CN113708611B - 斩波控制型磁铁电源无源滤波器、滤波方法、粒子加速器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粒子加速器技术领域，公开了一种斩波控制型磁铁电源无源滤波器、滤波方法、粒子加速器，斩波控制型磁铁电源无源滤波器，包括LC‑(LC)‑LC滤波器、LCL‑(LC)滤波器和LCL‑(LC)‑LC滤波器；其中，所述的三种滤波器基于Buck降压电路，是一种DC‑DC的变换装置，在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值。本发明提出的三种改进无源滤波器，均可以抑制开关频率处的高频谐波，具有高频滤波效果明显、结构简单、成本低廉等优点，能够满足磁铁电源直流纹波幅值要求，无源滤波对于无源滤波器的拓扑结构和电容电感含量节省方面都有很大的研究空间，是不可替代的。
Description
技术领域
本发明属于粒子加速器技术领域，尤其涉及一种斩波控制型磁铁电源无源滤波器、滤波方法、粒子加速器。
背景技术
目前，粒子加速器是一种采用人工手段得到快速带电粒子束的设备。直流磁铁电源系统通过给磁铁负载供给平稳的直流电以产生平稳的磁场控制带电粒子的加速、聚焦、以及粒子的变轨，是加速器的重要组成部件。斩波控制方式的磁铁电源前级经过变压、多级整流、滤波之后低次纹波含量已经很小，谐波主要集中在开关管的开关频率处。由于开关管通断产生的纹波电流会影响磁铁电源对加速器粒子控制的精度，主磁铁电流纹波的技术指标为ΔI/I(负载)≤5×10-6，由此可见磁铁电源对纹波幅值要求非常严格。
斩波控制方式的磁铁电源开关管通常采用IGBT和MOSFET等大功率高速通断的电力电子器件。为了减少开关管在开关频率处的谐波，对滤波器的高频滤波特性要求比较高。目前斩波式磁铁电源开关管后滤波器主要为传统的LC型滤波器，传统的LC滤波对高频谐波的衰减速度不够，目前磁铁电源LC型滤波器滤波电容幅值一般都在几十个mF，且对开关频率处的谐波没有针对性的滤波，故总体上对高频纹波抑制效果较差。一般来说电流纹波幅值越低，磁铁电源对粒子束流的精度越好。因此，亟需一种新的、低电流纹波幅值的斩波控制型磁铁电源无源滤波器，以满足磁铁电源对粒子束流的控制精度要求。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的LC滤波对高频谐波的衰减速度不够，目前磁铁电源LC型滤波器滤波电容幅值一般都在几十个mF，且对开关频率处的谐波没有针对性的滤波，故总体上对高频纹波抑制效果较差。
改进无源滤波器滤波元件容值、感值的降低，还能够解决LC无源滤波器空间体积大、占地面积大、笨重、成本高等问题。
解决以上问题及缺陷的难度为：
如何有针对性的对特殊点频率处谐波进行更高倍频，更快速度的衰减，在以上述为前提的条件下如何尽可能的减少电感、电容的含量，最后考虑在以上两个递进条件下如何尽可能的减少能量的消耗。
解决以上问题及缺陷的意义为：
大大改善了磁铁电源滤波的效果，节约了无源滤波元件的含量，节约了成本，减少了能量的消耗。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种斩波控制型磁铁电源无源滤波器、滤波方法、粒子加速器。
本发明是这样实现的，一种斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法，包括：
LC-(LC)-LC滤波器、LCL-(LC)滤波器和LCL-(LC)-LC滤波器基于Buck降压电路进行DC-DC的变换；在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值。
本发明本质上可以类比于Buck电路的工作原理，虽然占空比不由输出电压与输入电压之比决定，但是呈正相关，即占空比越大，输出电压越高。占空比的大小决定着储能元件储能的多少，占空比越高，储能越多，单个周期输出到磁铁电源负载的能量也就越多，对应的输出电压也就越大，反之亦然。据此原理进行输出电压的调节；
两级低通滤波增大截止频率后整个频带的衰减幅值，串联谐振支路在此基础上针对开关频率处进行陷波，达到对开关频率谐波的旁路效果。
进一步，所述LC-(LC)-LC滤波器的滤波方法，包括：
第一级LC低通滤波支路由于阻尼电阻R1的加入，降低LC截止频率后频带的衰减速度，使截止频率后频带以不高于-40dB/dec的速度衰减；串联谐振支路L3C2的谐振频率设置为开关频率，开关管产生的谐波集中在开关频率及其边带处，开关管通断产生的谐波在谐振支路呈现低阻态，使开关谐波流经谐振支路，流经负载的开关谐波很少；第二级LC滤波使开关谐波以更高倍频的速度进行衰减，使磁铁电源纹波幅值达到要求；
所述LC-(LC)-LC滤波器的参数，包括：
