大功率脉冲电源的模块化设计及实现

张志新 高大庆 史春逢 黄玉珍 陈又新 封安辉 闫怀海

1（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

2（中国科学院大学 北京 100049）

大功率脉冲电源的模块化设计及实现

张志新1,2高大庆1史春逢1黄玉珍1陈又新1封安辉1闫怀海1

1（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

2（中国科学院大学 北京 100049）

以兰州重离子加速器冷却储存环(Main Cooler Storage Ring at Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL-CSRm)四极铁电源为例，介绍了一种大功率数字脉冲电源的模块化设计方法。采用了模块化标准化设计原则，大幅度降低了电源尺寸，提高了原部件集成度和功率密度，对电源进行了热分析。搭建完成了一台样机，通过样机验证，测试了电源热分布及电磁兼容性EMC (Electro Magnetic Compatibility)性能。测试结果表明，这种模块化结构达到了设计要求。

高功率密度，脉冲电源，模块化，热分析，电磁兼容性

大功率脉冲电源标准化、模块化设计是电源技术发展的一种趋势。通过提高电源功率密度，降低电源成本，提高电源可靠性[1]，通用电源的标准化和模块化设计方法已广泛应用于工业中。兰州重离子加速器冷却储存环(Main Cooler Storage Ring at Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL-CSRm)是我国最大的一台重离子加速器，随着重离子加速器性能的不断提高，电源性能也需不断提高。但是加速器电源的特殊性使得加速器用电源，特别是动态电流输出的脉冲电源的模块化和标准化设计还存在一些困难。本文针对兰州重离子加速器上大面积应用的一种大功率脉冲开关电源，提出了一种标准化模块化设计思路，并且搭建完成了一台大功率脉冲电源进行验证。

图1 CSRm四极铁脉冲电源工作电流波形Fig.1 Current wave of power supply.

1 大功率脉冲电源的结构设计

1.1 技术参数

HIRFL-CSRm励磁电源工作于脉冲模式。其中30台四极铁电源为脉冲电源，输出最大脉冲平顶电流590 A，时间1−5 s，平底电流20 A，电流上升下降时间是3 s，跟踪误差小于±1×10−4。四极铁励磁线圈电感为79.6 mH，电阻为91.4 mΩ。脉冲电源工作波形如图1，电源主电路采用H桥拓扑结构[2]，如图2所示。

1.2 电源各元部件的模块化和标准化设计

模块化标准化设计首先需将电源划分为几个部分，各部分功能及结构上相对统一；其次需仔细研究各组成部分，进行集成化设计，形成各个功能模块；最后对各个模块进行标准化设计，形成一系列的标准化功能模块。标准化环节最重要的是各模块的接口设计以及模块功能优化，以便于增加模块的互换性，最大发挥各模块的使用效率。根据以上原则以及国内电源厂商的具体情况，CSR主环脉冲电源可划分为前级整流滤波、功率变换、高频滤波、控制及继电保护几个功能模块[3]，如图2所示。

电源采用基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的数字控制器，使控制器的标准化模块化尽量简化。控制用所有电路板、零磁通电流传感器(Direct Current-CurrentTransformer, DCCT)和7寸控制屏幕安装于3U的控制机箱内，所有继电保护电路和辅助电源安装于一块底板上，该底板采用了立式抽拉式安装，与功率变换器高度相同。

图2 脉冲电源工作电路原理Fig.2 Current principle of the power supply.

电源主回路前级主要功能为进行电压变换并进行整流滤波，由式(1)及电源参数计算出所需最小前级电压54 V。

通常该环节采用整流变压器+二极管全桥整流+LC滤波方案，此方案成熟可靠，成本低廉，但是体积庞大，集成化程度低。本文经过调研采用了一种高频稳压源，该稳压电源采用高频开关原理，稳压精度高，功率密度大，体积大大缩小，采用宽600 mm标准机箱结构，如图3(a)中稳压源部分。功率变换器采用全桥结构，此部分的集成化设计是脉冲电源模块化设计的重点和难点，功率变换器采用了更紧凑的叠层母排结构，其核心是储能电容与半导体功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的安装结构。由图2知，IGBT与电解电容并联的结构需满足：

