超高穩定度電源研制

田煥霞 闞朝新 蕭飛 田策 王二鵬

摘 要：文章介紹了在離子加速器及核磁共振設備上使用的一種超高穩定度磁鐵線性電源。采用的設計方案是用調壓器或可控硅調壓，保證功率三極管CE兩端的管壓降保持在合理的范圍內，采用高精密采樣、比較、控制環節保證電流的穩定度。文中簡述了該電源的控制原理、技術性能及采用的一些保護措施。

關鍵詞：超高穩定度；線性電源；高精密采樣

中圖分類號：TN86 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0051-02

Abstract： A linear power supply for ultra-high stability magnets used in ion accelerators and nuclear magnetic resonance （NMR） equipment is introduced in this paper. The adopted design scheme is to use voltage regulator or SCR to adjust the voltage to ensure that the voltage drop at both ends of the power Triode CE is kept within a reasonable range， and to adopt high precision sampling， comparison and control links to ensure the stability of the current. The control principle， technical performance and some protective measures of the power supply are briefly described in this paper.

Keywords： ultra high stability； linear power supply； high precision sampling

1 概述

在離子加速器實驗中，因為要求離子通過的磁場非常穩定，所以要求磁鐵電源所提供穩定的電流。磁場穩定度8小時內達到10ppm，甚至更高，則要求電流穩定度8小時也要達到10ppm，更高的則為1ppm。同時在實驗中要求電流應有適當的調節范圍，并要求有過溫、過壓、過流等一系列保護措施。

超高穩定度恒流源電流穩定度技術指標如下：

1分鐘內 電流穩定度1ppm

5分鐘內 電流穩定度2ppm

24小時內 電流穩定度10ppm

電流調節范圍為0到額定電流值

2 電源工作原理及系統方框圖

2.1 系統方框圖

圖1為電流穩定度達到10ppm（24小時內）的電源系統方框圖。

2.2 工作原理

下面介紹為了達到指標要求，系統在采樣、基準、反饋、控制等方面所采取的具體措施。

（1）主控單元

為了保證系統的高可靠性、高穩定度、高抗干擾能力，系統采用了PLC來實現設備的控制功能。實現人機交互，啟/停機、參數設置、穩壓控制和故障報警觸等。

（2）主電路調壓部分

為了保證電流的穩定度，必須保證功率驅動三極管CE兩端的管壓降Uce保持在8-18V電壓范圍內，因此要求主電路調壓部分能夠根據監測到的Uce值實現Us值的自動調整。

在CDT-XX-WL/R系列電源的設計過程中，主電路輸出電壓可以采用以下兩種模式：

a.采用可控硅實現管壓降的調節。

b.采用變壓器機械調壓實現管壓降的調節。

調壓過程：

系統通過傳感器采集Uce之間的電壓，控制器判斷電壓是否滿足由當前Uce工作的電壓范圍，然后判定是否需要調壓，由于三極管的穩壓工作范圍較寬（8-18V），所以調壓環節的調整頻次比較低。

（3）比較放大單元

設定的電流通過控制器將數據傳送到DA板，數據經DA轉換輸出一電壓值VREF，VREF與回路采樣反饋的電壓VfED進行比較后輸出一電壓值，該電壓值經放大單元放大后控制調整管電流的大小。

由圖2可知，這里選用的是串聯穩流電路。從圖中可看出取樣電阻RS與負載串聯，RS的阻值不變，RS上電壓降的大小直接反映出負載電流的大小。所謂穩定“電流”，就是穩定RS上電壓降URS，URS穩定了，負載電流也就穩定了，整個穩流系統是一個負反饋閉環控制。

采樣器件的選擇是電流穩定度的關鍵，選用高穩定度采樣電阻，也可以選用零磁通直流電流互感器（簡稱DCCT）。DCCT可選用HITEC或LEM公司的產品。要使電流達到10ppm以內的指標，采樣器件的度系數指標必須小于5ppm。

（4）調整單元

調整單元的作用為電流放大，原理圖如圖3。

有圖3可知，該驅動部分由若干個三極管并聯輸出，三極管V4為后級三極管提供驅動電流，最多可驅動16只三極管，單只三極管的輸出電流按不大于3A設計，根據所需電流大小確定三級管的數量。MJ15024的耗散功率是比較大的，在實際應用中我們采用水冷板對其散熱。

3 保護功能

該電源設置有過電流、過電壓、超溫度、負載故障等保護，系統若出現故障，主電路立即斷電，并在本地觸摸屏或遠程控制界面顯示故障信息。

4 工作環境

系統電流若要達到高穩定度要求，必須要在一定的工作環境下工作：

（1）對于功率器件，要采用二次去離子水進行冷卻。

（2）工作環境溫度20℃-30℃。

另外，電流除與工作環境有關外，還與安裝工藝、電氣布局、系統接地等因素有關。

5 結束語

CDT-XX-WL/R系列電源通過測試和試驗，各項參數均達到設計指標。該系列產品已成功應用在中國原子能科學研究院、合肥光源、蘭州近代物理研究所等加速器實驗室，在醫用核磁共振成像系統應用也非常成功。

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