230 MeV超導回旋加速器主磁鐵電源的研制

葛 濤，王 川，殷治國，廖家芬，張天爵

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.成都大博電氣有限責任公司，四川 成都 610091）

0 引 言

癌癥是威脅人類健康的重大疾病，質子治療是治療癌癥的重要手段之一。目前，質子治療驅動加速器主要為回旋加速器，特別是超導回旋加速器，由于結構緊湊，綜合功率低，耗電量小，所以可大幅降低運行成本。中國原子能科學研究院長期致力于醫用回旋加速器的產業化研究[1-2]，目前正在建造一臺用于質子治療的230 MeV超導質子回旋加速器。該加速器的核心部件為主磁鐵超導線圈，其供電的主磁鐵電源，除滿足線圈正常工作需求外，還應具備失超保護功能。

1 主磁鐵電源主要技術參數

表1所示為主磁鐵電源主要技術參數。

根據理論計算的結果，該電源具有電流大、負載電阻小及電流穩定性高等特點。相比于普通的穩流電源，由于其負載為處于超導狀態下的大電感線圈，其電源應依據所需勵磁的超導體的特性，采用合理的拓撲方案，并且合理設計失超保護與電源連鎖，以確保電源及相關設備的正常工作。

2 電源主回路設計

主磁鐵電源的主回路采用了“二十四相整流電路+2路斬波電路錯相并聯+失超保護”線路。如圖1所示，主回路由進線斷路器、輸入EMI濾波器、交流接觸器、軟啟動器、二十四相整流變壓器、二十四相整流電路、低頻濾波電路、BUCK變換器、高頻濾波電路、快速泄能模塊、失超判斷電路、電流反饋DCCT和遠控回讀DCCT、前饋電壓取樣電路及直流電壓取樣電路等組成[4]。

表1 電源主要技術參數

圖1 主磁鐵電源主回路原理圖

2.1 前級LC濾波設計

為確保后級斬波輸出的控制精度與紋波要求，前級的直流輸出紋波至少應小于1×10-3。圖2所示為計算機仿真軟件ANSYS Simplorer搭建的仿真電路圖[3]，其中4組電源在相位上互差15°。

由于變壓器的次邊是兩個繞組，分別是Y形接法和Δ形接法，要將其輸出的電壓做到完全一樣是很難的，再加上輸入的三相電壓并非完全一致，所以勢必將極大地增大其輸出的直流紋波，且整流變壓器的換相重疊角也對輸出紋波有一定的影響。經Simplorer仿真與具體的試驗得出了相應的參數，實際中采用了兩級LC濾波，第一級電感為L1=400 μH，電容為C1=3×68 000 μH/100 V；第二級電感為L2=200 μH，電容為C2=3×68 000 μH/100 V。

圖2 二十四脈波整流及濾波仿真電路圖

2.2 后級LC濾波設計

每只IGBT的斬波頻率為10 kHz；兩只錯相斬波，最終頻率可達到20 kHz；在斬波電路中，每只IGBT斬波后都分別進行了LC濾波，然后再進行并聯輸出，因此每只IGBT的占空比調節范圍均為0%～100%。

實際高頻濾波電容選取的是100 μF/DC500 V；由于負載為大電感，在保證輸出電壓紋波的基礎上，適當選取濾波電感，實際選取的是100 μH。

兩只IGBT在開通相位上互差180°，組成錯相倍頻BUCK電路[5]。負載電流AM1作為反饋信號，給定值為額定300 A；經PI運算后與三角波進行比較，生成PWM脈沖，分別控制IGBT1與IGBT2開通與關斷；三角波的頻率為10 kHz，兩個三角波的相位互差180°。電源輸出的電壓與電流仿真波形如圖3所示。

3 控制單元設計

為實現主磁鐵電源輸出電流的高穩定度，在控制單元設計方面，采用了基于數字控制的方式。主磁鐵電源的控制單元主要由電流控制單元和失超控制單元組成。其中，電流控制單元主要功能是實現非失超狀態下的整機控制和電流控制，支持本控和遠控；失超控制單元的功能是失超檢測和控制。圖4為電源控制單元原理圖。電源的工作狀態主要有待機、勵磁、恒流、降場及失超等5個狀態。

圖3 電源輸出電流與電壓仿真波形

圖4 控制單元原理圖

4 失超保護設計

主磁鐵電源的負載線圈浸泡在液氦中，低溫系統零揮發。線圈具有固有的失超穩定性（大銅超比，安全余量很大），無需主動保護，因此失超保護采用被動方式[6]。圖5為失超保護原理圖。

圖5中的A、B、C三點為負載線圈兩端及中間引出線，在高溫超導電流引線處，設有溫度探測點和電壓探測點。這些點構成了整個電源及負載的失超探測點。UAB與UBC的電壓值，高溫超導電流引線的溫度值、電壓值分別引入電源失超檢測單元，失超檢測單元通過與相應的設定值比較來判斷負載是否失超。當負載失超時，失超檢測單元與電流控制單元通過控制快速泄能開關K1、失超開關K2的通斷來實現對負載的保護。

電源及負載正常工作時，快速泄能開關K1閉合，失超開關K2閉合，電源與負載線圈構成回路，通過電源的穩定輸出，為超導線圈勵磁。快速卸能模塊并聯接在電源輸出端，在降場和斷電時，K1由閉合變為斷開，K2保持閉合狀態，負載線圈儲能通過快速卸能模塊釋放。

圖5 失超保護原理圖

電源及負載正常工作時，UAB-UBC為零，高溫超導引線的溫度值和電壓值為固定值；當失超控制單元檢測到UAB-UBC值有變化、或UAB、UBC值與設定值有明顯變化、或高溫超導引線的溫度值和電壓值與設定值有明顯變化時，即認為失超。前句任一一個條件滿足即可觸發失超保護。此時，首先主動關斷主磁鐵電源主回路開關，同時失超開關K2由閉合變為斷開，快速泄能開關K1閉合狀態不變。超導負載線圈內存儲的能量，通過低溫恒溫器內并聯在負載線圈上的二極管與電阻卸能，起到保護負載線圈的目的。

5 電源的測試

在輸出電流為300 A時，對電源進行穩定度測試[7]，使用Agilent 34970A DAU多通道數據采集器、TOPACC 2000A 電壓型直流電流傳感器及相應的Benchlink測量軟件進行自動采集、記錄及統計，得出的測量結果如圖6所示。其中，電流最大值為300.269 54 A，電流最小值為300.264 555 A，電流平均值為300.266 417 7 A。電流穩定度為(Imax-Imin)/Iav=1.660 19E+05。

圖6 電源穩定度測試曲線

失超測試是打開線圈內部的加熱器，主動引發失超。電源設置中，設定了失超檢測動作時間、失超電壓幅值等。測試結果顯示，電源的失超保護功能檢測靈敏，動作可靠。圖7為失超保護動作時間，約為382 μs。

圖7 失超保護動作時間

6 結 論

230 MeV超導回旋加速器電源于2018年初設計加工完成，目前在230 MeV超導回旋加速器主磁鐵測磁工作中已投入使用，累計穩定運行了近800 s，其中因主磁鐵制冷水機故障引發超導線圈失超一次，失超時，主磁鐵電源失超保護功能投入及時，保護了超導線圈。根據電源的使用過程可知，該主磁鐵電源原理設計合理，失超保護功能齊全、靈敏，達到了設計要求。