CN101521083A - 用igbt实现的超导磁铁电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用绝缘栅双极晶体管实现的超导磁铁电源，超导磁铁电源电路包括四路带有闭环反馈控制电路的绝缘栅双极晶体管降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁，四路带有闭环反馈控制电路的绝缘栅双极晶体管降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁为并联设置，反馈控制电路为均流反馈控制电路，导磁铁电源电路还可以设置有总反馈闭环控制电路。使用移相倍频控制技术，减小输出电压(电流)纹波，减轻无源滤波的负担，提高电源调节的动态响应性能，从而提高输出电流的稳定度。通过专门针对超导磁铁零电阻、大电感的特点而设计的性能稳定的低温漂、高精度的电流负反馈闭环控制使电源的输出电流具有很高的稳定度。

Description

用IGBT实现的超导磁铁电源

技术领域

本发明属于一种超导磁铁电源，特别涉及一种基于大容量IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)器件的超导磁铁励磁电源。

背景技术

在基础科学研究、医疗卫生、轨道交通、国防工业等重要领域，通常需要用大电流的稳流电源向磁铁供给励磁电流，这些应用中都对磁场的稳定度提出了严格要求。要保证磁场的长期稳定，就是要保证稳流电源的输出电流具有很高的稳定度和极低的电压(电流)纹波。当前，国际上的高能物理与核物理研究装置——粒子加速器系统越来越多的使用超导材料制作磁铁。超导磁铁对电压(电流)纹波非常敏感，过大的电压(电流)纹波不仅会误触发失超探测器，而且可能引起超导线失超(失超是指超导体从超导态进入常导态，超导线从没有电阻变为有电阻，电流经过该区域时就会产生热量)，这将严重影响超导磁铁及其失超保护系统的正常工作，对超导磁铁的可靠工作而言是致命的。因此，不仅要求超导磁铁电源的电流纹波极低，而且需要响应快、调节精度高。

目前，已知的超导磁铁电源一般多采用晶闸管相控整流电源，它由晶闸管整流、无源滤波、调节控制等环节组成，这种常规的电源具有容量大、系统结构简单、可控器件价格低和易实现磁场能量回馈的特点。但交流电网电压的不平衡、整流元件开通/关断特性的不一致、元器件特性不理想等因素，均会产生非特征次电压(电流)谐波，直接表现为输出电压(电流)纹波大。若采用无源滤波器消除电压(电流)特征和非特征次谐波，会导致无源滤波器体积庞大，增加了电源的成本，并且会使系统的动态性能恶化。为了解决晶闸管相控整流电源输出电压(电流)纹波大的问题，现有的超导磁铁电源产品多采用在主电路中串联线性调整管(大功率三极管)的方法，此类电源的优点是纹波小、稳定度高，缺点是线性调整管的功耗大、效率低、体积大、可靠性差。另一种可行的办法是采用有源滤波技术，可以有效地抵消特征和非特征次谐波，但这种方案由于非特征次谐波频谱复杂，造成控制系统的选频网络设计计算困难，现场调试工作量极大。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种长期电流稳定度高、电压(电流)纹波低、响应快、调节精度高、体积小、效率高的电源装置。

为解决上述的技术问题，本超导磁铁电源采用如下的技术方案：

本发明提供了一种超导磁铁电源电路和根据此电路设计的超导磁铁电源，超导磁铁电源电路包括四路带有闭环反馈控制电路的绝缘栅双极晶体管降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁，其特征在于所述四路带有闭环反馈控制电路的绝缘栅双极晶体管降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁为并联设置，反馈控制电路为均流反馈控制电路，所述导磁铁电源电路还可以设置有总反馈闭环控制电路。

本发明的有益效果：

4路降压斩波电路(Buck Chopper)并联，使用移相倍频控制技术，减小输出电压(电流)纹波，减轻无源滤波的负担，提高电源调节的动态响应性能，从而提高输出电流的稳定度。通过专门针对超导磁铁零电阻、大电感的特点而设计的性能稳定的低温漂、高精度的电流负反馈闭环控制使电源的输出电流具有很高的稳定度。

