流和管功耗图

图3 随动供电下的电压、电流和管功耗波形

图2为普通扫描电源的PNP、NPN晶体管一个扫描周期中的管压降和管电流的波形图以及功耗波形图。图3为在本电源随动供电下的电压、电流和两管的功耗波形。晶体管的功耗Pc表示为：

Pc=Uc×Ic

(1)

对于普通扫描电源，当最大输出为200V、50A时，按照式(1)计算，可得最大管功耗Pcmax为2500W。在随动供电方式下，如果供电电压始终接近于管压降5V，则晶体管的最大功耗为125W，如果供电电压始终接近于管压降10V，则晶体管的最大功耗为250W。对比2500W，随动供电下的管功耗仅为普通方式下的1/10～1/20，这就是随动供电能够大幅度降低管耗的根本原因。

2.2 高压脉冲的消除

作为电磁铁电源，负载电磁铁为感性负载，工作中感应电压u与电流i的关系为：

(2)

由于电磁铁的电感L很大，所以，当电流i不能平稳变化时，容易在电磁铁两端感应出高电压，一方面会影响测量精度，另一方面容易击穿电路中的大功率管，图4为这种感应高电压的原理图。图5为高压脉冲的消除电路，C1、C2为1000μF的电解电容，D1、D2为二极管，吸收和钳位来自负载倒灌的高压脉冲。D1和C2吸收正向高压脉冲，D2和C1吸收负向高压脉冲，R构成放电回路。

图4 感应高压的原理图

图5 高压脉冲消除电路

2.3 高稳定性的设计

为保证电源输出的稳定性，采用了如图6所示的电路。电压基准源输出的基准电压通过由R1、C1、A1组成的积分回路和功率放大器放大后给电磁铁供电，输出电流通过采样电阻R3转化为电压信号，此信号由差分放大器A2放大后经过R2反馈到积分器输入端，当反馈信号与基准电压正负相反时，积分器达到平衡状态，如此，输出电流的大小就锁定在基准电压上。要实现输出电流的稳定，反馈环路中各元器件的选择至关重要，基准电压、R1、R2、R3、A1、A2和功率放大器均需要选用低温漂的器件。特别指出，由积分器构成的负反馈系统是一阶无差系统，因此，输入电流无静态误差地跟随直流基准电压。

图6 电流稳定性设计示意图

2.4 输出电压的提高

对于一种扫描电源，提高输出电流并不难，只要在输出级并联大功率管就能奏效，但是，提高输出电压却不容易。因为高击穿电压的大功率管，尤其是PNP型管，在制造工艺上有很大难度，很难买到，但是PNP小功率管却相对容易找到高击穿电压管。本电源设计的电路，小功率的前级使用一个高击穿电压的PNP管，以后各级采用NPN大功率管，构成复合管，这样既能构成PNP型，又能吸收高压大电流，从而达到提高输出电压的目的。另外，采用随动电源，当正输出时，负随动电源几乎不供电，反之亦然。所以，晶体管在非输出状态下所承受的电压只是传统双极电磁铁电源的一半，采用相同的晶体管，相同输出电流时，输出电压和输出功率都可提高一倍。

3 测试结果

按照本电源的设计要求，用测量大块稀土永磁材料专用电磁铁作负载，组成永磁材料测量系统，对电源的各项技术指标进行了测试。电源的输出电压范围为±200V，输出电流范围为±50A，1小时输出电流稳定度优于2×10-5，最大输出电流时效率优于90%，输出电流50A时纹波为5mA，线形调整率为0.01%。

对输出电流在1小时内的稳定性进行测试，表1给出了不同电流下的测试结果。

表11小时内电流稳定性测量结果

4 结论

本文采用多种新技术研制成功高稳定度大功率双极电磁铁扫描电源。测试结果表明：按照本文介绍的原理和关键技术制作的扫描电源达到了设计指标，可以作为测量大块稀土永磁材料的大功率扫描电源，满足测量强磁场的技术要求。

[1] Lakeshore Inc，Modal 648 Electromagnet Power，use’s manual

[2] 李之彬.TPS系列测试电源技术及其发展.电测与仪表，2002(6)

[3] 林安利，等.中国电气工程大典(第一版).北京：中国电力出版社，2009

[4] GB/T 3217—92 永磁(硬磁)材料磁性能试验方法

[5] 张志高，贺建，等.永磁磁滞回线仪现场计量方法的研究.计量技术，2011(10)