快速、高精度大功率晶闸管脉冲/直流稳流电源 一．引言 兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）是由中国科学院近代物理研究所承担的、九五期间立项的国家重点大科学工程，是兰州重离子加速器（HIRFL）的升级和扩建工程HIRFL-CSR将为二十一世纪一二十年代我国核物理学科在国际前沿领域的激烈竞争中继续占有一席之地提供先进的实验条件兰州重离子加速器冷却储存环主要由主环CSRm和实验环CSRe组成，可以实现对重离子的同步加速、冷却和储存磁铁与电源组成加速器的磁场系统，用来产生约束磁场储存环电源系统为环二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁等提供励磁电源CSR电源属直流稳流电源，但由与普通稳流电源完全不同，其主要特点是环二极磁铁电源和环四极磁铁电源均为脉冲运行模式要求电源有很高的电流长期稳定性、极低的纹波、极高的可靠性和极快速的脉冲跟踪性，且四极磁铁电源和二极磁铁电源必须同步运行为减小偏转磁场的离散度，主环和实验环二极磁铁串联连接，各由一台电源供电鉴于国内尚无厂家生产过此类电源，存在一定的难度，因此中国科学院近代物理研究所决定首先试制样机，以摸索和解决其中的技术难点，并由天水电气传动研究所设计生产一台小规模样机。
这种电源一般容量较大，采用晶闸管整流系统，在其脉冲工作时，为保证其电流上升/下降率，在感性负载下，输入电压较高，整流角α较小，但其工作在稳流状态时直流电压较低, 整流角α较大，因而这种电源功率因数低一般来说，其直流侧脉动频率低（6脉动整流时为300HZ ，12脉动整流时为600HZ），电流纹波大，滤波难度大用常用的LC滤波容量很大，而电源工作在脉冲模式时，负载两端有负电压产生，因此LC滤波中的电容必须采用无极性电容，这样就造成LC滤波体积大，成本高，并且若LC较大，影响脉冲电源的快速性这种电源在构成系统时选用元器件的精度和其温漂直接影响系统整体性能指标，普通元器件构成的调节器肯定无法满足其精度要求，选用的元器件必须是高精度、低稳漂的为了改善功率因数，提高稳定度，减少直流侧电流纹波，本文提出了一种改进型的晶闸管整流技术，以及在直流侧加入的由IGBT构成的并联型有源滤波技术 二．系统主电路及控制结构１． 主电路图，见图１ 主回路整流采用改进型的串联（或并联）12脉动晶闸管整流技术，主整流变压器为移相式整流变压器，两台均为Δ/Y型，一台副边为+15º，另一台为-15º；两组变压器错相30º组成12脉动系统，这种变压器的副边绕组必须是星形接法，这样才能加入辅助晶闸管。
两组整流桥分别增加VT1、VT2和VT3、VT4四只辅助晶闸管，就组成了改进型的晶闸管整流系统，L1C1C2R1组成第一级无源滤波器，L2C3R2组成一个单调谐的滤波器，构成第二级无源滤波器；在其后面增加一个并联型的直流有源滤波器，来彻底消去直流侧对称和不对称的纹波采用低温漂、高精度的零磁通电流传感器（DCCT）作为反馈元器件，以确保闭环精度1． 控制回路拓朴结构 控制回路拓朴结构见图2： 该电源精度要求高，控制回路运算放大器必须采用低于1×10-6的低失调电流、电压的运算放大器，所有元器件的温漂均低于1µV/ºC以下控制回路中电流给定是一个至关重要的环节，在脉冲工作时给出一个符合系统要求的脉冲曲线；在稳流工作时给出一个精度达1×10-6的稳定信号系统中电流环是另一个重要的环节，它的元器件的选型、印制版的制作及布线等等直接影响着系统的跟随精度、稳定精度等技术指标辅助晶闸管及有源滤波器的控制关系到系统直流纹波及功率因数等指标，因此也是很重要的环节三、几个关键性的技术 1、改进型的晶闸管整流技术 图4改进型的晶闸管整流线路见图3，其任意时刻的整流波形见图4，α为主晶闸管触发角，δ为辅助晶闸管触发角。
改进型的晶闸管整流方案中，整流时使δ=0º，主触发角在0º～150º变化，来控制直流侧电压和功率，α＞2π/3时直流侧电压波形为相电压的整流波形，因此相对于普通晶闸管整流，在直流侧电压较低时，直流电压纹波明显减小，功率因数提高，π/6＜α＜2π/3时直流侧电压波形为相电压和线电压的复合波形，因此直流电压纹波也较小，α＜π/6时，辅助晶闸管不工作,整流系统与一般晶闸管整流系统一样在逆变时，通过设定α=5π/6，辅助触发角δ从0～2π/3来改善直流电压纹波及提高功率因数改进型的整流方案中，直流侧电压为Ud= UL√6/π［COS﹙α+π/6﹚COSδ］基波功率因数为COSφ=COS﹙α+δ+π/6﹚/2 改进型的变流器的功率特性图见图5图中SCQC为普通晶闸管整流系统的视在功率、无功功率，SmQm 为改进型的晶闸管整流系统的视在功率、无功功率可见无功功率有明显的降低该线路在高精度电源中应用的最大优点是：（1） 直流侧谐波分量较低（低电压运行更为明显）2） 无功功率要求（尤其在直流电压下降时）较低3） 因其整流角α的变化不同于普通晶闸管整流器的0º～120º，而是0º～150º，所以其调节的分辩率明显增高，其方案用在高精度电源中十分合适。
