开关电源中高带宽线性调整支路的应用
2014-01-13刘晓光刘云涛
刘晓光 张 旌 齐 欣 刘云涛 李 君
1（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）
2（中国科学院大学 北京 100049）
开关电源中高带宽线性调整支路的应用
刘晓光1,2张 旌1齐 欣1刘云涛1李 君1
1（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）
2（中国科学院大学 北京 100049）
在中国散裂中子源中，快循环同步加速器射频系统要求偏流源电源的输出带宽大于10 kHz，而开关电源样机的输出带宽最大输出只有3 kHz，无法满足带宽设计要求。因此在偏流源开关电源正式工程机中，加入了线性调整支路，以提高整个系统的输出带宽。开关电源中加入线性调整支路的方法有多种，本文介绍了开关电源并联线性调整支路方法的选取原则，分析了不同方法的优缺点，并对加入线性调整支路前后开关电源的带宽测试结果进行了对比。测试结果表明，线性调整支路可以弥补开关电源带宽的不足，加并联线性支路后的开关电源输出带宽大于10 kHz。
开关电源，线性支路，带宽，测试
中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)是一台正在建设中的中等规模的高通量散裂中子源，其主加速器是一台25 Hz的快循环质子同步加速器(Rapid Cycling Synchrotron, RCS)。在快循环加速器对粒子进行俘获和加速的过程中，随着高频加速电压频率的改变，加速腔的谐振频率也将随之改变。为满足铁氧体加载腔的调谐需要，要求采用射频偏流源为腔体提供一个可变直流偏置磁场，对腔的谐振频率进行调节。这台电源的动态响应是射频偏流源的主要技术指标，其中输出带宽要求大于10 kHz。
闭环幅频特性的幅值减小到0.707M0(M0为零频幅值)时的频率，称带宽频率，用ωb表示。频率范围0≤ω≤ωb称为系统带宽。带宽大的系统能通过较高频率的输入信号，重现输入信号的能力较强，但抑制输入端高频噪声的能力较弱[1]。在对数幅频特性曲线中，带宽频率ωb所对应纵坐标的值为-3dB。因此在仿真和测试时，将幅频特性值降至-3dB时所对应的频率视为带宽频率。
英国散裂中子源(ISIS)和美国散裂中子源(Spallation Neutron Source, SNS)的射频偏流源电源都采用了线性电源方案[2]，应用大量三极管并联输出，利用三极管的放大作用，对控制电路输出的小电流信号进行线性放大而实现大电流输出[3]。线性电源的输出带宽容易做到很高，但整机体积大，效率低。CSNS/RCS射频偏流源样机采用开关电源方案。开关电源工作在高频的开/关状态，体积小，转换效率高，但输出带宽较低，单纯采用开关电源很难达到输出带宽10 kHz的指标要求。为了使射频偏流源的输出带宽大于10 kHz，进而满足快速调谐的需求，在开关电源方案中增加一个线性电源调整支路来补偿开关电源带宽不足。
开关电源中加线性支路的方案在国内外电源设计中应用较少，有一定的技术难度。本文将从电源的结构、线性支路选取原则、带宽测量结果等方面介绍开关电源并联线性支路的方案。图1为并联线性支路的开关电源等效电路图。
图1 并联线性支路的开关电源等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of a switching power supply with parallel linear branch.
1 开关电源并联线性支路的结构
偏流源电源的主电路，包含开关电源和线性调整支路两部分。图2为偏流源电源的主电路结构。
开关电源主回路采用四模块并联输出的方案。功率变换单元由变压器、输入整流器、Buck降压斩波电路、储能电容、二象限斩波器、输出LC滤波器等部分组成[4]。功率变换分为三级，前级为变压器不控整流；中间级是Buck降压斩波部分，采用输入功率控制电路稳定直流母线电压，同时克服负载功率波动对电网的影响；后级二象限斩波器采用了先进的倍频斩波技术，通过DC/DC变换及反馈控制，实现对输出电流的跟踪控制，输出期望的电流波形[5]。
图2 偏流源电源的主电路结构Fig.2 Circuit of bias current power supply.
