1000A脉冲可控恒流源.docx

本成果的简要技术说明SUNIST 是一个球形托卡马克装置，用于研究高温等离子体物理，其最终目标是实现核聚变 能量的和平利用托卡马克装置汇集了电力电子、电子学、微波、真空、材料等众多技术手 段，来产生和维持高温等离子体，并对等离子体进行测量、诊断因此，各种技术上的改进 和技巧都能在托卡马克上发挥作用，使整个装置运行的状态更好1000A 脉冲可控电流源SUNIST装置的垂直场线圈由电容供电使用IGBT对LC放电回路进行PWM控制，将电 流波形由原先的不可控正弦半波改进为可以在较大范围内进行任意控制（稳恒、一定斜率上 升或下降等）的受控波形这其中，遇到并克服了如下问题：1. 1000A/1000V级IGBT的驱动这一等级的IGBT驱动电路市场上较难买到，且价格昂 贵根据现有电路的原理进行分析，使用分立元件自制了能够满足速度和负载要求的大 电流驱动电路并通过实验对驱动能力进行仔细的检验，保证可靠的驱动2. 1000A/10kHz 快速开关的缓冲大电流快速开关带来的极高的电流、电压变化率是影响 设备安全的隐患通过参考现有设计并进行实验摸索，制作了缓冲电路，在不影响开关 效果的前提下，保证器件的安全。

3. 电路的共地处理共地的困难主要体现在电流采样电路上，1000A且快速通断的电流使 得采样电路必须非常小心地处理地电位光隔离放大器或者差分隔离放大器似乎都可以 应用于此处但光隔离放大器较难有轨到轨的放大能力，即使是双向光隔，交越失真也 不容易处理因此，我们的设计中选用了合适的运放电路组成差分放大器用于地隔离2.45GHz 700W 微波源对廉价的微波炉元件加以改造，制作了用于气体预电离的微波源微波炉是通过开关市电来 控制磁控管的微波输出的这种方式不适用于我们对于快速控制的要求在何老师的提议下， 选择了一种高压（12kV）、小电流（1A）、较快速（〜1ms）开关一一磁簧继电器，利用微波 炉原有的高压和灯丝变压器，加入一个高压储能电容器和相匹配的充放电控制电路，改造成 一个磁控管的脉冲高压电源，解决了微波的输出控制问题另外，微波炉磁控管与微波天线的耦合器设计也充分利用了该类型磁控管的特点加速器实 验室童老师的建议：因为微波炉的负载条件变化较大，所以微波炉磁控管的带负载能力应该 较强考虑这个有利的条件后，大大简化了耦合器的结构，降低了造价和时间，且不影响正 常地使用20kV 脉冲高压电源的改进20kV脉冲高压电源为SUNIST实验室2.45GHz/100kW微波源供电。

该电源最初使用非常传 统的分立元件电路作为控制脉冲产生器，并使用闪光灯加光敏电阻作为隔离触发器工作时 间长了以后，控制电路在实验室较差的电磁环境下变得非常的不稳定，极易误触发为彻底 地解决这个问题，对该脉冲高压电源进行了根本性的改造将原有弱电电路全部抛弃，改用 简单可靠的 MOSFET 和配套的厚膜驱动电路作末级而脉冲的产生则挪至计算机的定时器 板完成，两者通过光纤来连接，并采用较高的触发阈值，同时保证了可靠的隔离和触发以及 脉冲宽度的计算机控制10kA可控硅的关断及并联使用可控硅是一种半控型电力电子器件，功率容量大，过载能力强，工作可靠，在SUNIST实验 室应用广泛但缺点是只能通过触发极控制其导通，而不能方便地关断o SUNIST加热场的 反向实验的前提就是必须在电流达到最大值(10kA )时强制将其关断为保证安全，也为 了防止不必要的经济损失，我们先准备了较多的半导体电力电子器件理论知识，了解了可控 硅关断的必要条件，并计算关断电路各个元件的参数；随后在小规模电路上进行了大量的实 验以验证元件参数的合理性；同时准备了一些必要的高压、大电流隔离测量仪器以便采集丰 富的信号待一切就绪后，通过一步一步实验，将关断电流从1kA慢慢提高至10kAo 另外，设计并制作了用于可控硅并联使用的均流电路。