这种线路缺点是触发控制极其复杂，对其需要做大量的工作才能完成2、 滤波器的设计2．1 无源滤波器电路图见图6，L1C1C2R1构成一个低通滤波器，因电源工作模式为脉冲/稳流，在脉冲工作时，电流下降时负载有负电压，因此电容采用无极性电容，这样LC滤波器中LC的值不能太大，即LC滤波对纹波的衰减不能很大，否则系统体积增大，成本增高，且在脉冲工作时影响脉冲快速性，实际中，LC滤波器对特征谐波衰减30～50db左右即可在LC滤波器后面又增加一个L2R2C3的单调谐滤波器，该滤波器谐振于特征谐波（6脉动整流特征谐波为300HZ，12脉动整流特征谐波为600HZ），使特征谐波大幅衰减2．2 有源滤波器该电源由于是晶闸管整流，理论上对6脉动只有300Hz的纹波，对12脉动只有600Hz的纹波，但由于三相电网的不平衡，晶闸管触发特性的不一致，整流变压器制作时三相输出不一致等诸多因素，造成直流侧有低于特征谐波的低次谐波，也有高于特征谐波的高次谐波存在，同时也有较大的特征谐波存在这样为了消去这些直流谐波，与西安交通大学共同设计了一采用IGBT构成的直流有源滤波器（见图6，控制回路拓朴见图7）有源滤波器采用并联型的有源滤波器，此方案也是国际上较通用的一种补偿方法，这种有源滤波器在小电感负载情况下直接检测直流电流纹波，在大电感负载情况下由于电流纹波较小，很难检测出来。
因此检测电压纹波，这样以直流侧检测出来的电压（电流）经一低通滤波器将纹波电压（电流）从直流中分离出来，此纹波电压（电流）经放大后做为指定信号，产生PWM信号，由IGBT逆变放大产生与主回路电压（电流）纹波大小相等，而极性相反的纹波电压（电流）信号，送回直流主回路，来抵消主回路中的电压（电流）纹波，这样就达到抑制直流回路纹波的目的该有源滤波器采用PWM控制技术，IGBT的工作频率最高达20KHz，保证产生IGBT逆变波形是光滑的设计中，纹波的检测致关重要，若检测不出来就无法抵消主回路纹波其控制回路主要由时钟发生器、滤波回路、纹波检测、指令电流形成电路，PWM信号形成电路及IGBT的保护、驱动、隔离等电路组成```采用有源滤波器，能有效的消去直流侧各种纹波，并且它不象无源滤波器那样，影响脉冲电源的快速性三． 设计与实验结果以下是为中国科学院兰州近代物理研究所生产的一台试验样机试验样机的负载为一台磁铁，磁铁电感L=0.46H， 磁铁电阻R=0.278Ω； 输出电流0A～570A，输出电压-88V～246V，电流上升、下降率为±190A/S，系统采用改进型的串联12脉动晶闸管整流系统，调节系统采用模拟和数字两套系统。
模拟系统中运算放大器的采用BB公司生产的高精度的运算放大器，其稳漂为1µV/°C，失调电压为1µV电阻采用高精度、高稳定性的RJK系列电阻；电容采用温度影响小且稳定性很高的聚碳酸脂电容；这样构成的模拟系统精度高，稳漂小，可靠性好数字系统用Simens 6RA24中的数字调节器、数字触发系统构成实验波形及傅立叶分析,用泰克公司生产的TMS-3052.500MHz示波器测得，稳定性用输力强公司生产的8位半7081数字电压表测量，功率用PM100谐波、功率因数测量仪测得 1.电流纹波不加有源滤波，负载电流570A时 电流纹波为1.6996×10-6 负载电流200A时 电流纹波为2.42192×10-6加有源滤波，负载电流570A时 电流纹波为7.89×10-7 负载电流200A时 电流纹波为6.92×10-72.稳定度稳定度=(Imax-Imin)/Ia (Imax、Imin、Ia为八小时内的最大值、最小值、 平均值) 负载电流200A时，稳定度为3.1×10-6负载电流400A时，稳定度为8.7×10-6负载电流570A时，稳定度为8.8×10-6 （五个八小时）图16为任一八小时稳定度曲线1 3.脉冲跟踪精度0-570A时脉冲跟踪精度小于1×10-4四.结束语 对于这样快速、高精度大功率晶闸管脉冲/直流稳流电源，这种方案是切实可行的，并取得了极高的技术指标。
经过与兰州近代物理研究所共同测试运行的几个月，证明其工作的可靠性也很好高 通过一系列的理论分析和实际，对改进型的晶闸管整流技术和IGBT组成有源滤波器技术进行了大胆的尝试，取得了一些极其宝贵的经验和数据，填补了我国对这一类高精度电源的空白。