專利名稱：用igbt實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)磁鐵電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種超導(dǎo)磁鐵電源，特別涉及一種基于大容量 IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極晶體管)器件的超導(dǎo)磁鐵勵(lì)磁電源。
背景技術(shù)：
在基礎(chǔ)科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、軌道交通、國防工業(yè)等重要領(lǐng)域，通常需要 用大電流的穩(wěn)流電源向磁鐵供給勵(lì)磁電流，這些應(yīng)用中都對磁場的穩(wěn)定度提出 了嚴(yán)格要求。要保證磁場的長期穩(wěn)定，就是要保證穩(wěn)流電源的輸出電流具有很 高的穩(wěn)定度和極低的電壓(電流)紋波。當(dāng)前，國際上的高能物理與核物理研 究裝置——粒子加速器系統(tǒng)越來越多的使用超導(dǎo)材料制作磁鐵。超導(dǎo)磁鐵對電 壓(電流)紋波非常敏感，過大的電壓(電流)紋波不僅會誤觸發(fā)失超探測器， 而且可能引起超導(dǎo)線失超(失超是指超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)進(jìn)入常導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)線從沒 有電阻變?yōu)橛须娮?，電流?jīng)過該區(qū)域時(shí)就會產(chǎn)生熱量)，這將嚴(yán)重影響超導(dǎo)磁鐵 及其失超保護(hù)系統(tǒng)的正常工作，對超導(dǎo)磁鐵的可靠工作而言是致命的。因此， 不僅要求超導(dǎo)磁鐵電源的電流紋波極低，而且需要響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高。
目前，已知的超導(dǎo)磁鐵電源一般多采用晶閘管相控整流電源，它由晶閘管 整流、無源濾波、調(diào)節(jié)控制等環(huán)節(jié)組成，這種常規(guī)的電源具有容量大、系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)簡單、可控器件價(jià)格低和易實(shí)現(xiàn)磁場能量回饋的特點(diǎn)。但交流電網(wǎng)電壓的不 平衡、整流元件開通/關(guān)斷特性的不一致、元器件特性不理想等因素，均會產(chǎn)生非特征次電壓(電流)諧波，直接表現(xiàn)為輸出電壓(電流)紋波大。若采用無 源濾波器消除電壓(電流)特征和非特征次諧波，會導(dǎo)致無源濾波器體積龐大， 增加了電源的成本，并且會使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能惡化。為了解決晶閘管相控整流 電源輸出電壓(電流)紋波大的問題，現(xiàn)有的超導(dǎo)磁鐵電源產(chǎn)品多采用在主電 路中串聯(lián)線性調(diào)整管(大功率三極管)的方法，此類電源的優(yōu)點(diǎn)是紋波小、穩(wěn) 定度高，缺點(diǎn)是線性調(diào)整管的功耗大、效率低、體積大、可靠性差。另一種可 行的辦法是采用有源濾波技術(shù)，可以有效地抵消特征和非特征次諧波，但這種 方案由于非特征次諧波頻譜復(fù)雜，造成控制系統(tǒng)的選頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)計(jì)算困難，現(xiàn) 場調(diào)試工作量極大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種長期電流穩(wěn)定度高、 電壓(電流)紋波低、響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高、體積小、效率高的電源裝置。
為解決上述的技術(shù)問題，本超導(dǎo)磁鐵電源采用如下的技術(shù)方案 豐發(fā)明提供了一種超導(dǎo)磁鐵電源電路和根據(jù)此電路設(shè)計(jì)的超導(dǎo)磁鐵電源， 超導(dǎo)磁鐵電源電路包括四路帶有閉環(huán)反饋控制電路的絕緣柵雙極晶體管降壓斬
波電路A8、 A9、 A1Q、 A ，其特征在于所述四路帶有閉環(huán)反饋控制電路的絕緣 柵雙極晶體管降壓斬波電路A8、 A9、 A1Q、 A 為并聯(lián)設(shè)置，反饋控制電路為均 流反饋控制電路，所述導(dǎo)磁鐵電源電路還可以設(shè)置有總反饋閉環(huán)控制電路。
