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Pulsed power supplies and modulators 脉冲电源和调制器 谷 鸣 中国科学院上海应用物理研究所 Shanghai Institute of Applied Physics, CAS 2010.8.1 The Sixth Overseas Chinese Physics Association ACCELERATOR SCHOOL Beijing，China，July 29 – August 7, 2010 2 Introduction 脉冲电源是一个应用很广的技术领域。在粒子加速器装置中的应 用也已经有40多年的历史。脉冲电源在加速器装置中的功用主要有二 个： 1. 束流偏转：激励脉冲磁铁，快速的偏转运动的带电粒子。实现束流的 注入(injection)、引出(extraction)和剔除(dumping)等操作。应用于储 存环、同步加速器（增强器）等。 2. 束流升能：驱动速调管（Klystron），产生高功率微波(RF)调制脉 冲，激励加速管加速电子束流（升能）。主要在应用电子直线加速器。 脉冲电源和速调管整合也称速调管调制器（klystron -modulator）。 各种低功率的脉冲电源技术还用于加速器的束流测试、粒子源等。 3 Introduction 在大型的粒子加速器装置中往往 需要使用大量的脉冲功率电源系统。 SNS、Collider、FEL、SRF、Linac等 注入、引出： CERN的加速器实验装置，需要 近百台冲击磁铁(kicker)和脉冲电源， 实现粒子的注入、引出等操作。 电子加速升能： 日本的SCSS （XFEL）装置的直 线加速器安装了71台调制器，加速电 子束能量到8GeV。更高能量的直线 加速器需要更多的调制器。 4 脉冲电源类型 在加速器装置中，脉冲功率电源可以分为三种类型： • 慢脉冲电源： 脉冲切割磁铁（septa）电源和凸轨（bump）磁铁电源是微秒（μs）到 毫秒(ms)量级的慢速设备。 数百到数千伏电压，数十到数千安培电流。 脉冲波形为半正弦波形或三角波。 • 快脉冲电源： 冲击磁铁是快速的脉冲系统。脉冲波形通常为梯形波形，快速冲击磁铁 通常需要数十到数百纳秒(ns)的上升时间和数十纳秒到微秒的脉冲宽度。 也有更长脉宽的冲击磁铁。 • 脉冲调制器： 脉冲调制器的主要特点更高的脉冲电压，几百千伏(kv)到兆伏(MV)， 几百到几千安培电流。脉冲波形为梯形；脉冲前沿要求亚微秒，脉冲宽 度（平顶）在几百纳秒到几微秒。重复频率从几赫兹到数百赫兹。 5 脉冲电源技术 ‹ 功率转换：在一个较长的时间期间内将交流供电电源的能量累积 在电容或电感中，然后在很短的时间内用开关以脉冲的形式释放出 来，输出高功率的脉冲。加速器脉冲电源和调制器通常使用电容储 能。 ‹ 脉冲成形：脉冲电源的脉冲成形电路通常采用电容放电、电感电 容谐振、脉冲形成网络（PFN：Pulse Forming Network）和脉冲形成 线（PFL：Pulse Forming Line）。还有采用饱和磁芯电感来压缩成 形脉冲，输出高功率脉冲。 ‹ 脉冲开关：闸流管（Thyratron）、火花隙放电开关、晶闸管 （Thyristor）和可关断晶闸管（GTO：Gate Turn-Off Thyristor）， 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET：Metal Oxide Field Effect Transistor）和绝缘栅双极型功率管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）等。 6 脉冲电源研发 ‹ 加速器和物理实验希望又快又强的脉冲功率源系统。随着加速器装 置性能要求的提高，对脉冲功率电源的要求也在逐步提高，运行寿 命、可靠性、紧凑性、高精度波形、高重复频率以及高效率。 ‹ 高功率脉冲电源发展的制约器件通常是开关器件，开关的性能限制 了脉冲峰值功率和重复频率的提高。固态开关的性能提高，推动着 新型的脉冲电源技术不断的发展进步。近10多年来，固态调制的脉 冲电源技术发展迅速，固态开关大规模的并联和串联应用在高功率 脉冲电源中，有效的提升了脉冲电源的性能。 ‹ 伴随固态开关的应用，研究和开发了多种新型脉冲电源电路。在固 态脉冲电源的研究中需要重点克服的技术问题有：电压电流均分、 高压瞬态同步开关、寄生电感电容干扰等问题。 7 高功率脉冲开关 ‹ 气体开关：以往的大功率脉冲电源的设计都是采用气体放电开关---闸 流管（thyratron）、火花隙放电开关（spark）等。