CN111245203A - 一种高性能储存环磁铁电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能储存环磁铁电源，将在一台传统的开关电源磁铁电源的基础上，采用一台小功率线性电源作为有源滤波器与之并联，先由开关电源将磁铁电流的输出稳定至接近预期值，再启动线性电源，将开关电源的输出误差予以补偿。通过结合两种类型电源的优势，采用数字式开关电源输出大电流，将磁铁电流粗略地稳定在目标值，然后再利用高稳定度线性电源将电流精确的控制在给定值上。本发明通过粗精结合的方式，引入有源滤波器的理念，使用线性电源将开关电源导致的谐波予以滤除，并结合了两种电源的优势，保留了数字式开关电源的灵活性、可靠性，同时也具备了线性电源的稳定性。

Description

一种高性能储存环磁铁电源
技术领域
本发明涉及大功率电源、磁铁电源的技术领域，具体涉及一种高性能储存环磁铁电源。
背景技术
同步辐射新一代光源对规划设计、理论方法和系统性能提出了更高的要求，为保证光源的高质量运行，作为装置的核心设备之一的磁体电源，须进一步提升输出电流品质。
输出电流精度是各类型加速器磁铁电源的核心指标([1]F.Jenni,L.Tanner,M.Horvat.A Novel Control Concept for Highest Precision Accelerator PowerSupplies,EPEPEMC2002,Dubrovnik,Croatia)。国内外学者为提高电源输出电流的精度，展开了大量的研究。文献([2]W.S.Choi,M.J.Kim,I.W.Jeong,D.E.Kim,H.C.Park,K.H.Park.Development of high-stability magnet power supply[J].NuclearInstruments and Methods in Physics Research A.822(2016)15-24.)研究了开关噪声、PCB布局对电流精度的影响，并通过改善采样电路的布局，提高电源系统的抗干扰能力，达到了优化磁铁电源精度的目的。文献([3]K.Koseki,Y.Kurimoto.Development of amagnet power supply with sub-ppm ripple performance for J-PARC with a novelcommon-mode rejection method with an NPC inverter[J].Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A747(2014)24–29)及文献([4]K.Koseki n,Y.Morita.Snubber-less NPC inverter by a novel reduction technique ofparasitic inductance for magnet power supplies[J].Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A761(2014)86-91.)在NPC拓扑的基础上，通过改进调制策略，减小了电源系统的共模电压对采样的影响，从而降低了输出电流的高频纹波。文献([5]Marco Barp,Roberto Cavazzana,Giuseppe Marchiori,Anton Soppelsa,LorisZanotto.Closed loop control of reversal parameter in RFX-mod[J].FusionEngineering and Design 86(2011)1000–1004.)在电源以及负载模型的基础上，根据系统不同的工作状态，在线修改反馈系数，达到了优化电流波形的目的。文献([6]TakashiIno.Ahighly stable DC power supply for precision magnetic field measurementsand other purposes[J].REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 83,045101(2012))通过设计反馈回路的滤波器，将大时间尺度内的杂波滤除，降低了输出电流在大时间范围内的周期波动的幅度，但是该方法无法解决采样系统漂移的问题。文献([7]Toshiyuki Oki,ShuNakamura and Toshikazu Adachi,KEK,1-1Oho,Tsukuba,Ibaraki.HIGH-STABILITYMAGNET POWER SUPPLIES FOR SUPERKEKB[C].Proceedings of IPAC2017,Copenhagen,Denmark)将给定值从数字转为模拟量，电流反馈量直接从传感器中得到，避免了AD变换带来的误差。