中性束注入（Neutral Beam Injection，NBI）加热是托卡马克装置最有效的方法之一，国际上主要的大中型托卡马克装置都投入了中性束注入加热方式，配备了完备的中性束注入加热系统^[1-2]。高压电源是中性束注入加热系统的重要组成部分，通过整流的方式将交流源转换为直流输出，为中性束引出-加速系统提供高压电场，提高中性束束流能量，从而提高等离子体参数。目前，核聚变高压电源有多种拓扑方案，国内外大型托卡马克装置JT-60U、JET、ITER、DEMO、CRAFT中性束高压电源均采用逆变型高压电源技术的方案^[3-6]，其中ITER拟采用三电平逆变型高压电源方案，电压等级达到1 MV^[7-8]。中国环流器二号A（HL-2A）装置微波加热系统高压电源采用三相桥式整流方案^[9-10]，电子回旋加热系统采用高频逆变的全固态阳极高压电源^[11]。中国环流三号（HL-3）装置1#束线中性束高压电源系统和东方超环（EAST）装置加热系统采用脉冲阶梯调制（Pulse Step Modulation，PSM）技术实现直流高压输出^[12-15]，PSM高压电源采用模块化电路，具有电路结构简单，控制方式灵活等优点，适用于100 kV以下的高压输出。HL-3装置是我国新一代“人造太阳”装置，为进一步提升HL-3装置的等离子体温度、密度和维持时间等运行参数，需提高中性束注入加热系统的功率。因此，HL-3装置5 MW中性束线配备一套输出电压为80 kV，输出电流为50 A的高压电源。根据电压等级，考虑生产成本、设计和制造的复杂性，选择基于PSM的模块化电源技术方案，电源模块拓扑结构采用基于单相桥式整流电路的斩波模块。

1.   5 MW电源系统拓扑设计

1.1   系统结构设计

HL-3装置5 MW中性束高压电源由真空开关、大功率隔离变压器、电源模块、缓冲器和测控系统几部分组成，系统结构图如图1所示。电源额定输出参数为：额定电压80 kV、额定电流50 A、脉宽5 s。电压稳定度大于1%，平顶压降小于1%，短路时间小于10 μs。大功率隔离变压器副边采用多变比绕组，电源模块包括整流模块和调节模块，根据设定电压计算需要投入的整流模块数量，然后通过控制调节模块的输出电压实现对系统输出的精确控制。各模块采用错相延迟投入方式，减小系统输出超调量。缓冲器由一个电感并联一个电阻和反向二极管组成，限制电源发生短路时电流突变速度，防止瞬间大电流导致电路中功率器件损坏。同时，保证电感能量通过并联电阻释放，防止负载受到轰击，导致加速器过热。

图  1  HL-3装置5 MW中性束高压电源系统结构图

Figure  1.  Structural diagram of the 5 MW neutral beam high voltage power supply system of HL-3 device

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1.2   模块拓扑设计

5 MW中性束高压电源系统由64个斩波电源模块经PSM电源技术串联实现80 kV额定输出，电源斩波模块原理示意图如图2所示。每个斩波模块由两个子模块组成，每个斩波模块额定输出参数为：额定电压1 600 V、额定电流50 A、脉宽5 s。每个子模块包括软启动电路、单相桥式整流电路、储能滤波电容、泄放电路以及半桥电路。模块控制系统基于可编程电力电子控制器（Programmable Power Electronic Controller，PPEC）实现电源模块的输出电压、电流以及电源的保护控制。电源模块内部采用自动控制软启动电路，避免启动过程中瞬间大电流冲击引起电网波动，对电网造成干扰。泄放电路用于直流支撑电容的泄能，当电源断电后，泄放电路开关闭合，实现直流支撑电容快速泄能。半桥电路是由上下桥臂两个IGBT及输出电感构成，上桥臂IGBT功率管T1和T3实现续流作用，电流经寄生二极管续流；下桥臂IGBT功率管T2和T4实现输出电压等级的调节，通过控制下桥臂IGBT状态得到目标输出电压。输出电感用于滤波，并减小电源模块在发生短路击穿时的电流冲击。

图  2  整流斩波电源模块示意图

Figure  2.  Schematic diagram of rectifier chopper power module

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2.   电源方案设计

2.1   软启动电路设计

中性束高压电源模块输入为单相AC 650V，供电电压等级较高，直接整流输入会造成很大的冲击电流^[9]。在单相整流桥前级设计软启动环节，启动时，KM1处于断开状态，KM2闭合通过限流电阻R来限制启动瞬间的电流，软启动电路图如图3所示。当电容电压达到设定值后，闭合KM1，断开KM2，软启动环节结束。F1为熔断器，当模块出现短路时，断开模块交流输入。

