一种高性能直流励磁电源的设计

蒋洪卫，张　彦

(中国船舶重工集团公司第723研究所,扬州 225001)

一种高性能直流励磁电源的设计

蒋洪卫，张彦

(中国船舶重工集团公司第723研究所,扬州 225001)

摘要：介绍了一种开关和线性组合式直流励磁电源，阐述了电源的基本原理,提出一种单片控制器浮地运行的电源控制方案,通过实验给出了保证电压线性调整性能时垂直金属氧化物半导体(VMOS)管的最低管压降范围。

关键词：移相控制；线性调整；单片控制器

0引言

在高能医用直线加速器中，前级微波激励源通常采用高峰值微波功率的磁控管。磁路作为磁控管的重要组成部分之一，对磁控管的微波功率输出影响很大。中小功率磁控管一般采用永磁聚焦方式，峰值功率兆瓦级以上则更多地采用电磁聚焦模式。若要保持磁控管微波输出稳定，则需具有稳定输出的直流励磁电源。而在高能医用加速器中，磁控管往往具有多档位的功率输出，对应的直流励磁电源也需要满足多档位连续稳定地工作。

1直流励磁电源设计

某型高能医用直线加速器对磁控管直流励磁电源主要技术指标如下：

输入：单相50 Hz， 交流(AC)220V±20%；

输出电压：0～30 V分档连续可调；

输出电流：0～35 A分档连续可调；

负载调整率：≤0.2%；

电网调整率：≤0.2%；

纹波：≤0.1%；

电源效率：≥85%。

根据技术指标要求，这里采用开关和线性组合式稳压稳流技术。

电源末级采用线性稳流稳压输出方式，利用线性电源的高精度和动态调节特性来满足负载调整率、电网调整率和纹波的技术指标等要求。电源前级采用软开关全桥变换器，通过对线性调整器件的管压降进行控制，以满足电源效率要求。

电源系统框图如图1所示。

图1　直流励磁电源框图

单相AC220V、50 Hz交流电源经过电磁兼容(EMC)管理电路、整流电路和功率因数校正(PFC)电路，形成直流(DC)370V左右的电源，再经过全桥变换、高频变压器降压和高频整流滤波后产生约32 V左右的直流电压，该电压通过线性调整电路产生符合指标要求的直流励磁电源。

PFC电路采用单管Boost变换电路，该拓扑型式具有以下优点[1]：

(1) 输入电流连续，电磁感应(EMI)小，射频干扰(RFI)低；

(2) 有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击；

(3) 开关器件的电压不超过输出电压值。

常用的控制AC-DC开关变换器实现自动功率因数校正(APFC)的方法基本上有3种，即电流峰值控制、电流滞环控制、平均电流控制，而单管Boost变换电路在平均电路控制模式下，工频电流的峰值是高频电流的平均值，因而高频电流的峰值比工频电流的峰值更高。谐波(THD)很小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小。PFC控制芯片选用西门子公司的TDA4819。

全桥变换电路如图2所示。V1、V2、V3、V4、L1、C1、C2等构成定频谐振式全桥变换器，采用相移PWM控制模式。移相控制电路是高频开关电源的重要组成部分，其作用在于使全桥变换器的2个桥臂开关管的导通角错开1个角度，以获得不同的占空比，从而调节输出电压的高低[2]。本设计采用了专用移相控制集成芯片UC3875，它能够产生4路移相控制的脉宽调制(PWM)信号，并且具有稳压、稳流及多种保护功能。UC3875的4个输出分别驱动2个半桥，并都能单独进行导通延时调节，即死区时间的调节，该死区时间可以确保下一个要导通的开关管的输出电容能够放电完毕，也就是开关管2端的电压可以在该时间内降到零，因而实现了零电压开通。

图2　全桥变换示意图

图2中L1、C1、C2构成LCC串并联谐振网络，其中C1=C2=2C。

谐振网络的谐振频率为：

(1)

谐振网络特性阻抗为：

(2)

Z0根据全桥变换器所需处理的最大输出功率设定。

本电源额定输出功率POmax=UOmax×IOmax=30×35=1 050(W)，考虑到线性调整管的管压降△U、整流管V5、V6的管压降、电感L2的压降以及变压器传输效率等，全桥变换器大约需要处理的功率为P≈1.2kW。由于前级采用了PFC电路，因而全桥变换器工作直流电压U为相对稳定的DC375V，忽略开关管的通态压降，则全桥变换器等效负载阻抗ZL为：

