CN110460235A - 基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，包括：功率转换单元，包括顺次连接的开关电源模块、Buck电路模块、以及H桥，用于将外接电网电压转换为直流电压信号；滤波电路单元，与所述功率转换单元相连，用于滤除所述功率转换单元输出的直流电压信号中存在的高频纹波后输入负载；以及数字控制器，一端与所述滤波电路单元相连，用于对所述直流电压信号进行采样，另一端连接所述功率转换单元，用于产生PWM信号驱动所述Buck电路模块，进而实时对所述直流电压信号进行调整。
Description
技术领域
本公开涉及电源技术领域，尤其涉及一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源。
背景技术
在电子储存环中，校正磁铁电源是用于实时校正束流位置的重要部件。因其同时要求具有快速响应速度与较高的稳定度，给科研人员带来了挑战。H桥因其功率可双向流动，可迅速回收负载功率被广泛应用于校正磁铁电源。为保证其快速响应性，直流侧需要加载较高的电压，从而导致输出纹波增大，进而影响系统的稳定度；反之为保证系统的稳定度，则势必需要增加滤波器参数，而影响了电源的快速响应性。
目前多电平策略是解决响应速度和稳定性的好方法，采用级联H桥电路，在电路不同状态下通过切换工作模式兼顾了系统响应速度与稳定性，但是这种方式通过多组H桥电路级联使得电源的复杂程度大大增加，使用的开关器件的数目也更多。另外采用宽禁带器件提高开关频率，减小滤波器参数，也可以提高系统响应速度与稳定性，但这种方式依赖于器件特性。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，以缓解现有技术中通过多组H桥电路级联使得电源的复杂程度大大增加，使用的开关器件的数目也更多，以及对宽禁带器件特性有依赖等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，包括：
功率转换单元，包括顺次连接的开关电源模块、Buck电路模块、以及H桥，用于将外接电网电压转换为直流电压信号；
滤波电路单元，与所述功率转换单元相连，用于滤除所述功率转换单元输出的直流电压信号中存在的高频纹波后输入负载；以及
数字控制器，一端与所述滤波电路单元相连，用于对所述直流电压信号进行采样，另一端连接所述功率转换单元，用于产生PWM信号驱动所述Buck电路模块，进而实时对所述直流电压信号进行调整。
在本公开实施例中，所述开关电源模块包括N个开关电源，N≥2。
在本公开实施例中，所述Buck电路模块包括N个Buck电路，该N个Buck电路相互串联，并分别独立连接使用所述的N个开关电源。
在本公开实施例中，所述N个Buck电路相互串联后的输出连接至所述H桥。
在本公开实施例中，所述H桥包括多个开关器件；所述多个开关器件用于根据负载需求进行电流方向的切换，不需要工作在高频开关状态。
在本公开实施例中，所述数字控制器包括FPGA核心控制芯片、电流采样芯片、以及电流传感器。
在本公开实施例中，N个串联的所述Buck电路采用载波移相的方式进行调制。
在本公开实施例中，进行调制时，所述N个Buck电路中的开关器件的驱动信号的相位分别移位(360°/N)°。
在本公开实施例中，所述功率转换模块中的开关器件为碳化硅MOSFET。
在本公开实施例中，所述采样为闭环采样。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)仅增加少量开关管的情况下实现了电路的多电平的目的；
(2)有效的兼顾了校正磁铁电源快速性与稳定性的要求。
附图说明
图1是本公开实施例的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源的组成示意图；
图2是本公开实施例的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源的电路构成示意图；
图3是本公开实施例的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源的载波移相的调制原理图；
图4是本公开实施例的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源测得的输出电流阶跃响应波形；
图5是测得普通H桥输出电流阶跃响应波形；
图6是本公开实施例的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源测得的输出电流纹波；
图7是测得普通H桥输出电流纹波。
具体实施方式
本公开提供了一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，其针对现有的快校正磁铁电源存在的快响应速度和低电流纹波不能同时满足的现状，基于Buck电路级联的多电平拓扑，使用多个Buck电路级联实现多电平，有效的兼顾了校正磁铁电源快速性与稳定性的要求。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，结合图1和图2所示，所述基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，包括：
功率转换单元，包括顺次连接的开关电源模块、Buck电路模块、以及H桥，用于将外接电网电压转换为直流电压信号；
滤波电路单元，与所述功率转换单元相连，用于滤除所述功率转换单元输出的直流电压信号中存在的高频纹波后输入负载；以及
数字控制器，一端与所述滤波电路单元相连，用于对所述直流电压信号进行采样，另一端连接所述功率转换单元，用于产生PWM信号驱动所述Buck电路模块，进而实时对所述直流电压信号进行调整。
所述开关电源模块包括3个12V的开关电源；
所述Buck电路模块包括3路Buck电路，该3个Buck电路相互串联，并分别独立连接使用所述的3个12V的开关电源；
需要说明的是，上述开关电源模块的数量、电压值的高低、以及Buck电路的数量仅用于说明本具体实施例，其并非用以限定本公开，任何本领域技术人员，在不脱离本公开的技术思想所做的适应性的调整，均不脱离本公开的保护范围。
所述H桥数量设置为1个，其包括4个开关器件；
所述3个Buck电路相互串联后的输出连接至所述H桥，H桥的4个开关器件不需要工作在高频开关状态，作用是根据负载需求进行输出电流方向的切换；
