強(qiáng)流重離子加速器裝置電源預(yù)研及進(jìn)展

高大慶，周忠祖，吳鳳軍,2，高 杰，燕宏斌,2，黃玉珍,2，崔 淵，王曉俊

(1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049； 3.惠州離子科學(xué)研究中心，廣東 惠州 516003)

強(qiáng)流重離子加速器是探索物質(zhì)間基本相互作用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和宇宙演化的最基本手段之一，近年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等世界科技強(qiáng)國(guó)相繼開(kāi)建了各自的新一代強(qiáng)流重離子加速器裝置，包括放射性同位素束流裝置FRIB(美國(guó))、國(guó)際反質(zhì)子離子研究裝置FAIR(德國(guó))、重離子對(duì)撞機(jī)NICA(俄羅斯)，這些項(xiàng)目的開(kāi)工建設(shè)極大地推動(dòng)了國(guó)際核物理、原子物理實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展。在國(guó)家制定的“十二五”大科學(xué)工程規(guī)劃中決定由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所主持建造新一代的強(qiáng)流重離子加速器裝置(HIAF)，HIAF已于2018年12月開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)2025年建成。HIAF是全新一代強(qiáng)流重離子加速器，瞄準(zhǔn)國(guó)際上重離子物理及重離子科學(xué)的最前沿，其主要性能超過(guò)或與當(dāng)今國(guó)際同類裝置持平。

HIAF由強(qiáng)流超導(dǎo)離子源SECR、強(qiáng)流超導(dǎo)離子直線加速器iLinac、增強(qiáng)器BRing、高精度環(huán)形譜儀SRing及多個(gè)實(shí)驗(yàn)終端和相關(guān)配套設(shè)施構(gòu)成[1]。為了提高實(shí)驗(yàn)精度、增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)HIAF的流強(qiáng)等主要技術(shù)指標(biāo)提出了較高要求，其中增強(qiáng)器BRing是整個(gè)HIAF加速器系統(tǒng)的核心，是獲取高流強(qiáng)、高能量、高品質(zhì)重離子束流的關(guān)鍵裝置。電源與磁鐵系統(tǒng)共同組成的磁場(chǎng)系統(tǒng)是HIAF的重要組成部分，HIAF性能與磁場(chǎng)系統(tǒng)性能密切相關(guān)。BRing主要電源全部工作于脈沖模式，BRing工作模式相當(dāng)特殊，其挑戰(zhàn)主要集中于增強(qiáng)器BRing的特殊運(yùn)行模式和極高的技術(shù)指標(biāo)。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所分類梳理了HIAF所需的電源技術(shù)，針對(duì)要求特殊、無(wú)現(xiàn)成產(chǎn)品的電源及其技術(shù)展開(kāi)了一系列的預(yù)研，以解決HIAF未來(lái)的需要。本文介紹HIAF磁鐵勵(lì)磁電源概況，針對(duì)HIAF電源特殊需求進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的預(yù)研，并介紹樣機(jī)研制最新進(jìn)展。

1 全儲(chǔ)能快循環(huán)脈沖電源

1.1 簡(jiǎn)介

圖1 BRing二極鐵電源的輸出電流、電壓和功率波形Fig.1 Waveform of current, voltage and power for BRing dipole power supply

依據(jù)HIAF物理設(shè)計(jì)磁場(chǎng)曲線及對(duì)應(yīng)的負(fù)載參數(shù)，BRing二極鐵電源的輸出電流、電壓、功率波形如圖1所示，HIAF-BRing二極鐵電源參數(shù)列于表1。為減小強(qiáng)流運(yùn)行條件下的束流損失，增強(qiáng)器BRing要求二極鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度上升速率最大達(dá)12 T/s，電源電流上升下降時(shí)間在百ms左右。輸出電流波形由平底、平頂和多個(gè)斜率不同的斜坡組成，其中折線段TR2斜率最大(BRing二極鐵電源超過(guò)38 000 A/s)，因此需極高的強(qiáng)勵(lì)電壓，而其他部分的電流變化率又較小，故需要的強(qiáng)勵(lì)電壓較低。單臺(tái)二極鐵負(fù)載電阻為6 mΩ、電感為22 mH，為減小成本，二極鐵電源擬采用1臺(tái)電源為4臺(tái)磁鐵供電的模式，這樣每臺(tái)電源脈沖電壓可達(dá)3 600 V左右，但平臺(tái)電壓僅為120 V左右。在如此大的電壓工作輸出范圍條件下，采用常規(guī)加速器電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一強(qiáng)勵(lì)電壓源的方案，幾乎不可能同時(shí)滿足快上升段跟蹤指標(biāo)和注入平臺(tái)電流誤差指標(biāo)的要求。