Z0一般取值为负载阻抗的95%，本设计取值为110Ω。

为实现全桥变换器桥臂开关的零电压和零电流转换，谐振网络的谐振频率f0通常取开关频率fs的1.25倍。本电源开关频率fs选择为100kHz，因而谐振网络的谐振频率f0为125kHz。

根据以上分析，可以确定L1、C1、C2分别为：L1=140μH，C1=C2=0.022μF。

线性调整电路为经典的串联稳压电路，基本电路如图3所示。

图3　串联线性稳压电路

由于电源输出电流达35 A，因而在设计中选择3只VMOS管IRFP150并联作为线性调整器件，以满足输出电流的要求。由于VMOS管易于并联使用，并联时仅需要在栅极串入电阻。

图4为UC3875对调整管管压降进行闭环控制的部分电路。图3中的调整管压降取样信号馈送至图3中的R5，经过R5、C4滤波后馈送如UC3875内的集成误差运算放大器3脚(IN(-))，UC3875的1脚VREF端通过R4和RP1组合分压，调节RP1可以将调整管压降最高限制在2.5 V。

图4　调整管管压降闭环控制示意图

电源采用ATMEG32单片机作为核心控制器，实现本电源的远程控制和本机状态检测功能。控制器通过RS485串行总线实现与上位机的通讯。电源的输出电压、输出电流通过取样电路送至单片机，由于ATMEG32内置的模/数转换器(ADC)为10位模/数转换，因而本设计外扩12位A/D电路，实现输出电压、输出电流的高精度检测。

上位机通过串行总线对本电源的输出电压、输出电流进行远程实时调节控制，为保证电压、电流的设置精度，采用3个8字节数字信号分别代表电流、电压基准。单片控制器通过外扩的12位数/模转换器(DAC)转换，分别产生模拟电流、电压基准信号，馈送至线性调整单元。

2电源设计要素

2.1　浮动地设计

由于本电源输出电流、电压精度要求较高，因而本设计采用浮动接地技术，将单片控制器的地接至电源输出的正端，该技术具有如下优点：

(1) 相移PWM控制器UC3875与线性调整控制电路采用同一辅助+15 V电源供电。调整管管压降可以直接反馈至相移PWM控制器UC3875。而且调整管管压降也可以通过滤波电路直接馈送至单片控制器的模拟信号输入端。

(2) 输出电流通过小阻值精密电阻取样，再经过高精度放大后反馈至线性调整控制电路。输出电压也可以直接采用精密电阻采样，馈送至线性调整控制电路。输出电流、输出电压取样信号经过信号调理电路馈送至ADC后转换成数字信号，馈送至单片机。

(3) 单片控制器通过隔离的RS485收发器与上位机通讯，与整机的地线进行物理隔离，有效抑制各种传导干扰。

2.2　调整管压降设计

由于本设计采用VMOS管IRFP150作为线性调整器件，因而可以充分利用VMOS管的线性动态性能，降低调整管压降。在额定输出电流状态下，管压降每降低1 V，调整管功耗减小35 W，效率可提高约3%。在电源实际调试过程中，可以通过调节图4中所示的RP1来控制调整管管压降，以使电源获得最佳的输出性能。

通过设计调试和对电源性能测试，调整管压降可以控制在0.85～0.95 V之间。

3电源测试

通过实验，实际测试数据如表1所示。

表1　电源输出调节特性

表1中数据均为调整管压降为0.9 V时的测试结果，其中负载电阻为0.8~16 Ω,由10只8 Ω/55 W电阻组合而成。

4结束语

单片控制器极强的抗干扰性及良好的稳定可靠性，确保了开关和线性组合式直流励磁电源在高能加速器中的稳定运行。本电源电气性能与产品质量均能满足用户要求，并经过长期运行验证了电源的可靠性。

参考文献

[1]黄汉生.功率因数校正技术的发展[A].全国电源技术年会论文集[C].北京,1995:4.

[2]王京梅，兰文中.零电压-零电流PWM 软开关技术研究[J].电子器件，2002，25(24):340-344.

Design of A DC Excitation Power Supply with High Performance

JIANG Hong-wei,ZHANG Yan

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper introduces a DC excitation power supply of switching and linear combination，expatiates the basic principle of power supply,puts forward a kind of power supply control project of monolithic controller floating operation,and gives the least voltage-drop range of vertical metal oxide semiconductor (VMOS) tube to ensure voltage linear adjustment performance through experiment.

Key words:phase-shift control;linear adjustment;monolithic controller

收稿日期:2013-07-23

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.029

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0106-04