2．5V／18KA超導磁體模型線(xiàn)圈電源設計

摘要：設計了一套2．5V／18 kA低電壓大電流的開(kāi)關(guān)電源系統。通過(guò)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(dòng)態(tài)響應的有效保證。通過(guò)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(shí)針對電源系統輸出中不滿(mǎn)足設計要求的原因，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
穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)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(guān)鍵子系統。外超導磁體組對超導磁體模型線(xiàn)圈進(jìn)行試驗是建設40 T混合磁體中關(guān)鍵一步。為了滿(mǎn)足試驗要求，在此提出設計研制2．5 V／18 kA的開(kāi)關(guān)電源．參數要求：電壓0～2．5 V。電流0～18 kA，自動(dòng)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(wǎng)電，輸出為2．5 V直流電，電源的效率偏小，輸入功率較大。當輸入功率較大時(shí)，一般采用三相交流輸入。三相網(wǎng)電整流后的電壓為514 V，電源系統的輸出為2．5 V，是一個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)電源。輸入與輸出電壓較大時(shí)，一般都采用帶隔離變壓器的開(kāi)關(guān)電源。設計隔離型開(kāi)關(guān)電源的關(guān)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(shí)，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(kāi)關(guān)管的利用率較高，導通壓降較小，交替導通的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VZ1和VZ2發(fā)射極公共，且驅動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單。VZ1和VZ2的驅動(dòng)定時(shí)和特性出現偏差時(shí)，變壓器的磁通會(huì )發(fā)生單方向偏磁。偏磁嚴重時(shí)，會(huì )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(kāi)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(chǎng)合。
半橋式和全橋式電路適用于Uin較高的場(chǎng)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(xiàn)電壓，并將漏感儲能回饋到輸入母線(xiàn)，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(kāi)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(kāi)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1 kW，但大多數滿(mǎn)足12 A電流等級的IGBT放大倍數往往太小，而且滿(mǎn)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(guò)500 W時(shí)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。