表1 HIAF-BRing二極鐵電源參數(shù)Table 1 Parameter of HIAF-BRing dipole magnet power supply

目前為止，國(guó)內(nèi)尚無(wú)同類電源，國(guó)外同類裝置中德國(guó)GSI承建的FAIR裝置電源采用與SIS18相類似的大功率晶閘管整流加并聯(lián)補(bǔ)償工作原理[2]。日本J-PARC儲(chǔ)存環(huán)二極鐵電源采用基于三電平矢量整流的全開(kāi)關(guān)方式[3]，該方案過(guò)于復(fù)雜，成本及技術(shù)難度較大。CERN二極鐵電源采用一種儲(chǔ)能方式的全開(kāi)關(guān)工作原理[4]；CSR主環(huán)二極鐵電源采用12脈波晶閘管整流加五級(jí)斬波器串聯(lián)后并在晶閘管整流器的方案[5]。在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外各種方案的基礎(chǔ)上，HIAF-BRing二極鐵電源采用一種全儲(chǔ)能、變前勵(lì)、全開(kāi)關(guān)功率單元串并聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方案，工作原理如圖2所示。電源共由18個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊規(guī)格為2 000 A/1 100 V，采用6功率單元串聯(lián)后，再3支路并聯(lián)，以達(dá)到5 000 A/3 600 V的輸出。每個(gè)高壓功率單元采用AC380V進(jìn)線、前級(jí)PWM整流、后級(jí)H橋斬波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用薄膜儲(chǔ)能電容儲(chǔ)能。高壓電源在TR2與TF1段接入，上升段能量全部由電容提供，在電流下降段磁鐵電感中的能量再返回儲(chǔ)能電容中，電源只從電網(wǎng)補(bǔ)充消耗的能量，而大部分能量在儲(chǔ)能電容和負(fù)載電感之間交互流動(dòng)。低壓功率單元為簡(jiǎn)單AC/DC變換器，在除TR2與TF1段接入，提供其余電流段的能量，并吸收下降段磁鐵負(fù)載回饋的能量。采用全儲(chǔ)能方式后可降低電源運(yùn)行成本和造價(jià)，同時(shí)可減少對(duì)電網(wǎng)沖擊。大慣性環(huán)節(jié)、極快的脈沖、極大的勵(lì)磁電流、快響應(yīng)、高精度、高速遠(yuǎn)程通信等是HIAF-BRing二極鐵電源的主要技術(shù)難度所在。

圖2 HIAF-BRing二極鐵電源結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of HIAF-BRing dipole power supply

由于電源功率模塊數(shù)量較多，電源采用主從控制設(shè)計(jì)方式：主控制器控制H橋及電壓源切換部分，管理整機(jī)的狀態(tài)并與從控制器進(jìn)行通信；從控制器控制單功率單元的空間矢量PWM整流控制算法，管理單功率單元的運(yùn)行狀態(tài)，并和主控制器進(jìn)行通信。二極鐵電源總體控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 數(shù)字控制技術(shù)