所述电感L1的取值为3.5mH，所述电感L2的取值为0.75mH，所述电感L3的取值为7.626μH，所述电解电容C1的取值为517μf，所述C2的取值为200μf，所述薄膜电容C3的取值为200μF，所述电阻R1的取值为0.07Ω。
进一步，所述LCL-(LC)滤波器的滤波方法包括：
LCL-(LC)滤波器由前级的L1、L2、C1、R1构成的LCL型低通滤波和后级由L3、C2构成的串联谐振支路；所述前级用于使截止频率后频带以不高于-60dB/dec的速度衰减，所述后级开关管通断产生的谐波在开关频率以及边带呈现低阻态，使开关频率处以及边带的谐波大幅度流向L3、C2谐振支路，而极少部分流向负载，用于降低负载侧纹波幅值。
所述LCL-(LC)滤波器的参数包括：
所述L1的取值为3.5mH，所述L2的取值为0.75mH，所述L3的取值为7.626μH，所述C1的取值为0.517mF，所述C2的取值为200μF，所述R1的取值为0.07Ω。
进一步，所述LCL-(LC)-LC滤波器的滤波方法包括：
所述LCL-(LC)-LC滤波器由三部分组成：第一级LCL型低通滤波由L1、L2、C1和R1构成，用于使截止频率后频带以不高于-60dB/dec的速度进行衰减；第二级串联谐振支路，用于使开关管通断产生的谐波在开关频率以及边带呈现低阻态，大幅旁路掉开关频率处的谐波，使流向负载的谐波减少；第三级LC低通滤波支路，用于使谐波以更高的倍频的速度衰减，流向负载的谐波进一步减少，达到降低电流纹波幅值；
所述LCL-(LC)-LC滤波器的参数设置，包括：
所述L1的取值为0.75mH，所述L2的电感量为0.45mH，所述L3的电感量为7.626μH，所述L4的取值为0.3mH，所述C1的取值为0.517mF，所述C2的取值为200μF，所述C3的取值为200μF，所述R1的取值为0.07Ω。
本发明的另一目的在于提供一种斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法，所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器，包括LC-(LC)-LC滤波器、LCL-(LC)滤波器和LCL-(LC)-LC滤波器基于Buck降压电路进行DC-DC的变换，其中，括号内LC为谐振支路，括号外LC为低通滤波支路；
在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值。
进一步，所述LC-(LC)-LC滤波器的拓扑结构，包括：
所述LC-(LC)-LC滤波器由电感L1、L2、L3、电容C1、C2、C3和电阻R1构成；其中，所述电容C1为电解电容，所述C3为薄膜电容；直流侧左右电感分别为L1、L2，靠近L1的对地支路为C1R1，接在L1、L2的公共端；L1C1R1构成第一级滤波电路；接在L1,L2的公共端的对地支路L3、C2，构成串联谐振支路；在L2右侧对地接薄膜电容支路C3，与L2构成LC低通滤波支路。
进一步，所述LCL-(LC)滤波器的拓扑结构，包括：
所述LCL-(LC)滤波器由L1、L2、L3，电容C1、C2，电阻R1构成；其中L1、L2、L3、C1、C2、R1的取值与第一种拓扑结构相同，所述C1为电解电容；在直流侧左右桥臂分别为L1、L2；靠近L1的对地支路为C1、R1，接在L1,L2的公共端，L1、L2、C1、R1构成LCL型低通滤波支路，靠近L2侧的对地支路为L3,C2，接在L2与负载侧的公共端。
进一步，所述LCL-(LC)-LC滤波器的拓扑结构，包括：
所述LCL-(LC)-LC滤波器由电感L1、L2、L3、L4，电容C1、C2、C3和电阻R1组成；其中，所述C1为电解电容，C3为薄膜电容，在直流侧从左到右电感分别为L1、L2、L4；对地支路C1、R1接在L1、L2的公共端，串联谐振支路接在L2、L4的公共端，C3接在L4与负载的公共端。
本发明的另一目的在于提供一种斩波控制方式的磁铁电源开关管，所述斩波控制方式的磁铁电源开关管实施所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法。
本发明的另一目的在于提供一种粒子加速器，所述粒子加速器实施所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的斩波控制型磁铁电源无源滤波器，通过三种改进的无源滤波器来抑制斩波控制方式的磁铁电源开关管通断产生的开关谐波，以满足磁铁电源对粒子束流的控制精度要求。本发明提出的三种改进的无源滤波器，均可以抑制开关频率处的高频谐波，具有高频滤波效果明显、结构简单、成本低廉等优点，能够满足磁铁电源直流纹波幅值要求。同时，本发明提供的三种滤波器基于Buck降压电路，是一种DC-DC的变换装置，在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，极大的降低了负载电流纹波的幅值。
