CSNS离子源引出电源关键技术研究

李海波 沈 莉 周国仲 翟 军

CSNS离子源引出电源关键技术研究

李海波1,2沈 莉1,2周国仲1,2翟 军1,2

1（中国科学院高能物理研究所 东莞分部 东莞 523803）
2（东莞中子科学中心 东莞 523803）

详细分析了中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)直线加速器前端离子源引出电源工作原理，针对设计指标要求，提出了一种由40个功率MOSFET管串联组成的高压调制电路方案。在引出脉冲电源系统中对多个MOS管串联存在的问题，包括MOS管串联均压、保护电路、MOS管驱动信号一致性等关键问题进行了分析研究，并给出了有效的解决办法。最后在一台输入为AC220V、脉冲幅值25 kV、脉冲电流600 mA、平均功率为375 W输出的试验样机上验证了理论分析的正确性。经测试，实验结果表明离子源引出脉冲电源满足各项设计指标要求。

高压调制电路，功率MOSFET管串联，高频变压器

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)是由一台80 MeV负氢直线加速器、一台1.6 GeV快循环质子同步加速器(Rapid cycling proton synchrotron, RCS)、两条束流输运线、一个靶站、三台谱仪及相应的配套设施组成。负氢离子源作为CSNS加速器部分的起点，是CSNS加速器最重要的组成部分之一，其性能的好坏直接决定CSNS工程的成败[1]。CSNS离子源引出电源用于引出负氢离子，属于高压功率脉冲电源，设计指标为输出脉冲高压25 kV、脉冲电流600 mA、脉冲上升时间≤5 μs、脉宽100−900 μs可调，下降时间≤5 μs、平顶平坦度≤±0.2%、稳定度≤±1%、脉冲抖动≤±30ns、重复频率1−25 Hz可调。由于开关器件的耐压问题，获得高输出幅值的脉冲电源的开关部分一般都采用单开关器件加脉冲变压器升压[2]，或者利用Marx电路[3]，或者采用多开关器件串联的形式。单开关器件加脉冲变压器的升压法由于变压器的存在，有很大一部分能量损失了，并且变压器线圈去磁的时间较长会导致输出脉冲的占空比变化等不利因素[4]，Marx电路输出脉冲频率与脉宽均由元件参数决定，在控制输出频率等参数方面显不足[5]。为实现引出电源技术指标，同时考虑成本等因素，该电源采用直流高压加开关器件串联的形式来获取高压脉冲。

1 离子源引出电源设计

中国散裂中子源离子源负氢离子引出电源主要组成为：25 kV高压直流电源和高压脉冲调制开关电路。工作过程及原理是：交流电经电网滤波，然后经过整流滤波，通过高频功率变换器逆变，最后由高压高频隔离变压器变压后得到直流高压。

图1 引出电源系统工作原理框图Fig.1 Block diagram of extracted power system.

图2 离子源引出脉冲电源主电路拓扑图Fig.2 Main circuit topology of extraction pulse power of ion source.

为得到高稳定度、高精度的直流电压，在电压输出端使用高精度分压器采集电压，取得的精确信号与基准电压进行比较，比较所得的误差信号经过运放放大，送到谐振控制器 (Pulse Width Modulation, PWM)，经逆变驱动电路去控制高频功率变换器。高压脉冲调制开关电路相当于一个直流斩波器，工作原理是利用电力电子器件的高速开关性能，把得到的直流高压斩波成符合指标要求的高压脉冲列输出。此外，为了电源及负载的安全，电源设置了过压、过流、打火、软启动等保护电路。引出电源系统工作原理框图如图1所示。其主电路的拓扑结构图如图2所示。

1.1 高压脉冲调制开关电路

高压脉冲调制开关电路就是将直流高压通过半导体器件构成的固态调制器调制为高压脉冲输出的电路，分为预调器电路、调制开关和截尾电路三部分，其中预调器电路、调制开关决定输出脉冲的宽度和上升时间，截尾电路决定输出脉冲的下降时间。组成原理框图如图3所示。

图3 高压脉冲调制开关电路原理框图Fig.3 High voltage pulse modulator.

