[發明專利]一種儲存環磁鐵電源

有效

• 申請號: 202010065926.4
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111245203B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 周銀貴;劉鵬;劉群;董賽
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H02M1/00
• 分類號: H02M1/00;H02M1/15;H02M1/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

本發明公開了一種高性能儲存環磁鐵電源，將在一臺傳統的開關電源磁鐵電源的基礎上，采用一臺小功率線性電源作為有源濾波器與之并聯，先由開關電源將磁鐵電流的輸出穩定至接近預期值，再啟動線性電源，將開關電源的輸出誤差予以補償。通過結合兩種類型電源的優勢，采用數字式開關電源輸出大電流，將磁鐵電流粗略地穩定在目標值，然后再利用高穩定度線性電源將電流精確的控制在給定值上。本發明通過粗精結合的方式，引入有源濾波器的理念，使用線性電源將開關電源導致的諧波予以濾除，并結合了兩種電源的優勢，保留了數字式開關電源的靈活性、可靠性，同時也具備了線性電源的穩定性。

技術領域

本發明涉及大功率電源、磁鐵電源的技術領域，具體涉及一種高性能儲存環磁鐵電源。

背景技術

同步輻射新一代光源對規劃設計、理論方法和系統性能提出了更高的要求，為保證光源的高質量運行，作為裝置的核心設備之一的磁體電源，須進一步提升輸出電流品質。

輸出電流精度是各類型加速器磁鐵電源的核心指標([1]F.Jenni,L.Tanner,M.Horvat.A Novel Control Concept for Highest Precision Accelerator PowerSupplies,EPEPEMC2002,Dubrovnik,Croatia)。國內外學者為提高電源輸出電流的精度，展開了大量的研究。文獻([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.)研究了開關噪聲、PCB布局對電流精度的影響，并通過改善采樣電路的布局，提高電源系統的抗干擾能力，達到了優化磁鐵電源精度的目的。文獻([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 A 747(2014)24–29)及文獻([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 A 761(2014)86-91.)在NPC拓撲的基礎上，通過改進調制策略，減小了電源系統的共模電壓對采樣的影響，從而降低了輸出電流的高頻紋波。文獻([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.)在電源以及負載模型的基礎上，根據系統不同的工作狀態，在線修改反饋系數，達到了優化電流波形的目的。文獻([6]TakashiIno.Ahighly stable DC power supply for precision magnetic field measurementsand other purposes[J].REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 83,045101(2012))通過設計反饋回路的濾波器，將大時間尺度內的雜波濾除，降低了輸出電流在大時間范圍內的周期波動的幅度，但是該方法無法解決采樣系統漂移的問題。文獻([7]Toshiyuki Oki,ShuNakamura and Toshikazu Adachi,KEK,1-1 Oho,Tsukuba,Ibaraki.HIGH-STABILITYMAGNET POWER SUPPLIES FOR SUPERKEKB[C].Proceedings of IPAC2017,Copenhagen,Denmark)將給定值從數字轉為模擬量，電流反饋量直接從傳感器中得到，避免了AD變換帶來的誤差。利用不同的DAC等級，采用粗精結合的方式矯正給定值誤差，使參考信號精準地與反饋值做差，再配合使用雙環控制，提升了磁鐵電源的精確度。這種方式利用DAC誤差代替了ADC誤差，而DAC又采用粗精結合的方式，大大提高了轉換精度。該方法為避免AD采樣誤差開拓了思路，但是尚未考慮電流傳感器造成的誤差，同時為提高DAC精度，增加了一款8位半萬用表。文獻([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作為開關器件替代普通的MOSFET，設計了一款矯正磁鐵電源，實驗結果表明，采用SiC-MOSFET電源可以使用更高的開關頻率，更低的損耗。文獻([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)四組降壓式電路拓撲并聯，并采用載波移相的策略，增大輸出電流同時實現了減小電流高頻紋波的目的。文獻([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 of IPAC2016,Busan)采用了一款24位的AD采樣芯片，將電源短期輸出電流波動抑制在10ppm以內。我國此類裝置使用的磁鐵電源的運行指標基本在20ppm以內，為提升光源束流指標需更高性能的電源，國內外相關單位對更高穩定度電源進行了研究，主要關注點是優化電源系統的輸出穩定度。然而影響束流品質的因素眾多，包括磁鐵溫漂、環境溫度、濕度、管道真空度、電源輸出穩定度等。