通过传统LC滤波与三种新型滤波效果的对比实验表明，传统LC型滤波器在高频段滤波效果不及第一种和LCL-(LC)-LC滤波器，且LC型滤波器在谐振频率处没有旁路效果，过滤波效果最差。LCL-(LC)-LC滤波器在低频段的谐振尖峰的幅值相对于其他两种要相对要高，但是LCL-(LC)-LC滤波器对谐振频率处幅值衰减最为明显，衰减幅值达到了-175dB左右，远远超过了其他两种滤波器，而且LCL-(LC)-LC滤波器在高频段的衰减幅值最大，对负载电流纹波幅值的抑制效果也最好，LC-(LC)-LC滤波器与LCL-(LC)滤波器在谐振频率处的幅值分别为-155dB和-161dB左右，幅值衰减差别不大，在低频段的谐振峰值差别也不大，但是LC-(LC)-LC滤波器在高频段衰减幅度要明显好于LCL-(LC)滤波器，负载纹波电流的幅值也小于LCL-(LC)滤波器。
传统LC型滤波器衰减速度低，且没有针对开关谐波进行旁路的特点，传统LC型滤波器、LC-(LC)-LC、LCL-(LC)、LCL-(LC)-LC无源滤波器负载电流纹波幅值分别为：2×10-5、2×10-6、6.2×10-6、1.2×10-6，可以看出传统LC型滤波器与上述三种滤波器相比滤波效果相差很大，在不考虑前级低次纹波的前提下，三种改进的无源滤波器相对于传统LC型过滤负载电流纹波幅值下降了一个数量级左右。值得一提的是LCL-(LC)-LC滤波器由于多级电感的加入，衰减速度、谐振频率处的幅值衰减最大，滤波效果也最好，降低了滤波电容、电感的含量，节约了成本。因此无论是对于无源滤波器的拓扑结构还是电容电感含量节省方面，无源滤波都有很大的研究空间，是不可替代的，为后续磁铁电源无源滤波的设计提供了参考。
本发明的重点在于提供一种无源滤波拓扑结构，参数的限定源于滤波器的工作原理，参数本身是可以调节的。比如谐振公式中决定L3,C2的值为开关频率f,但是L3C2的值不固定，可以随时调节，C2值定为2×10-4F,那么L3的值也就固定了，C2与C1的容值呈一定比例关系，(仅限于LC-(LC)-LC滤波器)此时C1值也就固定下来，但是C1取值不能太大会造成能量在R1上的损耗，C1取值太小达不到低通滤波的效果，因此各参数间彼此虽有一定的限定，但是参数的取值并不固定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的LC-(LC)-LC型滤波器拓扑结构示意图。
图2是本发明实施例提供的不同L1取值下的负载电流波形图。
图3A是本发明实施例提供的不同L1取值下的波特图。
图3B是本发明实施例提供的谐振频率处局部放大图。
图3C是本发明实施例提供的正向谐振尖峰局部放大图。
图4A是本发明实施例提供的不同R1取值下的波特图。
图4B是本发明实施例提供的谐振频率后的谐振尖峰局部放大图。
图5是本发明实施例提供的谐振频率为4075Hz时的负载电流纹波幅值约为1.8×10-6在谐振频率为4000Hz时负载电流纹波幅值示意图。
图6A是本发明实施例提供的LC-(LC)-LC滤波器和传统LC型滤波器负载电流波形图。
图6B是本发明实施例提供的传统LC型滤波器与LC-(LC)-LC滤波器的负载电流波形局部放大图。
图7是本发明实施例提供的LCL-(LC)型滤波器拓扑结构示意图。
图8是本发明实施例提供的不同R1取值下的波特图示意图。
图9A是本发明实施例提供的L3、C2谐振支路放在L1、L2公共端与放在L2、负载公共端波特图对比图。
图9B是本发明实施例提供的谐振频率处局部放大波特图对比示意图。
图9C是本发明实施例提供的谐振支路放在L2与负载公共端地负载电流波形图。
图9D是本发明实施例提供的谐振支路放在L1、L2公共端负载电流波形图。
图10A是本发明实施例提供的LCL-(LC)滤波器和传统LC型滤波器负载电流波形图。
图10B是本发明实施例提供的LCL-(LC)滤波器与传统LC型滤波器负载电流波形局部放大示意图。
图11是本发明实施例提供的LCL-(LC)-LC滤波器拓扑结构示意图。
图12A是本发明实施例提供的加入R1与不加R1的波特图对比示意图。
图12B是本发明实施例提供的所有正向谐振尖峰局部放大波特图。
图12C是本发明实施例提供的所有反向谐振尖峰局部放大波特图。
图12D是本发明实施例提供的加入R1与不加R1的负载电流波形图。
图13A是本发明实施例提供的LCL-(LC)-LC滤波器和传统LC型滤波器负载电流波形图。
图13B是本发明实施例提供的传统LC与LCL-(LC)-LC滤波器负载侧电流纹波波形局部放大图。
图14A是本发明实施例提供的传统LC型滤波器和三种改进滤波器的波特图对比示意图。
