侯瑞芬 張志高 范 雯 賀 建 戴 璐 林安利

(中國計量科學研究院，北京 100013)

0 引言

隨著稀土永磁材料磁性能的不斷提高，機電、醫(yī)療器械和磁選機等永磁體的主要應用領域對磁性能的測量提出了更高要求，希望能夠直接測量更大尺寸的高矯頑力材料，這就需要測量所用的電磁鐵能提供更大的高穩(wěn)定度磁場和均勻區(qū)，因此，在磁性材料測量領域迫切需要更高電壓、更大電流的大功率高穩(wěn)定度的電磁鐵掃描電源。

當前大量采用的電磁鐵掃描電源有三種類型。一是傳統(tǒng)的橋式電源，它存在穩(wěn)定度低、過零點電流不連續(xù)、功率不大、輸出電流和輸出電壓不夠高、缺乏高度可靠的保護措施等缺點；二是可控硅電源，它對電網干擾強烈，缺乏安全保障；三是線性掃描電源，或稱OCL式電源，國外的這類產品，例如美國LAKESHORE公司的MODEL660系列電磁鐵電源和美國GMW公司的MODEL231HC系列電磁鐵電源，具有穩(wěn)定度高、紋波小和噪聲低等優(yōu)點，但是也存在明顯的缺欠，主要表現在：效率低，大功率電源使用循環(huán)水冷，為了給冷卻水降溫，又使用空調制冷，增加結構的復雜性。其次，采用了低電壓、大電流輸出方式，要求電磁鐵繞組并聯使用，增大了電磁鐵制造難度。為此，我們研制了高穩(wěn)定度電磁掃描電源，本文介紹的掃描電源既具有線性掃描電源的全部優(yōu)點，又克服其缺點，具有效率高和輸出電壓高等特點。

1 工作原理

高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵電源的工作原理框圖如圖1所示。電網的三相供電首先流經三相啟動電路到三相主變壓器，經過降壓升流之后，分別流向可控硅正、負壓隨動電源，得到正隨動電壓V+和負隨動電壓V-。這兩路電壓分別供給OCL甲乙類推挽功率放大器的PNP型復合管和NPN型復合管。OCL為負載RL提供正負掃描電流。通過從采樣電阻器RS上獲得的采樣電壓，能準確測量向RL提供的輸出電流，同時，主控制電路根據這一電壓控制OCL放大器的輸出電流，并經過反饋系統(tǒng)確保輸出電流的高準確性和高穩(wěn)定度。

圖1 工作原理框圖

2 關鍵電路設計

2.1 效率的提高與隨動供電技術

可控硅式隨動供電設計是本電源的核心技術。眾所周知，在掃描電源中消耗功率最大的是輸出大功率管，而大功率管的功耗等于集電極到發(fā)射極壓降乘以流過晶體管的電流。該電流就是電源的輸出電流，它是不可減少的工作電流，因此，設法降低管壓降是減少管耗和提高效率的重要途徑。

為了便于分析，首先假設電磁鐵是一個阻性負載(由于掃描速度很低，電磁鐵的感性分量影響可以暫作忽略)，即電壓和電流同相位；其次假設當掃描到最大電流時，輸出的最高電壓達到直流供電電源的電壓，由此可以得到圖2和圖3所示的輸出電壓、電流和管消耗曲線。圖中，V+和V-為直流正負供電電源電壓，PNP和NPN大功率晶體管管壓降和流過的電流分別為Uc+、Ic+和Uc-、Ic-。

圖2 普通電源的輸出電壓、電流和管功耗圖

圖3 隨動供電下的電壓、電流和管功耗波形

圖2為普通掃描電源的PNP、NPN晶體管一個掃描周期中的管壓降和管電流的波形圖以及功耗波形圖。圖3為在本電源隨動供電下的電壓、電流和兩管的功耗波形。晶體管的功耗Pc表示為：

Pc=Uc×Ic

(1)

對于普通掃描電源，當最大輸出為200V、50A時，按照式(1)計算，可得最大管功耗Pcmax為2500W。在隨動供電方式下，如果供電電壓始終接近于管壓降5V，則晶體管的最大功耗為125W，如果供電電壓始終接近于管壓降10V，則晶體管的最大功耗為250W。對比2500W，隨動供電下的管功耗僅為普通方式下的1/10～1/20，這就是隨動供電能夠大幅度降低管耗的根本原因。

