2．5V／18KA超導磁體模型線圈電源設計

摘要：設計了一套2．5V／18 kA低電壓大電流的開關電源系統。通過對各種功率變換器主電路及幾種成熟的高頻整流電路進行分析比較，并與實際情況相結合，選擇全橋電路作為功率變換器的逆變電路，選擇全波整流為高頻整流方案。良好的反饋控制方式是高精度輸出和快速動態響應的有效保證。通過分析，選擇電流反饋環為外環的雙閉環控制。最后由電源樣機輸出的測試波形可知，輸出電壓、電流的紋波與設計值相差不大，同時針對電源系統輸出中不滿足設計要求的原因，提出了改進方法。
關鍵詞：電源；全橋電路；高頻整流；電流模式

1 引言
穩態強磁場實驗裝置是國家“十一五”重大科技基礎設施建設項目之一，高穩定度直流電源系統是該裝置的關鍵子系統。外超導磁體組對超導磁體模型線圈進行試驗是建設40 T混合磁體中關鍵一步。為了滿足試驗要求，在此提出設計研制2．5 V／18 kA的開關電源．參數要求：電壓0～2．5 V。電流0～18 kA，自動勵磁速度1～100 A／s，電壓紋波不大于1％，電流紋波不大于0．2％。

2 DC／DC功率變換器
此電源系統輸出功率為45 kW，輸入為三相交流380 V網電，輸出為2．5 V直流電，電源的效率偏小，輸入功率較大。當輸入功率較大時，一般采用三相交流輸入。三相網電整流后的電壓為514 V，電源系統的輸出為2．5 V，是一個降壓型開關電源。輸入與輸出電壓較大時，一般都采用帶隔離變壓器的開關電源。設計隔離型開關電源的關鍵是選擇DC／DC功率變換器的拓撲結構，當電源輸出功率較大時，拓撲結構可以從推挽電路、半橋式電路和全橋電路中選擇。
推挽式電路中開關管的利用率較高，導通壓降較小，交替導通的兩個開關管VZ1和VZ2發射極公共，且驅動電路較為簡單。VZ1和VZ2的驅動定時和特性出現偏差時，變壓器的磁通會發生單方向偏磁。偏磁嚴重時，會存在輸入回路中不能轉換為輸出功率的直流電流流通，導致變換效率降低。開關管電壓Uce最大值為輸入電壓Uin的2～3倍，這種電路比較適用于Uin較低的場合。
半橋式和全橋式電路適用于Uin較高的場合，Uce最大值為Uin。橋式電路可以將變壓器初級的漏感電壓尖峰箝位于直流輸入母線電壓，并將漏感儲能回饋到輸入母線，而不是損耗在有損緩沖電路中的電阻上。半橋式電路的輸出電壓可表示為：

全橋式電路的集電極電流小，在使用相同開關管的全橋電路可得到2倍的半橋輸出功率。半橋變換器最大輸出功率由初級峰值電流和開關管能承受的最大關斷電壓決定，雖然半橋變換器輸出功率可達1 kW，但大多數滿足12 A電流等級的IGBT放大倍數往往太小，而且滿足電流電壓條件的MOSFET管的導通壓降太大，且成本太高，所以一般半橋變換器功率超過500 W時考慮使用功率加倍的改進半橋變換器，即全橋變換器，該電源選用全橋變換器，其電路如圖1所示。