CSNS離子源引出電源關(guān)鍵技術(shù)研究

李海波 沈 莉 周國(guó)仲 翟 軍

CSNS離子源引出電源關(guān)鍵技術(shù)研究

李海波1,2沈 莉1,2周國(guó)仲1,2翟 軍1,2

1（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 東莞分部 東莞 523803）
2（東莞中子科學(xué)中心 東莞 523803）

詳細(xì)分析了中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)直線加速器前端離子源引出電源工作原理，針對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，提出了一種由40個(gè)功率MOSFET管串聯(lián)組成的高壓調(diào)制電路方案。在引出脈沖電源系統(tǒng)中對(duì)多個(gè)MOS管串聯(lián)存在的問題，包括MOS管串聯(lián)均壓、保護(hù)電路、MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致性等關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析研究，并給出了有效的解決辦法。最后在一臺(tái)輸入為AC220V、脈沖幅值25 kV、脈沖電流600 mA、平均功率為375 W輸出的試驗(yàn)樣機(jī)上驗(yàn)證了理論分析的正確性。經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明離子源引出脈沖電源滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

高壓調(diào)制電路，功率MOSFET管串聯(lián)，高頻變壓器

中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)是由一臺(tái)80 MeV負(fù)氫直線加速器、一臺(tái)1.6 GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器(Rapid cycling proton synchrotron, RCS)、兩條束流輸運(yùn)線、一個(gè)靶站、三臺(tái)譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施組成。負(fù)氫離子源作為CSNS加速器部分的起點(diǎn)，是CSNS加速器最重要的組成部分之一，其性能的好壞直接決定CSNS工程的成敗[1]。CSNS離子源引出電源用于引出負(fù)氫離子，屬于高壓功率脈沖電源，設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出脈沖高壓25 kV、脈沖電流600 mA、脈沖上升時(shí)間≤5 μs、脈寬100?900 μs可調(diào)，下降時(shí)間≤5 μs、平頂平坦度≤±0.2%、穩(wěn)定度≤±1%、脈沖抖動(dòng)≤±30ns、重復(fù)頻率1?25 Hz可調(diào)。由于開關(guān)器件的耐壓?jiǎn)栴}，獲得高輸出幅值的脈沖電源的開關(guān)部分一般都采用單開關(guān)器件加脈沖變壓器升壓[2]，或者利用Marx電路[3]，或者采用多開關(guān)器件串聯(lián)的形式。單開關(guān)器件加脈沖變壓器的升壓法由于變壓器的存在，有很大一部分能量損失了，并且變壓器線圈去磁的時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致輸出脈沖的占空比變化等不利因素[4]，Marx電路輸出脈沖頻率與脈寬均由元件參數(shù)決定，在控制輸出頻率等參數(shù)方面顯不足[5]。為實(shí)現(xiàn)引出電源技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)考慮成本等因素，該電源采用直流高壓加開關(guān)器件串聯(lián)的形式來獲取高壓脈沖。

1 離子源引出電源設(shè)計(jì)

中國(guó)散裂中子源離子源負(fù)氫離子引出電源主要組成為：25 kV高壓直流電源和高壓脈沖調(diào)制開關(guān)電路。工作過程及原理是：交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波，然后經(jīng)過整流濾波，通過高頻功率變換器逆變，最后由高壓高頻隔離變壓器變壓后得到直流高壓。

圖1 引出電源系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 Block diagram of extracted power system.

圖2 離子源引出脈沖電源主電路拓?fù)鋱DFig.2 Main circuit topology of extraction pulse power of ion source.

為得到高穩(wěn)定度、高精度的直流電壓，在電壓輸出端使用高精度分壓器采集電壓，取得的精確信號(hào)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較所得的誤差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放放大，送到諧振控制器 (Pulse Width Modulation, PWM)，經(jīng)逆變驅(qū)動(dòng)電路去控制高頻功率變換器。高壓脈沖調(diào)制開關(guān)電路相當(dāng)于一個(gè)直流斬波器，工作原理是利用電力電子器件的高速開關(guān)性能，把得到的直流高壓斬波成符合指標(biāo)要求的高壓脈沖列輸出。此外，為了電源及負(fù)載的安全，電源設(shè)置了過壓、過流、打火、軟啟動(dòng)等保護(hù)電路。引出電源系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。其主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.1 高壓脈沖調(diào)制開關(guān)電路

高壓脈沖調(diào)制開關(guān)電路就是將直流高壓通過半導(dǎo)體器件構(gòu)成的固態(tài)調(diào)制器調(diào)制為高壓脈沖輸出的電路，分為預(yù)調(diào)器電路、調(diào)制開關(guān)和截尾電路三部分，其中預(yù)調(diào)器電路、調(diào)制開關(guān)決定輸出脈沖的寬度和上升時(shí)間，截尾電路決定輸出脈沖的下降時(shí)間。組成原理框圖如圖3所示。

圖3 高壓脈沖調(diào)制開關(guān)電路原理框圖Fig.3 High voltage pulse modulator.