（60kV，10kA） 气体开关的缺点是：不能主动关断、有限的使用寿命、重复频率低和 高损耗。 ‹ 固态半导体开关 Solid-State Switches ： 高功率半导体器件在开关速度、耐压和导通电流性能上的提高，使 固态开关成了脉冲电源开关的主要选择。半导体开关的优点是可关 断，使用寿命长，重复频率高。 固态开关与闸流管等气体开关相比的不足是耐压低，因此必须开 发新型的电路拓扑，固态开关的选择与脉冲电路的电路拓扑结构有很 大的关联，两者的合理组合才能达到高性能的目的。 8 半导体固态开关 Solid-State Switches ‹ 晶闸管（Thyristor）、可关断晶闸管（GTO） 耐压数千伏和脉冲电流可达1万安培以上；较低的开关速度成了其应 用于快速脉冲电源的障碍。应用于脉冲切割磁铁电源和凸轨磁铁电源中 作为开关部件。 ‹ 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET） 绝缘栅双极型功率管（IGBT） MOSFET开关速度比IGBT快。IGBT-200ns，MOSFET-20ns。 IGBT的高压损耗较小、价格低，最高耐压可达6500V。 MOSFET的耐压低于2000V，脉冲电流小。 通常MOSFET用在必须要高速开关的场合。由于MOSFET比IGBT更 容易串并联叠加集成，有时也在低速电路中使用。 9 脉冲电路---RC放电成形 当充有电压VC的电容被开关接通到电阻R 上时，电阻上的电压波形为： VR = VC·e-t/τ 其中， τ=RC 脉冲指数后沿的时间常数。 阻容放电电路的特点是与开关门控信号同 步的将电容能量直接加载到负载上，电阻上 的电压（电流）脉冲有很快的前沿，但是脉 冲幅度随之降落，没有平顶。 为了获得（准）方波脉冲波形，必须适时 的关断开关，而且电容中的储能必须比输出 脉冲能量大1到2个量级，这样使的开关关断 时形成脉冲的顶降才能较小。也就是说，时 间参数τ=RC要远大于脉冲宽度T。 VC VR VR = VC·e-t/τ T 10 RC放电电路拓扑 (topologies) 基本的RC电路很难有单个固态开关满足实际高压的需求。需要应用 多个固态开关的来实现高压开关的目的。 开关直接串联： 提高耐压 MOSFEL和IGBT由于它们正的温度系 数，使它们相对容易的并联集成。但是 串联就比较难了，需要有综合的监测和 同步电路来保证电压在开关上均匀的动 态分配，防止损坏。 另外，还必须有保护电路防止开关的 连锁损坏，应对过流时的紧急关断。 串联开关电路看似简单，但是复杂 的动态电压平衡电路常导致开关的响应 时间增大。另外，电容充电到需要的高 压，还要昂贵的高压直流充电电源。 直接串联开关电路 拓扑 11 RC放电电路拓扑 回避直接使用高压开关的一个解决是变压器耦合升压，多初级驱动。 ¾ 输出电压取决于变压器的变比； ¾ 输出功率（电流）是各初级驱动功率的迭加，均分开关电流。 ¾ 初级线圈的分别驱动和控制，保证了更好的电流均衡。 优点： 9 合理的低压直流电源； 9 开关激励驱动与输出绝缘； 9 脉冲极性可正可负； 9 开关驱动简单，因为都相对地电位。 缺点： — 磁芯需要退磁，占空比不能大于10%。 — 脉冲宽度受磁芯的伏秒性能限制， （磁芯体积的限制。） — 脉冲上升时间受变压器漏磁限制。 — 需要良好的同步驱动从而避免开关过载。 — 变压器损耗 约5%。 脉冲变压器升压电路 拓扑 12 RC放电电路拓扑 为了减少变压器体积可以将多个变压器级联串接。 输出电压是各单元电压的迭加；电流取决于单元的驱动电流。 特点是添加了二极管并联在初级、所以开关管的同步开关就不很关 键了、每个开关管可以独立的开通或关断，因此输出电压可以由开关管 开通数量调整。与前面的多初级电路相比，变压器变比小，漏感小。 优点： 9 合理的低压直流电源；激励驱动与输出绝缘； 9 脉冲极性可正可负；开关驱动简单。 9 很好的电流分配； 9 不必要求严格同步所有开关。 9 靠增减开关管开通数量选择不同的输出电压； 缺点 ： —变压器需要退磁，最大占空比不能大于10%。 —脉冲宽度受磁芯的伏秒性能限制， （磁芯体积的限制。） —脉冲上升时间受变压器漏磁限制。 —变压器损耗 约5%。 —与单个变压器比较，集成要复杂。 串联变压器串接级联 电路拓扑 13 RC放电电路拓扑 加法器电路：没有变压器隔离在电容和负载 之间，具有很快的前沿时间，脉冲宽度不受变 压器限制。难度是开关电路的浮动特征，每个 基本单元相对地电位有很高的dV/dt，电容和开 关电路必须承受浮动冲击。触发电路通常使用 变压器隔离、光缆隔离或无线感应触发。 输出功率：输出电压迭加，电流由单元驱动 电流决定。 