图14B是本发明实施例提供的三种改进滤波器在谐振频率处局部放大波特示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种斩波控制型磁铁电源无源滤波器，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供一种斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法，包括：
LC-(LC)-LC滤波器、LCL-(LC)滤波器和LCL-(LC)-LC滤波器基于Buck降压电路进行DC-DC的变换；在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值。
本发明实施例提供的斩波控制型磁铁电源无源滤波器，包括LC-(LC)-LC滤波器、LCL-(LC)滤波器和LCL-(LC)-LC滤波器；其中，所述的三种滤波器基于Buck降压电路，是一种DC-DC的变换装置，在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
一、本发明提出三种改进的无源滤波器，它们均可以抑制开关频率处的高频谐波，具有高频滤波效果明显、结构简单、成本低廉等优点，能够满足磁铁电源直流纹波幅值要求。这三种滤波器基于Buck降压电路，是一种DC-DC的变换装置，在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，极大的降低了负载电流纹波的幅值。
1、LC-(LC)-LC滤波器
(1)拓扑结构
如图1虚线框所示LC-(LC)-LC滤波器由电感L1、L2、L3、电容C1(电解电容)、C2、C3(薄膜电容)和电阻R1构成。直流侧左右电感分别为L1、L2，靠近L1的对地支路为C1R1，接在L1、L2的公共端。L1C1R1构成了第一级滤波电路。接在L1,L2的公共端的对地支路L3、C2，构成串联谐振支路。在L2右侧对地接薄膜电容支路C3，可与L2构成LC低通滤波支路。
(2)工作原理
第一级LC低通滤波支路由于阻尼电阻R1的加入，降低了LC截止频率后频带的衰减速度，使截止频率后频带以-20dB/dec的速度衰减，但是可有效的抑制正向谐振尖峰，有益于磁铁电源负载电流纹波幅值的降低。串联谐振支路L3C2的谐振频率设置为开关频率，由于开关管产生的谐波主要集中在开关频率及其边带处，因此开关管通断产生的谐波在谐振支路呈现低阻态，可以使开关谐波主要流经谐振支路，流经负载的开关谐波则很少。第二级LC滤波可以使开关谐波以更高倍频的速度进行衰减，达到磁铁电源纹波幅值的要求。
(3)参数设置
由L1、C1、R1构成的第一级过滤波支路中L1的值宜偏大一些，取值为3.5mH，一方面可以抑制产生的正向谐振尖峰，使反向的谐振尖峰衰减的幅值增大。另一方面可以使负载电流在短时间内上升平稳，避免负载上产生过大的电流过冲，其仿真结果如图2～3所示(图3包括图3A、3B、3C，以下依次类推)。
谐振频率后会产生一个正向的谐振尖峰，为了使谐振频率的反向尖峰和谐振频率后产生的正向谐振尖峰分离开来。C1/C2取值应呈一定的比例关系，(C1/C2取值一般在2.5左右，在这里不过多赘述计算过程)，C1为电解电容取值为517μf，C1取值过大或过小都会造成开关频率后的谐振尖峰所对应的频率接近于开关频率，造成滤波器参数偏移，导致开关频率处谐波的放大。
加入R1虽然影响了高频段的衰减速度，但是能够有效的抑制谐振频率后的的正向谐振尖峰，而且并不影响开关谐波在L3、C2谐振支路的旁路特性,起到了对信号突变的阻尼作用，降低了负载纹波电流的幅值，电阻R1取值不宜太大，否则会影响高频段的衰减速度，电阻R1取值为0.07Ω，串联在C1支路，仿真结果如图4所示。
C2取值为200μf，C2取值与C1取值相关联，由于开关频率设置为4000Hz，由串联谐振公式计算出L3取值为7.917μf。需要说明的是L3C2构成的谐振支路的谐振频率理论上等于开关频率，实际上要略大于开关频率，这是由于滤波拓扑结构可能对谐振频率造成偏移(LC-(LC)-LC滤波器谐振频率偏移主要是谐振频率后的谐振尖峰引起的)，导致在开关频率处对谐波达不到最佳的衰减效果，比如本过滤波拓扑MOS管的开关频率为4000Hz，而实际的谐振频率约4075Hz左右达到负载电流纹波幅值最小的效果,经调试为7.626μf时滤波效果达到最佳。仿真结如图5所示。
L2取值为0.75mH，C2取值为200μF，C2为薄膜电容，在负载侧加薄膜电容的无源滤波拓扑结构的优点在于薄膜电容的频率-阻抗曲线的自谐振点大，较电解电容对高频纹波抑制的效果要好，除此之外也能够有效吸收负载侧的电压波动，减少直流母线杂散电感的影响。
表1传统LC型滤波器和LC-(LC)-LC型无源滤波器参数
(4)实验仿真
