[發明專利]斬波控制型磁鐵電源無源濾波器、濾波方法、粒子加速器

在審

• 申請號: 202111022766.6
• 申請日: 2021-09-01
• 公開（公告）號: CN113708611A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 劉鵬;楊偉偉;章勇高
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: H02M1/14
• 分類號: H02M1/14;H02M3/155
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 張曉博

本發明屬于粒子加速器技術領域，公開了一種斬波控制型磁鐵電源無源濾波器、濾波方法、粒子加速器，斬波控制型磁鐵電源無源濾波器，包括LC?(LC)?LC濾波器、LCL?(LC)濾波器和LCL?(LC)?LC濾波器；其中，所述的三種濾波器基于Buck降壓電路，是一種DC?DC的變換裝置，在調節開關管占空比實現電壓調節的同時，通過低通濾波支路和諧振支路濾除掉開關頻率處的諧波，降低負載電流紋波的幅值。本發明提出的三種改進無源濾波器，均可以抑制開關頻率處的高頻諧波，具有高頻濾波效果明顯、結構簡單、成本低廉等優點，能夠滿足磁鐵電源直流紋波幅值要求，無源濾波對于無源濾波器的拓撲結構和電容電感含量節省方面都有很大的研究空間，是不可替代的。

技術領域

本發明屬于粒子加速器技術領域，尤其涉及一種斬波控制型磁鐵電源無源濾波器、濾波方法、粒子加速器。

背景技術

目前，粒子加速器是一種采用人工手段得到快速帶電粒子束的設備。直流磁鐵電源系統通過給磁鐵負載供給平穩的直流電以產生平穩的磁場控制帶電粒子的加速、聚焦、以及粒子的變軌，是加速器的重要組成部件。斬波控制方式的磁鐵電源前級經過變壓、多級整流、濾波之后低次紋波含量已經很小，諧波主要集中在開關管的開關頻率處。由于開關管通斷產生的紋波電流會影響磁鐵電源對加速器粒子控制的精度，主磁鐵電流紋波的技術指標為ΔI/I(負載)≤5×10^-6，由此可見磁鐵電源對紋波幅值要求非常嚴格。

斬波控制方式的磁鐵電源開關管通常采用IGBT和MOSFET等大功率高速通斷的電力電子器件。為了減少開關管在開關頻率處的諧波，對濾波器的高頻濾波特性要求比較高。目前斬波式磁鐵電源開關管后濾波器主要為傳統的LC型濾波器，傳統的LC濾波對高頻諧波的衰減速度不夠，目前磁鐵電源LC型濾波器濾波電容幅值一般都在幾十個mF，且對開關頻率處的諧波沒有針對性的濾波，故總體上對高頻紋波抑制效果較差。一般來說電流紋波幅值越低，磁鐵電源對粒子束流的精度越好。因此，亟需一種新的、低電流紋波幅值的斬波控制型磁鐵電源無源濾波器，以滿足磁鐵電源對粒子束流的控制精度要求。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：傳統的LC濾波對高頻諧波的衰減速度不夠，目前磁鐵電源LC型濾波器濾波電容幅值一般都在幾十個mF，且對開關頻率處的諧波沒有針對性的濾波，故總體上對高頻紋波抑制效果較差。

改進無源濾波器濾波元件容值、感值的降低，還能夠解決LC無源濾波器空間體積大、占地面積大、笨重、成本高等問題。

解決以上問題及缺陷的難度為：

如何有針對性的對特殊點頻率處諧波進行更高倍頻，更快速度的衰減，在以上述為前提的條件下如何盡可能的減少電感、電容的含量，最后考慮在以上兩個遞進條件下如何盡可能的減少能量的消耗。

解決以上問題及缺陷的意義為：

大大改善了磁鐵電源濾波的效果，節約了無源濾波元件的含量，節約了成本，減少了能量的消耗。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種斬波控制型磁鐵電源無源濾波器、濾波方法、粒子加速器。

本發明是這樣實現的，一種斬波控制型磁鐵電源無源濾波器的濾波方法，包括：

LC-(LC)-LC濾波器、LCL-(LC)濾波器和LCL-(LC)-LC濾波器基于Buck降壓電路進行DC-DC的變換；在調節開關管占空比實現電壓調節的同時，通過低通濾波支路和諧振支路濾除掉開關頻率處的諧波，降低負載電流紋波的幅值。

本發明本質上可以類比于Buck電路的工作原理，雖然占空比不由輸出電壓與輸入電壓之比決定，但是呈正相關，即占空比越大，輸出電壓越高。占空比的大小決定著儲能元件儲能的多少，占空比越高，儲能越多，單個周期輸出到磁鐵電源負載的能量也就越多，對應的輸出電壓也就越大，反之亦然。據此原理進行輸出電壓的調節；