优点： 9 合理的低压直流电源；优良的电流分配 9 不需要良好的开关同步; 9 可改变输出电压，有调整开关管开通数量调整。 9 没有变压器退磁电路；高占空比 9 不限制脉冲宽度, 非常快的上升时间，低损 耗； 缺点： — 输出不隔离, 只能是负脉冲； — 相对复杂的浮动开关驱动电路。 — 杂散电容的影响大 加法器电路拓扑 Marx 14 脉冲电路---RLC谐振放电电路 '' ' R R R R 1V + V + V 0 L LC = RLC电路可以用下面的微分方程描写： RLC电路在不同的负载电阻值条件下有不同 的响应。 1. 当R=0时，电路将产生自由振荡，振荡频 率和振荡电流为： 0 1f 2 LCπ= *I sin LC C L V C t LC = 4. R > 2(L/C)1/2, 电路过阻尼，脉冲后沿很长。 2. 0 < R < 2(L/C)1/2; 阻尼振荡；（图a） 3. R = 2(L/C)1/2 ；临界阻尼振荡；（图b） 15 脉冲电路--- PFN脉冲形成电路 将多个LC电路单元串接就构成了脉冲形成网络（PFN： pulse formatting network） PFN的成形波形如图所示，串接的LC单元数越多，脉冲波形越宽，前沿越快， 越接近于矩形波形。在调制器的PFN电路应用中总是要使PFN阻抗设计为近似等于 负载阻抗。 这种PFN形成波形的过冲和振荡总是存在的，实际应用中可以通过调整部分单元 的L或C的值可以对波形做一些补偿抵消。 设 PFN单元级数为n，总电容C0，总电感L0，输出脉冲宽度T（半高宽），PFN 的特征阻抗为Z0 ,电容上的初始充电电压VC。 0 LZ C = 0 02T L C= 0C nC= 0L nL= 0 R C RV V Z R = + 16 脉冲电路--- PFL脉冲形成（Pulse Forming Line） 传输线电缆也是一个分布电容，它也能代替电容器储能。电缆充电储 能后，被开关释放到匹配的负载上时产生一个恒定电压的脉冲（方波）。 为了使电缆的储存能量完全转移到负 载，负载阻抗ZL必须与电缆的特征阻抗ZC 一样。这样，在负载上产生充电电压一 半的方波脉冲，脉冲宽度是传输线时间 的2倍。 当阻抗匹配有差别时，脉冲幅度和波形 会出现不同的变化： 电阻匹配： 正失配： 负失配： 传输线时间：tl = L ε 1/2/c = 1.5L/c ε: 电缆介质的介电常数(通常取2.28) L：电缆长度。 C:光速 传输线脉冲形成电路1 17 脉冲电路--- PFL脉冲电路 上面电路结构的一个缺点就是放电开关必须接在电缆芯线和负载之 间，浮在高压上。下面的电路结构将开关对地连接，但是输出的是负脉 冲。 这种结构虽然简单，开关接地，但是也有缺点，就是同轴电 缆的外导体是浮动电压的。 传输线脉冲形成电路2 18 脉冲电路--- PFL脉冲电路 自匹配电缆放电电路 传输线放电的不便（缺点）是负载必须与电缆的特征阻抗一致。这 个条件在某些应用场合和负载上并不是总能满足的。自匹配电缆结构克 服了这个不便（缺点）。用一个附加的电缆匹配阻抗ZC吸收所有的不匹 配负载反射回来的能量。缺点是损耗大，至少50%的电缆储能被附加的匹 配电阻消耗了。 该电路拓扑的也有同轴电缆外导体电压浮动的缺点。而且电缆两端和终端电 阻的电感要非常小才能获得快的上升时间。开关不仅要释放电缆电容的储能而且 还要释放电缆外导体对地电容的储能。如果搭建的好的话，这种电路能够产生非 常好的波形。 19 脉冲电路--- Blumlein 传输线放电 传输线脉冲发生器的不便之处是高压运行。匹配输出脉冲电压只有 充电电压的一半。 Blumlein传输线电缆结构解决了这些问题。电路由两对（或多对） 传输线电缆组成。快速短路开关引起电压在一半电缆内反转。输出脉冲 电压与直流充电电压相同。脉冲宽度是传输线时间的2倍。输出脉冲的前 沿延迟了一根传输线的时间。 两种基本的Blumlein电路结构： 一种是两根独立的传输线电缆 一种是双屏蔽层同轴传输线电缆 20 脉冲电路---磁脉冲压缩 饱和磁芯电感 --- 脉冲压缩成形的器件。 电感器的电感量与磁芯的相对磁导率成正比。通常磁芯的相对磁导 率可以在10000以上。当磁芯饱和时，磁芯的相对磁导率降为1，电感量 急剧下降，对脉冲电流的阻抗急剧降低。 ¾ 磁芯饱和的速度在纳秒量级，其导通功率几乎没有限制。这是由于 它自身极强的自然特性。 ¾ 在饱和状态，磁芯电感的阻抗是空心电感的阻抗；在非饱和状态， 它的阻抗大于导通阻抗10000倍以上。 饱和磁芯电感不是一个门开关，它需要 与开关搭配使用才能达到高速开关的目的。 饱和磁芯电感和固态开关串联使用从而锐化 压缩脉冲波形；在磁压缩设计中获得数百 GW(gigawatt)量级的脉冲功率。 