2025年可控核聚变行业专题报告：核聚变“黑马”FRC，关注半导体开关产业趋势

为什么关注可控核聚变FRC（Field-reversed Configuration，场反位）路径？

FRC核聚变路径造价低，有望率先实现商业化

FRC结构简单、造价低：FRC不需要像托卡马克一样多的磁体来保持等离子体的约束和稳定，FRC等离子体 自主形成内部磁场，降低对外部磁体需求，所以FRC装置对于磁体部件的需求下降，也就意味着基于FRC路 径的聚变装置的结构可以更简洁和紧凑，体积更小，进而可以大幅降低制造成本，也使得FRC装置更易于实 现商业化。

高β值，聚变功率输出更高：FRC等离子体的β值（等离子体压力/磁场压力）比托卡马克高，高β值意味着 FRC可以用小于托卡马克的磁场强度约束住同样体积或密度的等离子体。TAE指出在同样磁场强度和等离子 体体积的情况下，FRC聚变装置可以得到的聚变输出功率是传统托卡马克的100倍以上。

可以实现能量回收，提高发电效率：场反位聚变的独特属性是等离子体β值高，场反位等离子体β接近100%。 相比之下，托卡马克等离子体平均β为5%或更低。高β值意味着更方便直接从等离子体中进行能量回收，进 而提高发电效率。

为什么在FRC装置中更关注电源系统？

电源系统是FRC稳定运行的关键

在FRC核聚变装置中，最核心的是使用θ-pinch线圈在装置两端产生“初始等离子体”，然后这些等离子体会 被喷射到装置中间，发生碰撞，合并形成新的“FRC等离子体”。因此，θ-pinch线圈在等离子体的形成过程 中起到至关重要的作用。

我们以华中科技大学建设的HFRC实验装置为例，它包括两端的两个“形成区”和中间的一个“压缩区”。 “初始等离子体”在形成区产生，然后被喷射到压缩区进行碰撞、合并和磁压缩。

因为FRC等离子体的形成和喷射是高度动态化的，所以给θ-pinch线圈提供电能的高压脉冲电源的精准放电 控制的重要性不言而喻。

高压脉冲电源由4个分支组成，即Bias、PI、Main、Crowbar，每个分支对应一个放电阶段，对应等离子体 不同的状态，它们依次放电以产生电流，给θ-pinch线圈供电，并分别由S1-S4开关控制。

首先是Bias阶段，第一阶段放电（在HFRC装置中大约几十μs），产生使等离子体可发生初始电离的Bias磁 场。 然后进入PI阶段，在第二个阶段的放电，会产生更大的振动频率，进而给初始等离子体提供更好的电离环境。 此后进入Main阶段，第三个阶段放电，磁场会在几μm中快速反转，磁场线重新连接并形成一个封闭的磁场 面，该阶段产生FRC等离子体。然后，FRC等离子体会被轴向加速并喷射到中间的腔室进行碰撞和磁压缩。 最后是Crowbar阶段，第四个阶段放电，主要是用来延长FRC等离子体的持续时间。

开关技术直接决定放电效率、间接影响商业化可行性

由于θ-pinch电源系统的开关在瞬时状态下需要承受高电压（高达几十kV）和高电流（高达上百kA），因此 HFRC实验装置的脉冲电源开关目前选用的是具有耐高压和高电流能力的TDI氢晶闸管，并设计了基于IGBT 的脉冲开关触发器。

Helion采用直接磁能回收技术，验证电子电力器件技术可行性

直接磁能回收原理：等离子体β值越高，体内压力越高，高β等离子体随着聚变的发生而膨胀，足够强时可以 反推外部磁场，从而产生电流，实现从聚变过程直接回收电力，可以直接省略蒸汽发电阶段，是低成本实现 商业化聚变发电的关键。

Helion在2015年使用IGBT首次实现了直接磁能回收。其创始人David Kirtley在2024年7月公开表示Helion脉 冲聚变核心依靠两个电子器件：高压电容和半导体芯片。2025年1月Helion再获4.25亿美元投资后，David再 次提到公司会以更快的速度建设电容、磁体和半导体器件。

行业趋势：半导体开关用于大型驱动器是新产业方向

驱动器的的重复频率运行能力和寿命潜力取决于开关器件及其同步触发技术。 目前来看，基于低气压放电机理的气体开关（氢闸流管、伪火花开关和BLT）在重复频率长寿命性能方面具 有潜力，但不足之处在于“个性较强”，即每个开关由于个体差异导致触发控制条件不同，想要精确同步， 每个开关都需配置独立的触发控制系统，这就导致整个触发控制系统较为庞杂。 长远来看，半导体开关器件用于大型驱动器是大势所趋，主要系半导体开关器件具有较高的寿命和可靠性。 目前半导体开关的问题在于功率容量低、电流上升速率低且相对价格高，但由于半导体开关技术发展较快， 且有降本趋势，半导体开关或将在价格和性能上有优势。

