合肥先进光源快校正磁铁电源的研制

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合肥先进光源(HALF)是中国正在进行预研的第四代衍射极限储存环光源。超低的束流发射度对包括磁铁电源在内的每个加速器系统提出了更高的要求。由于束流轨道会在光源运行的任何时刻发生偏移,因此最终的同步辐射光的质量也会受影响。由于电子束流轨道受到由磁铁电源决定的磁场的约束,所以快速响应的电源可以帮助校正磁铁迅速完成对束流轨道位置的校正。然而,目前普通的校正磁铁电源性能并不足以解决自身输出稳定性和响应速度之间的矛盾。本文基于合肥先进光源的物理设计和束流仿真要求,致力于研制出响应速度快、输出稳定度高的校正磁铁电源原型样机。线性电源具有不可替代的低纹波噪声的优势,本文研制了一种使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的300W功率双极性线性电源样机。不同于常规H桥拓扑的是,本设计中的两个MOSFET工作在线性放大状态,另外两个MOSFET工作在开关状态用于切换输出电流的极性。选用了高精度的20位分辨率数字模拟转换器(DAC)芯片AD5791来保证20ppm的电流设定分辨率。使用高精度万用表Fluke8508A进行性能测试,结果显示电源的频率响应可以达到10kHz,长期稳定度可以达到5ppm,正负10A的额定输出电流可以实现0.1mA的电流变化率。另外由于采用了压差控制措施,MOSFET的温升显著降低,电源的效率提高到了近 80%。基于DSP、FPGA的全数字控制开关电源因其可靠性和高效性已经成为当前主流,然而由于输出电流纹波控制与响应速度存在矛盾,导致开关型电源在快校正磁铁上的应用存在局限性。本文针对HALF快校正磁铁的需求,设计了基于Buck模块级联的多电平开关电源拓扑结构。该拓扑使用三个Buck电路模块级联以及120°载波移相的策略,将等效开关频率提高了 3倍,从而减小了电流纹波。与三个H桥模块级联的拓扑相比,本设计采用了更少的高频MOSFET。Simulink仿真以及最终样机测试结果表明这种Buck级联的拓扑结构具有更低的纹波和更快的响应速度,输出长期稳定度也达到了 30ppm。为了满足电源测试需求,本文设计了基于八位半数字万用表以及基于NI-PXI的两种高精度测试平台。根据加速器磁铁电源测试标准,两种测试方法均使用了外部嵌套DCCT和电流电压转换模块,不同的是基于数字万用表的方法具有更高的精度,而基于NI-PXI平台的方法可扩展性强,可用于多台电源同时测试的场景。快校正电源的数字控制卡是影响电源整体性能的关键因素。本论文设计了一套可同时应用于线性快校正电源和开关型快校正电源的数字控制卡,控制卡以FPGA和ARM核微控制器为核心,可以实现高分辨PWM的生成、高精度电流设定和采集等功能。同时控制卡配备了 100M光纤接口和千兆以太网接口,满足了电源系统和轨道系统以及控制系统的实时通信。本论文设计的电源及其控制卡优化了快校正磁铁电源的性能,高精度测试平台提高了电源测试的效率和精确度。高性能的快校正磁铁电源将会更好的应用于轨道反馈系统,并为HALF的稳定运行奠定技术基础。
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