工作過程為給定脈沖定時(shí)信號(hào)通過預(yù)調(diào)器電路同時(shí)產(chǎn)生調(diào)制脈沖信號(hào)和截尾脈沖信號(hào)，調(diào)制脈沖信號(hào)控制調(diào)制電路上的半導(dǎo)體固態(tài)開關(guān)快速開通關(guān)斷，從而在輸出端得到高壓脈沖信號(hào)。由于半導(dǎo)體器件的分布電容的存在使得輸出的高壓脈沖會(huì)有較長(zhǎng)的后沿，為得到更好的脈沖后沿，當(dāng)高壓脈沖結(jié)束時(shí)，用預(yù)調(diào)器電路產(chǎn)生的截尾脈沖信號(hào)去觸發(fā)截尾電路，截尾電路導(dǎo)通后將半導(dǎo)體器件上分布電容儲(chǔ)存的能量快速釋放掉，從而得到很好的脈沖后沿。

1.2 開關(guān)器件的選擇

功率MOSFET管具有高頻性能好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在脈沖電源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但由于單只MOSFET管所能承受的峰值電壓一般在千伏左右，僅由單功率開關(guān)構(gòu)成的脈沖電路往往不能輸出幅值超過幾十千伏的高壓脈沖。為解決這個(gè)問題，該課題采用了多個(gè)開關(guān)管串聯(lián)的形式來分壓，以使每個(gè)開關(guān)承受的分壓均在耐壓范圍內(nèi)。本課題選擇日立公司生產(chǎn)的型號(hào)為2SK1835、N溝道耗盡型MOS管，其耐壓高達(dá)1500 V，由40個(gè)MOSFET管串聯(lián)成一塊調(diào)制開關(guān)電路，另外由40個(gè)MOSFET管串聯(lián)成一塊截尾電路。

2 MOSFET串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的研究

在MOS管串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電路分布參數(shù)的不一致會(huì)導(dǎo)致MOS管不能同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，這樣不光輸出脈沖前后沿會(huì)抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生過電壓造成開關(guān)管的損壞。為保證開關(guān)調(diào)制電路和截尾電路中各自串聯(lián)的40個(gè)MOSFET管導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間同步，本文提出了一種采用高頻變壓器隔離驅(qū)動(dòng)的方式。脈沖調(diào)制開關(guān)電路原理圖如圖3所示。

圖4 高壓脈沖調(diào)制電路原理圖Fig.4 High voltage pulse modulation circuit.

其工作原理為給定的定時(shí)信號(hào)（一路高頻脈寬為1 μs，頻率為500 kHz；一路中頻脈寬為500 μs，頻率為25 Hz）通過光耦隔離，再經(jīng)過一個(gè)半橋功率放大電路，提供給驅(qū)動(dòng)高頻變壓器初級(jí)一個(gè)宏脈沖脈寬500 μs、頻率25 Hz、微脈沖脈寬1 μs、周期2 μs的脈沖信號(hào)。經(jīng)過高頻變壓器的脈沖信號(hào)整流成頻率為25 Hz的低頻脈沖信號(hào)。高頻變壓器初級(jí)繞組為1組，次級(jí)繞組為40組，分別驅(qū)動(dòng)開關(guān)板上的40個(gè)MOSFET開關(guān)管的同時(shí)開通和關(guān)斷，繼而產(chǎn)生頻率為25 Hz的高壓脈沖信號(hào)。由于整個(gè)電源電路懸浮在?50 kV高壓上工作，為保證絕緣，高頻變壓器的初次級(jí)繞組全部采用耐壓為50 kV的高壓線繞制而成。此電路突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，最主要的是能夠保證多個(gè)MOSFET管在串聯(lián)的情況下導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的同步。

