聚变装置辅助加热用高压电源方案有哪些？

目前常见的聚变装置辅助加热用高压电源方案有三种：带大功率脉冲调制器的 高压电源方案、基于 PSM 技术的高压电源方案和逆变型高压直流电源方案。

1. 带大功率脉冲调制器的高压电源

辅助加热系统关键部件均需配备带大功率脉冲调制器的高压电源实现快速关断。 根据《聚变装置辅助加热系统逆变型直流高压电源技术研究》，辅助加热系统关键 部件包括ICRH系统的大功率调速管、ECRH系统的电子回旋管和NBI系统的离子源 加速极，在调试和运行中，打火击穿现象频繁发生，其打火点能承受的能量极小， 发生打火时为其供电的高压电源必须要快速关断，阻止能量输入。限于大功率电力 电子技术的发展，早期的辅助加热高压电源普遍采用不控或半控器件，其控制具有 较大的分散性，关断响应很慢，达不到要求。而且高压直流回路有较大的电容器储 能，所以此类高压电源都要配备大功率脉冲调制器达到快速关断高压和保护系统的 目的。高压发生级常见有三种结构：（1）隔离升压变压器+高压不控整流；（2）降 压变压器+晶闸管交流调压器+升压变压器+高压不控整流；（3）降压变+原边带星 点控制器的升压变+高压不控整流。脉冲调制器常用的有基于大功率四极管的真空管 调制器和基于大功率半导体器件的固态调制器。

脉冲调制器是脉冲高压电源的关键部件，直接决定着高压电源的输出品质，其 肩负着快速开关和高压脉冲调制成型的任务。根据《聚变装置辅助加热系统逆变型 直流高压电源技术研究》，早期的大功率脉冲调制器由大功率四极管等真空管配套 相关调制电路构成，真空管作为开关元件肩负着通断高压的重任，同时也分担着快 速调节输出电压的任务，通过调节真空管的静态工作点就可以对输出电压进行调节。 带此类脉冲调制器的辅助加热高压电源稳定性和可靠性尚可，基本能满足早期的实 验需求。但随着物理实验的不断推进，真空管调制器损耗大、效率低、寿命短、价 格贵、脉冲时间短、可靠性差的缺点不断凸显，越来越不能满足高能物理研究不断 严苛的要求。随着电力电子技术日趋成熟，出现了串联IGBT等大功率半导体器件的 固态脉冲调制器，此类调制器损耗小、效率高、寿命长、可靠性高，能很好地克服 真空管调制器的缺点，但其在高压大功率场合的应用受到控制复杂、开关器件数量 多、器件间均压困难等难题的限制。 带大功率脉冲调制器的高压电源在磁约束核聚变等高能物理研究的发展中做出 了巨大贡献，是早期几十千伏至百千伏量级辅助加热高压电源的主流方案。国内外 部分采用基于大功率脉冲调制器的高压电源为辅助加热系统供电的聚变装置。目前 仍有大量此类电源工作在世界各地，随着基于大功率半导体器件的固态脉冲调制器技术的成熟，此类电源在未来仍将发挥一定的作用。

2. 基于PSM技术的高压电源

根据《聚变装置辅助加热系统逆变型直流高压电源技术研究》，1985年，为了 提高广播发射机高压电源的效率，瑞士布朗勃法瑞（Brown Boveri，BBC）公司的 W. Schminke提出了脉冲阶梯调制（Pulse Step Modulation，PSM）技术。九十年 代以后该技术被广泛地应用到了托卡马克辅助加热高压电源上，并逐渐成为了NBI、 ECRH等辅助加热系统高压电源的主流方案。基于PSM技术的高压电源原理是：电 源由N个完全一致的直流电源模块串联而成，模块的投入与切除通过导通或关断模块 中的开关S（采用IGBT等可控开关器件）实现，当模块切除后模块中的旁路二极管 为电源电流提供通道。电源的输出电压由处于工作状态的模块数量决定，输出电压 值为 Uout = M*Uo（M－投入模块数，Uo－单个模块输出电压）。采用适当的调制 策略后，可以实现PSM高压电源的输出电压在0～N*Uo之间连续可调。

