小型球形托卡马克欧姆磁体的双向电源

摘要

本发明公开了属于磁约束聚变技术领域的小型球形托卡马克欧姆磁体的双向电源。本发明由两个电容器组、四个IGBT开关模块、两个二极管、一个大功率无感电阻以及第一磁场线圈组成。本发明的有益效果为：使用并联的四个IGBT开关模块作为大电流(10千安)开关，结构简单紧凑，驱动方便，工作可靠，免维护；不需要通过改变占空比来调节波形，消除了大电流频繁开关带来的干扰；四个IGBT开关模块均只需开通、关断一次，大幅降低了对IGBT开关模块并联的技术要求，进一步提高了可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于磁约束聚变技术领域，特别涉及小型球形托卡马克欧 姆磁体的双向电源，具体地说是一种适用于小型球形托卡马克空气芯 欧姆磁体的双向电源。

背景技术

托卡马克欧姆磁体的主要功能是产生一个变化的磁场，感应出一 个环形电场，击穿气体、加热等离子体并驱动环形等离子体电流。欧 姆磁体提供的环向电压在时间上的积分称作伏秒数，是衡量欧姆磁体 性能的一个主要指标。伏秒数取决于磁场的变化幅度。在目前的大部 分托卡马克装置上，为充分利用欧姆磁体线圈的电流容量，线圈电流 都可以从正的最大容许值摆动至负的最大容许值，也即双向放电。另 外，由于托卡马克等离子体放电对环电压的需求随时间变化很大，伏 秒数的释放必须是非均匀的。比如，击穿气体以及快速提升等离子体 电流阶段需要很强的环形电场，但当等离子体电流达到额定值以后， 加热等离子体和维持环形电流所需的电场就小很多。因此，欧姆磁体 的线圈电流波形应当具有一个较短暂的快速变化阶段以及一个持续 时间较长的缓慢变化阶段。

满足上述要求的欧姆磁体通常都以如下过程工作：电源向欧姆磁 体缓慢充电，直至线圈电流达到正的最大值；线圈从充电回路换流至 衰减回路，电流从正的最大值迅速衰减，此时欧姆磁体提供击穿气体 以及驱动等离子体电流快速爬升所需的高环电压；线圈从衰减回路换 流至反向放电回路，电流以较前一阶段慢的速率衰减，并在过零后反 向增长，直至负的最大值；此时欧姆磁体提供等离子体加热及维持电 流所需的较低环电压；线圈从反向放电回路换流至耗散回路，电流从 负的最大值衰减至零。

对于大中型托卡马克来说，由于电源储能庞大，可以允许较长的 换流时间(10毫秒以上)。对于有铁芯的托卡马克装置，由于磁体线 圈电感量很大，回路的谐振周期或者L/R时间常数较大(通常在20 毫秒以上)，也可以容许较长的换流时间。然而，球形托卡马克空间 紧凑，不能使用带有铁芯的欧姆磁体，线圈电感量比较小；特别是电 容器组供电的小型球形托卡马克，电源储能较小。所以，小型球形托 卡马克的欧姆磁体电源必须具备快速的换流能力以及合适的电流波 形调节手段。

目前，国际上小型球形托卡马克装置采用的欧姆磁体电源方案大 致有如下两种：

1)如图1所示为东京大学TST-2球形托卡马克装置上使用的引燃 管双向放电电路。该电路使用四对并联的引燃管(第一引燃管Ig1、 第二引燃管Ig2、第三引燃管Ig3和第四引燃管Ig4)作为四个大电流 开关，使用两组电容(第四电容C4和第五电容C5)作为储能电源， 给第二磁场线圈L2提供双向电流。该电路的主要缺点：作为开关的 引燃管是非固态元件，寿命短，有水银，需要维护；四个大电流开关 的触发顺序以及可靠性必须严格保证，否则即会导致严重事故，比如： 工作过程中，若第二个开关Ig2未正常开通，第二磁场线圈L2上会 产生的极高的感应电压；若第三引燃管Ig3和第四引燃管Ig4提前开 通，则会导致第四电容C4和第五电容C5短路。