工作过程为给定脉冲定时信号通过预调器电路同时产生调制脉冲信号和截尾脉冲信号，调制脉冲信号控制调制电路上的半导体固态开关快速开通关断，从而在输出端得到高压脉冲信号。由于半导体器件的分布电容的存在使得输出的高压脉冲会有较长的后沿，为得到更好的脉冲后沿，当高压脉冲结束时，用预调器电路产生的截尾脉冲信号去触发截尾电路，截尾电路导通后将半导体器件上分布电容储存的能量快速释放掉，从而得到很好的脉冲后沿。

1.2 开关器件的选择

功率MOSFET管具有高频性能好、输入阻抗高、驱动功率小和驱动电路简单等优点在脉冲电源领域得到了广泛的应用，但由于单只MOSFET管所能承受的峰值电压一般在千伏左右，仅由单功率开关构成的脉冲电路往往不能输出幅值超过几十千伏的高压脉冲。为解决这个问题，该课题采用了多个开关管串联的形式来分压，以使每个开关承受的分压均在耐压范围内。本课题选择日立公司生产的型号为2SK1835、N沟道耗尽型MOS管，其耐压高达1500 V，由40个MOSFET管串联成一块调制开关电路，另外由40个MOSFET管串联成一块截尾电路。

2 MOSFET串联驱动的研究

在MOS管串联结构中，MOS管驱动信号和电路分布参数的不一致会导致MOS管不能同时导通和关断，这样不光输出脉冲前后沿会抖动，严重时还会产生过电压造成开关管的损坏。为保证开关调制电路和截尾电路中各自串联的40个MOSFET管导通时间和关断时间同步，本文提出了一种采用高频变压器隔离驱动的方式。脉冲调制开关电路原理图如图3所示。

图4 高压脉冲调制电路原理图Fig.4 High voltage pulse modulation circuit.

其工作原理为给定的定时信号（一路高频脉宽为1 μs，频率为500 kHz；一路中频脉宽为500 μs，频率为25 Hz）通过光耦隔离，再经过一个半桥功率放大电路，提供给驱动高频变压器初级一个宏脉冲脉宽500 μs、频率25 Hz、微脉冲脉宽1 μs、周期2 μs的脉冲信号。经过高频变压器的脉冲信号整流成频率为25 Hz的低频脉冲信号。高频变压器初级绕组为1组，次级绕组为40组，分别驱动开关板上的40个MOSFET开关管的同时开通和关断，继而产生频率为25 Hz的高压脉冲信号。由于整个电源电路悬浮在−50 kV高压上工作，为保证绝缘，高频变压器的初次级绕组全部采用耐压为50 kV的高压线绕制而成。此电路突出优点是结构简单、稳定可靠，最主要的是能够保证多个MOSFET管在串联的情况下导通时间和关断时间的同步。

2.1 高频变压器设计

高频变压器为该脉冲电源的关键元件，该变压器工作频率为500 kHz，其传递的电压波形是交变对称方波，因此在设计高频变压器时首先要考虑的是铁芯材料工作在高频状态下损耗要小，其次为了防止变压器磁饱和，还要求有较大的饱和磁通密度和较好的温度特性。铁基纳米晶合金饱和磁通密度达到1.2 T，居里温度高达570 °C以上，在有较大温度波动的情况下，纳米晶合金的性能变化率明显低于铁氧体，具有优良的稳定性，且性能的变化接近于线性，高磁感下的高频具有损耗低、磁导率高等优异的软磁特性[6]。因此经过分析，铁芯采用铁基纳米晶合金材料绕制。高频变压器的设计采用面积乘积法，即AP法[7]，设变压器的初级绕组为Np，则：

式中，fs是变压器工作频率；Kf是波形系数，方波取为4；Bm为变压器工作的磁通密度；Ae为磁芯的有效截面积；V1为变压器初级电压。

为防止高频变压器磁心饱和，Bm的范围取为(1/3−1/2)Bs，Bs是饱和磁感应强度，选取Bm约为0.3T，驱动变压器铁芯截面积Ae为15 mm（内外径差）×28 mm（铁芯厚度），根据AP法设计高频变压器的初级绕组为20匝。设变压器次级电压为V2，次级绕组为Ns，根据V1Ns=V2Np，可得高频变压器的变比为20:1。

高频变压器初级次级脉冲（微脉冲）信号如图5所示。图5(a)为高频变压器初级绕组上微脉冲脉宽为1 μs、幅值为±300 V的脉冲信号，图5(b)为高频变压器次级绕组上两组微脉冲脉宽为1 μs、幅值为±15 V的脉冲信号。