式中，Ts是一周期内单管开通的最长时间；ΔV为允许输入纹波峰峰值1%。计算得：C=107200 μF，为减小纹波取C尽可能的大，因此在模块设计时，预置9×10000 μF的电容。此电源将两模块叠层母排并联，储能电容加倍，将原来的单个储能电容单元分散开来，减小了单个叠母尺寸，如图3(a)中功率变换器部分。此变换器可通过并联或串联的方式，满足大小电流、高低电压的需求。图4为样机电源用到的并联结构。

但是高频滤波电感因电源功率较大，依旧采用了分立的电抗器，无法实现集成化，这也是电源集成化设计中的一个难点。

经此想法设计后电源设计图纸如图3(a)所示，相比较，电源体积由原来图3(b)的1.0 m×1.0 m×2.0 m设计成0.6 m×0.8 m×1.8 m (宽×深×高)。

图3 CSRm四极铁样机电源(a)与原电源(b)的三维图Fig.3 3D drawings of the new power supply (a) and the old one (b).

图4 紧凑的功率单元模块并联设计Fig.4 Parallel compact module design of power unit.

2 电源功能测试结果

搭建完成的样机电源，性能测试结果与仿真结果比较：图5(a)为平顶550 A、平底20 A时一周期的仿真波形，左侧为跟踪误差标度，右侧为脉冲电流的标度；图5(b)为一个周期内DCCT回读值与跟踪误差的图示，仿真与真实波形较符合。平顶段时误差为2.9×10−5，平底时误差为2.3×10−4，已超过原CSRm四极铁电源设计指标。

图5 仿真(a)与样机(b)的跟踪误差与输出电流Fig.5 Tracking error and output current of the simulation (a) and the prototype (b).

3 基于FloTHERM对大功率脉冲电源主要部分的热分析与热测试

高功率密度对大设备能大大提高空间利用率，但温度问题紧随而致，因此合理的风道设计和优化发热模块的间距在小型化电源设计中显得越来越重要[4]。电源工作时主要的发热元器件为IGBT。由于IGBT工作在开关的模式下，因此在IGBT导通和开关时均会产生热损耗，且在H桥电路中，主要由功率模块本身及与其并联的续流二极管产生损耗，总的损耗Pall分为导通损耗Pcond和开关损耗Psw[5]：

基于FloTHERM对功率单元进行热仿真，当电源直流输出500 A时，仿真的结果温度分布如图6(a)所示，而图6(b)为美国FLIR公司生产的E40型号的红外热像仪对电源工作在500 A输出时的功率变换器拍摄的红外热图，可见最高温度都出现在IGBT处，约为67 ºC，与前期仿真结果接近。

图6 对功率单元仿真温度分布图(a)与实际拍摄红外热图(b)Fig.6 Thermal simulation of power unit (a) and the actual thermograph (b).

由伯努利定律知，温度场中当温度升高得越快，场中的压力变小，导致热量不能及时地散发出去，因此在设计主功率模块时为避免同一水平层面的热量累计，采用直立式和添加风扇等外部手段将热量及时地散发出去；将模块分散开来，能有效地增大叠母与低温环境的接触，利于散热。

4 电源EMC测试

模块化样机电源的主要问题除了散热还有电磁兼容的问题，搭建样机的电磁兼容性EMC (Electro Magnetic Compatibility)测试结果(图7(a))：低高频处均出现明显的噪声超标现象，低频0.15−0.50 MHz属于差模噪声，高频≥5 MHz属于共模噪声。

针对样机EMC测试结果分析，选用能在低、高频处均有很好抑制效果的多级滤波结构的滤波器。添加后测试结果如图7(b)所示。EMC问题主要有辐射发射和传导发射，分别在开关电源上主要体现为：开关管的开断、高频变压器与电抗器、分布电容干扰、高频线之间的耦合等。在结构设计时，将电源的开关管部分、高频元件用屏蔽层保护，减小发射噪声；处理传导噪声时遵循阻抗最大失配原则，判断设备各个电路的阻抗特性[6]，选用合适阻抗的滤波器以及吸收磁环。

图7 样机整改前(a)和后(b) EMC测试结果Fig.7 EMC test before (a) and after (b) modification.

