2 Hz增强器电源的设计与研制

李 洋，龙锋利，陈素颖，齐 欣,3，张 旌

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；2.中国科学院大学，北京 100049；3.散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803)

高能同步辐射光源增强器的动态电源不同于普通磁铁电源，输出电流是具有一定重复频率的带直流偏置的正弦波电流[1]。对于感性负载，变化的电流将带来能量的吞吐。在电流上升阶段，磁铁负载从电网吸收能量，并存储在电感中；在电流的下降阶段，负载向电源回馈能量[2]。为抑制这种能量波动对电网输入电流的影响，需在输入级加入功率控制环节[3]，平稳功率波动。与此同时，为实现0.1%的电流跟踪误差，电流调节器的PI参数需通过计算和不断调试达到最小的跟踪误差[4]。

本文结合动态电源的工作特点，研制一台动态电源样机。通过电路设计和结构设计实现电源所需的全部功能。通过优化电源控制参数，合理选择测试方法，使输出电流的跟踪误差达到0.1%的目标。

1 电源设计

根据电源输出电流和功率的要求，电源外观整体设计采用柜式结构、自下而上的设计方案。电源电流的输出波形如图1所示。

图1 增强器电源的2 Hz偏置正弦波输出Fig.1 2 Hz offset sine wave output of booster power supply

电路部分由前级的Boost电路和后级的2Q变换器以及输出滤波环节组成。在控制器的选择上，采用自主研发的基于CycloneⅡ的FPGA为主的数字电源控制模块(DPSCM)，结合高精度AD/DA板[5]，满足了控制的需求，且均采用多环路控制方案，保证电源的可靠运行[6]。电源的规格列于表1。

表1 增强器电源的设计参数Table 1 Design parameter of booster power supply

1.1 电源电路设计

电源电路结构框图如图2所示。电源采用三相380 V供电，经过三相变压器后，得到三相低压电压，经过整流后，得到50 V左右的低压直流电压。经过升压电路后[7]，得到约80 V的平稳直流电压，供输出级使用。逆变输出电流经过输出滤波电路后得到所需交流电流[8]。

图2 增强器电源电路结构框图Fig.2 Block diagram of booster power supply circuit

选择升压电路作为前级功率控制主要从电路结构方面进行了考虑。如果选用降压电路，则需为输入提供平稳的直流电压，因此需要LC滤波电路来平稳三相整流电压。这样增加了系统的成本。

1.2 主电路和控制电路设计

电源控制采用前级和后级分别独立控制，待母线电压建立后，后级逆变电路才能正常输出所需的电流，两者之间通过联锁保护电路来实现。为安全工作，电源在启动时，设置了软启动程序。升压电路会从零给定逐渐累积到给定电压，这样控制母线电压的占空比就不会突然打开，导致母线电压过冲，影响到母线电容的安全[9]。电源的整体控制框图示于图3。

图3 电源整体控制框图Fig.3 Block diagram of power supply overall control

前级升压电路的功能一方面提供了平稳的母线电压，另一方面的作用是平稳输入功率带给电网的波动。在电源运行期间，随着输出电流的正弦变化，母线电压也会产生2 Hz的低频波动。通过增加电容容量或提高升压电路输出的电压能减小母线上的低频波动[10]。前级升压电路的控制框图示于图4。图4中，iL为前级电感电流，E为母线电压。

图4 升压电路的控制框图Fig.4 Control block diagram of Boost circuit

后级逆变电路采用两象限(2Q)变换器[11]，保证在输出电流正向、输出电压正负交替的工作过程中，电源能正常运行。驱动波形采用PWM错相技术[12]，如图5所示，在不改变IGBT的开关频率下，提高了电源的输出频率，减小了滤波电感体积，增加了电流输出的精确度和平稳性。

图5 后级逆变电路的驱动波形Fig.5 Driving waveform of inverter circuit

电源的控制器采用数字电源控制模块(DPSCM)。通过设计的背板，将FPGA主板与AD/DA板以及电源板连在一起，并将控制信号引出到电源的主电路部分[13]。通过LabVIEW控制界面可设置数字控制器的各种参数，并能通过控制界面实现对输出波形的波形下载[14]，如图6所示。

图6 DPSCM电源参数控制界面Fig.6 DPSCM power parameter control interface

1.3 结构设计

电源采用下进下出的接线方式。三相滤波器、三相变压器和软启动电路位于机柜的最下方。电源的三相总断路器和控制电断路器位于电源前面板的下方。功率单元位于电源机柜的中间。为给负载电感提供能量泄放通道，直流母线上需有足够的电容，因此将电容组放置在柜体中部。控制机箱和显示屏位于电源的最上方。

2 电源测试

根据设计要求，跟踪误差需达到0.1%。因是正弦波输出，为便于测量，将时间上的误差转化为相位误差，即给定正弦波形与实际电源输出波形的相位差要小于0.057°，达到这一要求后即可认为电源满足了输出跟踪误差小于0.1%。测试框图如图7所示。

图7 跟踪误差的测试框图Fig.7 Test block diagram for tracking error

测试仪器包括：IPC-610研华工控机、NI PXI-1042Q数据采集机箱、PXI-6284(多功能I/O模块；32路模拟量输入18位AD，采样率625 kS/s)、HITEC DCCT 160A(小信号-3 dB，带宽250 kHz，线性误差<4 ppm)。

两路正弦信号数据经过LabVIEW软件的FFT分析，得到两路信号的相位差，再减去数字控制器中模数转换器的滤波时间常数对应的角度，进而得到电源实际跟踪误差[15]。从测试结果可看出，电源的跟踪误差小于0.1%。电源输出电流跟踪误差的测试界面如图8所示。

图8 2 Hz电源跟踪误差的测试界面Fig.8 Test interface of tracking error

采样系统的电压范围为0～3 V。通过DCCT传感器1 000∶1的电流变比和37 Ω采样电阻的转换，对应到实际输出电流最大为81 A。综合考虑，选择测试电流为直流31 A叠加交流28 A。这样进入采样系统的电压约为2.2 V。

3 结论

2 Hz增强器电源的设计与研制表明，电源设计合理，实际测试结果满足设计指标的要求。跟踪误差的测试表明，电源能实现小于0.1%的跟踪误差，能满足高能同步辐射光源对增强器电源的要求。