图  3  软启动电路

Figure  3.  Soft start circuit

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熔断器保证在模块短路过流下能有效地分断模块的交流输入，为保证软启动过程工作可靠性，要求熔断器额定分断电压能力不低于1 000 V。单相交流650 V供电时，额定输出功率80 kW，考虑90%的效率以及输入端电压±10%的电压波动，计算出额定工况下单相输入端最大电流为

考虑工作裕量1.5倍，因此，选择软启动电路中熔断器工作电流大于228 A。为限制模块充电启动时对交流供电电网的冲击，要求软启限流电阻将软启过程的最大电流限制在0.2 A和0.3 A之间，因此，选择2 500 Ω的电阻作为软启限流电阻，限流电阻的总功率不低于150 W。

2.2   储能及泄能回路设计

为对整流输出电压进行滤波并保证直流输出稳定度，模块整流电路后接入储能滤波电容，电容容量1 800 μF，额定电压1 000 V，耐压不低于1 500 V。在电容两端并联泄能支路，由一个泄能继电器和一个泄能电阻串联组成。当模块控制未供电时，泄能继电器处于闭合状态，实现对电容储能的快速放电，同时指示灯提示电容电压是否在安全电压范围，保障人身安全。当模块控制供电后，软启接触器和直通接触器都未闭合时，泄能继电器依然处于闭合状态；当软启接触器或者直通接触器闭合时，模块进入充电状态，泄能继电器断开，停止对电容储能的泄放。泄能电路为一个一阶RC电路，要求泄能时间在100 s内将电容电压降至安全电压36 V以下，前级电路为一个单相桥式整流，交流输入为650 V，所以计算得到电容两端初始电压为

根据电容放电过程中电容电压公式${U}_{{\mathrm{c}}}={U}_{{\mathrm{d}}}\times {{\mathrm{e}}}^{-t/\tau }$可计算得到时间常数$\tau$为

式中：t为泄能时间100 s，${U}_{\mathrm{c}}$为安全电容电压36 V，因此，计算得到时间常数$\tau =30.86$。模块直流支撑电容容量为C=1800 μF，根据公式$\tau =RC$，可以得到R=17.1 kΩ。因此，选择泄能电阻阻值小于17.1 kΩ，可以保证电容电压在100 s内降至安全电压以下。

2.3   滤波电感设计

中性束5 MW高压电源的负载是中性束加速器系统，在粒子加速过程中极易发生短路保护的情况。因此，在电源模块设计了缓冲器电路，用于减小电源模块在发生短路击穿时的电流冲击。考虑控制系统的延迟环节，要求电源模块在发生短路后，电流上升至保护值的时间大于2 μs。根据电感电压电流关系式$U = L{\text{d}}i/{\text{d}}t$，积分可计算得到电感为

式中：U为电源模块电压800 V，t为电流上升至保护值的时间，取t=2 μs，I为短路过程的电流变化值，额定电流为50 A，保护系数取1.5倍，则I=25 A。计算得到L=64 μH，考虑回路中电缆分布参数的影响，因此选择缓冲器电感50 μH。

2.4   控制策略

托卡马克聚变实验装置的电磁干扰十分严重，高压电源系统输出电压等级为80 kV，负载为中性束离子源加速器系统。由于加速器极易发生极间打火击穿，造成负载短路，并且电源保护关断后会重启继续投入高压输出，这个过程$\mathrm{d}V/\mathrm{d}t$很大，会造成严重的电磁干扰，因此对控制系统抗干扰能力要求很高。为此，高压电源控制系统采用了DSP+FPGA的全数字控制方式，采用光纤通讯，可以通过外部触发信号远程控制或本地控制模块输出。

为了解决电磁干扰严重的问题，减小电源模块开关管的开关频率，在高压电源系统内设计调节模块用于精确地调节输出电压等级。通过改变调节模块输入电压等级，配合调节模块的占空比，从而实现输出电压等级的精确调节，控制系统原理框架图如图4所示。高压电源系统可以采用开环控制和闭环控制两种方式，根据给定电压值，计算所需要投入的电源模块数，然后通过调节模块精确计算出所需输出电压值，为了减小输出超调量，各模块采用错相延迟投入。