LC-(LC)-LC滤波器Buck电路的MOS管的开关频率为4000Hz，占空比设置为50％，门级触发电压为3V，磁铁负载模拟阻感性负载(取负载电阻为0.6Ω负载电感为3.5mH)。直流电压为311V。LC-(LC)-LC滤波器的参数在表1中均已给出。与其对比的传统LC型滤波器的电感为3.5mH，电容取值80mF。
第一级低通滤波支路中随着L1的增大，正向的谐振尖峰将被抑制，反向谐振尖峰增强，谐振频率处的衰减幅值更大，图2为L1取值为1.5mH、2.5mH和3.5mH时的波特图和波形图对比。
如图2所示，随着电感L1的增大，负载电流逐渐趋于平滑，理论上电感L1越大负载上升电流曲线越平滑，波动也越小，但是L1不可能无限制的增大，这样会增加滤波成本。
如图3A所示当电感为1.5mH时幅值为-149dB左右，当电感为3.5mH时幅值为-155dB左右，随着电感值的增大衰减幅值也逐渐变大。如图3B所示电感为1.5mH时幅值为10dB左右，当电感值为3.5mH时幅值为3dB左右，随着电感值的增大，谐振峰值逐渐降低。由此可见电感L1的值适当增加既能抑制正向的谐振峰值，又能增大谐振频率处的衰减幅值，能够有效的对负载纹波电流幅值进行衰减。
R1的加入降低了高频频带的衰减速度，但是有效抑制了谐振频率后的谐振尖峰，随R1变化的波特图如图4所示。
如图4A所示，R1阻值为0.01Ω时的幅值为-90dB左右，随R1阻值增加到0.07Ω时幅值已经衰减为-104dB左右，理论上R1阻值越大谐振频率后的谐振尖峰越平缓，但是R1阻值不可能无限增大，这会导致高频段对谐波的衰减能力变得越来越弱，为了不影响高频段的幅值衰减且对谐振尖峰有良好的抑制效果，R1取值在0.07Ω左右。
如图5所示，谐振频率为4075Hz时的负载电流纹波幅值约为1.8×10-6在谐振频率为4000Hz时负载电流纹波幅值约为6×10-6，谐振频率等于开关频率时并没有表现出最佳的滤波效果，幅值相差大约3～4倍，由此可见谐振频率后的谐振尖峰在一定程度上影响了滤波器的滤波效果，而且影响不可忽略。
如图6B所示，LC-(LC)-LC滤波器负载的电流纹波幅值约为1.8×10-6，传统LC型滤波器的负载电流纹波幅值约为2×10-5，表现出更好的过滤波效果，在不考虑前级低次纹波的前提下，LC-(LC)-LC滤波器相对于传统的LC滤波器负载电流纹波幅值下降了将近1个数量级，极大降低了滤波电容含量，节约了成本。满足了磁铁电源对负载纹波电流幅值的要求。
2、LCL-(LC)滤波器
(1)拓扑结构
如图7虚线框所示LCL-(LC)滤波器相对于LC-(LC)-LC滤波器较为简单，由L1、L2、L3，电容C1、C2，电阻R1构成。其中L1、L2、L3、C1(电解电容)、C2、R1的取值与第一种拓扑结构相同。在直流侧左右桥臂分别为L1、L2。靠近L1的对地支路为C1、R1，接在L1,L2的公共端，L1、L2、C1、R1构成了LCL型低通滤波支路，靠近L2侧的对地支路为L3,C2，接在L2与负载侧的公共端，具体拓扑结构如图7所示。
(2)工作原理
该滤波器主要由两部分组成，由前级的L1、L2、C1、R1构成的LCL型低通滤波和后级由L3、C2构成的串联谐振支路。前级能够使截止频率后频带以-20dB/dec的速度衰减，后级开关管通断产生的谐波在开关频率以及边带呈现低阻态，能够使开关频率处以及边带的谐波大幅度流向L3、C2谐振支路。而极少部分流向负载，从而达到降低负载侧纹波幅值的目的。
(3)参数设置
考虑到R1的加入能抑制正向谐振尖峰，但是会影响高频段的幅值衰减，将R1取值为0.07Ω左右。加入了R1后高频段衰减速度虽然有所降低，但是能够抑制正向的谐振尖峰。与LC-(LC)-LC滤波器不同的是，第一种器R1的加入主要作用是抑制谐振频率后的正向谐振尖峰，但是第二种拓扑结构谐振频率后并不会产生正向的谐振尖峰，不会影响谐振频率处的旁路特性，因此C1与C2并没有一定的比例关系，C1的取值也更加自由。一般来说C1取值不宜太大，C1取值太大会导致谐波电流过多流向C1、R1支路，会造成在R1电阻上能量消耗，这里C1取值为517μF，L1为3.5mH，与LC-(LC)-LC滤波器取值相同，R1变化时的波特图如图8所示。其他参数与第一种过滤波器对应参数相同。
表2传统LC型过滤波器和LCL-(LC)型滤波器参数
| 滤波器 | L1/mH | L2/mH | L3/uH | L4/mH | C1/mF | C2/uF | C3/uF | R1/Ω |
| LCL-(LC)滤波器 | 3.5 | 0.75 | 7.626 | —— | 0.517 | 200 | —— | 0.07 |
| LC型滤波器 | 3.5 | —— | —— | —— | 80 | —— | —— | —— |
(4)实验仿真
LCL-(LC)滤波器Buck电路的MOS管的开关频率为4000Hz，占空比设置为50％，门级触发电压为3V，磁铁负载模拟阻感性负载(取负载电阻为0.6Ω负载电感为3.5mH)。直流电压为311V。LCL-(LC)-LC滤波器的参数在表2中均已给出。与其对比的传统LC型滤波器的电感为3.5mH，电容取值80mF。