饱和磁芯开关只能制作固定宽度脉冲发生 器。通常也用于锐化脉冲前沿和后沿。 21 半正弦脉冲电源 （septum切割磁铁脉冲电源） -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 microsec. kA 60us 半正弦 峰值: 2kV 10kA 晶闸管开关 22 kicker冲击磁铁脉冲电源（PFL脉冲形成） SW C PFL D1 D2 R1 R2 LMPS 开关SW 闸流管CX1154 脉冲平顶 250ns PFL电缆 2并60米高压同轴电缆 磁铁电感LM 2.2μH 匹配电阻R2 25Ω PFL充电电压 13KV 脉冲电流 600A 23 110MW脉冲调制器(Thyrastron、PFN) Figure 2. The PFN and switch cabinet Fig 5 Waveform of the output pulse Peak output power 110 MW Output pulse current 350A Output pulse voltage 314 kV Voltage flat top duration > 1.5μs(<±0.25%) Pulse repetition rate 1 Hz － 50 Hz Pulse voltage repeatability < ±0.1% Klystron ( 2856MHz) TH2128C (45MW) 24 采用PFN网络的Blumlein型冲击磁铁脉冲电源 （CSNS RCS引出kicker） 充电电压（kV） 40 励磁电流幅值（kA） 5.84 上升时间（ns）（2%-97%） < 250 平顶宽度（ns） > 600 电流脉冲平顶度（%） < ± 2 引出频率（Hz） 25 25 感应叠加固态调制器电路 （SLAC） Inductive Adder modulator 26 the Pulse Step Modulator (PSM) This technology allows the regulation of the pulse voltage during the pulses and by this achieving a good flatness. A Prototype Modulator for The European XFEL 27 NLC DFM1 Hybrid Modulator (SLAC) 28 SLAC 500kV NLC Marx Concept • Total stack output = 500kV, 550A • 30 Marx blocks total, 18kV per block • Commercial 2.4Ghz RF chipsets – no wires or fiber-optic cables 29 结束语 ¾ 效率、可靠性、寿命； ¾ 固态半导体开关的优化应用； ¾ 高精度、高稳定度脉冲波形； ¾ 新型电路拓扑； ¾ 数字控制技术。 基于固态开关技术的高压脉冲电源还在快速发 展，除了功率和电压的提升以外，更多的研究工作还 要开展。 30 Thanks ！ 2010.8.1 Gu Ming guming@sinap.ac.cn Pulsed power supplies and modulators��脉冲电源和调制器 Introduction Introduction 脉冲电源类型 脉冲电源技术 脉冲电源研发 高功率脉冲开关 半导体固态开关 Solid-State Switches 脉冲电路---RC放电成形 RC放电电路拓扑 (topologies) RC放电电路拓扑 RC放电电路拓扑 RC放电电路拓扑 脉冲电路---RLC谐振放电电路 脉冲电路--- PFN脉冲形成电路 脉冲电路--- PFL脉冲形成（Pulse Forming Line） 脉冲电路--- PFL脉冲电路 脉冲电路--- PFL脉冲电路 脉冲电路--- Blumlein 传输线放电 脉冲电路---磁脉冲压缩 半正弦脉冲电源 （septum切割磁铁脉冲电源） kicker冲击磁铁脉冲电源 （PFL脉冲形成） 110MW脉冲调制器(Thyrastron、PFN) 采用PFN网络的Blumlein型冲击磁铁脉冲电源�（CSNS RCS引出kicker） 感应叠加固态调制器电路 （SLAC）�Inductive Adder modulator the Pulse Step Modulator (PSM) NLC DFM1 Hybrid Modulator (SLAC) SLAC 500kV NLC Marx Concept 结束语