[发明专利]一种基于H桥的线性磁铁电源

说明书

本发明公开一种基于H桥电路实现的线性磁铁电源，由功率变换电路和控制电路两部分组成，功率变换电路中的核心H桥有四个桥臂；上桥臂用于输出电流极性的切换，下桥臂始终工作在线性放大区，为磁铁负载提供电流输出。电流设定值由高精度数模转换器模块给出，保证电源输出的高精度和高分辨率。通过外围控制电路调节H桥下桥臂工作电压，使其工作在线性区，等效为一个可变电阻，通过外围控制电路实时闭环反馈实现对输出电流的调节。该发明利用了H桥结构实现双极性电流输出的特点，结合功率器件在线性工作区的低纹波噪声特点，电源系统无高频开关噪声，在实现磁铁负载对输出电流双向切换需求的同时，有效兼顾了高稳定性低纹波的磁铁负载电流要求。

技术领域

本发明涉及一种基于H桥的线性磁铁电源，具体来说是利用H桥中的上半桥臂实现电流极性切换，下半桥臂的开关器件工作在线性放大区实现磁铁负载电流大小调整的一种方法。

背景技术

在电子储存环中，校正磁铁电源是用于实时校正束流位置的重要部件。因其同时要求具有快速响应速度与较高的稳定度，给科研人员带来了挑战。开关电源具有高效率的优点，但由于功率器件需要工作在高频开关状态，因此会给系统带来纹波噪声干扰。校正磁铁电源的关键参数是响应速度和低输出电流纹波，而功率水平低，因此可以采用线性电源的方案实现。通常线性电源想要实现双极性输出需要搭配两个前级直流源，增加了系统成本和控制的复杂性。H桥因其功率可双向流动，可迅速回收负载功率被广泛应用于校正磁铁电源。目前H桥拓扑结构通常出现在开关电源应用场景中。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，从校正磁铁电源的需求出发，结合H桥拓扑结构和线性电源的优点，提出一种基于H桥的线性磁铁电源设计方案，有效的兼顾了校正磁铁电源快速性与稳定性的要求，该发明利用了H桥结构可以实现双极性电流输出的特点，结合了功率器件在线性工作区的低纹波噪声特点，电源系统无高频开关噪声，在实现磁铁负载对输出电流双向切换需求的同时，有效兼顾了高稳定性低纹波的磁铁负载电流要求。

本发明技术解决方案：一种基于H桥的线性磁铁电源，包括功率变换单元和控制单元。功率变换单元以H桥为核心，同时包含前级AC-DC转换模块、输入滤波电路以及输出滤波电路。控制单元包含电流设定、输出电流的采样、PI闭环控制器以及功率器件的驱动电路等模块。

本发明采用的技术方案为：一种基于H桥的线性磁铁电源，包括：功率变换单元和控制单元；

功率变换单元包括顺次连接的前级电路、四个开关器件QA、QB、QC和QD组成的H桥以及输出滤波电路，用于将外接电网的交流信号转换为磁铁负载所需的直流信号；

控制单元，一端与所述功率变换单元中的输出滤波电路相连，用于对所述直流信号进行采样，另一端与所述功率变换单元中的H桥相连，用于对H桥的驱动和控制，进而对所述直流信号进行调整；

AC输入的电网交流电信号经过前级电路整流稳压得到H桥的前级母线直流电信号，H桥根据电流设定值以及输出电流采样值进行输出电流调整，其中电流设定值通过控制数字模拟转换器AD5791实现。H桥包含上部两个开关器件QA和QC，下部两个开关器件QB和QD。H桥中QA导通、QC关断并且QD工作在线性调整区时，实现磁铁负载电流的正向流动；H桥中QA关断、QC导通并且QB工作在线性调整区时，实现磁铁负载电流的反向流动。QA和QC的导通关断逻辑和由控制电路完成，QB和QD的线性驱动调整由控制电路中采样和电流设定值进行PI闭环调节后完成，H桥调整输出的电流经过输出滤波电路的滤波提供给磁铁负载。