线性调整支路工作模式为线性调整单元与电源负载并联，根据偏流源的输入给定信号，自动实现输出电流的快调节功能。开关电源加并联线性调整支路后的整个系统可以简化为图1所示的结构。整个电源的工作过程为：将线性调整支路的给定设置为零，电源的给定值与负载电流的反馈值相减后送入线性调整支路控制器，经过比例积分(PI)调节后的信号驱动线性器件，进而控制线性调整支路的输出电流。通过调节线性支路的电流，最终达到总给定与负载电流相等的目的。
2 高带宽线性调整支路的选取
提高开关电源系统输出带宽，可以采用增加线性调整支路的方案，这种方案分为两大类。第一类为线性调整器件串入主回路。由于线性调整支路与负载是串联关系，功耗太大，线性调整器的选型非常困难，这种方案在成本和效率上都不合适。第二类为线性器件与负载并联，即线性分流方案。
线性分流方案提高系统带宽的原理为：因开关电源带宽有限，因此开关电源对电流给定信号叠加的高频信号无响应，即开关电源只能响应低频信号，而加入的高带宽线性调整支路反馈点可以检测到低频信号的电流，因此线性调整支路只需输出叠加的高频电流信号即可，这样就实现了提高整个系统带宽的目的。线性分流方案又可以分为方案一和方案二，其工作过程与原理大致相同。下面介绍线性分流方案一和线性分流方案二的优缺点及选择过程。
图3为线性分流方案一原理图，其中Iref为电流给定信号；VCCS为开关电源；+30 V、-30 V、NPN1及PNP1为高带宽线性调整支路；PI为线性调整支路控制器，反馈点为负载电流。
图3 线性分流方案一原理图Fig.3 Schematic of the first linear diversion program.
线性分流方案一的优点是由NPN1与PNP1组成的推拉结构有输出与吸入电流的能力，损耗较小且较稳定，输出功率时由+30 V与-30 V的电源提供，原有开关电源不必做任何调整。缺点是需要额外的两个电源，NPN1与PNP1需配对，若选用三极管还得多只并联；电流过零处存在交越失真现象，当要求输出跟踪精度达到0.001时存在技术风险。
图4为线性分流方案二原理图。IDC为直流偏置电流源；NPN为高带宽线性调整支路；VDC为线性调整支路垫补电路(在选用IGBT为线性调整器件时才用)。VDC反接的目的为调整IGBT的管压降，使之工作在线性区及满足输出电压负压的情况。
在线性分流方案二中，开关电源的输出要先加入一个直流偏置电流，线性调整支路根据电流给定信号Iref来调整负载电流，与线性分流方案一中吸入电流时的工作状态相同。此方案优点是多只NPN管或相似特性的IGBT或是MOSFET都可作为线性调整器件，省去了多只管子配对的麻烦，此外也无电流过零时存在的交越失真现象。缺点是线性支路使用IGBT时功耗比方案一大些，主偏流源（即开关电源）中需加入一个直流偏置电流源IDC。
图4 线性分流方案二原理图Fig.4 Schematic of the second linear diversion program.
然而，解决线性分流方案二的缺点要比解决方案一的缺点更容易。方案二中加入的IDC电流源可在主偏流源内部给定上叠加一个直流偏置分量，即IDC由主偏流源提供。虽然方案二的功耗更大，但只要管子选型与散热处理得当，这些问题都较容易，不存在较大的技术风险。综合考虑后，决定选择线性分流方案二作为CSNS/RCS的偏流源方案。
对线性分流方案二进行系统仿真[6]，给定直流偏置为100 A、幅值为10 A、频率为10 kHz的交流信号。图5为10 kHz小信号下系统响应图，输出电流峰值为107.7 A，交流幅值为7.7 A。由对数幅频特性公式得：
式中，Ip_out为输出交流信号的幅值；Ip_in为给定交流信号的幅值。可以看出，在频率为10 kHz时，对数幅频特性值大于-3 dB，即输出信号的幅值还没有衰减至给定幅值的0.707倍，该方案可以满足要求。至于实际带宽能否达到10 kHz，需实际测试验证。
图5 10 kHz小信号下系统响应图Fig.5 Response diagram of small signal at 10 kHz.
