多極磁阱裝置脈沖電源設計

馮虎林，許繼承

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近年來，等離子體磁約束的研究一直是科學家研究中的熱門。但是，沒有強磁場的保證就無法進行等離子體的磁約束實驗。穩態強磁場相比脈沖強磁場的產生更加困難，建造也更加復雜[1]，所以在條件限制下，采用多極磁阱磁約束裝置產生強磁場并約束等離子體。該裝置采用脈沖工作方式，產生的脈沖強磁場場強較高，但是其脈寬較窄，通常為十幾個毫秒到幾十毫秒，對于大多數工程物理實驗已經能滿足用戶需求。為了產生強磁場，必須設計合適的脈沖電源來驅動多極磁阱磁約束裝置。通常的脈沖電源可分為電容器型、脈沖發電機型、電網型、電感型以及蓄電池型等，其中脈沖電容器型電源設計相對簡單。本文設計一種脈沖電容器電源用來驅動多極磁阱磁約束裝置產生強磁場并約束等離子體[2]。充電裝置電壓在0%～100%范圍內可調，利用晶閘管開關可實現微秒級快速開通。充電和瀉能開關要求不高，故采用真空接觸器即可滿足要求。各套脈沖電源之間的開通延時時間在微秒內可調，脈沖電源可以根據系統的測試需求設置所需要的電壓值。

1 設計要求

由于該裝置需要多極磁阱障壁磁場的磁感應強度是0.1 T，多極磁阱中等離子體的密度約為1019/m3量級，等離子體的離子溫度為100 eV 量級，并達到多極磁阱裝置的工作時間約為10 ms[3]。經過有限元仿真計算，此時盲鰻線圈電流約為1 500 A，脈沖電流平頂寬度約為0.5 ms。由于相關文獻中被沒有給出在障壁磁場為0.1 T 條件下的螺線管線圈電流值和脈沖寬度，根據實際現場測試，螺線管線圈電流約為200 A、脈沖電流平頂寬度約為20 ms 滿足上述要求。

2 脈沖電源設計

2.1 脈沖電源開關器件選型

由于脈沖電源放電和關斷需要響應速度毫秒級，因此選擇合適的電力電子開關器件十分必要。通過調研和分析，常用的電力電子開關器件有SCR、GTR、MOSFET 以及IGBT 等。脈沖電源需要耐高壓、大電流的開關器件。此外，在器件選型中要考慮器件的成本等。由于該裝置脈沖電源的電壓、電流需要容量較大，開關頻率要求較低，只需要觸發其導通，不需要控制其關斷，因此設計選擇普通的晶閘管（SCR）即可滿足設計需求。晶閘管的電壓和電流具體參數要根據整個電源的耐壓等級和通流峰值選定[4]，所以本文選取的晶閘管型號為KPX2700-20。

2.2 脈沖電源參數求解

根據上述的脈沖電源設計要求及其拓撲，設計需要求解得到各個回路的器件參數。整個電源回路已知的參數只有負載線圈的等效電感和等效電阻。通過對比3 個主回路，脈沖電容器的選型是該脈沖電源設計的關鍵。通常，電源工程師采用經驗法選取合適的脈沖電容器，并進行仿真和測試，以判斷是否滿足負載要求。本文采取理論推導、計算求解并結合Pspice 仿真工具進行實際驗證。

由于充電回路和放電回路中電壓源V1和卸能電阻[5]R1的求解必須基于供電回路中脈沖電容器C1的選取，為了方便進行電路計算，供電回路中的續流二極管可根據耐壓值等進行選取，電路分析時可忽略。

根據盲鰻線圈脈沖電源設計要求，建立二階微分方程來描述RLC 模型[6]。

根據基爾霍夫電壓定律以及電容和電感的VCR 方程，可得：

已知盲鰻電源供電回路參數L=8.47 mH，R=0.626 Ω，求解得C＞8.6 mF。此時，RLC 電路不能振蕩放電，其峰值電流小于1 500 A，因此電容C＜8.6 mF。考慮到電容體積和成本，電容容值C＜8.6 mF，取Uc=3 000 V，則imax=1 658 A。因為電流脈沖寬度計算較為復雜，采用Pspice 軟件聯合仿真及驗證可知，經過3τ～5τ時間過渡過程即認為電容放電結束。由于設計放電時間τ=1 s，因此，通過計算可得卸能電阻R1=200 Ω，故選擇卸能電阻型號為200 Ω/200 W。同理，螺線管線圈脈沖電源電容器容值也可利用該方法計算得出。

3 結 論

根據多極磁阱線圈提供的參數，通過計算得出脈沖電源的電容值、泄能電阻、開關電流等相關參數，利用仿真軟件得到的電流波形與實際設計的相符合。最后，經過實際測量等離子體放電波形與計算及仿真結波形相比，兩者的電流波形趨勢相一致，滿足負載設計要求。