2)如图2所示为威斯康辛大学PEGASUS球形托卡马克装置使用 的H桥双向放电电路。第三磁场线圈L3和第三电阻R3并联，该电 路使用四组并联的集成门极换流晶闸管(IGCT)作为四个大电流开 关(第一大电流开关Q1、第二大电流开关Q2、第三大电流开关Q3 和第四大电流开关Q4)，使用一组电容器(第六电容C6)作为储能 电源。该电路的主要缺点：仅使用一组电容器供电，必须让四个大电 流开关通过调整占空比的方式高频开通、关断10千安量级的大电流 才能实现不同变化速率的波形；高频率地开通和关断不仅给周边环境 带来很大的干扰，必须使用体积庞大的吸收和缓冲回路(由第二电阻 R2和第三电阻R3构成)，也增加了均衡各并联IGCT电流的技术难 度。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了小型球形托卡马克欧姆磁体的双向电 源，本发明使用固态开关器件，无需高频开关，电源自身有一定的容 错能力。

小型球形托卡马克欧姆磁体的双向电源的结构如下：第一电容器 组的正极分别连接第二IGBT开关模块的吸收电阻、第一IGBT开关 模块的IGBT器件的集电极和第一IGBT开关模块的吸收电阻，GND 地电位分别连接第一电容器组的负极、第二二极管的正极、第二电容 器组的负极和第四IGBT开关模块的反并联二极管的正极，第一磁场 线圈的一端连接第一IGBT开关模块的反并联二极管的正极和第二 IGBT开关模块的快速缓冲二极管的正极的公共节点，另一端连接第 三IGBT开关模块的反并联二极管的正极和第四IGBT开关模块的快 速缓冲二极管的正极的公共节点，第二电容器组与第二二极管并联， 大功率无感电阻与第一二极管并联，第二电容器组的正极连接第二二 极管的负极、第一二极管的正极和大功率无感电阻的公共节点，第四 IGBT开关模块的吸收电阻连接第一二极管的正极、大功率无感电阻、 第三IGBT开关模块的IGBT器件的集电极和第三IGBT开关模块的 吸收电阻的公共节点，第一IGBT开关模块的门极驱动和第四IGBT 开关模块的门极驱动均接入第1路触发信号，第二IGBT开关模块的 门极驱动和第三IGBT开关模块的门极驱动均接入第2路触发信号。

具有相同结构的第一IGBT开关模块、第二IGBT开关模块、第 三IGBT开关模块和第四IGBT开关模块的结构如下：门极驱动连接 IGBT器件的基极，IGBT器件的发射极连接反并联二极管的正极和 缓冲电容的公共节点，IGBT器件的集电极连接反并联二极管的负极 和快速缓冲二极管的正极的公共节点，快速缓冲二极管与缓冲电容串 联，吸收电阻的一端连接快速缓冲二极管的负极与缓冲电容的公共节 点。

所述第一电容器组和第二电容器组的电容量均可调节，第一电容 器组的容量范围为13毫法至60毫法，第二电容器组的容量范围为 0.5法至1法。

所述第一电容器组和第二电容器组的充电电压均可调节，第一电 容器组的充电电压范围为1.2千伏至2.2千伏，第二电容器组的充电 电压范围为250伏至600伏。

本发明的有益效果为：

1)本发明使用成熟的全固态器件IGBT作为开关元件，工作可靠， 体积紧凑，免维护。

2)本发明通过调节电阻阻值、电容容量和充电电压来实现不同的 电流变化速率，无需高频开关，大大减少了对环境的电磁干扰，省掉 了大电流滤波电路，降低了对开关器件的要求不高(比如并联均流一 致性、开通关断速度等)，较易实现。