经过高频变压器的脉冲信号的微脉冲脉宽为1μs，而电源实际的输出脉宽是100−900 μs可调，所以该脉冲信号要经过整流，把信号的脉宽整流成电源实际的输出脉宽。高压脉冲开关调制电路要采用延迟和响应时间尽量一致的器件，特别是MOS管导通关断延迟时间要一致。在电路结构和布局布线上也应该保持一致，使驱动信号的传输延迟尽量一致以提高驱动的同步性。为验证开关管导通时间和关断时间的一致性，在开关板上任选取两个MOS管的驱动信号的上升沿和下降沿进行测量比较，设定高压输出脉冲脉宽为500 μs，频率为25 Hz，实验结果如图6所示。图6(a)表示开关板上40个MOS管串联中任意两个驱动信号的上升沿，图6(b)表示任意两个MOS管驱动信号的下降沿。由图6可见，开关板上的40个MOS管驱动信号保持着很好的一致性。

图5 高频变压器初级(a)和次级(b)脉冲信号Fig.5 High frequency transformer primary (a) and secondary (b) pulse signal.

图6 任意两个MOS管的驱动信号上升沿(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串联均压电路和保护电路

脉冲电源输出脉冲高压为25 kV，在MOS管串联电路中，均压电路是非常重要的[8]，如果MOS管上的电压分配不均，可能会导致某个或某些MOS管偏离其工作，造成开关管过电压损坏。为此，可以在每个MOSFET管漏源之间并联一个阻值相同的电阻，以保证各个MOSFET分压一致，从而当一个MOSFET管由于承受过压而发生物理损坏时，不至于使其他MOSFET相继损坏。40个MOSFET管加的直流高压为25 kV，平均每个管子至少承受625V，为保证有良好的均压效果，均压电阻R取值要使流过本身的直流电流大于开关管的最大漏电流，但不要超过允许的泄放电流值[9]。

式中，IDSS为管子在625V时的漏电流，考虑安全裕度，取均压电阻值为510 kΩ。

对MOS管过压保护是通过在MOSFET的漏源极两端串联瞬态电压抑制双向二极管(Transient Voltage Suppressor, TVS)实现的，TVS管型号为1.5KE440CA，其单个钳位电压440 V，为了增大电压，采取三个这样的TVS管串联在MOSFET 的漏源极两端，当MOS管DS两端电压达到钳位电压时，二极管击穿，从而对MOS管进行过压保护。

3 实验

基于上述思路，设计了一台输入为AC220V、脉冲幅值25 kV、脉冲电流600 mA、平均功率为375W输出的样机，样机系统的电气总体框图如图7所示。对样机进行了几项实验测试，结果见图8、图9、图10。

图7 离子源引出电源系统电气总体框图Fig.7 Overall block electrical diagram of extraction pulse power of ion source.

图8 高压输出脉冲（脉宽900 μs）Fig.8 High voltage.

图9 高压脉冲和脉冲电流信号(25 kV/600 mA)Fig.9 High voltage pulse and pulse current signal.

图7 显示的是输出脉宽900 μs、25 kV高压脉冲信号，它是通过泰克P6015A高压脉冲分压探头在52 kΩ电阻负载直接测量的高压脉冲波形，此高压探头的测量信号幅度为1000X衰减。在负载低端所串50 Ω无感电阻分压测量的高压脉冲波形如图8通道信(CH1)所示，其分压比例约为825；图9的通道2信号(CH2)为在负载回路低端使用美国F.W.BELL公司的CLSM-25M型霍尔电流互感器测量的回路电流波形，其显示幅度与测量电流关系为1 V=600 mA。

图10 高压输出脉冲上升沿Fig.10 High voltage pulse.

4 结语

本文针对中国散裂中子源直线前端离子源的需求，研制了一种引出电源，该电源采用直流高压加开关器件的串联形式来获取高压脉冲的方案，本文提出了一种采用高频变压器隔离驱动的方式来解决40个MOSFET管串联时导通关断时间不同步的问题，针对MOS管串联管子易过压损坏的问题做了均压保护电路。电源输出脉冲高压25 kV、脉冲宽度900 μs、输出脉冲电流600 mA、脉冲抖动15 ns、重复频率25 Hz、脉冲上升时间200 ns，满足离子源引出电源指标要求，为直线前端离子源的长时间稳定运行打下基础。

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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年于广东工业大学获硕士学位，工程师，从事脉冲电源研究工作

2015-01-09，

2015-02-14