强流重离子加速器装置电源预研及进展

2019-10-30高大庆周忠祖吴凤军燕宏斌黄玉珍王晓俊

原子能科学技术 2019年10期

高大庆，周忠祖，吴凤军,2，高杰，燕宏斌,2，黄玉珍,2，崔渊，王晓俊

(1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000；2.中国科学院大学核科学与技术学院，北京 100049； 3.惠州离子科学研究中心，广东惠州 516003)

强流重离子加速器是探索物质间基本相互作用、物质结构和宇宙演化的最基本手段之一，近年来，美国、德国、俄罗斯等世界科技强国相继开建了各自的新一代强流重离子加速器装置，包括放射性同位素束流装置FRIB(美国)、国际反质子离子研究装置FAIR(德国)、重离子对撞机NICA(俄罗斯)，这些项目的开工建设极大地推动了国际核物理、原子物理实验研究的发展。在国家制定的“十二五”大科学工程规划中决定由中国科学院近代物理研究所主持建造新一代的强流重离子加速器装置(HIAF)，HIAF已于2018年12月开工建设，预计2025年建成。HIAF是全新一代强流重离子加速器，瞄准国际上重离子物理及重离子科学的最前沿，其主要性能超过或与当今国际同类装置持平。

HIAF由强流超导离子源SECR、强流超导离子直线加速器iLinac、增强器BRing、高精度环形谱仪SRing及多个实验终端和相关配套设施构成[1]。为了提高实验精度、增强国际竞争力，对HIAF的流强等主要技术指标提出了较高要求，其中增强器BRing是整个HIAF加速器系统的核心，是获取高流强、高能量、高品质重离子束流的关键装置。电源与磁铁系统共同组成的磁场系统是HIAF的重要组成部分，HIAF性能与磁场系统性能密切相关。BRing主要电源全部工作于脉冲模式，BRing工作模式相当特殊，其挑战主要集中于增强器BRing的特殊运行模式和极高的技术指标。近年来，中国科学院近代物理研究所分类梳理了HIAF所需的电源技术，针对要求特殊、无现成产品的电源及其技术展开了一系列的预研，以解决HIAF未来的需要。本文介绍HIAF磁铁励磁电源概况，针对HIAF电源特殊需求进行相关技术的预研，并介绍样机研制最新进展。

1 全储能快循环脉冲电源

1.1 简介

图1 BRing二极铁电源的输出电流、电压和功率波形Fig.1 Waveform of current, voltage and power for BRing dipole power supply

依据HIAF物理设计磁场曲线及对应的负载参数，BRing二极铁电源的输出电流、电压、功率波形如图1所示，HIAF-BRing二极铁电源参数列于表1。为减小强流运行条件下的束流损失，增强器BRing要求二极铁磁感应强度上升速率最大达12 T/s，电源电流上升下降时间在百ms左右。输出电流波形由平底、平顶和多个斜率不同的斜坡组成，其中折线段TR2斜率最大(BRing二极铁电源超过38 000 A/s)，因此需极高的强励电压，而其他部分的电流变化率又较小，故需要的强励电压较低。单台二极铁负载电阻为6 mΩ、电感为22 mH，为减小成本，二极铁电源拟采用1台电源为4台磁铁供电的模式，这样每台电源脉冲电压可达3 600 V左右，但平台电压仅为120 V左右。在如此大的电压工作输出范围条件下，采用常规加速器电源拓扑结构单一强励电压源的方案，几乎不可能同时满足快上升段跟踪指标和注入平台电流误差指标的要求。

表1 HIAF-BRing二极铁电源参数Table 1 Parameter of HIAF-BRing dipole magnet power supply

目前为止，国内尚无同类电源，国外同类装置中德国GSI承建的FAIR装置电源采用与SIS18相类似的大功率晶闸管整流加并联补偿工作原理[2]。日本J-PARC储存环二极铁电源采用基于三电平矢量整流的全开关方式[3]，该方案过于复杂，成本及技术难度较大。CERN二极铁电源采用一种储能方式的全开关工作原理[4]；CSR主环二极铁电源采用12脉波晶闸管整流加五级斩波器串联后并在晶闸管整流器的方案[5]。在充分调研国内外各种方案的基础上，HIAF-BRing二极铁电源采用一种全储能、变前励、全开关功率单元串并联的实现方案，工作原理如图2所示。电源共由18个模块组成，每个模块规格为2 000 A/1 100 V，采用6功率单元串联后，再3支路并联，以达到5 000 A/3 600 V的输出。每个高压功率单元采用AC380V进线、前级PWM整流、后级H桥斩波器拓扑结构，采用薄膜储能电容储能。高压电源在TR2与TF1段接入，上升段能量全部由电容提供，在电流下降段磁铁电感中的能量再返回储能电容中，电源只从电网补充消耗的能量，而大部分能量在储能电容和负载电感之间交互流动。低压功率单元为简单AC/DC变换器，在除TR2与TF1段接入，提供其余电流段的能量，并吸收下降段磁铁负载回馈的能量。采用全储能方式后可降低电源运行成本和造价，同时可减少对电网冲击。大惯性环节、极快的脉冲、极大的励磁电流、快响应、高精度、高速远程通信等是HIAF-BRing二极铁电源的主要技术难度所在。