本發(fā)明的有益效果
4路降壓斬波電路(BuckChopper)并聯(lián)，使用移相倍頻控制技術(shù)，減小輸 出電壓(電流)紋波，減輕無源濾波的負(fù)擔(dān)，提高電源調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，從而提高輸出電流的穩(wěn)定度。通過專門針對超導(dǎo)磁鐵零電阻、大電感的特點(diǎn)而 設(shè)計(jì)的性能穩(wěn)定的低溫漂、高精度的電流負(fù)反饋閉環(huán)控制使電源的輸出電流具 有很高的穩(wěn)定度。
為超導(dǎo)磁鐵提供長期電流穩(wěn)定度高、電壓(電流)紋波低、響應(yīng)快、調(diào)節(jié) 精度高的直流穩(wěn)恒電流。裝置的體積小、效率高、噪音小。


圖1為本發(fā)明的一種電源電路圖。
圖2為本發(fā)明圖1的1部電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1至圖2所示一種電源電路圖，其包括三相整流橋A6、 A7，濾波電感 L5 、 L6 ，儲能電容C5 、 C6 、 C7 、 C8 ，降壓斬波電路A8 、 A9 、 A1Q 、 A ， 高頻電感L7、 L8、 L9、 L1()，濾波電容C9 、 C1()、 Cu、 C12 ，電容Cu、 C14 ，輸 出濾波電感L 、 L12，電阻R3，電流傳感器U3、 Uu、 U12、 U13、 U14，減法器 V3、 V5、 V6、 V7、 V8，總閉環(huán)調(diào)節(jié)器IV均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器T9、 T1Q、 T 、 T12， 脈沖形成器Mu、 M14、 M15、 M16，振蕩器Xn，分頻移相器F^，所述降壓斬波 電路由IGBT和二極管組成，三相電源接入整流橋A6 ， A6輸出正端聯(lián)接濾波電 感L5的一端，輸出負(fù)與儲能電容C5 、 C6的負(fù)端聯(lián)接，儲能電容C5 、 C6的正 端和濾波電感L5的另一端聯(lián)接，所述儲能電容C5與降壓斬波電路A8并聯(lián)，A8 輸出正端聯(lián)接高頻電感L7—端，所述降壓斬波電路A8輸出負(fù)端聯(lián)接濾波電容 C9的負(fù)端，濾波電容C9的正端聯(lián)接高頻電感L7的另一端后通過電流傳感器U 與電感Ln聯(lián)接，所述降壓斬波電路A9與儲能電容C6并聯(lián)，降壓斬波電路A9 輸出正端聯(lián)接高頻電感L8 —端，降壓斬波電路A9輸出負(fù)端聯(lián)接濾波電容C10的負(fù)端，所述濾波電容C1()的正端聯(lián)接高頻電感L8的的另一端后通過電流傳感器
U^與電感Lu聯(lián)接，所述濾波電容C9、 Cu)并聯(lián)后正端聯(lián)接輸出濾波電感L ,
三相電源接入整流橋A7， A7輸出正端聯(lián)接濾波電感L6的一端，輸出負(fù)與儲能
電容C7 、 C8的負(fù)端聯(lián)接，儲能電容C7 、 C8的正端和濾波電感L6的另一端聯(lián)接，所述儲能電容C7與降壓斬波電路Au)并聯(lián)，Au)輸出正端聯(lián)接高頻電感L9一端，所述降壓斬波電路An)輸出負(fù)端聯(lián)接濾波電容Cu的負(fù)端，濾波電容Cu的正端聯(lián)接高頻電感L9的另一端后通過電流傳感器U13與龜感L12聯(lián)接，所述降壓斬波電路Au與儲能電容Cs并聯(lián)，降壓斬波電路Au輸出正端聯(lián)接高頻電感Lk)一端，降壓斬波電路Au輸出負(fù)端聯(lián)接濾波電容Cu的負(fù)端，所述濾波電容C12的正端聯(lián)接高頻電感L1Q的另一端后通過電流傳感器U14與電感L12聯(lián)接，所述濾波電容Cu、 Cu并聯(lián)后正端聯(lián)接輸出濾波電感Li2，所述輸出濾波電感Lu、Lu并聯(lián)后聯(lián)接電容d3的正端，濾波電容C9、 C1()、 C 、 C^的負(fù)端并聯(lián)后聯(lián)接
電容.C!3的負(fù)端，電容d4和電阻R3串聯(lián)后與d3并聯(lián)，d3的正端經(jīng)電流傳感器U3與負(fù)載正端聯(lián)接，d3的負(fù)端聯(lián)接負(fù)載負(fù)端，U3聯(lián)接減法器V3，減法器V3