同时，由于SUNIST装置上电流都是 脉冲工作的，除了均流以外，并联可控硅触发的同时性也必须得到保证在半导体器件理论 的指导下，设计并制作了使用方便的触发同步电路低成本 10kHz 10Ap-p 谐振式电流源p-p用于磁探针标定的亥姆赫兹线圈要求提供10kHz 10A的电流在此种频率下，亥姆赫兹线p-p圈阻抗高达1kOhm使用通常的功率放大器将非常难以满足要求利用实验室现有的信号 源和可调变压器，设计并制作了一个简单的基于高压MOSFET的谐振式功率放大器将其 工作点置于丙类，并使用电流采样反馈，由信号源提供位于谐振频率的激励信号，利用LC 并联回路内的Q倍过电流，可以高效、低成本地实现非常满意的电流输出极陡下降沿、高线性50kHz 60Vpp输出的锯齿波发生器p-pSUNIST 的 8mm 微波干涉仪由于波程差段，为获得较好的相位分辨，必须提高频率调制的 幅度，也即反射速调管调制电压的幅度通常的信号发生器输出的锯齿波信号幅度仅15V， p-p 且下降沿较为缓慢，不利于干涉仪信号的获取利用运放AD844的高压摆率以及MOSFET 恒流源的高稳定度，配合快速的输出级，制作了一个极陡下降沿、高线性50kHz60Vp-p输 出的锯齿波发生器。

在制作过程中注意到，当压摆率高到一定程度以后，输出电缆必须小心 匹配才行，否则波形失真严重基于 Motorola 单片机的任意波形发生器任意波形发生器用于给垂直场电流控制提供参考信号要求能够根据需求生成任意的折线波 形利用实验室现有的Motorola单片机(MC68HC908GP32),充分利用其集成的32kB闪 存，设计并制作了一个低成本的任意波形发生器波形由折线的关键点定义，通过一个简单 的Windows脚本生成波形数据文件，并自动下载至单片机的闪存中当单片机触发时，输 出数据通过DAC转换成预期的自定义波形使用简单，修改方便，无需复杂编程，工作稳压电阀脉冲控制器的改进与 20kV 脉冲高压电源一样，压电阀脉冲控制器最初也极易被实验室内各种电机、泵等启动 时带来的干扰信号误触发，导致真空室无规则进气，严重地影响实验将脉冲生成交由计算 机定时器控制板完成，原来的三极管开关改成继电器（只有较大的电流信号才能开关，噪声 信号不能），由强信号通过电缆进行远距离控制，彻底地解决了压电阀的无触发问题SUNIST 实验室网络建设结合实验室人多机少的情况，构建了一个Active Directory，使得为数不多的机器得以集中管理并安全地共享使用。

为实验室制作了一个风格朴素的网页，在互联网上向大家介绍实验室， 并公开大量实验室的设备和想法，使得许多通过搜索引擎转移过来的访问者获得一些参考这些网页在实验室近期承办两个国际会议的过程中也发挥了作用使用Sharepoint技术为实 验室工作组内部构建了一个能够满足日常协作需求的工作组网站在这个网站上，大家可以 记录并分享自己的实验室工作日志，共享文档，获取实验室的讨论通知等等一些实验室外 的人士也通过留言对实验室进行咨询SUNIST 真空的维护高真空（〜5E-5Pa）是SUNIST进行高温等离子体实验的基础长期的震动可能导致SUNIST 装置真空变差装置上仪器或设备的添加或更换，也都会导致一次真空的重新启动因此， 真空的维护是SUNIST实验室一项重要的日常工作在几年的工作中，有一些经验总结：1. 法兰的紧固过程必须对称、均匀地进行，否则密封圈有可能压偏，导致无法密封2. 检漏是获得良好的真空的基础检漏过程必须全面、细致3. 检漏时需要注意到探测气体——氦的特性，由于氦总是偏向于往上扩散，漏孔的判断可 能会有误差4. 与真空室相连的其他泵产生的大抽速会导致检漏灵敏度的下降，有时候可能需要关闭其 他泵的阀门来进行检漏。

