2．5V／18KA超導(dǎo)磁體模型線圈電源設(shè)計

摘要：設(shè)計了一套2．5V／18 kA低電壓大電流的開關(guān)電源系統(tǒng)。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(jìn)行分析比較，并與實(shí)際情況相結(jié)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(tài)響應(yīng)的有效保證。通過分析，選擇電流反饋環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)控制。最后由電源樣機(jī)輸出的測試波形可知，輸出電壓、電流的紋波與設(shè)計值相差不大，同時針對電源系統(tǒng)輸出中不滿足設(shè)計要求的原因，提出了改進(jìn)方法。
關(guān)鍵詞：電源；全橋電路；高頻整流；電流模式

1 引言
穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置是國家“十一五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一，高穩(wěn)定度直流電源系統(tǒng)是該裝置的關(guān)鍵子系統(tǒng)。外超導(dǎo)磁體組對超導(dǎo)磁體模型線圈進(jìn)行試驗(yàn)是建設(shè)40 T混合磁體中關(guān)鍵一步。為了滿足試驗(yàn)要求，在此提出設(shè)計研制2．5 V／18 kA的開關(guān)電源．參數(shù)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(tǒng)輸出功率為45 kW，輸入為三相交流380 V網(wǎng)電，輸出為2．5 V直流電，電源的效率偏小，輸入功率較大。當(dāng)輸入功率較大時，一般采用三相交流輸入。三相網(wǎng)電整流后的電壓為514 V，電源系統(tǒng)的輸出為2．5 V，是一個降壓型開關(guān)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(guān)電源。設(shè)計隔離型開關(guān)電源的關(guān)鍵是選擇DC／DC功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)電源輸出功率較大時，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)管的利用率較高，導(dǎo)通壓降較小，交替導(dǎo)通的兩個開關(guān)管VZ1和VZ2發(fā)射極公共，且驅(qū)動電路較為簡單。VZ1和VZ2的驅(qū)動定時和特性出現(xiàn)偏差時，變壓器的磁通會發(fā)生單方向偏磁。偏磁嚴(yán)重時，會存在輸入回路中不能轉(zhuǎn)換為輸出功率的直流電流流通，導(dǎo)致變換效率降低。開關(guān)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(guān)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(guān)管能承受的最大關(guān)斷電壓決定，雖然半橋變換器輸出功率可達(dá)1 kW，但大多數(shù)滿足12 A電流等級的IGBT放大倍數(shù)往往太小，而且滿足電流電壓條件的MOSFET管的導(dǎo)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(jìn)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。