所述功率转换模块中所有的开关器件都使用的是碳化硅MOSFET，保证开关频率的情况下提高了效率，降低了温升。
经过LC滤波之后的直流电压信号就可以直接提供给负载使用。
所述滤波电路单元由常规的LC滤波器构成；
所述数字控制器用于控制输出电流电压的采样、进行电流的闭环PI运算、输出PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)波驱动Buck电路中的开关器件以及实现所述基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源的本地和/或远程控制。
所述数字控制器包括电流采样芯片、以及电流传感器；所述电流采样芯片采用AD7634；所述电流传感器采用LEM公司生产的IT60S。
所述数字控制器是校正磁铁电源中不可缺少的部分，本公开中的数字控制器以FPGA为核心控制芯片。
在本公开实施例中，如图3所示，为提高所述磁铁电源的等效开关频率，同时提高直流电压信号的快速响应性，前级多路串联的所述Buck电路采用载波移相的方式形成调制波进行调制，三路Buck电路中的开关管(开关器件)驱动信号的相位分别移位120°。
在本公开实施例中，如图4所示，所述校正磁铁电源搭配1mH的电感负载，将开关频率设置为100kHz，滤波电感为8μH，滤波电容为1.6μF。图4为从0至5A阶跃响应下的输出电流与桥路输出电压波形，电流上升时间约为300μs，从图中可以看到在电流上升过程中，桥路输出电压在不同阶段的变化。在电力上升的起始阶段，由于PI调节器初始值为0，Buck电路的占空比也从0开始，此时桥路输出电压较低，输出只有一个电平，当PI调节器的输出增加，占空比也随之增加，桥路输出电压出现了直流叠加脉冲电压的波形，在这一阶段电流迅速爬升；电流达到目标值之后，电路进入稳态阶段，输出电压脉冲又重新从直流叠加脉冲的状态转为脉冲输出状态。在这一过程中输出电压在多个电平之间无缝切换，实现了输出电流的快速稳定的输出。
在本公开中，图5为H桥电路输出电流阶跃响应波形，电流上升时间约为1ms。图5中显示的电流上升过程中桥路输出电压，可以看到由于只有一个电平，当达到H桥饱和输出，电压被限幅于H桥的直流输出电压上，达到稳态后退出饱和状态。对比图4、图5可以看出由于Buck电路级联拓扑具有多个电平，可在不同阶段输出不同的电平数量，相比于传统的H桥拓扑具有更快的动态响应。
图6和图7反应Buck电路级联拓扑与H桥输出电流纹波的对比，在均采用100kHZ开关频率的情况下，图6所示波形为3个Buck电路级联拓扑应用时等效输出电流纹波为300kHZ，图7所示为常规H桥拓扑输出电流纹波为100kHZ。从图6和图7的对比可以看到，H桥具有100kHZ，10mV左右的波动，而Buck电路级联拓扑的输出电流纹波大大降低，图7中所示波形图的毛刺为开关管(开关器件)导致的测量干扰。
从上述对比可看出，相比于传统的H桥电路，本公开所提出的技术方案有效的兼顾了校正磁铁电源快速性与稳定性的要求。
以上对本公开实施例所提供的一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源和测试方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，其针对现有的快校正磁铁电源存在的快响应速度和低电流纹波不能同时满足的现状，基于Buck电路级联的多电平拓扑，使用多个Buck电路级联实现多电平，有效的兼顾了校正磁铁电源快速性与稳定性的要求。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，包括：
功率转换单元，包括顺次连接的开关电源模块、Buck电路模块、以及H桥，用于将外接电网电压转换为直流电压信号；
滤波电路单元，与所述功率转换单元相连，用于滤除所述功率转换单元输出的直流电压信号中存在的高频纹波后输入负载；以及
数字控制器，一端与所述滤波电路单元相连，用于对所述直流电压信号进行采样，另一端连接所述功率转换单元，用于产生PWM信号驱动所述Buck电路模块，进而实时对所述直流电压信号进行调整。
2.根据权利要求1所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，所述开关电源模块包括N个开关电源，N≥2。
3.根据权利要求1所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，所述Buck电路模块包括N个Buck电路，该N个Buck电路相互串联，并分别独立连接使用所述的N个开关电源。
4.根据权利要求3所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，所述N个Buck电路相互串联后的输出连接至所述H桥。
5.根据权利要求1所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，所述H桥包括多个开关器件；所述多个开关器件用于根据负载需求进行电流方向的切换，不需要工作在高频开关状态。
6.根据权利要求1所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，所述数字控制器包括FPGA核心控制芯片、电流采样芯片、以及电流传感器。
7.根据权利要求1所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，N个串联的所述Buck电路采用载波移相的方式进行调制。
8.根据权利要求7所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，进行调制时，所述N个Buck电路中的开关器件的驱动信号的相位分别移位(360°/N)°。
9.根据权利要求1所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，所述功率转换模块中的开关器件为碳化硅MOSFET。
10.根据权利要求1所述的基于Buck电路级联的多电平校正磁铁电源，所述采样为闭环采样。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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