2.1 高頻變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器為該脈沖電源的關(guān)鍵元件，該變壓器工作頻率為500 kHz，其傳遞的電壓波形是交變對(duì)稱方波，因此在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)首先要考慮的是鐵芯材料工作在高頻狀態(tài)下?lián)p耗要小，其次為了防止變壓器磁飽和，還要求有較大的飽和磁通密度和較好的溫度特性。鐵基納米晶合金飽和磁通密度達(dá)到1.2 T，居里溫度高達(dá)570 °C以上，在有較大溫度波動(dòng)的情況下，納米晶合金的性能變化率明顯低于鐵氧體，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，且性能的變化接近于線性，高磁感下的高頻具有損耗低、磁導(dǎo)率高等優(yōu)異的軟磁特性[6]。因此經(jīng)過分析，鐵芯采用鐵基納米晶合金材料繞制。高頻變壓器的設(shè)計(jì)采用面積乘積法，即AP法[7]，設(shè)變壓器的初級(jí)繞組為Np，則：

式中，fs是變壓器工作頻率；Kf是波形系數(shù)，方波取為4；Bm為變壓器工作的磁通密度；Ae為磁芯的有效截面積；V1為變壓器初級(jí)電壓。

為防止高頻變壓器磁心飽和，Bm的范圍取為(1/3?1/2)Bs，Bs是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，選取Bm約為0.3T，驅(qū)動(dòng)變壓器鐵芯截面積Ae為15 mm（內(nèi)外徑差）×28 mm（鐵芯厚度），根據(jù)AP法設(shè)計(jì)高頻變壓器的初級(jí)繞組為20匝。設(shè)變壓器次級(jí)電壓為V2，次級(jí)繞組為Ns，根據(jù)V1Ns=V2Np，可得高頻變壓器的變比為20:1。

高頻變壓器初級(jí)次級(jí)脈沖（微脈沖）信號(hào)如圖5所示。圖5(a)為高頻變壓器初級(jí)繞組上微脈沖脈寬為1 μs、幅值為±300 V的脈沖信號(hào)，圖5(b)為高頻變壓器次級(jí)繞組上兩組微脈沖脈寬為1 μs、幅值為±15 V的脈沖信號(hào)。

經(jīng)過高頻變壓器的脈沖信號(hào)的微脈沖脈寬為1μs，而電源實(shí)際的輸出脈寬是100?900 μs可調(diào)，所以該脈沖信號(hào)要經(jīng)過整流，把信號(hào)的脈寬整流成電源實(shí)際的輸出脈寬。高壓脈沖開關(guān)調(diào)制電路要采用延遲和響應(yīng)時(shí)間盡量一致的器件，特別是MOS管導(dǎo)通關(guān)斷延遲時(shí)間要一致。在電路結(jié)構(gòu)和布局布線上也應(yīng)該保持一致，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳輸延遲盡量一致以提高驅(qū)動(dòng)的同步性。為驗(yàn)證開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的一致性，在開關(guān)板上任選取兩個(gè)MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿和下降沿進(jìn)行測(cè)量比較，設(shè)定高壓輸出脈沖脈寬為500 μs，頻率為25 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6(a)表示開關(guān)板上40個(gè)MOS管串聯(lián)中任意兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿，圖6(b)表示任意兩個(gè)MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿。由圖6可見，開關(guān)板上的40個(gè)MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持著很好的一致性。

圖5 高頻變壓器初級(jí)(a)和次級(jí)(b)脈沖信號(hào)Fig.5 High frequency transformer primary (a) and secondary (b) pulse signal.

圖6 任意兩個(gè)MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿(a)和下降沿(b)Fig.6 Waveform of rising edge (a) and falling edge (b) of arbitrarily selected two MOS tube driving signals.

2.2 MOSFET串聯(lián)均壓電路和保護(hù)電路

脈沖電源輸出脈沖高壓為25 kV，在MOS管串聯(lián)電路中，均壓電路是非常重要的[8]，如果MOS管上的電壓分配不均，可能會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或某些MOS管偏離其工作，造成開關(guān)管過電壓損壞。為此，可以在每個(gè)MOSFET管漏源之間并聯(lián)一個(gè)阻值相同的電阻，以保證各個(gè)MOSFET分壓一致，從而當(dāng)一個(gè)MOSFET管由于承受過壓而發(fā)生物理?yè)p壞時(shí)，不至于使其他MOSFET相繼損壞。40個(gè)MOSFET管加的直流高壓為25 kV，平均每個(gè)管子至少承受625V，為保證有良好的均壓效果，均壓電阻R取值要使流過本身的直流電流大于開關(guān)管的最大漏電流，但不要超過允許的泄放電流值[9]。