5 结语

本文将电源前级采用稳压源模块与H桥的斩波模式相结合，替代体积较大的工频变压器以及整流滤波等器件。采用新功率变换器结构，并采用全数字控制器。通过多种措施实现了脉冲电源一种简单的模块化设计思路，有效降低了开发成本，搭建完成了一台样机电源，并对样机进行了热设计方面分析和优化，提高电源设备的可靠性，同时对电源EMC进行了测试和整改。经过72 h实际测试，样机电源工作可靠，证明了本文提出的脉冲电源模块化设计方案是可行的，可以应用于加速器中，为大功率脉冲电源小型化设计做了一次有意义的尝试。

1 吴光华, 闫怀海, 陈又新, 等. 嵌入式数据库MySQL在兰州重离子加速器数字化电源上的应用[J]. 核技术, 2014, 37(5): 050401

WU Guanghua, YAN Huaihai, CHEN Youxin, et al. Application of embedded database to digital power supply system in HIRFL[J]. Nuclear Techniques, 2014, 37(5): 050401

2 史春逢, 黄玉珍, 陈又新, 等. 一种两级拓扑结构的脉冲电源控制策略研究[J]. 原子能科学技术, 2013, 47(9): 1652−1655

SHI Chunfeng, HUANG Yuzhen, CHEN Youxin, et al. A two-stage topology of pulsed power supply research[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(9): 1652−1655

3 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计(修订版)[M].北京: 电子工业出版社, 2005: 16−17

ZHANG Zhansong, CAI Xuansan. The principle and design of switch power supply (revised edition)[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005: 16−17

4 Zhang W. Integrated EMI/thermal design for switching power supplies[D]. Blacksburg, Virginia: The Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, 1998

5 杜毅, 廖美英. 逆变器中IGBT模块的损耗计算及其散热系统设计[J]. 电气传动自动化, 2011, 33(1): 42−46

DU Yi, LIAO Meiying. Losses calculation of IGBT module and heat dissipation system design of inverters[J]. Electric Drive Automation, 2011, 33(1): 42−46

6 郝晓冬, 乔恩明. 电源系统电磁兼容设计与应用[M].北京: 中国电力出版社, 2007: 255−260

HAO Xiaodong, Qiao Enming. Power system electromagnetic compatibility design and application[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2007: 255−260

CLC TL503.5

Modularized design and realization of high power pulsed power supply

ZHANG Zhixin1,2GAO Daqing1SHI Chunfeng1HUANG Yuzhen1
CHEN Youxin1FENG Anhui1YAN Huaihai1

1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: The Main Cooler Storage Ring at Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL-CSRm) has 30 power supplies for the quadrupole magnets, with a big volume of 1 000 mm×1 000 mm×2 000 mm. Purpose: We attempt to significantly reduce the size of the equipment and improve the integration of the components and power density of the power supply. Methods: Firstly, a suitable and original topology is selected for overall design. Through changing the construction of the parts of the rectifier filter, power converter, high-frequency filter and the controller, digitalization, modularization and standardization were applied to reduce the costs and the geometric dimension. Thermal simulation of the power unit was performed before the prototype is completed, and the Electro Magnetic Compatibility (EMC) was tested finally. Results: The size of new designed power supply was decreased to 600 mm×800 mm×1 800 mm, and the performance testing results satisfied all of the design requirements. Conclusion: The modularized design of high power pulsed power supply not only reduce the geometric volume, increasing its power density, but also improve its overall performance, proving a feasible and meaningful reference for high power density equipment.

High power density, Pulsed power supply, Modularization, Thermal simulation, Electro Magnetic Compatibility (EMC)

TL503.5

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030402

西部之光博士课题(No.Y416010XBO)资助

张志新，男，1988年出生，2012年毕业于山西大学，现为硕士研究生，核能与核技术工程专业，从事电源技术

2014-12-24，

2015-01-26