图  4  控制系统原理框架图

Figure  4.  Schematic diagram of control system

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3.   电源系统仿真

3.1   模块仿真

利用MATLAB中Simulink工具箱对电源模块进行仿真分析，建立电源模块主回路仿真模型如图5所示。每个电源模块由两个子模块串联组成，每个子模块输出电压为800 V，串联实现1 600 V额定输出。输入端为AC 650 V，经不控整流桥为储能滤波电容充电，储能滤波电容两端并联一个泄能电阻构成一个电容泄能回路。后端介入一个半桥电路，IGBT控制电压输出，二极管用于回路续流作用，输出端接入一个电感和反向续流二极管组成缓冲器电路。

图  5  电源模块主回路仿真模型

Figure  5.  Simulation model of the main circuit of the power supply module

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将相关参数代入仿真模型中，得到输出波形如图6（a）所示，输出电压可以稳定在1 600 V附近。软启动过程波形如图6（b）所示，设定软启动临界转换电压为DC 600 V。当电压低于600 V时，电源模块工作在软启动限流状态，电压上升速度较缓；当电压高于600 V时，电源模块工作在直通状态，电压上升速度加快，瞬间上升至额定值，满足系统要求。

图  6  电源模块输出波形

Figure  6.  Power module output waveforms

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3.2   系统仿真

建立电源系统仿真模型如图7所示，输入端为单相AC 3000 V，经大功率隔离变压器降压至AC 650 V，接入每个模块交流输入端。输出端接入一个由电感、限流电阻和反向二极管组成的缓冲器，用于减缓打火冲击下的电流过冲。测量电路由一个高阻值分压器和测量电阻组成，并联在负载两端，用于测量系统输出参数。系统串联调节模块，调节模块输出电压分别为800 V、400 V和200 V，用于精确控制电压输出。根据中性束高压电源系统参数，额定输出电压80 kV，额定电流50 A，输出端电阻值选择1600 Ω。各模块导通时刻延迟15 µs，减缓电压上升速度，用于减小开通过程中超调量。

图  7  电源系统仿真模型

Figure  7.  Power system simulation model

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将相关参数代入仿真模型中，额定输出电压80 kV，电阻选择为1600 Ω，输出电流为50 A，脉宽5 s，得到系统输出波形如图8（a）所示。建立模拟短路扰动仿真模型，测试输出端电流波形如图8（b）所示。从图中可以看出，电源系统稳定输出时，电流为50 A左右，在10 µs时刻，给定一个短路扰动信号，设定电流保护值为90 A，当电流达到保护值时，电源在10 µs实现关断。

图  8  电源系统输出波形

Figure  8.  Output waveforms of the power supply system

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4.   试验结果

采用AC 220 V供电电源对5 MW高压电源单模块进行测试，利用调压器升压至650 V为电源模块提供输入电压。测试电源模块的软启动和空载额定电压输出功能，得到电源模块软启动过程波形和空载输出波形如图9所示。图9（a）为电源模块软启动过程测试波形，电源模块在0～600 V启动阶段，电压上升过程较缓慢，上升时间约为10 s，通过软启动过程限流减小对电网的冲击。在600 V以上，直通回路闭合，电压迅速上升至额定值。图9（b）为电源模块空载额定输出波形，测试电源模块中的单个子模块输出性能，输出电压约为1 000 V，脉宽10 s，与仿真波形一致，满足系统要求。

图  9  电源模块输出测试波形

Figure  9.  Power module output test waveforms

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采用AC 6 000 V对5 MW高压电源系统进行测试，经大功率隔离变压器降压至650 V为各个电源模块提供输入电压。测试电源系统的带载输出和短路保护功能，得到电源系统的额定带载输出和短路保护输出波形如图10所示。图10（a）为电源系统带载额定输出波形，CH1通道表示输出电压，每格20 kV，CH3通道表示输出电流，每格20 A，负载电阻选择2 kΩ，输出电压为80 kV，输出电流为40 A，脉宽5 s。图10（b）为短路保护测试波形，CH1通道表示输出电压，CH2通道表示输出电流，设定过流保护值为100 A，当负载短路后电流上升至保护值后，电流能在6 μs内下降至0。

图  10  电源系统输出测试波形

Figure  10.  Power system output test waveforms

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5.   结　论

本文介绍了基于PSM技术的中性束5 MW高压电源系统的设计，对电源模块进行全新的软启动电路及储能泄能回路设计。通过建立电源模块和高压电源系统仿真模型，搭建实验模块测试样机和兆瓦级高压电源测试平台，完成电源系统及电源模块的额定输出测试、电源模块的软启动过程测试及系统过流保护测试。经仿真与实验验证，电源具有额定输出能力，短路保护能力在6 µs内，满足HL-3装置中性束对高压电源系统要求。