還聯(lián)接電流基準(zhǔn)給定器2和總閉環(huán)調(diào)節(jié)器T4，總閉環(huán)調(diào)節(jié)器T4分別聯(lián)接并聯(lián)的減法器V5、 V6、 V7、 V8，減法器V5、 V6、 V7、 V8，分別聯(lián)接均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器T9、 T1()、 T 、 T12，減法器V5、 V6、 V7、 Vs還分別聯(lián)接電流傳感器Un、 U12、U13、 U14，均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器T9、 T1Q、 T 、 T^分別聯(lián)接脈沖形成器Mb、 M14、M15、 M16，脈沖形成器M13、 M14、 M15、 M,6分別聯(lián)接降壓斬波電路A8、 A9、A10、'A ，中的IGBT的柵極，所述振蕩器Xn聯(lián)接分頻移相器Fis，分頻移相器F"與脈沖形成器Mi3、 M14、 M15、 M^分別聯(lián)接。
本發(fā)明的工作原理是振蕩器Xn產(chǎn)生一高頻時(shí)鐘信號，經(jīng)分頻移相器F^處理成四路彼此相移為1/4周期的三角波。電流基準(zhǔn)給定器2的信號送入減法器V3，與電流傳感器U3輸出的信號進(jìn)行比較，得到一誤差信號，將該誤差信號用
總閉環(huán)調(diào)節(jié)器T4放大，然后分別送入減法器V5、 V6、 V7、 V8，與電流傳感器 U 、 U12、 U13、 Uw輸出的信號進(jìn)行比較，得到四個(gè)誤差信號，將該四個(gè)誤差信 號分別用均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器19、 T1Q、 T 、 T^放大，然后分別送入脈沖形成器Mu、 M14、 M15、 M16，和前述四路彼此相移為1/4周期的三角波進(jìn)行比較，形成四路 PWM (Pulse Width Modulation,脈寬調(diào)制)信號，將該四路PWM信號依次分別 聯(lián)接到降壓斬波電路A8、 A9、 A1Q、 A 中IGBT的柵極，驅(qū)動(dòng)降壓斬波電路工 作。
本發(fā)明中，總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器可以釆用閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器 (Prop)ortional-Integral-Differential:比例-積分-微分運(yùn)算)，三相整流器A6、 A 和 濾波電感Ls、 L6，儲能電容Cs、 C6、 C7、 Q—起構(gòu)成兩路電壓源，為條壓斬波 電路As、 A9、 A1C、 Au供電。對于降壓斬波電路，用高精度電流傳感器U3采集 直流輸出線上的電流，將所得的信號送入總電流同電流給定基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較。 總電流閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器的輸出作為均流閉環(huán)PI(Proportional-Integral:比例-積分 運(yùn)算)調(diào)節(jié)器的參考信號，電流傳感器Uu、 U12、 U13、 1114輸出的電流信號分別 作為均流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的反饋信號，與參考信號進(jìn)行比較。均流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器 的輸出接入脈沖形成電路，作為脈寬調(diào)制的調(diào)制信號，與四路彼此相移為1/4周 期的三角波相比較，從而得到四路PWM信號，用此四路PWM信號去驅(qū)動(dòng)降壓 斬波電路中的IGBT進(jìn)行斬波。
用上述方法產(chǎn)生的PWM信號彼此相移為1/4周期，若每路PWM信號的頻 率為10kHz，則圖中在d3正端疊加得到的開關(guān)頻率為40kHz，這種方法被稱為 移相倍頻控制技術(shù)。因?yàn)?路PWM信號彼此相移為1/4周期,而在疊加點(diǎn)呈4 倍頻率。這樣就增加了輸出電壓的脈動(dòng)數(shù)，而減小了輸出電壓(電流)紋波，加快了電源的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度。因?yàn)楸额l技術(shù)的應(yīng)用，無源濾波器的工作頻率得
到大幅度的提高(如從每路的10kHz增加到輸出端的40kHz)。根據(jù)電磁學(xué)知識
可知，這樣既降低了無源濾波器的容量，又減小了其體積。
本發(fā)明對四路降壓斬波電路的輸出電流由傳感器Un、 U12、 U13、 1114進(jìn)行測
量，分別反饋到均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器。因?yàn)樗膫€(gè)均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的給定值都來自總
