高能同步辐射光源高精度直流稳流电源样机研制

郭晓玲，刘 鹏，韩 超，陈 斌

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；2.东莞中子科学中心，广东 东莞 523803)

同步辐射光源已成为众多学科前沿领域不可或缺的大科学装置，我国现有的同步辐射光源均是中、低能光源，而与国家重大需求和工业核心创新能力相关的研究急需高性能的同步辐射光源支撑。高性能同步辐射光源的建造将大幅缩小我国与国际先进光源的差距，并使我国进入世界先进水平行列，为与国家安全和工业核心创新能力相关的研究领域提供独一无二的强大支撑[1-5]。即将建设的高能同步辐射光源(HEPS)将成为世界上性能最为先进的光源[6-7]，其能量高、发射度极小，其高能量对加速器的设计、建造和运行提出了很大的挑战。但目前国内加速器技术的积累与光源建设的需求仍有较大差距，为保证装置的顺利建设，中国科学院高能物理研究所建设了高能光源的验证装置(HEPS-TF)[8]，在验证装置中，对HEPS的关键技术和可能遇到的技术难点进行了提前研究和验证。

HEPS的电源系统包括增强器电源系统和储存环电源系统两大部分[9]，而物理设计中对储存环四极磁铁电源的稳定度、纹波等指标提出了很高的要求。为验证该类型电源的可行性，掌握其关键技术，本文在HEPS-TF中研制高精度直流稳流电源样机。

1 电源样机参数

在HEPS-TF项目中，四极磁铁电源样机的额定工作点设计为290 A/50 V，其主要设计指标列于表1。其中，对电流的长期稳定度要求为10 ppm(8 h)，高于目前国内加速器中常规磁铁电源的要求。对电源输出电压的纹波要求，也普遍高于目前各大加速器常见的磁铁电源要求[10-12]。

表1 HEPS-TF四极磁铁电源样机主要参数Table 1 Parameter of HEPS-TF quadrupole magnet power supply prototype

在HEPS正式项目中，该类型的四极磁铁电源将多达800余台。为了满足加速器系统的可靠、连续运行，在设计阶段还需考虑电源的可靠性、可维修性。由于在正式项目中，电源的输出功率、电流等参数可能与验证装置不同，因此电源样机的研制中还需考虑其灵活性、可调整性等。

2 电路拓扑设计

为了提高电源的灵活性和可靠性，在电源样机的拓扑结构中采用模块化设计。模块化拓扑的优点是电源的输出灵活、可调整，可根据系统的需要进行模块的串、并联，实现大功率或不同功率输出[13]。在HEPS正式项目中，若对磁铁电源的输出功率进行大调整，可根据系统需要改变模块的数量及连接方式。另外，正式项目中该类型的磁铁电源数量庞大，若所有电源采用相同类型的模块，则可提高备用模块的通用性。在电源发生故障时，通过快速更换备用模块实现快速维修，降低故障时间。

电源样机的额定功率设计为15 kW，采用两个额定输出为150 A/50 V的模块并联的方式。其中，每个模块由整流和高频DC/DC两级组成，其拓扑结构如图1所示。

前级的整流电路实现380 V交流电到直流电的转换，经过LC滤波后输出至后级的高频DC/DC变换电路。高频DC/DC电路通过在模块内部、模块之间采用串并联脉宽多重化错相，提高了电源的等效开关频率和响应速度，从而进一步降低输出纹波。通过两级变化，并合理优化输出级的LC滤波，可有效降低输出纹波，提高电源输出电流的短期稳定度，从而降低电压纹波，并为电流长期稳定度的达标提供基础。

图1 电源样机单模块硬件电路拓扑Fig.1 Single module’s hardware topology of power supply prototype

3 控制方案设计

该电源样机的关键点和难点之一在于对电流长期稳定度的要求，若该指标不能达标，则会否定整个物理设计的可行性。电流的稳定度包括长期稳定度和短期稳定度，其中，短期稳定度是长期稳定度的基础和前提。电源输出电压中的低频纹波含量直接影响电流的短期稳定度，为提高短期稳定度，需尽量降低电压低频纹波。另外，为降低电源运行时电源系统之间、电源系统对其他系统设备的干扰和影响，在设计参数中对电压高频纹波成分提出较高要求。

本样机中，电源的控制部分采用数字和模拟调节相结合的控制方式。其中，作为内环的电压环采用模拟调节的方式。与离散调节的数字控制相比，模拟控制属于连续调节，它具有调节带宽和调节速度高的优点。而最外环的电流调节器采用数字控制的方式，采用自主研发的高精度电源数字控制器实现对电流稳定度的精密控制，使输出电流的稳定度最终达到设计目标。

这种控制方式将数字控制和模拟控制的优点相结合，既具有数字控制的灵活、稳定优势，又具有模拟调节的带宽、速度优势，还能利用经典模拟调节的经验降低电源生产的要求和难度。相对于纯数字控制，模拟调节避免了数字控制对PWM控制精度的限制，降低了两环的耦合关系，从而降低了样机调试的难度。样机的控制框图结构如图2所示。

图2 样机的控制框图结构Fig.2 Structure of control block diagram for prototype

电压控制环作为控制环路的内环，其目的是降低电源输出的电压纹波。由于在本电源样机中采用模块化设计，因此需在模块间设计均流控制，以实现模块间的输出电流均衡，图3为内环模拟闭环控制结构。