5. 由于其他真空泵的存在或者距离的原因，检漏仪对于氦气的反应可能有些延时，所以喷 氦和漏孔的判断也必须注意恰当的时机6. 真空的维护是件枯燥的事情，需要一定的体力，更需要良好的心态本成果在实验室建设中发挥的主要作用1000A脉冲可控恒流源为SUNIST提供了一个可程序控制（可扩展为反馈控制）的垂直 场，为等离子体的平衡控制提供了条件2.45GHz 700W微波源用于气体预电离，能够使等离子体电流的启动更为迅速：也能用 于真空室的辉光放电清洗20kV脉冲高压电源的改进使得lOOkW的微波不再因电磁干扰而被误触发，保证实验 的进程不被中断：也避免了高功率微波对实验室人员的伤害1OkA可控硅的关断及并联使用使得SUNIST加热场的反向/双向放电成为可能，为延长 等离子体电流的持续时间提供了基础；将可控硅的工作电流控制在合理的水平上，保证了开 关的可靠性低成本10kHz 10A 谐振式电流源充分地考虑了需求的特殊性,充分利用现有的资源， p-p简单、廉价地获得了预期的电流输出，使得亥姆赫兹线圈能够产生足够强、足够稳定的磁场， 为精确地标定用于等离子体测量的磁探针提供了条件极陡下降沿、高线性50kHz 60V 输出的锯齿波发牛器提高了 8mm微波干涉仪的频率 调制宽度，在装置大小受限制导致波程差无法提高的情况下，另辟蹊径，提高了干涉仪输出 的条纹数，获得了更高的相位测量精度，以便更加准确地测量等离子体电子密度。

基于Motorola单片机的任意波形发生器也是考虑了实验室的具体需求，没有采用昂贵 的频率合成式任意波形发生器而是结合实验室的条件和工物系的技术优势，利用简单的单 片机配合修改简单、无需编译的Windows脚本程序，迅速地实现了任意波形的定义和输出 用作 1000A 脉冲可控恒流源的参考信号，使得 SUNIST 垂直场波形可以完全自定义，等离 子体电流爬升等实验得以开展压电阀脉冲控制器的改进制止了进气阀的误动作，使得气体的进入量得以准确的控制， 为更加精密的调节等离子体的密度、电流等各项参数提供了可能SUNIST实验室网络建设解决了人多机少时实验室计算机的共享使用的问题:向互联网 公开了大量的资料，让更多关注我们研究的人受益；实验室内部通过电子化的日志记录、文 档共享等，能够方便地共享、查找历史记录，很好地配合了实验的开展SUNIST真空的维护是一项关键的实验室日常工作维护一个良好的真空状态，使真空 室壁保持非常干净，有利于降低等离子体的杂质水平，控制气体再循环，提高等离子体的运 行品质第一作者的工作体会和建议托卡马克装置蕴含了种类极其丰富的知识但通常的大型托卡马克实验室（比如合肥的EAST和成都的HL-2A）分工非常细致，个人的视野被限制在非常狭窄的范围内，只见树木 而不能鸟瞰森林。

SUNIST球型托卡马克却是麻雀虽小，五脏俱全尽管人手不够也许会带 来一些工作上的困难，但却给所有实验室的研究生们提供了一个开阔的视野：所有的同学都 能接触到所有的技术在与 SUNIST 托卡马克打交道的过程中，容易发现之前学过的所有东西都能够找到用武之 地，除此之外，还能看到更多之前未曾接触过的技术这些工作可能与自己的研究课题关系 并不大，但对这些知识或技术的兴趣是一种非常强大的动力，能够让人不断地学习，并期待 自己动手付诸实践技术上的改进虽然不能直接体现在研究进程里，但一个良好的实验环境，无疑能够加快实验 的进度，提高实验的可重复性从这方面来说，这些工作是非常必要的分享自己的成果也是一件很快乐的事情我们实验室几乎所有的技术文档都通过互联网公 开，并且都能通过 Google 搜索到经常有人向我们留言或者通过其他方式打听相关的信息， 这种能够给人提供帮助的感觉让我们很开心前辈们几十年的工作经验能够给我们后来人提供不经意的巨大启发在碰到一些技术障碍的 时候，不妨请教老师。