電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出，所以四個(gè)Buck Chopper都輸出相同大小的電流，具有很好的均流特性，這樣有利于充分發(fā)揮每個(gè)Buck Chopper橋的輸出能力，避免自然均流時(shí)功率器件容量的浪費(fèi)，降低了采購成本，同時(shí)其響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高。對于功率較大的電源裝置，IGBT開通關(guān)斷會產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射干擾和傳導(dǎo)干擾，這給系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求。本超導(dǎo)磁鐵電源在裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使主功率電路的儲能電容、IGBT等均壓接在疊層銅母排下，且進(jìn)、出線母排也疊層行線，從而有效減小了線路雜散電感，減弱了高頻電流的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，減小了傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。
本超導(dǎo)磁鐵電源可采用水冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷。其顯著優(yōu)點(diǎn)是可以為超導(dǎo)磁鐵提供長期電流穩(wěn)定度高、電壓(電流)紋波低、響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高的直流穩(wěn)恒電流。裝置的體積小、效率高、噪音小。
權(quán)利要求
1. 一種超導(dǎo)磁鐵電源電路，其包括四路帶有閉環(huán)調(diào)節(jié)控制電路的絕緣柵雙極晶體管降壓斬波電路A8、A9、A10、A11，其特征在于所述四路帶有閉環(huán)控制電路的絕緣柵雙極晶體管降壓斬波電路A8、A9、A10、A11為并聯(lián)設(shè)置，閉環(huán)控制電路為均流閉環(huán)控制電路，所述均流閉環(huán)控制電路分別對降壓斬波電路進(jìn)行回饋控制斬波。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用一種超導(dǎo)磁鐵電源電路，其特征是所述 導(dǎo)磁鐵電源電路設(shè)置有總閉環(huán)控制電路，所述總閉環(huán)控制電路對電路整體進(jìn)行 回饋控制。
3. —種超導(dǎo)磁鐵電源，其裝備有任一前述權(quán)利要求所述的超導(dǎo)磁鐵電源電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用絕緣柵雙極晶體管實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)磁鐵電源，超導(dǎo)磁鐵電源電路包括四路帶有閉環(huán)反饋控制電路的絕緣柵雙極晶體管降壓斬波電路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁，四路帶有閉環(huán)反饋控制電路的絕緣柵雙極晶體管降壓斬波電路A₈、A₉、A₁₀、A₁₁為并聯(lián)設(shè)置，反饋控制電路為均流反饋控制電路，導(dǎo)磁鐵電源電路還可以設(shè)置有總反饋閉環(huán)控制電路。使用移相倍頻控制技術(shù)，減小輸出電壓(電流)紋波，減輕無源濾波的負(fù)擔(dān)，提高電源調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，從而提高輸出電流的穩(wěn)定度。通過專門針對超導(dǎo)磁鐵零電阻、大電感的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的性能穩(wěn)定的低溫漂、高精度的電流負(fù)反饋閉環(huán)控制使電源的輸出電流具有很高的穩(wěn)定度。
文檔編號H01F6/00GK101521083SQ20081023238
公開日2009年9月2日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者黨懷東, 吳保寧, 榮 楊, 王有云, 石立峰, 振 蔡, 馬?；?申請人:天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司