基于 PSM 技术的高压电源通常采用交流电网或大功率脉冲发电机组供电。电 网或者脉冲发电机组传来的高压交流电经变压器系统降压、分流成多路等值的低压 三相交流电，变压器系统有三种形式：油浸式多幅边绕组变压器、干式多幅边绕组变压器以及油浸式隔离变压器+干式多副边绕组变压器。变压器系统的每一个副边绕 组接一个开关电源模块，将低压的三相交流电变换成直流，常见的开关电源拓扑有 三种：三相全波整流拓扑、三相半波中性点连接拓扑和三相全波中性点连接拓扑。 基于PSM技术的高压电源结构简单，效率高，电压调整范围宽、精度高，输出 电压纹波小，维修方便，而且便于容量升级，是当前国内外辅助加热高压电源的主 流方案。根据《聚变装置辅助加热系统逆变型直流高压电源技术研究》，目前有大 量PSM高压电源在世界各地运行，同时也有大量在建和计划建造的PSM高压电源。 但是PSM高压电源受电源结构的限制，电压等级普遍在几十kV至百kV级别，当作为 更高电压等级的电源方案时，需要开关电源模块数量太过庞大，导致电源的控制、 安装以及运行将变得极为繁琐。

3. 逆变型直流高压电源

逆变型直流高压电源由前级整流器、直流母线系统和隔离型直流升压变换电路 三部分构成。根据《聚变装置辅助加热系统逆变型直流高压电源技术研究》，M. Mizuno 等人在1989 年提出逆变型直流高压电源（Inverter Type High Voltage DC Power Supply）的概念，作为日本JT-60U装置N-NBI系统加速极500kV/60A 高压电 源方案。逆变型直流高压电源前级整流器用于将电网交流电变换为直流，可以采用 二极管不控整流，也可以采用晶闸管相控整流和高频PWM整流，以便按需调节直流 母线电压的大小。直流母线系统由电容器组和相关滤波系统构成，为后续电路稳定 地馈电。直流母线电压经隔离型直流升压变换电路变换，首先被逆变成高频交流电， 然后经升压变压器升压，最后经高压硅堆整流获得直流高压。通过对逆变环节的调 制，可以在低压侧实现对高压侧输出电压的开通关断及连续平滑调节，逆变环节及 其调制是此类电源的关键，故而此类电源被称作逆变型直流高压电源。单级逆变型 直流高压电源的输出电压在几kV至百kV级别，为了扩大电源的容量、提高电源的输 出电压等级，此类电源可以效仿 PSM 电源的模块化结构，由多个完全相同的较低 电压等级的单级逆变型直流高压电源级联构成较高电压等级的电源。

逆变型直流高压电源应用前景广阔。逆变型直流高压电源的关键是其低压侧的 逆变环节，该电源需要大量的大功率全控型开关器件，系统的成本较高，控制复杂， 可靠性较低。但随着大功率电力电子器件及相关控制技术的不断进步，其成本和可 靠性均已在可以接受的范围。与此同时，逆变型直流高压电源特别适用于特高压场 合的优点不断突出：一方面，逆变型直流高压电源高压输出侧采用不控整流电路， 其输出电压的大小通过改变低压侧逆变器的占空比进行控制，高压侧没有全控器件， 电源的触发控制环节均位于低压侧，高压侧和低压侧的电气隔离由隔离升压变压器 实现，控制系统耐压低、稳定性高；同时其输出电压的快速建立和快速切断也是通 过控制低压侧逆变器实现，高压侧不需要直流高压断路器，降低了技术难度。另一 方面，逆变型直流电源可以通过选用变比较大的隔离升压变压器即可获得很高的直 流电压输出。逆变型直流高压电源目前是几百千伏至兆伏级高压电源的主要方案， 随着技术的进步和科技的进一步发展，逆变型高压电源相关技术将不断成熟并在未 来会有广阔的应用前景。