重点公司分析

赛晶科技：脉冲电源开关获美国聚变公司TAE订单

赛晶科技是业内领先的电力电子器件供应商和系统集成商。公司成立于2002年，2010年在香港主板上市。公司专注于两大高端技术领域：功率半导体及配套器件技术、电力系统创新技术。

瑞士Astrol电子有限公司是赛晶科技集团的子公司，成立于1996年，是欧洲著名的电力电子固态开关专业设 计、制造供应商，为瑞士ABB半导体设计和配套电力电子组件。后来ABB半导体负责高功率电力电子开关的 部门分离出来并入了Astrol，Astrol传承了ABB半导体在相关大功率电力电子开关领域的多年积累和沉淀。在 高压大功率领域，拥有业内技术领先的全固态直流断路器、固态交流开关和高功率脉冲技术。

2022年赛晶科技子公司–——瑞士Astrol公司的脉冲电源产品再获可控核聚变研发新订单。向一家可控核聚 变技术领先的美国公司，提供高压、高di/dt的脉冲电源用于其一项新型可控核聚变反应堆的研发。该项目， 将先期建立一个测试平台，并有望于2023年开始建设一个规模更大的反应堆。Astrol公司提供的脉冲电源产 品，将全部由Astrol公司自行设计和集成。其中，采用了一款独特di/dt的门极换流晶闸管（GCT）为核心器 件，并集成了Astrol公司自主研发的驱动器，从而实现了极强的脉冲电流和非常快的开关速度。

Astrol 的固态功率开关在高功率范围内，电压高达 100kV，额定电流可扩展，通常在数十甚至数百 kA的范围内。 此外，它们是全固态的，这意味着它们可以在没有任何活动部件的情况下切换大电流。电流由半导体元件接通 和关闭，这些元件串联以实现所需的额定电压，在某些情况下并联以实现比单个元件更高的额定电流。

这是一款基于IGBT的脉冲开关，公司的这款IGBT开关可用于聚变电源系统的多个领域，包括等离子体加热和控 制、磁约束以及功率转换和分配。 超快 IGBT（绝缘栅双极晶体管）：公司将 IGBT 等半导体器件用于电力电子应用。结合了 MOSFET（金属 氧化物半导体场效应晶体管）的优点和双极晶体管的高电流能力。超快 IGBT 的开关速度（器件打开和关闭 所需的时间）针对快速运行进行了优化。 高速运行：超高速 IGBT 使断路器能够在微秒内响应短路事件。最大限度地减少对系统运行的影响。 高电流处理能力：IGBT 可以处理大电流。使其适用于涉及大量电力的聚变电系统。 可靠性：基于 IGBT 的断路器具备高可靠性和长寿命，可确保聚变发电系统的持续安全运行。

宏微科技：国内半导体功率器件领军企业之一

宏微科技是国内功率半导体器件行业领军企业之一。成立于2006年，主营业务为功率半导体器件的设计、研 发、制造及销售，主要产品包括 IGBT、MOSFET、FRD、SiC 等芯片、分立器件、模块等功率半导体器件。 公司自产 IGBT、FRD、SiC 芯片技术已达国际先进、国内领先水平，打破国外垄断，填补了多项国内空白。

2025年6月，合肥综合性国家科学中心能源研究院与宏微科技进行“功率器件可靠性评测方法和寿命预测联 合实验室”签约，共同攻克我国功率器件行业发展的关键技术难题。

旭光电子：真空开关设备国内领先企业

成都旭光电子股份有限公司，前身国营旭光电子管厂，1965年创建于四川广元。历经50余年，公司以真空开 关设备、电真空器件、电子陶瓷材料、智能控制快速开关、专业设备制造等多元化的研发、生产制造、销售 为主业，涉及电子管、真空灭弧室、固封极柱、高低压成套配电装置、直流输配电以及电子陶瓷、电子工业 专业设备和动力能源制造、金属零件精密铸造、嵌入式计算机等领域。

2025年7月，旭光电子受邀参加中国首座直线型核聚变装置点亮仪式。点亮仪式上，旭光电子与瀚海聚能 （成都）科技有限公司于现场完成了战略合作签约。双方一致同意，将在技术研发、聚变领域商业化发展等 方面展开深度合作，共同开拓市场新机遇。

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编辑：火腿肠