图2 HIAF-BRing二极铁电源结构Fig.2 Structure of HIAF-BRing dipole power supply

由于电源功率模块数量较多，电源采用主从控制设计方式：主控制器控制H桥及电压源切换部分，管理整机的状态并与从控制器进行通信；从控制器控制单功率单元的空间矢量PWM整流控制算法，管理单功率单元的运行状态，并和主控制器进行通信。二极铁电源总体控制结构如图3所示。

1.2 数字控制技术

根据HIAF对电源的要求，研发了一套专用数字控制器SZF-2[6]，该控制器控制设计方案采用主从设计方式。主控制器板间及主从控制器间连接方式如图4所示。主控制器主要实现与上级网络通信、电源调节运算、电源管理等功能，主控制器采用双核ARM Cortex-A9处理器作为人机交互和智能化控制处理核心，网络采用双口1000M以太网络，提供光纤接口用于数据同步。预设标准并行数据接口用于系统扩展。调节运算部分采用容量高达110K Les 的FPGA芯片。基于DSP的从控制器安装于各功率单元中，主要实现各级高压功率单元的PWM整流器的控制、功率单元的状态管理及主控制器的通信等，同时结合CPLD对功率单元运行状态进行监控，并通过光信号及RS485/CAN总线与主控制进行通信。

图3 二极铁电源总体控制结构Fig.3 Control structure of dipole power supply

从控制器软件系统包括5个模块，分别为PWM整流桥控制算法模块、PWM整流桥状态采集模块、PWM信号生成模块、通信模块和调试界面，其中通信模块主要完成DSP与外部接口(网络、CAN总线、SPI总线和EIMF总线等)之间的数据交换。

主控制器软件系统由电源管理模组、调试界面和HMI 3个内部模块组成，数字控制器与实时控制、电源状态输入、专用输出接口、时间系统、网络通信协议5个外部模块存在接口关系。图5为电源数字控制器软件结构[7]。

图4 SZF-2数字控制器硬件组成Fig.4 Hardware of SZF-2 digital controller

图5 电源数字控制器软件结构Fig.5 Software structure of digital controller

1.3 样机及验证

为了验证全储能快循环脉冲电源的设计及性能，2018年开始了原型样机研制工作，经过1年多的设计、调试，2018年底功率模块已基本加工完成，并对单功率模块进行了初步测试。因为生产厂家测试条件及负载所限，单模块功率单元采用单个参数测试。单功率模块测试基本达到了功率模块设计目标，验证了功率模块原理和工艺设计，验证了从控制器硬件及软件设计。图6、7分别为单功率模块达到2 000 A额定电流和电流上升率达到40 000 A/s时的实测波形。目前样机还未完成，正在进行多模块串联调试，预计2019年下半年会有完整调试结果。

图6 单功率模块输出电流Fig.6 Output current of single power module

2 HIAF-Kicker电源

Kicker电源是HIAF实现快速注入和引出的关键设备，其主要功能是为同步加速器踢轨磁铁提供快脉冲励磁电流以产生快脉冲磁场，实现束流在不同轨道运行的切换，从而实现束流的快引出和注入。与国际上同类装置相比，HIAF能提供最强的中低能重离子束流、产生最高功率的短脉冲高能重离子束团。HIAF对Kicker除提出波形要求外，还要求：1) 输出电流为正负双极性；2) 输出电流平顶宽度0～1.2 μs连续可调。

图7 单功率模块输出电流上升率Fig.7 Rise rate of output current for single power module

加速器Kicker通常采用脉冲形成网络(PFN)或脉冲形成线(PFL)加气体放电开关的方式在负载上得到电流脉冲方波[8]，但由于PFN或PFL一旦确定便无法改变脉宽，重氢闸流管只可触发不可关断，因此目前常规方案不能实现连续调节脉宽，也不能在线改变输出电流极性。为此详细研究了基于固态开关的Marx发生器工作原理[8]。该种发生器以大功率绝缘栅场效应晶体管(IGBT)作为开关，采用Marx脉冲发生器电路实现输出脉冲电压倍增，为了得到准方波电流脉冲，在Marx电路中引入PFN，形成PFN-Marx脉冲发生器方案。该方案结合了固体开关和Marx电路的特点，具有可控性好、脉宽和频率大范围连续可调、结构紧凑、可维护性好等优点。为此研究了基于固体开关IGBT的双极性PFN-Marx发生器技术，设计并研制1台电源小功率样机，并对输出性能进行测试，对HIAF-Kicker所需功能及关键技术进行了原理性验证[9]。