谐振支路加在L2与负载侧公共端能够避免谐振频率后谐振峰值的产生，C1的取值更为自由，且负载侧无需加薄膜电容。该滤波器的谐振支路放在负载侧比放在L1与L2的公共端对纹波的抑制效果更好，波特图对比以及负载纹波抑制效果如图9所示。
如图9B所示，将L3、C2谐振支路放在L1、L2公共端时幅值约为-110dB，将L3、C2谐振支路放在L2与负载公共端时幅值约为-160dB，在谐振频率处幅值衰减了-50dB，而且在高频段谐振支路放在L2与负载公共端比放在L1、L2公共端时幅值衰减更大。如图9C和9D所示，将谐振支路放在L2和负载公共端负载的电流纹波幅值约为6.2×10-6，放在L1、L2公共端的负载电流纹波幅值约为3×10-4，谐振支路加在L2与负载公共端比谐振支路加在L1、L2公共端负载的电流纹波幅值降低了大约50倍，由此可见谐振支路放在L2、与负载公共端可以加强谐振频率处的衰减幅值，抑制开关管产生的开关谐波，大大降低了磁铁电源负载电流纹波的幅值。
如图10B所示，LCL-(LC)滤波器的负载电流纹波幅值约为6.2×10-6，传统的LC型滤波器的负载电流纹波幅值约为2.0×10-5，表现出更好的过滤波效果，相对于传统LC型滤波器负载电流纹波幅值降低了约3倍左右，极大降低了滤波电容含量，节约了成本。满足了磁铁电源对负载纹波电流幅值的要求。
3、LCL-(LC)-LC滤波器
(1)拓扑结构
如图11虚线框所示LCL-(LC)-LC滤波器由电感L1、L2、L3、L4，电容C1、C2、C3和电阻R1组成。C1为电解电容，C3为薄膜电容，在直流侧从左到右电感分别为L1、L2、L4。对地支路C1、R1接在L1、L2的公共端，串联谐振支路接在L2、L4的公共端，C3接在L4与负载的公共端，具体的拓扑结构如图11所示。
(2)工作原理
如图11虚线框所示LCL-(LC)-LC滤波器由三部分组成：第一级LCL型低通滤波由L1、L2、C1和R1构成，能够使截止频率后频带以-20dB/dec的速度进行衰减；第二级串联谐振支路可以使开关管通断产生的谐波在开关频率以及边带呈现低阻态，大幅旁路掉开关频率处的谐波，使流向负载的谐波减少，第三级LC低通滤波支路能够使谐波以更高的倍频的速度衰减，流向负载的谐波进一步减少，达到降低电流纹波幅值的目的。
(3)参数设置
除了与LC-(LC)-LC滤波器拥有相似的两级滤波以及串联谐振的旁路特性以外，在L1与L4之间加入了L2，且L1、L2、L4的电感量取值较上述两种滤波器要小很多。L1取值为0.75mH增加的L2的电感量为0.45mH，L4取值为0.3mH。(可以看作把第一种过滤波拓扑结构L2的0.75mH拆分为0.45mH和0.3mH)其余器件的取值与以上滤波器对应的值相同。
表3传统LC型滤波器和LCL-(LC)-LC型无源滤波器参数
(4)实验仿真
LCL-(LC)-LC滤波器Buck电路的MOS管的开关频率为4000Hz，占空比设置为50％，门级触发电压为3V，磁铁负载模拟阻感性负载(取负载电阻为0.6Ω负载电感为3.5mH)。直流电压为311V。LCL-(LC)-LC滤波器的参数在表3中均已给出。与其对比的传统LC型滤波器的电感为3.5mH，电容取值80mF。
多级电感的接入对开关频率处谐波的衰减幅度更大，使整个频带以更高倍频速度衰减，对纹波的抑制效果更为明显。需要说明的是R1对所有的谐振尖峰都会有所抑制，但是对正向的谐振尖峰抑制明显且不影响谐振支路的旁路特性。因此R1必不可少。加入R1与不加R1的波特图如图12A、12B和12C所示。
如图12B所示，加入阻尼电阻R1之后正向的谐振尖峰幅值最高由34dB降为8.6dB左右，幅值衰减了26dB左右。如图12C所示，加入R1时的幅值约为-174dB，不加R1时的幅值约为-176dB，加入R1与不加R1对谐振频率处的幅值衰减影响不大，如图12D所示，不加R1后负载电流纹波幅值约为1.2×10-3，加入R1后负载电流纹波幅值约为1.2×10-6，幅值相差近1000倍，R1对低频段正向的谐振尖峰抑制起到了至关重要的作用，大大降低了负载电流纹波幅值的大小，因此R1的加入是必不可少的。
由于该滤波器谐振频率后并没有谐振尖峰，所以C1的取值更为自由，不受C2的影响，可以通过控制电解电容C1的容值大小可以调节负载侧电流上升的平稳度和上升时间。
如图13B所示，LCL-(LC)-LC滤波器的负载电流纹波幅值约为1.2×10-6，传统的LC型滤波器的负载电流纹波幅值约为2.0×10-5，相对于传统LC型滤波器负载电流纹波幅值降低了约16.7倍左右，相比其他两种改进的无源过滤波器滤波效果最好，完全从电感电容节省含量和滤波效果两个方面对传统LC型滤波器做出了改进，加强了滤波效果，节约了成本，满足了磁铁电源对负载纹波电流幅值的要求。