2.2 高壓脈沖的消除

作為電磁鐵電源，負載電磁鐵為感性負載，工作中感應電壓u與電流i的關系為：

(2)

由于電磁鐵的電感L很大，所以，當電流i不能平穩(wěn)變化時，容易在電磁鐵兩端感應出高電壓，一方面會影響測量精度，另一方面容易擊穿電路中的大功率管，圖4為這種感應高電壓的原理圖。圖5為高壓脈沖的消除電路，C1、C2為1000μF的電解電容，D1、D2為二極管，吸收和鉗位來自負載倒灌的高壓脈沖。D1和C2吸收正向高壓脈沖，D2和C1吸收負向高壓脈沖，R構成放電回路。

圖4 感應高壓的原理圖

圖5 高壓脈沖消除電路

2.3 高穩(wěn)定性的設計

為保證電源輸出的穩(wěn)定性，采用了如圖6所示的電路。電壓基準源輸出的基準電壓通過由R1、C1、A1組成的積分回路和功率放大器放大后給電磁鐵供電，輸出電流通過采樣電阻R3轉化為電壓信號，此信號由差分放大器A2放大后經過R2反饋到積分器輸入端，當反饋信號與基準電壓正負相反時，積分器達到平衡狀態(tài)，如此，輸出電流的大小就鎖定在基準電壓上。要實現輸出電流的穩(wěn)定，反饋環(huán)路中各元器件的選擇至關重要，基準電壓、R1、R2、R3、A1、A2和功率放大器均需要選用低溫漂的器件。特別指出，由積分器構成的負反饋系統(tǒng)是一階無差系統(tǒng)，因此，輸入電流無靜態(tài)誤差地跟隨直流基準電壓。

圖6 電流穩(wěn)定性設計示意圖

2.4 輸出電壓的提高

對于一種掃描電源，提高輸出電流并不難，只要在輸出級并聯大功率管就能奏效，但是，提高輸出電壓卻不容易。因為高擊穿電壓的大功率管，尤其是PNP型管，在制造工藝上有很大難度，很難買到，但是PNP小功率管卻相對容易找到高擊穿電壓管。本電源設計的電路，小功率的前級使用一個高擊穿電壓的PNP管，以后各級采用NPN大功率管，構成復合管，這樣既能構成PNP型，又能吸收高壓大電流，從而達到提高輸出電壓的目的。另外，采用隨動電源，當正輸出時，負隨動電源幾乎不供電，反之亦然。所以，晶體管在非輸出狀態(tài)下所承受的電壓只是傳統(tǒng)雙極電磁鐵電源的一半，采用相同的晶體管，相同輸出電流時，輸出電壓和輸出功率都可提高一倍。

3 測試結果

按照本電源的設計要求，用測量大塊稀土永磁材料專用電磁鐵作負載，組成永磁材料測量系統(tǒng)，對電源的各項技術指標進行了測試。電源的輸出電壓范圍為±200V，輸出電流范圍為±50A，1小時輸出電流穩(wěn)定度優(yōu)于2×10-5，最大輸出電流時效率優(yōu)于90%，輸出電流50A時紋波為5mA，線形調整率為0.01%。

對輸出電流在1小時內的穩(wěn)定性進行測試，表1給出了不同電流下的測試結果。

表11小時內電流穩(wěn)定性測量結果

4 結論

本文采用多種新技術研制成功高穩(wěn)定度大功率雙極電磁鐵掃描電源。測試結果表明：按照本文介紹的原理和關鍵技術制作的掃描電源達到了設計指標，可以作為測量大塊稀土永磁材料的大功率掃描電源，滿足測量強磁場的技術要求。

[1] Lakeshore Inc，Modal 648 Electromagnet Power，use’s manual

[2] 李之彬.TPS系列測試電源技術及其發(fā)展.電測與儀表，2002(6)

[3] 林安利，等.中國電氣工程大典(第一版).北京：中國電力出版社，2009

[4] GB/T 3217—92 永磁(硬磁)材料磁性能試驗方法

[5] 張志高，賀建，等.永磁磁滯回線儀現場計量方法的研究.計量技術，2011(10)