加速器中高稳定度电源拓扑研究吴伟，王云芳，王洁玮（上海大学理学院，上海200436）二极管整流、调整管调流；晶闸管整流调压、调整管调流；二极管整流、直流斩波；晶闸管整流调压、二象限斩波。给出了几种电源拓扑的优缺点，讨论了在加速器电源设计中应关注的问题。
1加速器对电源的要求加速器种类很多，文章是以中国科学院近代物理研究所分离扇等时性回旋加速器为例进行分析的根据功能的不同，加速器所用电源可分为二极磁铁电源四极磁铁电源、六极磁铁电源、校正磁铁电源和二极磁铁校正线圈电源，KICKER电源、BUMP电源电子冷却所用的高压电源等各种类型的电源。按照运行模式可分为脉冲式、稳流式、快脉冲式、稳压式按照电源原理可分二极管整流模式、晶闸管整流模式、开关电源模式在加速器各种电源中，使用最多的是大功率高稳定度直流稳流电源HIRFL主加速器SSC是径向分离扇等时性回旋加速器，是不同于一般的经典回旋加速器。在经典回旋加速器中，场梯度指数n被限制在0>n>1的范围内，加速器上下极面间的磁隙应该随半径增加而缓慢增加，保证束流在整个加速过程中水平和垂直两个方向上均受到弱的聚焦作用，从而得到较稳定的束流但这也带：2004-）2-15员，博士，从事大功率高稳定电源的研究来了致命的弱点，即在加速过程中，束流不是在谐振下运动，也就是说束流的运动周期是不等时的，存在滑相的问题，滑相的结果导致极限能量的存在，使这个加速器的应用受到很大限制而分离扇等时性回旋加速器，由四块径向磁铁扇块构成，扇块之间有一定的空间。这种形式的加速器，其性质类似于同步加速器，场梯度指数n=-r%/（Br）不是一个常数，而且是从负值到正值之间交替变化的简单地说，它的两个极面是严格的平行平面，这本身会产生径向聚焦力。通过垫补使磁场沿半径逐渐增加，将会导致很强的聚焦力，即n是很大的负值。利用磁铁的边缘角，束流在该位置将会得到很强的垂直聚焦力，特别是当磁场强度较高、磁铁极隙很小时，n将会变成艮大的正值。SSC是四扇完全对称的，因此可见，粒子在运动一周的过程中将受到正值n和负值n的交替的周期性变化作用，即：在水平方向上，束流受到聚焦散焦聚焦-散焦的周期性作用，在垂直方向上，束流受到散焦聚焦散焦聚焦的周期性作用。从束流光学的知识可知，一对聚焦和散焦元件组成的系统，无论如何排列，一般说其效果是起聚焦作用的从而我们可知，在径向分离扇回旋加速器中，束流具有很好的聚焦性能，这就是这类加速器带来的好处从理论上讲不存在由于滑相造成的当稍有干扰促使负载电流上升，通过分流能量极限问题建造的场应满足B=BV（V为相对论因子），就可以建成等时性回旋加速器。等时性场是由两部分叠加而成的，第一部分为主线圈产生的主磁场，第二部分是由放置在上下极面的36对垫补线圈所产生的垫补场。在建造过程中，已测出各线圈的激发曲线主磁场由主电源激励的，垫补场由垫补电源激励的在实际计算等时场电流时，分别求出四扇中心线的等时场Baxis，然后求出四扇各自的ABaxis在此基础上，先算出使某一扇产生等时性场的主电流、等时性电流N线圈及L线圈电流，由于主线圈和等时性线圈四扇是串联的，将该扇的主电流和等时性电流作为已知，可以分别算出相应于其他三扇得到同样等时场时N线圈、L线圈的电流值，这样，产生整个加速器等时场的主线圈的电流等时性线圈电流及各个N线圈、L线圈电流便都得到了。