二、传统LC滤波、三种新型滤波效果对比
如图14A所示，传统LC型滤波器在高频段滤波效果不及第一种和LCL-(LC)-LC滤波器，且LC型滤波器在谐振频率处没有旁路效果，过滤波效果最差。如图14B所示，LCL-(LC)-LC滤波器在低频段的谐振尖峰的幅值相对于其他两种要相对要高，但是LCL-(LC)-LC滤波器对谐振频率处幅值衰减最为明显，衰减幅值达到了-175dB左右，远远超过了其他两种滤波器，而且LCL-(LC)-LC滤波器在高频段的衰减幅值最大，对负载电流纹波幅值的抑制效果也最好，LC-(LC)-LC滤波器与LCL-(LC)滤波器在谐振频率处的幅值分别为-155dB和-161dB左右，幅值衰减差别不大，在低频段的谐振峰值差别也不大，但是LC-(LC)-LC滤波器在高频段衰减幅度要明显好于LCL-(LC)滤波器，负载纹波电流的幅值也小于LCL-(LC)滤波器。
三、如图14A所示，传统LC型滤波器衰减速度低，且没有针对开关谐波进行旁路的特点，如图6B、10B和13B所示，传统LC型滤波器、LC-(LC)-LC、LCL-(LC)、LCL-(LC)-LC无源滤波器负载电流纹波幅值分别为：2×10-5、2×10-6、6.2×10-6、1.2×10-6，可以看出传统LC型滤波器与上述三种滤波器相比滤波效果相差很大，在不考虑前级低次纹波的前提下，三种改进的无源滤波器相对于传统LC型过滤负载电流纹波幅值下降了一个数量级左右。值得一提的是LCL-(LC)-LC滤波器由于多级电感的加入，衰减速度、谐振频率处的幅值衰减最大，滤波效果也最好。降低了滤波电容、电感的含量，节约了成本。因此无论是对于无源滤波器的拓扑结构还是电容电感含量节省方面，无源滤波都有很大的研究空间，是不可替代的，为后续磁铁电源无源滤波的设计提供了参考。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法，其特征在于，所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法，包括：
LC-(LC)-LC滤波器基于Buck降压电路进行DC-DC的变换；在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值；
LC-(LC)-LC滤波器的滤波方法，包括：
LC-(LC)-LC滤波器由三部分组成，包括由电感L1、电解电容C1和阻尼电阻R1构成的第一级LC低通滤波支路和由电感L3和电容C2构成的串联谐振支路以及由电感L2和薄膜电容C3构成的第二级LC滤波电路，所述第一级LC低通滤波支路由于阻尼电阻R1的加入，降低L1C1截止频率后频带的衰减速度，使截止频率后频带以-20dB/dec的速度衰减；将串联谐振支路L3C2的谐振频率设置为开关频率，开关管产生的谐波集中在开关频率及其边带处，开关管通断产生的谐波在所述串联谐振支路呈现低阻态，使开关谐波流经串联谐振支路，流至负载的开关谐波很少；所述第二级L2C3滤波使开关谐波以更高倍频的速度进行衰减，使磁铁电源纹波幅值达到要求；
所述LC-(LC)-LC滤波器的参数，包括：
所述电感L1的取值为3.5mH，所述电感L2的取值为0.75mH，所述电感L3的取值为7.626μH，所述电解电容C1的取值为517μf，所述电容C2的取值为200μf，所述薄膜电容C3的取值为200μF，所述阻尼电阻R1的取值为0.07Ω。
2.如权利要求1所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法，其特征在于，LCL-(LC)滤波器基于Buck降压电路进行DC-DC的变换；在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值；
LCL-(LC)滤波器的滤波方法包括：
LCL-(LC)滤波器包括前级由电感L1、电感L2、电解电容C1、电阻R1构成的LCL型低通滤波支路和后级由电感L3、电容C2构成的串联谐振支路；所述前级用于使截止频率后频带以-20dB/dec的速度衰减，所述后级使得开关管通断产生的谐波在开关频率以及边带呈现低阻态，使开关频率处以及边带的谐波大幅度流向L3C2谐振支路，而极少部分流向负载，从而降低负载侧纹波幅值；
所述LCL-(LC)滤波器的参数包括：
所述电感L1的取值为3.5mH，所述电感L2的取值为0.75mH，所述电感L3的取值为7.626μH，所述电解电容C1的取值为0.517mF，所述电容C2的取值为200μF，所述电阻R1的取值为0.07Ω。
3.如权利要求1所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法，其特征在于，LCL-(LC)-LC滤波器基于Buck降压电路进行DC-DC的变换；在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值；