图3 模拟闭环控制结构Fig.3 Structure of analog closed-loop control

最内环的均流环实现两个模块之间的均流控制，而电压环的控制则实现对并联后电压纹波的抑制。最外环的电流环是保证电流稳定度的关键，为实现10 ppm的高稳定度，对电流调节环采用数字控制的方式，这可避免模拟控制的温度漂移、器件参数漂移等影响。数字控制环路具有如下优点[14]：1) 给定为数字量，避免了给定引入的温度漂移；2) 通过软件即可调节和优化电源控制回路的参数，如电源的控制框架发生变化，可通过软件更改，无需重新设计硬件；3) 电源与其远程控制系统的接口成为电源的数字控制器的一部分，可直接通过数字量进行电源的本地与加速器控制系统间的信息交互，节省了传统模拟控制所需的中间数模和模数转换环节；4) 电源控制系统硬件以大规模集成电路为主，降低了设备故障率；5) 可通过PC机进行全面的电源监控和诊断。

为降低反馈信号中的干扰量，在电流的闭环反馈中采用电流型传感器。由于电流信号比电压信号具有更高的抗干扰性，因此采用电流型传感器可避免采样信号在传输中被干扰。另外，采用电流型DCCT还可将I/V转换部分设计在靠近AD采样端，以进一步降低环境的干扰。

影响电流长期稳定度的另一重要因素是电源的温度漂移，即由温度变化产生的器件参数变化[15]。由于样机的最外环控制为数字控制的电流调节器，因此该环路上和环路外的每部分温度漂移均会影响输出电流的稳定度。

作为最外环的数字电流控制环，反馈环节中每部分产生的温度漂移均将对电源整体的输出产生影响。本样机中的电流反馈包括电流型DCCT、波段电阻和ADC。为降低DCCT的温度漂移，自主研发规格为300 A的高精度、低温度漂移的电流型传感器；为降低I/V转换过程引入的温度漂移，对波段电阻进行了精密的温度系数测量，并根据测量结果进行电阻配对，以相互抵消温度漂移系数。最后，为降低ADC受温度的影响，对AD板的关键芯片进行恒温控制。通过测试，恒温控制精度可达0.1 ℃[16]。

图4为高稳定度直流稳流电源样机，样机采用水冷的冷却方式，整机设计为4U机箱，内置两个电源模块，并在控制部分集成自主产权的高精度数字控制器。

图4 高稳定度直流稳流电源样机Fig.4 High stability DC power supply prototype

4 实验和测试

对该磁铁电源样机的各设计参数进行了测试，测试中所用负载均为167 mΩ电阻性负载。

4.1 长期稳定度

为保证电源样机在各工作点的电流稳定度均可达到物理要求，在60、150、240和290 A工作电流下，分别对电源进行10 h长期稳定度测试，测试结果波形如图5所示。通过式(1)计算得到的4个工作点的稳定度列于表2。由表2可知，在4个工作点，电流的长期稳定度均优于设计指标。

图5 电流长期稳定度测试结果波形Fig.5 Waveform of current long-term stability test result

(1)

其中：S为稳定度；Imax和Imin分别为所测得电流的最大和最小值。

表2 电流长期稳定度测试结果Table 2 Result of current long-term stability test

4.2 电流重复性

物理设计对电源的输出电流重复性提出10 ppm的要求。为达到此要求，在电流闭环调节中对每次开机稳定后AD的恒温控制进行量化处理，保证每次开机稳定后关键器件的工作温度相同。电流重复性测量波形如图6所示。

电流重复性R为：

(2)

其中，Ia1和Ia2分别为两次测得电流的平均值。测试结果表明，电源的重复性为3.22×10-6，优于设计指标要求。

图6 电流重复性测试波形Fig.6 Waveform of current repeatability test

4.3 电压纹波

1) 低频纹波

在本样机中，低频纹波是指600 Hz以下的电压纹波，4个工作点的测试结果如图7所示。

由测试结果可见，4个工作点的低频电压纹波均小于5 mV，优于设计指标。

2) 高频纹波

高频纹波是指高于600 Hz的电压纹波，其4个工作点的测试结果如图8所示。测试结果表明，高频纹波有效值均小于10 mV，优于设计要求40 mV。

输出电流：a——290 A；b——240 A；c——150 A；d——60 A 图7 电源输出低频电压纹波波形Fig.7 Waveform of voltage low-frequency ripple

输出电流：a——290 A；b——240 A；c——150 A；d——60 A图8 电源输出高频电压纹波波形Fig.8 Waveform of voltage high-frequency ripple

4.4 电源样机整机温度系数测试

为测试电源样机对工作环境温度的要求，对电源整机的温度系数进行了测试。测试中，将电源装入温度可调的电源机柜中，调节机柜内温度并测量电源输出电流的变化。图9为样机输出电流与工作温度变化波形。

图9 样机输出电流与工作温度变化波形Fig.9 Waveform of current change with temperature

根据所测数据，计算得到电源的整体温度系数为0.5 ppm/℃。该结果表明，电源对工作环境温度要求不高，这可大幅降低HEPS电源系统中对空调系统的要求。

4.5 电源分辨率测试

在额定290 A工作电流下，按0.003 A的步长增加电流，图10为电源分辨率测试电流波形。由测试结果可知，电源的分辨率达到10-5。

图10 电源分辨率测试电流波形Fig.10 Current waveform in resolution test

5 结论

为验证HEPS的物理设计指标在电源系统中的可行性，研制了高精度直流稳流电源。通过实验证明，物理设计可达到四极磁铁电源提出的指标要求。通过电源样机的研制，掌握了该类型电源样机的关键技术，为正式项目中电源的研制和生产积累了经验。