由此可见要得到稳定的等时场，则首先要有高稳定的稳流电源在整个加速器系统中，为了得到尽可能好的束流品质，要求等时磁场的稳定度为Ab/B10"5，而等时磁场由主磁场和垫补场构成，一般垫补场为主导磁场的5%，所以垫补场的磁场稳定度为Ab/B< 5<104，在理论上磁场的稳定度与电源的稳定度成正比，所以磁场要求的稳定度就是电源要求的稳定度，而电源的稳定度一般由其纹波电流和电流的漂移构成，取二者均方根为电源稳定度，但实际用7081数字电压表测出的稳定度是电源的漂移的稳定度，一直沿用为电源的稳定度，所以根据上述考虑，对主磁场励磁电源稳定度要求为AI/< 106，电流纹波要求为A//<7<106，对于垫补场则可以相应地降低一个数量级。HIRFL主磁场励磁电源的稳定度选为好于5K10-6，垫补场励磁电源的稳定度为好于3.豕104，如果考虑某一点磁场由多个垫补线圈作用，那么垫补场励磁电源的稳定度为A///i3.（N为垫补线圈个数）又如弯转磁铁粒子弯转所需要的磁场强度与其励磁电流有公式：N/=Bg从此可以看出，磁场强度B的稳定度与负载电流/的稳定度成正比，当励磁电源电流有波动时，弯转磁铁的磁场强度必然波动，磁场强度偏大，则粒子碰撞在管道内壁的内侧上，磁场强度偏小，则粒子碰撞在管道内壁的外侧上，不能够弯转过来，损失粒子，降低束运效率因此对弯转磁铁电源的稳定度要求比较高，仅次于主导磁场的稳定度，HIRFL弯转磁铁的电源稳定度为豕10" 5对于束运线上的四极透镜，维持粒子聚焦（散焦）所需要的磁场强度与其励磁电流有公式：N/=Ba/.，从此可以看出，磁场强度B的稳定度与电流/的稳定度也成正比，当励磁电源电流有波动时，粒子会偏离正常的轨道，波动超过一定的范围，粒子会碰到管壁内侧，最后损失掉四极透镜励磁电源电流稳定度与束流的品质有关，束流的品质要求越高，对电源稳定度要求越高，束流的品质要求越低，对电源稳定度要求越低，同时还与束运管道的粗细有关HIRFL四极透镜磁铁的电源稳定度为K1ff4在实际加速器系统中，对于电源的电流纹波要求并不高，原因是不论是四块扇形铁、四极透镜还是弯转磁铁均为纯铁制造，存在大量的涡流，同时磁铁线圈本身也带有很大的电感，使电流纹波均消耗在磁铁本身内部，根本产生不了纹波磁场。因此对电源电流的纹波可以比其稳定度低一个数量级即在真负载上，电源稳定度（漂移）好于K1CT4，一般电源的电流纹波好于K10" 5，但对于磁铁不为纯铁制造，而由硅钢片叠加制造时，就必须对电源电流的纹波提出严格的要求2调压器调压、二极管整流、调整管调流2.1电源结构该大功率整流系统是通过调压器调压，利用大功率调整管并联进行调流，电源结构如所示，由调压器、整流变压器、平衡电抗器二极管整流大功率调整管、无源滤波、电流互感器组成这种装置缺点是电流调节速度慢，由于有调整管管压降的存在，整个系统电效率低，如果电源稳定度要求较高，那么相应管压降也会提高，就更加降低了电效率，电效率与管压降是一对矛盾，设计中应综合考虑2.2工作原理通过电位器给定基准增加时，比较放大器输出必然增加，从而使大功率管的集电极与发射极之间的电压降低，促使电源负载电压升高，最后得到调节电流的目的，电流调节过程：快，缺点是整去掉了调压数校正设备统电效率有度高，缺点i校正设备和对电网有污路复杂，容」
要有丰富实器反馈回来的电压必然升高，由于反馈的电压输入放大器的负端，所以此时放大器的输出电压降低，从而使大功率管的集电极与发射极之间的电压升高，最后使负载电流降低，达到稳流的目的，电源自动稳流过程：Vb个一人一Vce个一V0个一个其中：Vref为基准电压；Vb为大功率管的基极电压；Ib为大功率管的基极电流；Ic为大功率管的集电极电流；Ve为大功率管集电极与发射极之间的电压；V.为电源负载输出电压；/.为电源负载输出电流3晶闸管整流调压、调整管调流3.1电源结构该整流系统是通过晶闸管整流调压，利用大功率调整管并联进行调流，电源结构如所示，整流变压器、平衡电抗器、晶闸管整流大功率调整管无源滤波、电流互感器电流检测单元组成这种装置优点是电流调节速度整个系统电效率低。同前一种相比，：器，增加了输入交流进线的功率因。和谐波滤波装置，这种装置整个系所提高，响应速度较快，电流控制精增加了输入交流进线的功率因数I交流谐波滤波装置，产生的谐波还染，影响其他电力设备。另外控制电I振荡，不易调整到最佳工作点，需际工作经验的人才能调妊为了得电源，无源滤波比例加大，甚至还要：波装置，如加速器对电源的要求不纳这种电路。