3)本发明具有一定的容错能力，即使运行过程中某一开关未能正 常开通也不会发生事故。

附图说明

图1为东京大学TST-2球形托卡马克装置所用的引燃管双向放电 电路示意图；

图2为威斯康辛大学PEGASUS球形托卡马克装置所用的双向放 电电路示意图；

图3为小型球形托卡马克欧姆磁体的双向电源的电路示意图；

图4为本发明实施例中第一磁场线圈的电流波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述 说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图3所示，小型球形托卡马克欧姆磁体的双向电源的结构如下： 第一电容器组C1的正极分别连接第二IGBT开关模块S2的吸收电阻 R1、第一IGBT开关模块S1的IGBT器件I的集电极和第一IGBT开 关模块S1的吸收电阻R1，GND地电位分别连接第一电容器组C1 的负极、第二二极管D2的正极、第二电容器组C2的负极和第四IGBT 开关模块S4的反并联二极管D4的正极，第一磁场线圈L的一端连 接第一IGBT开关模块S1的反并联二极管D4的正极和第二IGBT开 关模块S2的快速缓冲二极管D3的正极的公共节点，另一端连接第 三IGBT开关模块S3的反并联二极管D4的正极和第四IGBT开关模 块S4的快速缓冲二极管D3的正极的公共节点，第二电容器组C2与 第二二极管D2并联，大功率无感电阻R与第一二极管D1并联，第 二电容器组C2的正极连接第二二极管D2的负极、第一二极管D1 的正极和大功率无感电阻R的公共节点，第四IGBT开关模块S4的 吸收电阻R1连接第一二极管D1的正极、大功率无感电阻R、第三 IGBT开关模块S3的IGBT器件I的集电极和第三IGBT开关模块S3 的吸收电阻R1的公共节点，第一IGBT开关模块S1的门极驱动和第 四IGBT开关模块S4的门极驱动均接入第1路触发信号，第二IGBT 开关模块S2的门极驱动和第三IGBT开关模块S3的门极驱动均接入 第2路触发信号。

具有相同结构的第一IGBT开关模块S1、第二IGBT开关模块S2、 第三IGBT开关模块S3和第四IGBT开关模块S4的结构如下：门极 驱动连接IGBT器件I的基极，IGBT器件I的发射极连接反并联二极 管D4的正极和缓冲电容C3的公共节点，IGBT器件I的集电极连接 反并联二极管D4的负极和快速缓冲二极管D3的正极的公共节点， 快速缓冲二极管D3与缓冲电容C3串联，吸收电阻R1的一端连接快 速缓冲二极管D3的负极与缓冲电容C3的公共节点。

第一电容器组C1和第二电容器组C2的电容量均可调节，第一电 容器组C1的容量范围为13毫法至60毫法，第二电容器组C2的容 量范围为0.5法至1法。第一电容器组C1和第二电容器组C2的充电 电压均可调节，第一电容器组C1的充电电压范围为1.2千伏至2.2 千伏，第二电容器组C2的充电电压范围为250伏至600伏。

本发明的工作流程包括如下四个步骤：

1)第一电容器组C1通过开通第一IGBT开关模块S1和第四IGBT 开关模块S4向第一磁场线圈L充电，使第一磁场线圈L的电流达到 正的最大值，如10千安；

2)关断第一IGBT开关模块S1和第四IGBT开关模块S4，开通 第二IGBT开关模块S2和第三IGBT开关模块S3，第一磁场线圈L 通过第二IGBT开关模块S2、第三IGBT开关模块S3以及大功率无 感电阻R向第二电容器组C2放电，第一磁场线圈L的电流迅速衰减；

3)第一磁场线圈L电流过零后，第二电容器组C2通过第一二极 管D1、第二IGBT开关模块S2和第三IGBT开关模块S3反向放电， 第一磁场线圈L电流反向并且以稍慢于步骤2)的变化速率上升，直 至达到负的最大值，如负6千安；