利用不同的DAC等级，采用粗精结合的方式矫正给定值误差，使参考信号精准地与反馈值做差，再配合使用双环控制，提升了磁铁电源的精确度。这种方式利用DAC误差代替了ADC误差，而DAC又采用粗精结合的方式，大大提高了转换精度。该方法为避免AD采样误差开拓了思路，但是尚未考虑电流传感器造成的误差，同时为提高DAC精度，增加了一款8位半万用表。文献([8]Yang Li,Fengli Long,Zhenhua Hou.DESIGN AND DEVELOPMENT OFACCELERATOR MAGNET POWER SUPPLY BASED ON SIC-MOSFET[J].Proceedings ofIPAC2017,Copenhagen,Denmark)采用SiC-MOSFET作为开关器件替代普通的MOSFET，设计了一款矫正磁铁电源，实验结果表明，采用SiC-MOSFET电源可以使用更高的开关频率，更低的损耗。文献([9]S.H.Jeong,K.H.Park,H.S.Suh,S.B.Lee,B.G.Oh,Y.G.Jung,H.G.Lee,J.H.Han,D.E.Kim,H.S.Kang,PAL.PERFORMANCE OF THE PAL-XFEL HIGH PRECISIONMAGNET POWER SUPPLIES[C].Proceedings of IPAC2017,Copenhagen,Denmark)四组降压式电路拓扑并联，并采用载波移相的策略，增大输出电流同时实现了减小电流高频纹波的目的。文献([10]K.H.Park#,S.H.Jeong,Y.G.Jung,D.E.Kim,H.S.Suh,H.G.Lee,S.B.Lee,B.G.Oh,W.S.Choi and I.S.Ko,PAL.DEVELOPMENT OF PAL-XFEL MAGNET POWER SUPPLY[C].Proceedings ofIPAC2016,Busan)采用了一款24位的AD采样芯片，将电源短期输出电流波动抑制在10ppm以内。我国此类装置使用的磁铁电源的运行指标基本在20ppm以内，为提升光源束流指标需更高性能的电源，国内外相关单位对更高稳定度电源进行了研究，主要关注点是优化电源系统的输出稳定度。然而影响束流品质的因素众多，包括磁铁温漂、环境温度、湿度、管道真空度、电源输出稳定度等。
线性电源早期作为磁铁电源，具有控制控制带宽大、输出稳定度高等优点；但是也存在效率低，可靠性差的缺陷，并逐渐被效率更高的开关电源所取代。开关电源利用半导体器件高速切换、斩波，具有输出功率大、控制灵活的优点，同时也存在数字式控制固有的滞后性，开关噪声大的缺陷，使得开关电源在稳定度这一关键指标难以与线性电源并驾齐驱。
本发明结合数字式开关电源与线性电源的优点，将构造一种新型的磁铁电源。利用数字式开关电源输出功率大，输出灵活的特点，将其输出稳定在目标值；然后再利用线性电源稳定度高、控制带宽大的优点，将开关电源导致的纹波滤除。这样既保留了数字式开关电源的优点，同时又具有线性电源的稳定度。
发明内容
本方案结合数字式开关电源与线性电源的优点，构造一种新型的磁铁电源。新研制的电源既保留了数字式开关电源的优点，同时又具有线性电源的稳定度，预期可大幅提高现有数字式开关电源的稳定度。
本发明采用的技术方案为：一种高性能储存环磁铁电源，将在一台传统的开关电源磁铁电源的基础上，采用一台小功率线性电源作为有源滤波器与之并联，先由开关电源将磁铁电流的输出稳定至接近预期值，再启动线性电源，将开关电源的输出误差予以补偿。通过结合两种类型电源的优势，采用数字式开关电源输出大电流，将磁铁电流粗略地稳定在目标值，然后再利用高稳定度线性电源将电流精确的控制在给定值上。该方案结合了两种电源的优势，保留了数字式开关电源的灵活性、可靠性，同时也具备了线性电源的稳定性。
进一步地，该电源具体包含两个模块，分别是线性电源控制模块、开关电源控制模块；开关电源控制模块与有源滤波器模块是并联关系，其中有源滤波器模块通过线性电源的快速调整来实现，根据电源输出的扰动状况，利用线性电源相应速度快、控制频带宽的优点调整线性电源控制的导通度来实现有源滤波器的目的。
进一步地，线性电源控制模块是将磁铁电流给定值与负载反馈的电流值进行比较、误差分析后输入线性电源控制器，通过控制器输出调整有源滤波器的导通度输入信号。
进一步地，有源滤波器模块内含一小功率线性电源，主要作用是滤除开关电源的波纹，将电流精确地控制在给定值上，其受线性电源控制模块控制，与带负载的开关电源控制模块是并联关系。
进一步地，开关电源控制模块内含开关电源及电流控制器，电流控制器主要作用是输出脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)驱动信号，使开关电源输出值稳定在接近预期值上。
