超大电流磁铁电源并联实现及电流检测技术研究

超大电流磁铁电源并联实现及电流检测技术研究全球癌症患者人数逐年攀升,我国肿瘤疾病也呈高发态势。利用质子束流的布拉格峰放疗是治疗癌症最有希望的一种技术。为提高人民群众的医疗条件,上海市发改委和科委部署了首台国产质子治疗示范装置研制项目。该项目中3块注入引出磁铁需要的励磁电流最大可达3200A,且8小时稳定度要优于2.5×10sup-4/sup,纹波电流要小于1×10sup-4/sup。目前,国内外加速器磁铁电源的大电流在实现时,通常以晶闸管或IGBT为开关器件。晶闸管受工频制约,输出电流的工频纹波抑制是个难题;IGBT导通电压高,大电流输出导通损耗有明显劣势。而MOSFET导通损耗低、开关速度快,但单MOSFET电流容量有限。根据项目需要和磁铁负载特性,本文以MOSFET为开关器件,首次在质子加速器磁铁电源上采用模块并联技术,实现大电流高稳定输出。模块化设计有利于灵活配置电源的冗余量,能有效提高电源的可靠性;模块化设计把电源整机化整为零,能有效缩减电源的维护时间;模块化理念降低了整机的设计和调试难度,为电源标准化奠定了坚实基础。在电源研制过程中,利用MathCAD、OrCAD、MATLAB等软件,进行了模块电源的设计计算。文中推导了移相并联结构下,电流纹波幅值与开关频率的关系。根据此关系设计了DC-DC模块电源,确定了电路参数和开关驱动模式。为保证模块间电流输出平衡,采用独立数字化控制,实现模块电源的深度负反馈,解决了并联电源的均流问题。模块电源把大电流检测化整为零,且采用国产的Sinap-DCCT400A电流传感器,使成本显著降低。为提高电流传感器的性能,研究了零磁通电流传感器的线性误差机理,提出了一种电流传感器线性误差评估和改善的方法。文章给出了电源的多项测试结果,均满足使用要求和设计指标,证明了高稳定大电流模块化实现的可行性和优越性。3台磁铁电源自2017年4月交付使用以来,无故障运行至今。