4)关断第一IGBT开关模块S1和第四IGBT开关模块S4，第一 磁场线圈L向第一电容器组C1放电，电流衰减至零，放电结束。

以下是本发明的优选实施例：

SUNIST球形托卡马克装置的欧姆磁场线圈的电感量约517微亨， 电阻约20毫欧。SUNIST正常工作需要在欧姆磁场线圈内产生一个 从10千安摆动至负6千安的电流。为此，SUNIST上的双向电源具 体实施例如下：

第一电容器组C1是普通的油浸脉冲电容器，容量为13.6毫法， 充电电压为2000伏。第二电容器组C2是电解电容器，容量为1法 拉，充电电压为250伏。由于SUNIST欧姆磁体的工作脉冲较短，第 一二极管D1和第二二极管D2的型号均为英飞凌的 D1331SH45TS0523S5，参数为如下值：最高反向耐压4.5千伏，最大 正向稳态电流1.7千安。大功率无感电阻R由长16米、宽190毫米、 厚0.2毫米的不锈钢薄带缠绕而成，总阻值为0.3欧姆，可在0至0.3 欧姆之间调整。第一IGBT开关模块S1、第二IGBT开关模块S2、 第三IGBT开关模块S3和第四IGBT开关模块S4的组成方式完全一 致，四者中的IGBT器件I均由10个英飞凌的FZ1200R33KF2型IGBT (3.3千伏1.2千安)并联而成；缓冲电容C3由多个无感吸收电容并 联而成，总容量47微法；快速缓冲二极管D3由多个体积紧凑的快 恢复二极管RURU150120串并联而成。由于缓冲电路的工作时间非 常短暂，快速缓冲二极管D3采用了较大的过载系数，其参数为：最 大反向耐压3.6千伏，最大正向稳态电流3.6千安；吸收电阻R1是 10个100瓦100欧姆的线绕大功率电阻并联而成的，之所以采用这 么大的阻值是因为本发明仅需单次开通、关断，可以容许较大的电阻； 门极驱动电路采用的是能够工作于3千伏悬浮电压下的大功率IGBT 驱动板DE106。

该电源的具体工作方式为：第一IGBT开关模块S1和第四IGBT 开关模块S4的门极驱动输入信号并联在一起，由第1路触发信号控 制，第二IGBT开关模块S2和第三IGBT开关模块S3的门极驱动输 入信号并联在一起，由第2路触发信号控制。工作时，实验室主控定 时器先输出一个约3.8毫秒的脉冲信号作为第1路触发信号，第一 IGBT开关模块S1和第四IGBT开关模块S4开通，第一电容器组C1 给第一磁场线圈L充电至10千安；随后，主控定时器不再输出高电 平给第1路触发信号，而是输出一个约30毫秒的脉冲信号作为第2 路触发信号，第二IGBT开关模块S2和第三IGBT开关模块S3开通， 第一磁场线圈L的电流先经由大功率无感电阻R和第二电容器组C2 快速衰减至接近零，然后再由第二电容器组C2反向驱动至负6千安； 最后，第2路触发信号也被关闭，第二IGBT开关模块S2和第三IGBT 开关模块S3关闭，第一磁场线圈L的电流通过第一电容器组C1泄 放至零。实施例中第一磁场线圈L的电流波形示意图如图4所示。

本发明技术方案的特点是：由两个电容器组分别为正向和反向放 电供电；使用四组并联的IGBT开关模块作为大电流开关，这些IGBT 开关模块在整个工作过程中只需开通、关断一次；该电源通过一个大 功率无感电阻和一个二极管与一组电容器的配合实现不同变化速率 的放电波形。

本发明能够给球形托卡马克的欧姆磁体提供一个短暂但快速的正 向电流下降沿(4毫秒内变化10千安)以及一个缓慢但时间较长的 反向电流上升沿(25毫秒内变化6千安)。两个阶段的电流变化速率 以及持续时间均可通过调节大功率无感电阻R的阻值和第二电容器 组C2的容量和充电电压来实现。