230 MeV超导回旋加速器主磁铁电源的研制

葛 涛，王 川，殷治国，廖家芬，张天爵

（1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.成都大博电气有限责任公司，四川 成都 610091）

0 引 言

癌症是威胁人类健康的重大疾病，质子治疗是治疗癌症的重要手段之一。目前，质子治疗驱动加速器主要为回旋加速器，特别是超导回旋加速器，由于结构紧凑，综合功率低，耗电量小，所以可大幅降低运行成本。中国原子能科学研究院长期致力于医用回旋加速器的产业化研究[1-2]，目前正在建造一台用于质子治疗的230 MeV超导质子回旋加速器。该加速器的核心部件为主磁铁超导线圈，其供电的主磁铁电源，除满足线圈正常工作需求外，还应具备失超保护功能。

1 主磁铁电源主要技术参数

表1所示为主磁铁电源主要技术参数。

根据理论计算的结果，该电源具有电流大、负载电阻小及电流稳定性高等特点。相比于普通的稳流电源，由于其负载为处于超导状态下的大电感线圈，其电源应依据所需励磁的超导体的特性，采用合理的拓扑方案，并且合理设计失超保护与电源连锁，以确保电源及相关设备的正常工作。

2 电源主回路设计

主磁铁电源的主回路采用了“二十四相整流电路+2路斩波电路错相并联+失超保护”线路。如图1所示，主回路由进线断路器、输入EMI滤波器、交流接触器、软启动器、二十四相整流变压器、二十四相整流电路、低频滤波电路、BUCK变换器、高频滤波电路、快速泄能模块、失超判断电路、电流反馈DCCT和远控回读DCCT、前馈电压取样电路及直流电压取样电路等组成[4]。

表1 电源主要技术参数

图1 主磁铁电源主回路原理图

2.1 前级LC滤波设计

为确保后级斩波输出的控制精度与纹波要求，前级的直流输出纹波至少应小于1×10-3。图2所示为计算机仿真软件ANSYS Simplorer搭建的仿真电路图[3]，其中4组电源在相位上互差15°。

由于变压器的次边是两个绕组，分别是Y形接法和Δ形接法，要将其输出的电压做到完全一样是很难的，再加上输入的三相电压并非完全一致，所以势必将极大地增大其输出的直流纹波，且整流变压器的换相重叠角也对输出纹波有一定的影响。经Simplorer仿真与具体的试验得出了相应的参数，实际中采用了两级LC滤波，第一级电感为L1=400 μH，电容为C1=3×68 000 μH/100 V；第二级电感为L2=200 μH，电容为C2=3×68 000 μH/100 V。

图2 二十四脉波整流及滤波仿真电路图

2.2 后级LC滤波设计

每只IGBT的斩波频率为10 kHz；两只错相斩波，最终频率可达到20 kHz；在斩波电路中，每只IGBT斩波后都分别进行了LC滤波，然后再进行并联输出，因此每只IGBT的占空比调节范围均为0%～100%。

实际高频滤波电容选取的是100 μF/DC500 V；由于负载为大电感，在保证输出电压纹波的基础上，适当选取滤波电感，实际选取的是100 μH。

两只IGBT在开通相位上互差180°，组成错相倍频BUCK电路[5]。负载电流AM1作为反馈信号，给定值为额定300 A；经PI运算后与三角波进行比较，生成PWM脉冲，分别控制IGBT1与IGBT2开通与关断；三角波的频率为10 kHz，两个三角波的相位互差180°。电源输出的电压与电流仿真波形如图3所示。

3 控制单元设计

为实现主磁铁电源输出电流的高稳定度，在控制单元设计方面，采用了基于数字控制的方式。主磁铁电源的控制单元主要由电流控制单元和失超控制单元组成。其中，电流控制单元主要功能是实现非失超状态下的整机控制和电流控制，支持本控和远控；失超控制单元的功能是失超检测和控制。图4为电源控制单元原理图。电源的工作状态主要有待机、励磁、恒流、降场及失超等5个状态。

图3 电源输出电流与电压仿真波形

图4 控制单元原理图

4 失超保护设计

主磁铁电源的负载线圈浸泡在液氦中，低温系统零挥发。线圈具有固有的失超稳定性（大铜超比，安全余量很大），无需主动保护，因此失超保护采用被动方式[6]。图5为失超保护原理图。

图5中的A、B、C三点为负载线圈两端及中间引出线，在高温超导电流引线处，设有温度探测点和电压探测点。这些点构成了整个电源及负载的失超探测点。UAB与UBC的电压值，高温超导电流引线的温度值、电压值分别引入电源失超检测单元，失超检测单元通过与相应的设定值比较来判断负载是否失超。当负载失超时，失超检测单元与电流控制单元通过控制快速泄能开关K1、失超开关K2的通断来实现对负载的保护。

电源及负载正常工作时，快速泄能开关K1闭合，失超开关K2闭合，电源与负载线圈构成回路，通过电源的稳定输出，为超导线圈励磁。快速卸能模块并联接在电源输出端，在降场和断电时，K1由闭合变为断开，K2保持闭合状态，负载线圈储能通过快速卸能模块释放。

图5 失超保护原理图

电源及负载正常工作时，UAB-UBC为零，高温超导引线的温度值和电压值为固定值；当失超控制单元检测到UAB-UBC值有变化、或UAB、UBC值与设定值有明显变化、或高温超导引线的温度值和电压值与设定值有明显变化时，即认为失超。前句任一一个条件满足即可触发失超保护。此时，首先主动关断主磁铁电源主回路开关，同时失超开关K2由闭合变为断开，快速泄能开关K1闭合状态不变。超导负载线圈内存储的能量，通过低温恒温器内并联在负载线圈上的二极管与电阻卸能，起到保护负载线圈的目的。

5 电源的测试

在输出电流为300 A时，对电源进行稳定度测试[7]，使用Agilent 34970A DAU多通道数据采集器、TOPACC 2000A 电压型直流电流传感器及相应的Benchlink测量软件进行自动采集、记录及统计，得出的测量结果如图6所示。其中，电流最大值为300.269 54 A，电流最小值为300.264 555 A，电流平均值为300.266 417 7 A。电流稳定度为(Imax-Imin)/Iav=1.660 19E+05。

图6 电源稳定度测试曲线

失超测试是打开线圈内部的加热器，主动引发失超。电源设置中，设定了失超检测动作时间、失超电压幅值等。测试结果显示，电源的失超保护功能检测灵敏，动作可靠。图7为失超保护动作时间，约为382 μs。

图7 失超保护动作时间

6 结 论

230 MeV超导回旋加速器电源于2018年初设计加工完成，目前在230 MeV超导回旋加速器主磁铁测磁工作中已投入使用，累计稳定运行了近800 s，其中因主磁铁制冷水机故障引发超导线圈失超一次，失超时，主磁铁电源失超保护功能投入及时，保护了超导线圈。根据电源的使用过程可知，该主磁铁电源原理设计合理，失超保护功能齐全、灵敏，达到了设计要求。