为超导磁铁提供长期电流稳定度高、电压(电流)纹波低、响应快、调节精度高的直流稳恒电流。装置的体积小、效率高、噪音小。

附图说明

图1为本发明的一种电源电路图。

图2为本发明图1的1部电路的电路图。

具体实施方式

如图1至图2所示一种电源电路图，其包括三相整流桥A₆、A₇，滤波电感L₅、L₆，储能电容C₅、C₆、C₇、C₈，降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁，高频电感L₇、L₈、L₉、L₁₀，滤波电容C₉、C₁₀、C₁₁、C₁₂，电容C₁₃、C₁₄，输出滤波电感L₁₁、L₁₂，电阻R₃，电流传感器U₃、U₁₁、U₁₂、U₁₃、U₁₄，减法器V₃、V₅、V₆、V₇、V₈，总闭环调节器T₄，均流闭环调节器T₉、T₁₀、T₁₁、T₁₂，脉冲形成器M₁₃、M₁₄、M₁₅、M₁₆，振荡器X₁₇，分频移相器F₁₈，所述降压斩波电路由IGBT和二极管组成，三相电源接入整流桥A₆，A₆输出正端联接滤波电感L₅的一端，输出负与储能电容C₅、C₆的负端联接，储能电容C₅、C₆的正端和滤波电感L₅的另一端联接，所述储能电容C₅与降压斩波电路A₈并联，A₈输出正端联接高频电感L₇一端，所述降压斩波电路A₈输出负端联接滤波电容C₉的负端，滤波电容C₉的正端联接高频电感L₇的另一端后通过电流传感器U₁₁与电感L₁₁联接，所述降压斩波电路A₉与储能电容C₆并联，降压斩波电路A₉输出正端联接高频电感L₈一端，降压斩波电路A₉输出负端联接滤波电容C₁₀的负端，所述滤波电容C₁₀的正端联接高频电感L₈的的另一端后通过电流传感器U₁₂与电感L₁₁联接，所述滤波电容C₉、C₁₀并联后正端联接输出滤波电感L₁₁，三相电源接入整流桥A₇，A₇输出正端联接滤波电感L₆的一端，输出负与储能电容C₇、C₈的负端联接，储能电容C₇、C₈的正端和滤波电感L₆的另一端联接，所述储能电容C₇与降压斩波电路A₁₀并联，A₁₀输出正端联接高频电感L₉一端，所述降压斩波电路A₁₀输出负端联接滤波电容C₁₁的负端，滤波电容C₁₁的正端联接高频电感L₉的另一端后通过电流传感器U₁₃与电感L₁₂联接，所述降压斩波电路A₁₁与储能电容C₈并联，降压斩波电路A₁₁输出正端联接高频电感L₁₀一端，降压斩波电路A₁₁输出负端联接滤波电容C₁₂的负端，所述滤波电容C₁₂的正端联接高频电感L₁₀的另一端后通过电流传感器U₁₄与电感L₁₂联接，所述滤波电容C₁₁、C₁₂并联后正端联接输出滤波电感L₁₂，所述输出滤波电感L₁₁、L₁₂并联后联接电容C₁₃的正端，滤波电容C₉、C₁₀、C₁₁、C₁₂的负端并联后联接电容C₁₃的负端，电容C₁₄和电阻R₃串联后与C₁₃并联，C₁₃的正端经电流传感器U₃与负载正端联接，C₁₃的负端联接负载负端，U₃联接减法器V₃，减法器V₃还联接电流基准给定器2和总闭环调节器T₄，总闭环调节器T₄分别联接并联的减法器V₅、V₆、V₇、V₈，减法器V₅、V₆、V₇、V₈，分别联接均流闭环调节器T₉、T₁₀、T₁₁、T₁₂，减法器V₅、V₆、V₇、V₈还分别联接电流传感器U₁₁、U₁₂、U₁₃、U₁₄，均流闭环调节器T₉、T₁₀、T₁₁、T₁₂分别联接脉冲形成器M₁₃、M₁₄、M₁₅、M₁₆，脉冲形成器M₁₃、M₁₄、M₁₅、M₁₆分别联接降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁，中的IGBT的栅极，所述振荡器X₁₇联接分频移相器F₁₈，分频移相器F₁₈与脉冲形成器M₁₃、M₁₄、M₁₅、M₁₆分别联接。

