田焕霞 阚朝新 萧飞 田策 王二鹏

摘 要：文章介绍了在离子加速器及核磁共振设备上使用的一种超高稳定度磁铁线性电源。采用的设计方案是用调压器或可控硅调压，保证功率三极管CE两端的管压降保持在合理的范围内，采用高精密采样、比较、控制环节保证电流的稳定度。文中简述了该电源的控制原理、技术性能及采用的一些保护措施。

关键词：超高稳定度；线性电源；高精密采样

中图分类号：TN86 文献标志码：A 文章编号：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

在离子加速器实验中，因为要求离子通过的磁场非常稳定，所以要求磁铁电源所提供稳定的电流。磁场稳定度8小时内达到10ppm，甚至更高，则要求电流稳定度8小时也要达到10ppm，更高的则为1ppm。同时在实验中要求电流应有适当的调节范围，并要求有过温、过压、过流等一系列保护措施。

超高稳定度恒流源电流稳定度技术指标如下：

1分钟内 电流稳定度1ppm

5分钟内 电流稳定度2ppm

24小时内 电流稳定度10ppm

电流调节范围为0到额定电流值

2 电源工作原理及系统方框图

2.1 系统方框图

图1为电流稳定度达到10ppm（24小时内）的电源系统方框图。

2.2 工作原理

下面介绍为了达到指标要求，系统在采样、基准、反馈、控制等方面所采取的具体措施。

（1）主控单元

为了保证系统的高可靠性、高稳定度、高抗干扰能力，系统采用了PLC来实现设备的控制功能。实现人机交互，启/停机、参数设置、稳压控制和故障报警触等。

（2）主电路调压部分

为了保证电流的稳定度，必须保证功率驱动三极管CE两端的管压降Uce保持在8-18V电压范围内，因此要求主电路调压部分能够根据监测到的Uce值实现Us值的自动调整。

在CDT-XX-WL/R系列电源的设计过程中，主电路输出电压可以采用以下两种模式：

a.采用可控硅实现管压降的调节。

b.采用变压器机械调压实现管压降的调节。

调压过程：

系统通过传感器采集Uce之间的电压，控制器判断电压是否满足由当前Uce工作的电压范围，然后判定是否需要调压，由于三极管的稳压工作范围较宽（8-18V），所以调压环节的调整频次比较低。

（3）比较放大单元

设定的电流通过控制器将数据传送到DA板，数据经DA转换输出一电压值VREF，VREF与回路采样反馈的电压VfED进行比较后输出一电压值，该电压值经放大单元放大后控制调整管电流的大小。

由图2可知，这里选用的是串联稳流电路。从图中可看出取样电阻RS与负载串联，RS的阻值不变，RS上电压降的大小直接反映出负载电流的大小。所谓稳定“电流”，就是稳定RS上电压降URS，URS稳定了，负载电流也就稳定了，整个稳流系统是一个负反馈闭环控制。

采样器件的选择是电流稳定度的关键，选用高稳定度采样电阻，也可以选用零磁通直流电流互感器（簡称DCCT）。DCCT可选用HITEC或LEM公司的产品。要使电流达到10ppm以内的指标，采样器件的度系数指标必须小于5ppm。

（4）调整单元

调整单元的作用为电流放大，原理图如图3。

有图3可知，该驱动部分由若干个三极管并联输出，三极管V4为后级三极管提供驱动电流，最多可驱动16只三极管，单只三极管的输出电流按不大于3A设计，根据所需电流大小确定三级管的数量。MJ15024的耗散功率是比较大的，在实际应用中我们采用水冷板对其散热。

3 保护功能

该电源设置有过电流、过电压、超温度、负载故障等保护，系统若出现故障，主电路立即断电，并在本地触摸屏或远程控制界面显示故障信息。

4 工作环境

系统电流若要达到高稳定度要求，必须要在一定的工作环境下工作：

（1）对于功率器件，要采用二次去离子水进行冷却。

（2）工作环境温度20℃-30℃。

另外，电流除与工作环境有关外，还与安装工艺、电气布局、系统接地等因素有关。

5 结束语

CDT-XX-WL/R系列电源通过测试和试验，各项参数均达到设计指标。该系列产品已成功应用在中国原子能科学研究院、合肥光源、兰州近代物理研究所等加速器实验室，在医用核磁共振成像系统应用也非常成功。

参考文献：

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