根據(jù)HIAF對(duì)電源的要求，研發(fā)了一套專用數(shù)字控制器SZF-2[6]，該控制器控制設(shè)計(jì)方案采用主從設(shè)計(jì)方式。主控制器板間及主從控制器間連接方式如圖4所示。主控制器主要實(shí)現(xiàn)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信、電源調(diào)節(jié)運(yùn)算、電源管理等功能，主控制器采用雙核ARM Cortex-A9處理器作為人機(jī)交互和智能化控制處理核心，網(wǎng)絡(luò)采用雙口1000M以太網(wǎng)絡(luò)，提供光纖接口用于數(shù)據(jù)同步。預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)并行數(shù)據(jù)接口用于系統(tǒng)擴(kuò)展。調(diào)節(jié)運(yùn)算部分采用容量高達(dá)110K Les 的FPGA芯片。基于DSP的從控制器安裝于各功率單元中，主要實(shí)現(xiàn)各級(jí)高壓功率單元的PWM整流器的控制、功率單元的狀態(tài)管理及主控制器的通信等，同時(shí)結(jié)合CPLD對(duì)功率單元運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)光信號(hào)及RS485/CAN總線與主控制進(jìn)行通信。

圖3 二極鐵電源總體控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Control structure of dipole power supply

從控制器軟件系統(tǒng)包括5個(gè)模塊，分別為PWM整流橋控制算法模塊、PWM整流橋狀態(tài)采集模塊、PWM信號(hào)生成模塊、通信模塊和調(diào)試界面，其中通信模塊主要完成DSP與外部接口(網(wǎng)絡(luò)、CAN總線、SPI總線和EIMF總線等)之間的數(shù)據(jù)交換。

主控制器軟件系統(tǒng)由電源管理模組、調(diào)試界面和HMI 3個(gè)內(nèi)部模塊組成，數(shù)字控制器與實(shí)時(shí)控制、電源狀態(tài)輸入、專用輸出接口、時(shí)間系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議5個(gè)外部模塊存在接口關(guān)系。圖5為電源數(shù)字控制器軟件結(jié)構(gòu)[7]。

圖4 SZF-2數(shù)字控制器硬件組成Fig.4 Hardware of SZF-2 digital controller

圖5 電源數(shù)字控制器軟件結(jié)構(gòu)Fig.5 Software structure of digital controller

1.3 樣機(jī)及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證全儲(chǔ)能快循環(huán)脈沖電源的設(shè)計(jì)及性能，2018年開(kāi)始了原型樣機(jī)研制工作，經(jīng)過(guò)1年多的設(shè)計(jì)、調(diào)試，2018年底功率模塊已基本加工完成，并對(duì)單功率模塊進(jìn)行了初步測(cè)試。因?yàn)樯a(chǎn)廠家測(cè)試條件及負(fù)載所限，單模塊功率單元采用單個(gè)參數(shù)測(cè)試。單功率模塊測(cè)試基本達(dá)到了功率模塊設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了功率模塊原理和工藝設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了從控制器硬件及軟件設(shè)計(jì)。圖6、7分別為單功率模塊達(dá)到2 000 A額定電流和電流上升率達(dá)到40 000 A/s時(shí)的實(shí)測(cè)波形。目前樣機(jī)還未完成，正在進(jìn)行多模塊串聯(lián)調(diào)試，預(yù)計(jì)2019年下半年會(huì)有完整調(diào)試結(jié)果。

圖6 單功率模塊輸出電流Fig.6 Output current of single power module

2 HIAF-Kicker電源

Kicker電源是HIAF實(shí)現(xiàn)快速注入和引出的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是為同步加速器踢軌磁鐵提供快脈沖勵(lì)磁電流以產(chǎn)生快脈沖磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)束流在不同軌道運(yùn)行的切換，從而實(shí)現(xiàn)束流的快引出和注入。與國(guó)際上同類裝置相比，HIAF能提供最強(qiáng)的中低能重離子束流、產(chǎn)生最高功率的短脈沖高能重離子束團(tuán)。HIAF對(duì)Kicker除提出波形要求外，還要求：1) 輸出電流為正負(fù)雙極性；2) 輸出電流平頂寬度0～1.2 μs連續(xù)可調(diào)。