现有的主流磁铁电源主要为数字式开关磁铁电源，具有负载适配能力强、效率高的特点，但是也存在开关纹波大，相较线性电源稳定度较低，本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的技术方案将使电源具备线性电源的高稳定性同时保留数字式开关电源的灵活性与高效率。
(2)本发明将进一步提升存储环磁铁电源系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明一种高性能储存环磁铁电源示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
光源系统高度依赖磁铁电源的稳定性，目前电源为数字式开关电源，具有数字式电源的控制滞后性，以及开关电源导致的高频纹波等问题难以克服，影响了电源系统稳定性的进一步提升。
数字式开关电源采用采样-运算-执行的模式对输出电流进行控制，执行总是滞后于输出电流的采样，这使得系统的控制带宽降低，不利于抑制高频噪声；同时采用高速开关器件也会产生大量高频噪声，这导致开关电源输出电流的稳定性远低于传统的线性电源。为了克服数字式开关电源带来的弊端，方案结合数字式开关电源与传统线性电源的优势，利用线性电源作为有源滤波器，将开关电源导致的纹波予以主动滤除。电源将具备线性电源的高稳定性，同时保留数字式开关电源的灵活性与高效率，预计将进一步提升电源系统的稳定性。图1为一种高性能储存环磁铁电源方案示意图，方案将在一台传统的开关电源磁铁电源的基础上，采用一台小功率线性电源作为有源滤波器与之并联，先由开关电源将磁铁电流的输出稳定至接近预期值，再启动线性电源，将开关电源的输出误差予以补偿。通过结合两种类型电源的优势，采用数字式开关电源输出大电流，将磁铁电流粗略地稳定在目标值，然后再利用高稳定度线性电源将电流精确的控制在给定值上。该方案结合了两种电源的优势，保留了数字式开关电源的灵活性、可靠性，同时也具备了线性电源的稳定性。
图1包含三个模块，分别是线性电源控制模块、有源滤波器模块、开关电源控制模块。线性电源控制模块与有源滤波器模块是控制与被控制关系，有源滤波器模块与带负载的开关电源控制模块是并联关系。开关电源与有源滤波是粗调和精调的关系。通过开关电源将负载电流粗略地调至给定值，再开启线性电源，利用线性电源高稳定性与控制带宽大的优点，将负载电流的误差予以补偿。
线性电源控制模块主要包含误差分析和线性电源控制器，其将磁铁电流给定值与负载反馈的电流值进行比较、误差分析后输入线性电源控制器，在控制器里经过自研的核心算法，输出有源滤波器的导通度调整信号。
有源滤波器模块内含一小功率线性电源，主要作用是滤除开关电源导致的高频波纹，以确保电源系统的稳定性。
开关电源控制模块内含开关电源及电流控制器，电流控制器主要作用是输出脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)驱动信号，使开关电源输出值粗略稳定在预期值上。

Claims (5)

1.一种高性能储存环磁铁电源，其特征在于：将在一台传统的开关电源磁铁电源的基础上，采用一台小功率线性电源作为有源滤波器与之并联，先由开关电源将磁铁电流的输出稳定至接近预期值，再启动线性电源，将开关电源的输出误差予以补偿，通过结合两种类型电源的优势，采用数字式开关电源输出大电流，将磁铁电流粗略地稳定在目标值，然后再利用高稳定度线性电源将电流精确的控制在给定值上。
2.根据权利要求1所述的一种高性能储存环磁铁电源，其特征在于：该电源具体包含两个模块，分别是线性电源控制模块、开关电源控制模块；开关电源控制模块与有源滤波器模块是并联关系，其中有源滤波器模块通过线性电源的快速调整来实现，根据电源输出的扰动状况，利用线性电源(响应)速度快、控制频带宽的优点调整线性电源控制的导通度来实现有源滤波器的目的。
3.根据权利要求1所述的一种高性能储存环磁铁电源，其特征在于：线性电源控制模块是将磁铁电流给定值与负载反馈的电流值进行比较、误差分析后输入线性电源控制器，通过控制器输出调整有源滤波器的导通度输入信号。
4.根据权利要求1所述的一种高性能储存环磁铁电源，其特征在于：有源滤波器模块内含一小功率线性电源，主要作用是滤除开关电源的波纹，将电流精确地控制在给定值上，其受线性电源控制模块控制，与带负载的开关电源控制模块是并联关系。
5.根据权利要求1所述的一种高性能储存环磁铁电源，其特征在于：开关电源控制模块内含开关电源及电流控制器，电流控制器主要作用是输出脉宽调制PWM(Pulse WidthModulation)驱动信号，使开关电源输出值稳定在接近预期值上。
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