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上海质子治疗装置是我国研制的一种尖端医疗设备,治疗头是治疗装置的关键技术设备,扫描电源为治疗头的扫描磁铁提供励磁电流,电流的变化率和稳定性直接影响治疗头的扫描速度和扫描精度,从而影响治疗时间和治疗效果。本研究目标是研制一种用于治疗头的快扫描电源,该电源要求电流在一定步长内极快稳定且双向线性,以及较高的电流变化率、稳定性和纹波等技术指标。首先,本研究通过调研国内外扫描电源,确定了电源的拓扑结构。该电源采用模块化设计,主要包括AC-DC整流、工频滤波、DC-DC功率变换、高频滤波、输出补偿和闭环控制模块。其中,为了减小母线电压纹波和简化电源控制系统,AC-DC模块采用12脉波不控整流技术;DC-DC模块采用交错并联和被动均流的工作方式,提高了输出电流纹波的工作频率和降低电流纹波幅值;控制系统采用电流负反馈+PI控制。其次,根据电源的技术指标和电路的拓扑结构,给出了详细的电源理论设计以及关键器件的选型,设计并优化了相关技术指标。针对扫描电源输出电流过零畸变问题进行了详细的理论分析,为了解决此问题,本研究首次提出一种新的技术方案:H桥变换器的工作模态为电感电流连续且过零(CCM+RZC)。然后,通过Simulink软件验证了AC-DC模块变压器和工频滤波电路参数设计的合理性;利用Mathcad和SIMPLIS软件验证了DC-DC模块电感和电容以及补偿等参数设计的合理性。同时,对于电源的辅助电路和输出滤波电感给出了详细设计过程以及参数选择。最后,搭建扫描电源的样机和实验验证。研究结果表明,电源输出电流无论是在轻载时过零跳变,还是在满载时过零跳变,输出电流都是线性变化的,在零点处无畸变现象。该电源最大输出电流为双向360A;输出电流纹波可达为5ppm;电流分辨率为50ppm;电流最大动态响应速度为90kA/s,5%满量程跳变时间为1.43ms,短期稳定性为35ppm。该方案巧妙地解决了输出电流过零畸变现象。本研究结果为以后解决输出电流过零畸变和双向输出系统不稳定等问题提供了解决方法。