加上有源滤高，则不易采晶闸管整流调压。BT调流对于晶闸管触发采取同步异步混合触发，启动时采用同步触发，然后自动转换成异步触发异步触发优点是能够很好地抑制由于相间的不平衡及触发信号的分散性引起的50100150Hz等低频纹波。
4二极管整流、直流斩波4.1电源结构该大功率直流斩波整流装置1由整流变压器二极管整流、平衡电抗器、大功率IBGT模块无源滤波、电流互感器及控制部分组成，电二极管整流、IGBT斩波采用大功率IGBT模块斩波，利用交错控制方式，通过调节占空比D而控制输出电压的大小，这种装置优点是输出功率大，通过IGBT模块并联方式，输出方式灵活，电流控制精度高，输出电流稳定度好输出电压纹波小，输出电流纹波低、动态响应快、电压闪变小、整个功率范围内功率因数高、系统电效率高、体积小成本低。它可以应用于在加速器、冶炼电化学等需要大功率直流的行业，可以节约能源，提高经济效益由于采用了交错控制的方式，对并联模块进行斩波控制，因此输出电压纹波小。如果斩波的频率为/，对于N个IGBT模块并联，那么输出直流电压的谐波频率为Nf，所需的滤波电容容量小，负载电流的稳定度较高，可以达到m6数量级2工作原理直流斩波电路就是DC~DC变换器，基本的直流斩波电路由输入电容、开关管（IGBT）输出续流二极管、滤波电感和电容，直流斩波电路各兀件的基本参数由输入电压、开关频率输出电压、电流参数决定的，其基本结构如所示，波形如所示基本斩波电路当开关管（IGBT）导通时，电感L中的电流线性上升，在IGBT导通其间，即DTs，iL的增加量为：当开关管IGBT断开时，电感电流/l通过续流二极管续流，在T，ff=（1-D）Ts间隔iL的有：0n通过调节D的大小就可以调节输出电压的大小。对于大电流低电压输出电源，还可在输出端进行多级斩波，通过控制占空比D逐级提高输出电流，降低输出电压，但应注意前后级能量守恒，则输出电流/.=为第一级、第二级、第三级的占空比由于其均小于1，所以级数越多，输出电流越大，而输出电压越小。
5晶闸管整流调压、二象限斩波1电源结构这种电源结构包括晶闸管整流系统（RectifierPowerSupply）RPS；开关模式的纹SMRR和磁铁负载电路如所示，RPS包括整流变压器晶闸管相控整流、无源滤波，改变晶闸管导通角而控制输出电压大小SMRR包括二极管整流、LC无源滤波、二象限斩波SMRR的作用是消除在RPS输出电压中的谐波分量5.2工作原理三相交流电经晶闸管整流，再经无源滤波后输出电压的表达式：晶闸管整流、二象限斩波Vro Vro为滤波后输出电压，T为晶闸管导通角，V为滤波后输出直流电压，Vro为滤波后输出交流电压，Vro，n为滤波后输出电压谐波分量系数，VS三相交流电压kr为无源滤波的截止频率，设计时一般取kr源稳定度的要求，满足其要求就可以了，根据不同的具体要求选择不同的电源结构，其次是清楚电源的负载特性，再次是不能对电网有污染和对周围环境有电磁辐射。在具体电源拓扑选择上兼顾考虑输出电流稳定度、电效率、电流电压调整速度功率因数、电源运行可靠性电源的各种保护措施及电源成本和将来在其他邻域推广价值。