LCL-(LC)-LC滤波器的滤波方法包括：
所述LCL-(LC)-LC滤波器由三部分组成，包括由电感L1、电感L2、电解电容C1和电阻R1构成的第一级LCL型低通滤波支路和由电感L3和电容C2构成的第二级串联谐振支路以及由电感L4和电容C3构成的第三级LC低通滤波支路，所述第一级LCL型低通滤波支路，用于使截止频率后频带以-20dB/dec的速度进行衰减；所述第二级串联谐振支路，用于使开关管通断产生的谐波在开关频率以及边带呈现低阻态，大幅旁路掉开关频率处的谐波，使流向负载的谐波减少；所述第三级LC低通滤波支路，用于使谐波以更高的倍频的速度衰减，流向负载的谐波进一步减少，降低负载电流纹波幅值；
所述LCL-(LC)-LC滤波器的参数设置，包括：
所述电感L1的取值为0.75mH，所述电感L2的电感量为0.45mH，所述电感L3的电感量为7.626μH，所述电感L4的取值为0.3mH，所述电解电容C1的取值为0.517mF，所述电容C2的取值为200μF，所述电容C3的取值为200μF，所述电阻R1的取值为0.07Ω。
4.一种实施权利要求1～3任意一项所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法的斩波控制型磁铁电源无源滤波器，其特征在于，所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器，包括LC-(LC)-LC滤波器、LCL-(LC)滤波器、LCL-(LC)-LC滤波器；其中，括号内LC为谐振支路，括号外LC为低通滤波支路；
所述LC-(LC)-LC滤波器、LCL-(LC)滤波器、LCL-(LC)-LC滤波器基于Buck降压电路进行DC-DC的变换；
在调节开关管占空比实现电压调节的同时，通过低通滤波支路和谐振支路滤除掉开关频率处的谐波，降低负载电流纹波的幅值。
5.如权利要求4所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器，其特征在于，所述LC-(LC)-LC滤波器的拓扑结构，包括：
所述LC-(LC)-LC滤波器由电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2、电容C3和电阻R1构成；其中，所述电容C1为电解电容，所述电容C3为薄膜电容；直流侧左右电感分别为电感L1、电感L2，靠近电感L1的对地支路为C1R1，接在电感L1、电感L2的公共端；电感L1、电容C1、电阻R1构成第一级滤波电路；接在电感L1,电感L2的公共端的对地支路L3C2，构成串联谐振支路；在电感L2右侧对地接薄膜电容支路C3，与电感L2构成LC低通滤波支路。
6.如权利要求4所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器，其特征在于，所述LCL-(LC)滤波器的拓扑结构，包括：
所述LCL-(LC)滤波器由电感L1、电感L2、电感L3，电容C1、电容C2，电阻R1构成；其中电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2、电阻R1的取值与LC-(LC)-LC滤波器拓扑结构相同，所述电容C1为电解电容；在直流侧左右桥臂分别为电感L1、电感L2；靠近电感L1的对地支路为C1R1，接在电感L1,电感L2的公共端，电感L1、电感L2、电容C1、电阻R1构成LCL型低通滤波支路，靠近电感L2侧的对地支路为L3C2，接在电感L2与负载侧的公共端。
7.如权利要求4所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器，其特征在于，所述LCL-(LC)-LC滤波器的拓扑结构，包括：
所述LCL-(LC)-LC滤波器由电感L1、电感L2、电感L3、电感L4，电容C1、电容C2、电容C3和电阻R1组成；其中，所述电容C1为电解电容，电容C3为薄膜电容，在直流侧从左到右电感分别为电感L1、电感L2、电感L4；对地支路C1R1接在电感L1、电感L2的公共端，串联谐振支路L3C2接在电感L2、电感L4的公共端，电容C3接在电感L4与负载的公共端。
8.一种斩波控制方式的磁铁电源开关管，其特征在于，所述斩波控制方式的磁铁电源开关管实施权利要求1～3任意一项所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法。
9.一种粒子加速器，其特征在于，所述粒子加速器实施权利要求1～3任意一项所述斩波控制型磁铁电源无源滤波器的滤波方法。
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