高能同步辐射光源储存环快校正磁铁电源设计

刘 鹏，龙锋利，李 洋，韩 超

(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)

高能同步辐射光源(HEPS)具有0.1 nm·rad的超低发射度[1]，对束流稳定度提出了较高要求。快速轨道反馈系统(FOFB)可将一定带宽范围内的束流轨道扰动抑制在一定范围内，从而保证引出光源点附近束流轨道的稳定[2-3]。为此研制1台高性能快校正磁铁电源用来提高FOFB的性能以提升束流稳定度[4]。本文设计的快校正磁铁电源需具有10 kHz小信号带宽，电源输出电流纹波为20 ppm，电源性能需求对电源设计提出了较高要求。

根据设计需求，本文研制1台快校正磁铁电源样机。电源样机硬件设计采用多电平级联拓扑结构，以实现高速功率变换；软件控制部分针对负载时间常数大的问题，在传统PI控制系统的基础上设计相位校正环节用来改善系统动态特性。通过软件建模分析与实际样机测试，验证电源设计方案的可行性。

1 电源总体设计

电源整体采用4U机箱结构设计。电源电路部分设计如下：220 V交流市电经过输入滤波器进行平波处理，通过直流源将工频市电变为所需直流电，应用4H桥电路级联组成多电平逆变器完成功率变换，输出端设计输出滤波器滤除相应纹波。电源控制系统采用自主研发的数字电源控制模块(DPSCM)，并使用高精度采样系统进行信号采样，完成系统闭环反馈[5]。电源拓扑结构如图1所示。

图1 电源拓扑结构Fig.1 Scheme of power supply

快校正磁铁电源样机设计参数列于表1。

表1 电源样机设计参数Table 1 Design parameter of power supply prototype

1.1 电路设计

电源硬件拓扑结构应用了新颖的多电平级联拓扑结构，采用4H桥级联式进行组合完成逆变，每路H桥具有独立直流源[6]，4H桥级联输出后经二阶低通滤波器进行滤波。其中H桥中单管开关频率为100 kHz。电源功率部分结构如图2所示。

图2 电源功率部分结构Fig.2 Power supply power part structure

为保证滤波效果和电源高速动态性能指标，滤波电路采用2阶LC滤波电容，为消除LC滤波器带来的反向尖峰，实际使用电阻电容网络进行阻尼设计。实际设计的电源输出滤波器如图3所示。

图3 电源输出滤波器设计Fig.3 Design of power supply output filter

1.2 控制系统设计

电源采用双极性PWM调制方式。电源系统中每路H桥内采用经典全桥PWM控制，桥间采用载波移相控制[7-8]，其中移相时间T的设置为：

T=2π/N

(1)

其中，N为系统中包含的H桥个数。

通过分析，磁铁负载具有较大的时间常数，在整个电源系统中具有主导极点的控制作用，电源系统控制若单独使用PI控制器，电源系统的动态性能不好。通过Matlab仿真分析，得到PI控制电源频率响应曲线，如图4所示。

图4 PI控制电源频率响应曲线Fig.4 Frequency response curve of power supply by PI control

鉴于PI控制器的缺点，设计了1个精密相位补偿单元，这个相位补偿单元与PI控制器配合使用，用以消除这个主导极点并减小其在控制系统中的作用。图5为控制单元设计。

图5 控制单元设计Fig.5 Design of control unit

实际设计的模拟相位补偿单元传递函数Gc为：

(2)

校正磁铁负载引入的极点由PI控制环路补偿，系统的相位与幅值增益的需求由相位补偿环节进行补偿。在实际设计中，ω2应比ω1大10倍以上，这主要是分离PI控制器与相位补偿器的相互影响[9]。

2 电源系统建模分析

使用Matlab Simulink模块进行电源系统的模型仿真，快校正磁铁电源仿真模型参数列于表2。

表2 电源模型仿真参数Table 2 Simulation parameter of power supply model

电源模型硬件上采用多电平级联拓扑，软件控制方面采用PI控制器及精心设计的相位校正环路进行控制[10]。图6为Matlab Simulink中的快校正磁铁电源仿真模型。

对电源模型系统进行小信号带宽测试，电源模型电流给定幅值为150 mA、不同频率的正弦信号，通过对比电源模型电流给定与电流输出信号的关系，得到电源模型的小信号带宽。通过仿真测试，电源模型的带宽达10 kHz。图7为电源模型小信号带宽仿真测试曲线，表3列出电源模型的小信号带宽仿真数据。

3 样机实验

研制了1台快校正磁铁电源样机用于测试。样机使用专用设计的背板，将主板与采样板及电源板相连构成电源控制系统，并将控制信号引出到电源的主电路部分[11]。在控制系统设计中，使用具有恒温控制的ADC采样电路，使ADC芯片工作在最适宜温度[12]。使用ADI公司的AD5542A芯片进行电源给定信号输出，DAC芯片输出电压具有16位、0.5 LSB有效精度[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下载[14]，样机使用自研20 A DCCT作为电流反馈器件，电流传感器是决定电流输出电流精度与电流纹波大小的关键[15]，样机测试采用HEPS快校正磁铁样机，样机实验参数列于表4。

图6 电源仿真模型Fig.6 Power supply simulation model

a——5 kHz；b——10 kHz图7 电源模型小信号带宽仿真测试曲线Fig.7 Simulation test curve of small signal bandwidth of power supply model

表3 电源模型小信号带宽仿真数据 Table 3 Small signal bandwidth simulation test data of power supply model

表4 样机实验参数Table 4 Test parameter of prototype

3.1 阶跃响应测试

电源给定为150 mA直流阶跃信号，外套DCCT对电源样机输出电流采样，通过对比电源电流给定与电流输出之间的关系，得到电源样机的阶跃响应性能。

经测试，电源样机的阶跃响应时间为68 μs，符合设计指标要求。样机阶跃响应曲线如图8所示。

a——2～2.15 A阶跃给定；b——14.15～14 A阶跃给定图8 样机阶跃响应测试曲线Fig.8 Test curve of step response of prototype

3.2 输出电流纹波测试

电源给定为0～±15 A直流信号，外套DCCT对电源样机输出电流采样，通过使用动态信号分析仪对实际输出电流进行FFT分析，得到快校正磁铁电源的输出电流纹波信息。

样机输出电流纹波测试结果列于表5。通过分析测试结果可知，电源样机输出电流纹波优于20 ppm设计指标。

表5 样机输出电流纹波测试结果Table 5 Output current ripple test result of prototype

4 结论

经测试，研制的快校正磁铁电源样机性能满足实际设计需求，样机结构设计合理。电源样机具有10 kHz小信号带宽，输出电流纹波低于20 ppm，可较好地满足HEPS的FOFB的物理设计要求，电源系统可较好地应用在HEPS的工程建设中。