3 带宽测量结果及分析
分别测量不并联线性支路和并联线性支路两种情况下，偏流源输出带宽的情况。测试方法为：在100 A直流电流偏置下给定一定频率的正弦波，其峰值电流为10 A，测试电源输出响应，以-3 dB点作为电源的频率响应带宽。图6为不加线性调整支路的开关电源输出带宽测试曲线；图7为并联线性调整支路的开关电源输出带宽测试曲线。
图6 不加线性调整支路的开关电源输出带宽Fig.6 Output bandwidth of switching power supply without linear branch.
图7 并联线性调整支路的开关电源输出带宽Fig.7 Output bandwidth of switching power supply with parallel linear branch.
由测试结果可以看出，在未并联线性调整支路时，偏流源电源输出频率响应-3 dB所对应的频率大约为3 kHz，因此系统的输出带宽仅为3 kHz，远远小于10 kHz的要求。而在并联线性调整支路后，在频率为2.2 kHz处存在谐振峰，频率在小于10 kHz时，系统的频率效应始终大于-3 dB，此时系统的输出带宽大于10 kHz。
并联线性支路后，带宽实际测试曲线为什么从某个频段处开始下降，到最低点后再上升呢？线性调整支路相当于是一个并联在负载端的“高带宽受控电阻”，起到分流负载电流的目的。设定开关电源的带宽为fc1，线性支路的带宽为fc2，测试信号频率为f，当f 偏流源开关电源样机的输出带宽仅为3 kHz左右，达不到10 kHz的技术要求。在并联线性支路后，整个偏流源电源的小信号频率响应带宽大于10kHz。因此，线性调整支路可以弥补开关电源带宽的不足，开关电源并联线性调整支路的方案是可行的。此外，控制方面需要加入“漏电流”检测，以便从根本上消除测试带宽时中间频段的增益跌落。 1 王划一, 杨西侠. 自动控制原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010 WANG Huayi, YANG Xixia. The principle of automatic control[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010 2 Daly A, Appelbee C W, Bayley D L. Current monitor for the ISIS synchrotron RF cavity bias regulator[C]. Proceedings of PAC07, 2007 3 康华光, 陈大钦. 电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998 KANG Huaguang, CHEN Daqin. Basic electronic technology[M]. Beijing: Higher Education Press, 1998 4 王兆安, 黄俊. 电力电子技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000 WANG Zhaoan, HUANG Jun. Power electronics[M]. Beijing: China Machine Press, 2000 5 李瑞．开关型动态大功率磁铁电源系统设计与电源研制[D]. 上海: 中国科学院上海应用物理研究所, 2007 LI Rui. The design, manufacture and test of the switch-mode dynamic power supplies for SSRF booster[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Applied Physics, 2007 6 林飞, 杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京: 中国电力出版社, 2008 LIN Fei, DU Xin. Power electronics applied technology[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2008 CLCTL503.5 Application of high-bandwidth linear adjustment branch in switching power supply LIU Xiaoguang1,2ZHANG Jing1QI Xin1LIU Yuntao1LI Jun1 Background: China Spallation Neutron Source (CSNS) is a medium-sized high-flux spallation neutron source under construction with Rapid Cycling Synchrotron (RCS) of 25 Hz as the main accelerator. The RF cavity of RCS requires that the output bandwidth of bias current source is greater than 10 kHz, while the maximum output bandwidth of switching power supply prototype is only 3 kHz, which can’t meet the design requirements. Purpose: In order to improve the output bandwidth of the entire system, the linear adjustment branch is added to the switching power supply in a formal bias current source. Methods: This paper introduced the principle of selecting the linear adjustment branch, analyzed the advantages and disadvantages of the different methods and showed the test results of output bandwidth after adding linear adjustment branch. Results: The output bandwidth of the system after adding linear adjustment branch is greater than 10 kHz. Conclusion: Linear adjustment branch can compensate for the output bandwidth of the switching power supply. Switching power supply, Linear adjustment branch, Bandwidth, Testing TL503.5 10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010103 刘晓光，男，1988年出生，现为中国科学院大学在读硕士研究生，核技术及应用专业 2013-11-13， 2013-12-104 结语
1(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
