谐振变换及数字化控制技术在加速器中的应用

【摘要】粒子加速器中使用的电源种类很多,这些电源多采用PWM控制方式下的斩波器变换结构。加速器对电源稳定性、动态性能及可维护性有很高的要求,随着技术的进步,老的PWM电源模拟控制电路逐渐被数字控制电路代替,并成功应用于许多国内外加速器中。谐振电源技术目前得到了很好的发展,它的优势和特性很适合应用到加速器中小功率电源中。本论文尝试将谐振功率变换电路及高分辨率数字化控制技术引入到加速器电源中。同时对谐振电源的几种重要拓扑结构进行研究,分析了谐振电源在加速器中应用的可能性。数字化谐振电源需要高分辨的频率控制电路、简化的外围电路设计。我们对市场上众多数字控制芯片做出合理的筛选后,选择了Ti公司的DSP芯片TMS320F28335作为数字电源控制器的核心处理芯片。根据加速器电源对稳定性的严格要求,选用了18位的AD7690做为电源的模数转换芯片。同时对AD转换核心电路增添了恒温控制系统,改善了AD转换电路的工作环境。设计了本地和遥控下的人机交互界面。研制出了一套FM型DSP数字控制器卡和高精度的AD数据采集卡用于谐振电源的控制。通过大量工作努力提高谐振电源频率调整分辨率,用DDS芯片AD9851以1Hz步长分辨率调整电源的开关频率信号,取得了一定的效果。在实际应用中,将谐振变换技术及高精度FM数字控制电路应用到电子枪高压电源及速调管聚焦稳流电源中,达到了设计效果,说明了该技术应用于加速器中的可行性。其中50kV/5mA的加速器电子枪高压电源采用并联谐振拓扑结构及电流耦合变压器；35A/35V聚焦稳流电源采用了串联谐振拓扑结构。研究了SRC串联、PRC并联、LCC串并联、LLC串并联四种重要的谐振电源在不加滤波电感情况下的工作原理及电压、电流控制特性,分析了它们的正弦稳态特性并建立它们的基波等效电路。用两种方法对谐振电源建立模型。1.线性化近似谐振电源标称工作频率点附近的频率电压控制曲线,获取开关信号调整周期和电源输出电压之间的表达式,以此建立谐振电源模型。通过仿真验证这种方法的可行性；2.使用扩展函数法提取谐振信号的基波分量作为分析谐振电源的基础,并对稳态工作点处的谐振参数添加小信号扰动的方式得到了谐振电源的小信号模型和系统传输函数,为谐振电源补偿器设计提供了参照。通过本论文的工作可以表明,谐振电源的数字化控制技术可以应用于加速器电源中。目前,谐振电源技术主要适用于中小功率电源,但是随着谐振数字技术的进步,通过轻便的谐振电源模块组合叠加,会促使谐振电源技术向大功率电源的方向发展,相信可以有更好的发展前景。
【作者】葛磊；
【导师】尚雷；
【作者基本信息】中国科学技术大学，核技术及应用，2014，博士
【关键词】加速器电源；谐振变换技术；FM数字控制技术；控制模型；

【参考文献】
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