本发明的工作原理是：振荡器X₁₇产生一高频时钟信号，经分频移相器F₁₈处理成四路彼此相移为1/4周期的三角波。电流基准给定器2的信号送入减法器V₃，与电流传感器U₃输出的信号进行比较，得到一误差信号，将该误差信号用总闭环调节器T₄放大，然后分别送入减法器V₅、V₆、V₇、V₈，与电流传感器U₁₁、U₁₂、U₁₃、U₁₄输出的信号进行比较，得到四个误差信号，将该四个误差信号分别用均流闭环调节器T₉、T₁₀、T₁₁、T₁₂放大，然后分别送入脉冲形成器M₁₃、M₁₄、M₁₅、M₁₆，和前述四路彼此相移为1/4周期的三角波进行比较，形成四路PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)信号，将该四路PWM信号依次分别联接到降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁中IGBT的栅极，驱动降压斩波电路工作。

本发明中，总电流闭环调节器可以采用闭环PID调节器(Proportional-Integral-Differential：比例-积分-微分运算)，三相整流器A₆、A₇和滤波电感L₅、L₆，储能电容C₅、C₆、C₇、C₈一起构成两路电压源，为降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁供电。对于降压斩波电路，用高精度电流传感器U₃采集直流输出线上的电流，将所得的信号送入总电流同电流给定基准信号进行比较。总电流闭环PID调节器的输出作为均流闭环PI(Proportional-Integral：比例-积分运算)调节器的参考信号，电流传感器U₁₁、U₁₂、U₁₃、U₁₄输出的电流信号分别作为均流闭环PI调节器的反馈信号，与参考信号进行比较。均流闭环PI调节器的输出接入脉冲形成电路，作为脉宽调制的调制信号，与四路彼此相移为1/4周期的三角波相比较，从而得到四路PWM信号，用此四路PWM信号去驱动降压斩波电路中的IGBT进行斩波。

用上述方法产生的PWM信号彼此相移为1/4周期，若每路PWM信号的频率为10kHz，则图中在C₁₃正端叠加得到的开关频率为40kHz，这种方法被称为移相倍频控制技术。因为4路PWM信号彼此相移为1/4周期，而在叠加点呈4倍频率。这样就增加了输出电压的脉动数，而减小了输出电压(电流)纹波，加快了电源的调节响应速度。因为倍频技术的应用，无源滤波器的工作频率得到大幅度的提高(如从每路的10kHz增加到输出端的40kHz)。根据电磁学知识可知，这样既降低了无源滤波器的容量，又减小了其体积。

本发明对四路降压斩波电路的输出电流由传感器U₁₁、U₁₂、U₁₃、U₁₄进行测量，分别反馈到均流闭环调节器。因为四个均流闭环调节器的给定值都来自总电流闭环调节器的输出，所以四个Buck Chopper都输出相同大小的电流，具有很好的均流特性，这样有利于充分发挥每个Buck Chopper桥的输出能力，避免自然均流时功率器件容量的浪费，降低了采购成本，同时其响应快、调节精度高。对于功率较大的电源装置，IGBT开通关断会产生很强的辐射干扰和传导干扰，这给系统的电磁兼容设计提出了严格要求。本超导磁铁电源在装置的结构设计中使主功率电路的储能电容、IGBT等均压接在叠层铜母排下，且进、出线母排也叠层行线，从而有效减小了线路杂散电感，减弱了高频电流的趋肤效应和邻近效应，减小了传导干扰和辐射干扰。

本超导磁铁电源可采用水冷却或强迫风冷。其显著优点是：可以为超导磁铁提供长期电流稳定度高、电压(电流)纹波低、响应快、调节精度高的直流稳恒电流。装置的体积小、效率高、噪音小。

Claims (3)

1.一种超导磁铁电源电路，其包括四路带有闭环调节控制电路的绝缘栅双极晶体管降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁，其特征在于所述四路带有闭环控制电路的绝缘栅双极晶体管降压斩波电路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁为并联设置，闭环控制电路为均流闭环控制电路，所述均流闭环控制电路分别对降压斩波电路进行回馈控制斩波。

2.根据权利要求1所述的一种用一种超导磁铁电源电路，其特征是：所述导磁铁电源电路设置有总闭环控制电路，所述总闭环控制电路对电路整体进行回馈控制。

3.一种超导磁铁电源，其装备有任一前述权利要求所述的超导磁铁电源电路。

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