式中，IDSS為管子在625V時(shí)的漏電流，考慮安全裕度，取均壓電阻值為510 k?。

對(duì)MOS管過壓保護(hù)是通過在MOSFET的漏源極兩端串聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制雙向二極管(Transient Voltage Suppressor, TVS)實(shí)現(xiàn)的，TVS管型號(hào)為1.5KE440CA，其單個(gè)鉗位電壓440 V，為了增大電壓，采取三個(gè)這樣的TVS管串聯(lián)在MOSFET 的漏源極兩端，當(dāng)MOS管DS兩端電壓達(dá)到鉗位電壓時(shí)，二極管擊穿，從而對(duì)MOS管進(jìn)行過壓保護(hù)。

3 實(shí)驗(yàn)

基于上述思路，設(shè)計(jì)了一臺(tái)輸入為AC220V、脈沖幅值25 kV、脈沖電流600 mA、平均功率為375W輸出的樣機(jī)，樣機(jī)系統(tǒng)的電氣總體框圖如圖7所示。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果見圖8、圖9、圖10。

圖7 離子源引出電源系統(tǒng)電氣總體框圖Fig.7 Overall block electrical diagram of extraction pulse power of ion source.

圖8 高壓輸出脈沖（脈寬900 μs）Fig.8 High voltage.

圖9 高壓脈沖和脈沖電流信號(hào)(25 kV/600 mA)Fig.9 High voltage pulse and pulse current signal.

圖7 顯示的是輸出脈寬900 μs、25 kV高壓脈沖信號(hào)，它是通過泰克P6015A高壓脈沖分壓探頭在52 k?電阻負(fù)載直接測(cè)量的高壓脈沖波形，此高壓探頭的測(cè)量信號(hào)幅度為1000X衰減。在負(fù)載低端所串50 ?無感電阻分壓測(cè)量的高壓脈沖波形如圖8通道信(CH1)所示，其分壓比例約為825；圖9的通道2信號(hào)(CH2)為在負(fù)載回路低端使用美國(guó)F.W.BELL公司的CLSM-25M型霍爾電流互感器測(cè)量的回路電流波形，其顯示幅度與測(cè)量電流關(guān)系為1 V=600 mA。

圖10 高壓輸出脈沖上升沿Fig.10 High voltage pulse.

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)中國(guó)散裂中子源直線前端離子源的需求，研制了一種引出電源，該電源采用直流高壓加開關(guān)器件的串聯(lián)形式來獲取高壓脈沖的方案，本文提出了一種采用高頻變壓器隔離驅(qū)動(dòng)的方式來解決40個(gè)MOSFET管串聯(lián)時(shí)導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間不同步的問題，針對(duì)MOS管串聯(lián)管子易過壓損壞的問題做了均壓保護(hù)電路。電源輸出脈沖高壓25 kV、脈沖寬度900 μs、輸出脈沖電流600 mA、脈沖抖動(dòng)15 ns、重復(fù)頻率25 Hz、脈沖上升時(shí)間200 ns，滿足離子源引出電源指標(biāo)要求，為直線前端離子源的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

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CLC TL51

Key technology of extraction power based on CSNS ion source

LI Haibo1,2SHEN Li1,2ZHOU Guozhong1,2ZHAI Jun1,2
1(China Spallation Neutron Source, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Dongguan 523803, China)
2(Dongguan Institute of Neutron Science, Dongguan 523803, China)

Background: The performance of the ion source of China Spallation Neutron Source (CSNS) starting point directly determines the success or the failure of the CSNS project, and the extracted power plays a key role in the ion source. Purpose: This study aims to resolve the critical issues including the MOS tube over-voltage, MOS tube protection circuit and the consistency of driving signal in the multiple MOS tubes working in serial structures. Methods: A high voltage modulation circuit schemed by 40 MOSFET power tubes is designed to inter-connect in series to the obtain high-voltage pulse. A high-frequency transformer of 40 secondary groups is applied to solve MOS tube consistency of driving signal issue with the same resistance in MOSFET drain source to protect MOS tube is not damaged. Results: The correctness of a prototype ion-extraction power supply of AC220V input and output average power of 375 W is verified by theoretical analysis. The experimental results show that the power supply outputs peak pulse voltage of 25 kV, with pulse width of 900 μs pulse current of 600 mA, pulse jitter of 15 ns. The repetition rate is 25 Hz, and the pulse rise time is 200 ns. Conclusion: The power supply meets the requirements for ion source extraction of the negative hydrogen and lays the foundation for the stable operation of CSNS ion source for a long time.

High voltage modulation circuit, MOSFET series connection, High frequency transformer

TL51

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060402

李海波，男，1986年出生，2013年于廣東工業(yè)大學(xué)獲碩士學(xué)位，工程師，從事脈沖電源研究工作

2015-01-09，

2015-02-14