高能同步辐射光源（HEPS）是基于典型低发射度存储环的新一代同步辐射光源，相比第三代同步辐射光源，能够提供更高亮度和更高横向相干度的同步辐射光。它的建成，将使我国基础科学相关领域的研究在国际竞争中处于有利的位置，为我国基础科学、工业应用、重大战略需求等多个方面的前沿研究提供全方位的支持^[1]。HEPS主体包括一个周长约1.4 km、能量6 GeV的储存环；一个周长454 m、能量0.5～6 GeV的增强器；一个长度49 m、能量0.5 GeV的直线加速器。受其小动力学孔径的限制，一种新颖的在轴置换注入方案是HEPS储存环的基准选择^[2-7]。在轴置换注入过程中，满能量的增强器同时也充当着累积环的作用。至多10个束团从直线注入到增强器，并在1 s内完成500 MeV到6 GeV的升能。此后，以50 Hz的重复频率实现增强器到储存环逐束团的注入引出。其中，为了降低引出冲击磁铁的磁场强度，使用4台慢凸轨磁铁来产生局部凸轨降低引出难度。本文针对凸轨磁铁对电流的要求，提出了完整的样机设计方案，对样机性能进行了充分测试，并对实际使用过程中问题的解决方案进行了相关阐述。

1 设计方案及仿真分析

1.1 技术路线

与HEPS注入引出系统其他快脉冲电源相比，凸轨磁铁脉冲电源的脉冲速度相对较慢。因此，选择技术最为成熟的LC谐振电路作为首选方案。基础模型如图1所示，回路内各元件端电压满足二阶电路动态方程^[8]

图 1. LCR谐振电路模型

Fig. 1. LCR resonance circuit

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$ LC\dfrac{{{{\mathrm{d}}^2}{U_c}}}{{{\mathrm{d}}{t^2}}} + RC\dfrac{{{\mathrm{d}}{U_c}}}{{{\mathrm{d}}t}} + {U_c} = 0 $ (1)

式中：L代表回路电感量；C代表回路电容容值；R代表回路内电阻值；U_c代表电容端电压。

进一步推导，可以得到理想条件无阻尼状态下LC谐振电路主要参数计算公式，即^[9]

$ \left\{\begin{array}{l}Z=\sqrt{\dfrac{L}{C}} \\ i=\dfrac{U_c}{Z} \\ \tau=\text{π}\sqrt{LC}\end{array}\right. $ (2)

式中：Z代表回路特征阻抗；i代表峰值电流；τ代表半正弦脉冲底宽；C代表高压脉冲电容容值；L代表负载磁铁电感量；R代表回路内电阻值。

根据上述公式，可以得到回路参数，但实际电路会存在电阻，为了得到半正弦波形，电路需要工作在欠阻尼状态，即

$ R < 2\sqrt {\dfrac{L}{C}} $ (3)

1.2 仿真分析及模型改进^[10-11]

考虑器件可靠性因素，选择固态开关作为功率器件，由于其内部寄生、或集成有反向二极管，开关关断后谐振电路产生的反向电流并不会截止。因此，外部串联快恢复二极管十分必要，仿真模型如图2所示，其中R₁为充电限流电阻，D₁为外部串联快恢复二极管，D₂为开关内部寄生或集成反向二极管。

图 2. R₁=50 Ω条件下基础电路仿真模型

Fig. 2. Fundamental circuit Simulation at R₁=50 Ω

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尽管增加了外部串联反向截止二极管，但是由于受充电过程影响，负载端反向电流仍然存在。而且，随着充电限流电阻阻值的减小，反向电流峰值会增加。但是如果增加限流电阻阻值，受充电回路时间常数限制，当

$ R_1 > 5\times\dfrac{19\; \text{ms}}{140\; \text{μF}}\approx27\; \Omega $ (4)

时电容电压不能得到及时补充，稳定运行后峰值电流低于理论值，此外，高压充电电源会有50%的功率浪费在充电电阻上，即

$ {W_{{R_1}}} = \displaystyle\int\limits_0^\tau {{V_1} \times \sin \omega t{\mathrm{d}}t} - \dfrac{1}{2}C{V_1}^2 = \dfrac{1}{2}C{V_1}^2 $ (5)

式中：ω为脉冲电流角频率。

对于峰值电流212.5 A、底宽1 ms的半正弦脉冲而言，其平均功率并不低，功率的浪费一方面会导致充电限流电阻发热异常，另一方面，在影响输出波形的同时，还会对充电电源输出能力提出更高要求。为了解决这一系列问题，设计增加了一条能量回收支路^[12-14]，并增加了一只充电开关，如图3所示，能量回收支路由一只储能电感（L₁）与一组二极管串联组成（D₄），再并联在谐振电容两端。电感负责将放电结束后剩余的能量进行回收储存，二极管用于限制回路电流。根据仿真及经验，回收支路时常数最好10倍于放电主回路时常数，才会有明显的效果，根据式（2），即L₁＞100L₂≈66 mH，且L₁不能饱和。考虑设备安装及外观一致性，电源机箱均选用3U尺寸，这在一定程度上限制了回收储能电感的尺寸，最终，确定电感规格为30 mH/40 A，通过仿真可以看到，当前电感满足使用需求。再通过合理分配充电开关（S₁）与主回路放电开关（S₂）之间的时序逻辑，最终可以得到理想输出波形。

