质子治疗头是质子医疗设备的关键部件,扫描磁铁电源为治疗头扫描磁铁提供高精度、低纹波、快速变化的励磁电流,是质子医疗中扫描磁铁能够精确控制质子束流偏转、扩展的保障,进而影响最终治疗效果。本文研制了一种基于高、低压H桥混合级联的扫描磁铁电源,包括硬件结构与控制策略,其中高压H桥保证电流的动态要求,低压H桥实现电流的精度要求。首先,通过研究国内外扫描磁铁电源方案,在分析各个电源方案优缺点后,确定了该电源的主拓扑,该扫描磁铁电源主要由输入整流、H桥电路与输出滤波电路和闭环控制模块组成。区别于传统的变压器隔离、二极管不控整流电路,该电源采用三个相互隔离的整流模块使电源更紧凑、效率更高;低压H桥采用交错并联技术降低了输出电流纹波的同时提高输出电流开关频率;分析了基于高、低压H桥拓扑扫描磁铁电源工作原理,基于统一电路模型对拓扑电路进行了小信号建模。其次,对高、低H桥电路的输入、输出滤波电路进行了设计,针对电源实际运行引起的直流电容电压泵升问题,给出了相应的解决方案。针对输出滤波器的设计,分析了电源输出振荡原因,采用电容电流有源阻尼补偿抑制输出振荡。采用电容电压、输出电流双闭环控制策略,实现输出电流快速响应和无静差跟踪,针对电压、电流环PI调节器参数的设计,分析了控制参数对控制环路的影响。最后,搭建了扫描磁铁电源样机,完成了软硬件设计和调试,进行了各项实验,验证了电源方案的可行性。仿真与实验结果均表明,研制的扫描磁铁电源在额定输出电流下精度为23ppm、纹波为24ppm,电流变化率达到156k A/s,满足设计指标要求。