解析直流有源电力滤波器在电源中工作原理

　　1　引言

　　大功率的低纹波、高精度稳定/脉冲直流电源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和医疗、工业生产中获得越来越广泛的应用。

　　高能物理研究中的质子同步加速器，核磁共振装置中的磁体以及超导电工技术研究中的超导磁体都对磁场的长期稳定度提出了严格的要求。要保证磁场的长期稳定，就要保证其励磁电流的长期稳定。在要求稳定电源输出电流稳定的场合，一般同时要求它的输出电流纹波也极低。如某大型粒子加速器的主环电源峰值功率约2500kW,要求的电流长期稳定度为±1×10-4，电流纹波系数为5×10-5。核物理研究中的重粒子加速器系统应用的快速脉冲电源，其电流必须精确地跟随由计算机给出的电流脉冲模式，往往要求电流的上升速度达到每秒数百到上千A。这些应用均有两个特别严格的要求：极低的电流纹波和快速的动态响应。

　　由于线性电源的低效率和全控型器件容量、价格的限制，晶闸管相控整流电源仍然是大功率稳定电源/脉冲电源应用的优先选择。所以，目前一般大功率加速器，超导磁体等特种磁铁电源多采用晶闸管相控整流电源，它由相控整流器和无源滤波器组成。这种常规的电源具有系统结构简单、电源容量大、开关器件价格低和易实现磁场能量回馈等特点。然而由于滤波电感不是无穷大，输入电源电压不对称，整流器件触发角不一致，器件特性不理想等，均可产生大量的特征谐波和非特征谐波。

　　为了满足严格的稳态性能要求，往往一方面需要接入大量的无源滤波器，另一方面，过去还采用多级串联线性调整电路来提高电流的稳定度和降低电流纹波。

　　无源滤波器体积庞大，价格昂贵，运行费用比较高。较大的无源滤波器将使系统的动态性能和过渡过程中的跟踪精度恶化，还可能引起系统振荡。采用无源滤波器时，高速控制要求和需要大幅度衰减纹波也是相互矛盾的。而且消除含量极低的非特征纹波(谐波)时非常困难，有时甚至不可能。实际运行经验表明，过多地增加无源滤波器的数量有时反而还放大了低次非特征谐波，这对降低输出电流纹波非常不利。

　　采用多级串联线性调整电路，串联在主电路中的调节器晶体管工作在线性区，整流器输出谐波电压靠晶体管集—射极的电压降吸收。而调整晶体管往往由数百个大功率晶体管组成，也存在能量损耗大、效率低、成本高、控制复杂等缺点。

　　为了满足上述特殊应用场合严格的输出电流纹波和系统动态响应要求，仍然仅采用无源滤波器和串联线性调整电路来降低电流纹波和提高电源的动态响应的方案存在许多问题[2～3]。因此，借助于直流有源电力滤波器获得更进一步的电流稳定、降低输出电流的纹波和提高系统的动态响应是必须的。