图 3. 能量回收模型仿真

Fig. 3. Energy recovery simulation

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2 电路设计与性能测试

根据计算与仿真结果，确定了功率器件的型号及数量，包括一只IGBT（FZ600R12KS4）作为主回路放电开关，另一只IGBT（IXYX100N120B3）作为充电开关，以及12只Si基二极管（IXYS-DSEI30-12A，每组6只）。测试结果如图4所示。

图 4. 实验电路测试波形

Fig. 4. Test waveform

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考虑到输出脉冲相对较慢（1 ms底宽），监测单元选用组内自研的300 A DCCT即可满足测试需求。但是对于能量回收支路而言，课题组内现有的全部可用的电流互感器（Pearson品牌）均出现饱和，故通道1测试结果失真（仅波形畸变，不影响峰值电流值及回收支路波形底宽）。从图4可以清晰看到，谐振电容能量得到了及时的补充（通道4）。输出脉冲波形（通道2）与仿真结果一致，得到明显改善。此外，利用热成像仪观测可以看到充电电阻发热量明显变小，并且根据高压电源面板读数可以直观看到输出功率极大降低。

3 样机搭建及性能验收

3.1 电路设计及样机搭建

在上述实验基础之上，增加了一套时钟控制单元完成对两路驱动信号的精密控制^[15]。同时，强弱电区域功率器件驱动的有效隔离亦非常重要。此外，借鉴直流磁铁电源母线电容连接方法，将双层印制电路板（PCB）用作“叠层母排”对全部二极管进行布局连接，降低了二极管与散热片连接的难度、极大地节省了空间。电路原理如图5所示。

图 5. 电路原理图

Fig. 5. Final circuit schematic

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3.2 样机性能验收

样机研制完成后，用于真实负载（凸轨磁铁）的磁场测量。同时，在磁测过程中，进行各项性能指标的验收，具体参数如表1所示。

测试结果见图6，其中，输出脉冲底宽控制在1 ms以内，连续运行近2 h的峰值电流稳定度小于±0.165%，此外，峰值电流212 A时充电电源还有至少四分之一裕量，可供后期实际调束阶段灵活调配，10.3 ns的峰值平坦度对于1 ms底宽的半正弦脉冲亦不是问题，各项指标均满足设计要求。

图 6. 性能验收测试波形

Fig. 6. Performance test

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4 线缆选择

为了方便后期检修，减少设备运行维护时间，提高机器运行效率，全部脉冲电源均置于隧道外部。为此，需要使用至少40 m传输电缆。但是对于LC谐振方案来说，整个回路寄生参数的大小会直接影响输出性能，尤其是引入的寄生电感。使用射频同轴电缆，不仅可以有效降低寄生电感，还能够准确估算电感量（250 nH/m），并且在电感铺设过程中不需要特别注意走线方式。但是，屏蔽层需要作为一根“电缆”与磁铁相连，其阻抗相对较大。这在一定程度上会影响半正弦波形的形状，更致命的是此时回路阻抗过高，会增加充电电源输出需求，对于当前工作条件，给物理调束预留的提升空间过小，甚至无法获得额定峰值电流。使用SYV 50-12射频同轴电缆进行测试可以看到，一方面输出波形畸变明显；另一方面，获得额定峰值电流时，充电电源输出电压已达到670 V，接近其极限输出，裕量偏小。对此，使用2根同轴电缆并联的方式可以解决上述问题，但线缆较硬，磁铁较小，实际连接时操作十分困难，对于后期维护极其不利。

为此，专门订制了一种特殊的双绞带屏蔽的传输电缆，测试过程中，550 V充电电压即可获取212 A峰值电流，脉冲底宽960 ns，反推此时电缆引入的寄生电感约7 µH/50 m，满足要求。此外，对电缆铺设方式进行充分测试，输出脉冲波形基本一致，寄生电感几乎不变。

5 结　论

本文基于LC谐振方案，完成了HEPS增强器凸轨磁铁脉冲电源的自主研制与性能测试，并在此基础上对传统结构进行优化改进。能量回收支路的利用同样可以推广到系统内其他脉冲电源的研制当中。经过多次结构修改，正式样机已制作完成，同时，新型电缆的联合研制使脉冲电源具备了隧道外工作的条件，极大地缩短了后期运行维护的时间。最终，全部性能指标均满足物理设计需求。