多极磁阱装置脉冲电源设计

冯虎林，许继承

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近年来，等离子体磁约束的研究一直是科学家研究中的热门。但是，没有强磁场的保证就无法进行等离子体的磁约束实验。稳态强磁场相比脉冲强磁场的产生更加困难，建造也更加复杂[1]，所以在条件限制下，采用多极磁阱磁约束装置产生强磁场并约束等离子体。该装置采用脉冲工作方式，产生的脉冲强磁场场强较高，但是其脉宽较窄，通常为十几个毫秒到几十毫秒，对于大多数工程物理实验已经能满足用户需求。为了产生强磁场，必须设计合适的脉冲电源来驱动多极磁阱磁约束装置。通常的脉冲电源可分为电容器型、脉冲发电机型、电网型、电感型以及蓄电池型等，其中脉冲电容器型电源设计相对简单。本文设计一种脉冲电容器电源用来驱动多极磁阱磁约束装置产生强磁场并约束等离子体[2]。充电装置电压在0%～100%范围内可调，利用晶闸管开关可实现微秒级快速开通。充电和泻能开关要求不高，故采用真空接触器即可满足要求。各套脉冲电源之间的开通延时时间在微秒内可调，脉冲电源可以根据系统的测试需求设置所需要的电压值。

1 设计要求

由于该装置需要多极磁阱障壁磁场的磁感应强度是0.1 T，多极磁阱中等离子体的密度约为1019/m3量级，等离子体的离子温度为100 eV 量级，并达到多极磁阱装置的工作时间约为10 ms[3]。经过有限元仿真计算，此时盲鳗线圈电流约为1 500 A，脉冲电流平顶宽度约为0.5 ms。由于相关文献中被没有给出在障壁磁场为0.1 T 条件下的螺线管线圈电流值和脉冲宽度，根据实际现场测试，螺线管线圈电流约为200 A、脉冲电流平顶宽度约为20 ms 满足上述要求。

2 脉冲电源设计

2.1 脉冲电源开关器件选型

由于脉冲电源放电和关断需要响应速度毫秒级，因此选择合适的电力电子开关器件十分必要。通过调研和分析，常用的电力电子开关器件有SCR、GTR、MOSFET 以及IGBT 等。脉冲电源需要耐高压、大电流的开关器件。此外，在器件选型中要考虑器件的成本等。由于该装置脉冲电源的电压、电流需要容量较大，开关频率要求较低，只需要触发其导通，不需要控制其关断，因此设计选择普通的晶闸管（SCR）即可满足设计需求。晶闸管的电压和电流具体参数要根据整个电源的耐压等级和通流峰值选定[4]，所以本文选取的晶闸管型号为KPX2700-20。

2.2 脉冲电源参数求解

根据上述的脉冲电源设计要求及其拓扑，设计需要求解得到各个回路的器件参数。整个电源回路已知的参数只有负载线圈的等效电感和等效电阻。通过对比3 个主回路，脉冲电容器的选型是该脉冲电源设计的关键。通常，电源工程师采用经验法选取合适的脉冲电容器，并进行仿真和测试，以判断是否满足负载要求。本文采取理论推导、计算求解并结合Pspice 仿真工具进行实际验证。

由于充电回路和放电回路中电压源V1和卸能电阻[5]R1的求解必须基于供电回路中脉冲电容器C1的选取，为了方便进行电路计算，供电回路中的续流二极管可根据耐压值等进行选取，电路分析时可忽略。

根据盲鳗线圈脉冲电源设计要求，建立二阶微分方程来描述RLC 模型[6]。

根据基尔霍夫电压定律以及电容和电感的VCR 方程，可得：

已知盲鳗电源供电回路参数L=8.47 mH，R=0.626 Ω，求解得C＞8.6 mF。此时，RLC 电路不能振荡放电，其峰值电流小于1 500 A，因此电容C＜8.6 mF。考虑到电容体积和成本，电容容值C＜8.6 mF，取Uc=3 000 V，则imax=1 658 A。因为电流脉冲宽度计算较为复杂，采用Pspice 软件联合仿真及验证可知，经过3τ～5τ时间过渡过程即认为电容放电结束。由于设计放电时间τ=1 s，因此，通过计算可得卸能电阻R1=200 Ω，故选择卸能电阻型号为200 Ω/200 W。同理，螺线管线圈脉冲电源电容器容值也可利用该方法计算得出。

3 结 论

根据多极磁阱线圈提供的参数，通过计算得出脉冲电源的电容值、泄能电阻、开关电流等相关参数，利用仿真软件得到的电流波形与实际设计的相符合。最后，经过实际测量等离子体放电波形与计算及仿真结波形相比，两者的电流波形趋势相一致，满足负载设计要求。