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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2019年
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Kicker高压充电电源设计

张石磊  
【摘要】:为满足强流重离子加速器(HIAF)高频率束流的注入引出需求,本文提出设计一台大功率Kicker高压充电电源。本文针对高压充电电源的设计进行调研,对比了不同的高压充电方法,选择LC串联谐振恒流充电方案。根据开关频率和谐振频率之间的关系,LC串联谐振有3种不同的工作方式。经过分析比较,选择电流断续工作模式,在此工作模式下充电电源可以实现工作在软开关状态。本文通过对断续模式下工作原理进行数学理论分析,推导出谐振电流、谐振电压、平均充电电流、负载电压的计算公式,阐述其数值的变化规律和影响参数。根据HIAF项目实际运行需求,对充电电源提出样机设计指标。根据设计指标,对样机进行主回路部分和控制保护部分设计。详细介绍三相整流滤波、谐振逆变、高频升压、高压整流中各元器件的设计与选取过程。此外还介绍了电源的软启动功能实现,电源的散热设计和结构设计。在充电电源样机中,最关键的是高频变压器的设计。通过对比不同磁芯材料和磁芯结构,选择了以CC型结构的铁氧体材料作为变压器的磁芯。用窗口面积法,计算出变压器原副边的匝数。结合变压器的绝缘设计以及分布参数控制,委托变压器厂家订制出一台满足设计要求的高频变压器。控制部分选用Altera公司的FPGA,并在基于NiosII的SOPC平台进行数字电源控制器的设计。驱动电路的驱动芯片选用瑞士CONCEPT公司开发的2SC0435T2G1。反馈回路利用LEM电流传感器和2500:1的电阻分压器对谐振电流信号和负载电压信号进行采集。采样信号经过18位高精度ADC与控制器内部写入的设定值进行比较,实现对电源进行过压和过流保护。最后根据设计搭建出一台电源样机并进行重复充电实验和软开关验证实验。实验结果表明,该样机充电电压0~20 kV可调,充电电压误差小于2%,且能够保证工作在软开关状态,满足HIAF项目中Kicker系统充电电源的设计要求。
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