2.1 固态PFN-Marx发生器工作原理

传统的固态Marx发生器通过电容的并联充电、串联放电来实现脉冲电压倍增，输出脉冲波形的前后沿均为指数函数，无平顶或平顶很窄。若用脉冲形成网络代替电容应用于固态Marx发生器，可在负载上得到近似方波的脉冲波形，图8为固态PFN-Marx发生器的拓扑结构。固态PFN-Marx发生器工作时，充电电源首先通过充电电阻给各级PFN并联充电，充电完成后固体开关导通，充电电阻起隔离作用，各级PFN串联放电，每级PFN均会对波形进行调制，最终在负载上得到近似方波的脉冲波形。固态PFN-Marx发生器可通过改变Marx的级数，单级PFN的节电容、节电感及节数，实现对输出阻抗、脉冲上升时间、脉冲下降时间、平顶宽度等参数的调节。

图8 双极性4级固态PFN-Marx发生器的原理图Fig.8 Schematic diagram of bipolar 4-stage solid state PFN-Marx generator

以4级为例，双极性固态PFN-Marx发生器工作原理如图8所示，工作过程可分为3部分：1) 充电过程，所有放电开关全部处于关断状态，正高压电源V1给图8左侧的PFN并联供电，正高压电源V2给图8右侧的PFN并联供电；2) 正极性放电过程，当放电开关S11～S14同时导通、S21～S24保持关断状态时，图8左侧的PFN处于串联放电状态，在负载上输出一准矩形波的正极性励磁电流；3) 负极性放电过程，当放电开关S21～S24同时导通、S11～S14保持关断状态时，图8右侧的PFN处于串联放电状态，在负载上输出一准矩形波的负极性励磁电流。同时通过驱动器Drivers改变固态开关IGBT的开通和关断时刻，可实现对双极性固态PFN-Marx发生器输出电流波形的平顶宽度连续调节功能。

2.2 双极性原理样机电路性能测试

基于双极性固态PFN-Marx发生器技术，搭建了HIAF-Kicker原理样机实验平台，HIAF-Kicker电源原理样机的设计技术指标列于表2。其中Marx级数为4，PFN的节电容为60 nF，单个PFN总电感为1.3 μH，节数为8。

表2 HIAF-Kicker电源原理样机的设计指标Table 2 Design specification of HIAF-Kicker power prototype

1) 正负极性电流波形幅值不对称输出

当负载匹配电阻为6.5 Ω，负载电感为1.6 μH，Marx级数为4，PFN节数为8，节电容为60 nF，单个PFN的总电感为1.3 μH，S11～S14在0 μs时刻开通，S21～S24均在10 μs时刻开通，所有的放电开关的持续导通时间均为1.6 μs，正极性拓扑结构的充电电压V1为200 V，负极性拓扑结构的充电电压V2分别为200、800 V时，HIAF-Kicker电源原理样机实测输出电流波形如图9所示，负极性输出电流的脉冲幅度与负极性拓扑结构的充电电压V2呈正比，实现了正负极性电流波形幅值不对称输出。

2) 正负极性电流波形平顶宽度连续调节

当负载匹配电阻为6.5 Ω，负载电感为1.6 μH，Marx级数为4，PFN的节数为8，节电容为60 nF，单个PFN的总电感为1.3 μH，正极性拓扑结构的充电电压V1为800 V，负极性拓扑结构的充电电压V2为800 V，S11～S14

a——V1=200 V，V2=200 V；b——V1=200 V，V2=800 V图9 不同充电电压V2的实测输出电流波形Fig.9 Measured output current waveform with different charging voltage V2

图10 不同持续导通时间的实测输出电流波形Fig.10 Measured output current waveform with different continuous turn-on time

在0 μs时刻开通，S21～S24在10 μs时刻开通，所有的放电开关的持续导通时间均分别为0.8、3.0 μs时，HIAF-Kicker电源原理样机实测输出电流波形如图10所示，实现了正负极性电流波形平顶宽度连续调节。

实验测试结果表明，HIAF-Kicker原理样机能同时输出正极性和负极性的电流脉冲，且互不干扰，正极性输出电流和负极性输出电流的脉冲幅度独立可调。当放电开关的持续导通时间为0～1.6 μs可调时，输出电流波形的平顶宽度相应在0～1.23 μs连续可调，上升时间约560 ns、下降时间约400 ns，平顶度小于±1%，达到了样机设计技术指标，目前已开始进行HIAF-Kicker原型样机的设计[10]。