圖7 單功率模塊輸出電流上升率Fig.7 Rise rate of output current for single power module

加速器Kicker通常采用脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)或脈沖形成線(PFL)加氣體放電開(kāi)關(guān)的方式在負(fù)載上得到電流脈沖方波[8]，但由于PFN或PFL一旦確定便無(wú)法改變脈寬，重氫閘流管只可觸發(fā)不可關(guān)斷，因此目前常規(guī)方案不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)脈寬，也不能在線改變輸出電流極性。為此詳細(xì)研究了基于固態(tài)開(kāi)關(guān)的Marx發(fā)生器工作原理[8]。該種發(fā)生器以大功率絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGBT)作為開(kāi)關(guān)，采用Marx脈沖發(fā)生器電路實(shí)現(xiàn)輸出脈沖電壓倍增，為了得到準(zhǔn)方波電流脈沖，在Marx電路中引入PFN，形成PFN-Marx脈沖發(fā)生器方案。該方案結(jié)合了固體開(kāi)關(guān)和Marx電路的特點(diǎn)，具有可控性好、脈寬和頻率大范圍連續(xù)可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。為此研究了基于固體開(kāi)關(guān)IGBT的雙極性PFN-Marx發(fā)生器技術(shù)，設(shè)計(jì)并研制1臺(tái)電源小功率樣機(jī)，并對(duì)輸出性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)HIAF-Kicker所需功能及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了原理性驗(yàn)證[9]。

2.1 固態(tài)PFN-Marx發(fā)生器工作原理

傳統(tǒng)的固態(tài)Marx發(fā)生器通過(guò)電容的并聯(lián)充電、串聯(lián)放電來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖電壓倍增，輸出脈沖波形的前后沿均為指數(shù)函數(shù)，無(wú)平頂或平頂很窄。若用脈沖形成網(wǎng)絡(luò)代替電容應(yīng)用于固態(tài)Marx發(fā)生器，可在負(fù)載上得到近似方波的脈沖波形，圖8為固態(tài)PFN-Marx發(fā)生器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。固態(tài)PFN-Marx發(fā)生器工作時(shí)，充電電源首先通過(guò)充電電阻給各級(jí)PFN并聯(lián)充電，充電完成后固體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，充電電阻起隔離作用，各級(jí)PFN串聯(lián)放電，每級(jí)PFN均會(huì)對(duì)波形進(jìn)行調(diào)制，最終在負(fù)載上得到近似方波的脈沖波形。固態(tài)PFN-Marx發(fā)生器可通過(guò)改變Marx的級(jí)數(shù)，單級(jí)PFN的節(jié)電容、節(jié)電感及節(jié)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出阻抗、脈沖上升時(shí)間、脈沖下降時(shí)間、平頂寬度等參數(shù)的調(diào)節(jié)。

圖8 雙極性4級(jí)固態(tài)PFN-Marx發(fā)生器的原理圖Fig.8 Schematic diagram of bipolar 4-stage solid state PFN-Marx generator

以4級(jí)為例，雙極性固態(tài)PFN-Marx發(fā)生器工作原理如圖8所示，工作過(guò)程可分為3部分：1) 充電過(guò)程，所有放電開(kāi)關(guān)全部處于關(guān)斷狀態(tài)，正高壓電源V1給圖8左側(cè)的PFN并聯(lián)供電，正高壓電源V2給圖8右側(cè)的PFN并聯(lián)供電；2) 正極性放電過(guò)程，當(dāng)放電開(kāi)關(guān)S11～S14同時(shí)導(dǎo)通、S21～S24保持關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，圖8左側(cè)的PFN處于串聯(lián)放電狀態(tài)，在負(fù)載上輸出一準(zhǔn)矩形波的正極性勵(lì)磁電流；3) 負(fù)極性放電過(guò)程，當(dāng)放電開(kāi)關(guān)S21～S24同時(shí)導(dǎo)通、S11～S14保持關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，圖8右側(cè)的PFN處于串聯(lián)放電狀態(tài)，在負(fù)載上輸出一準(zhǔn)矩形波的負(fù)極性勵(lì)磁電流。同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器Drivers改變固態(tài)開(kāi)關(guān)IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙極性固態(tài)PFN-Marx發(fā)生器輸出電流波形的平頂寬度連續(xù)調(diào)節(jié)功能。

2.2 雙極性原理樣機(jī)電路性能測(cè)試

基于雙極性固態(tài)PFN-Marx發(fā)生器技術(shù)，搭建了HIAF-Kicker原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，HIAF-Kicker電源原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)列于表2。其中Marx級(jí)數(shù)為4，PFN的節(jié)電容為60 nF，單個(gè)PFN總電感為1.3 μH，節(jié)數(shù)為8。

表2 HIAF-Kicker電源原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 2 Design specification of HIAF-Kicker power prototype

1) 正負(fù)極性電流波形幅值不對(duì)稱輸出

當(dāng)負(fù)載匹配電阻為6.5 Ω，負(fù)載電感為1.6 μH，Marx級(jí)數(shù)為4，PFN節(jié)數(shù)為8，節(jié)電容為60 nF，單個(gè)PFN的總電感為1.3 μH，S11～S14在0 μs時(shí)刻開(kāi)通，S21～S24均在10 μs時(shí)刻開(kāi)通，所有的放電開(kāi)關(guān)的持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間均為1.6 μs，正極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電電壓V1為200 V，負(fù)極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電電壓V2分別為200、800 V時(shí)，HIAF-Kicker電源原理樣機(jī)實(shí)測(cè)輸出電流波形如圖9所示，負(fù)極性輸出電流的脈沖幅度與負(fù)極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電電壓V2呈正比，實(shí)現(xiàn)了正負(fù)極性電流波形幅值不對(duì)稱輸出。

2) 正負(fù)極性電流波形平頂寬度連續(xù)調(diào)節(jié)

當(dāng)負(fù)載匹配電阻為6.5 Ω，負(fù)載電感為1.6 μH，Marx級(jí)數(shù)為4，PFN的節(jié)數(shù)為8，節(jié)電容為60 nF，單個(gè)PFN的總電感為1.3 μH，正極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電電壓V1為800 V，負(fù)極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電電壓V2為800 V，S11～S14

a——V1=200 V，V2=200 V；b——V1=200 V，V2=800 V圖9 不同充電電壓V2的實(shí)測(cè)輸出電流波形Fig.9 Measured output current waveform with different charging voltage V2

圖10 不同持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間的實(shí)測(cè)輸出電流波形Fig.10 Measured output current waveform with different continuous turn-on time

在0 μs時(shí)刻開(kāi)通，S21～S24在10 μs時(shí)刻開(kāi)通，所有的放電開(kāi)關(guān)的持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間均分別為0.8、3.0 μs時(shí)，HIAF-Kicker電源原理樣機(jī)實(shí)測(cè)輸出電流波形如圖10所示，實(shí)現(xiàn)了正負(fù)極性電流波形平頂寬度連續(xù)調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，HIAF-Kicker原理樣機(jī)能同時(shí)輸出正極性和負(fù)極性的電流脈沖，且互不干擾，正極性輸出電流和負(fù)極性輸出電流的脈沖幅度獨(dú)立可調(diào)。當(dāng)放電開(kāi)關(guān)的持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間為0～1.6 μs可調(diào)時(shí)，輸出電流波形的平頂寬度相應(yīng)在0～1.23 μs連續(xù)可調(diào)，上升時(shí)間約560 ns、下降時(shí)間約400 ns，平頂度小于±1%，達(dá)到了樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，目前已開(kāi)始進(jìn)行HIAF-Kicker原型樣機(jī)的設(shè)計(jì)[10]。

3 結(jié)論

本文介紹了新一代HIAF電源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，及其電源關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)最新進(jìn)展。目前各項(xiàng)樣機(jī)預(yù)研進(jìn)展順利，爭(zhēng)取在2021年各項(xiàng)研發(fā)工作全部結(jié)束，設(shè)計(jì)定型，進(jìn)入批量加工階段。