1引言
 600KJ能源模块是我所为中国工程物理研究院研制的高功率激光器的模块化脉冲供能系统。该模块拟用于我国新一代激光惯性约束核聚变（ICF）大科学装置，也是中国功率最大的激光器。
能源系统，采用116个单元模块，总储能达70MJ，我们目前研制的能源模块即是其中之一。
能源模块的先进方案，每个能源模块为10组氙灯提供脉冲能量，模块所有电容器并联在一起，电容器一端接地。这种方案结构简单，容易模块化。
能源模块单元采用预电离技术。在传统的强激光装置中，如美国Nova，国内的神光Ⅱ、星光Ⅱ等装置中，预电离电路只完成预电离检验功能，即在氙灯主放电之前，由预电离电路提供小能量的脉冲，检验氙灯的完好性，以减少大故障发生的几率。NIF的原型单元Beamlet上首次在主放电之前加预电离脉冲，该措施不但能延长氙灯的使用寿命，而且提高了泵浦效率。
储能单元采用高比能（0.4J/C.C）、自愈式、金属化介质电容器；能库充电机使用大功率高压高频开关电源。在国内同类高功率激光器电源中，这两项技术是首次成功应用，它大大减小了模块的体积，提高了模块的可靠性。
2系统概述
单个能源模块由充电组件、储能组件、开关组件、控制组件、能量传输系统、高压接线盒和10路氙灯组成，系统框图见图四。能源模块在控制台的控制下，通过10根能量传输电缆为4×2×3高功率激光片状放大器的10组氙灯提供泵浦能量。它包括两部分：预电离电路和主泵浦电路。预电离电路实现氙灯的初始触发，初始触发50~500μS后主泵浦电路为氙灯提供主脉冲。
模块主要技术参数如下：
预电离电路：
                 工作电压                20KV
                 储能                        6.62KJ
                 放电脉冲波形        微欠阻尼指数波
                 10%峰值脉宽          120μS
                 电流峰值                  8.3KA
                 最大工作比              1次/30MIN
主泵浦电路：
                 工作电压：              23.5KV
                 储能                           600KJ
                 放电脉冲波形            临界阻尼指数波
                 10%峰值脉宽            500μS                
                 电流峰值                    150KA
                 能量传输效率             >80%
                 能量分配不一致性     <3%
                 充电电压重复精度     <5‰
                  最大工作比                 1次/30MIN
图1 为能源模块系统正常工作时典型的电流波形，图2为系统主泵浦电路典型的电流波形，图3为能源模块外形图。
3系统研制
3.1储能组件
   主储能组件由100个电容器并联组成，每个电容器储能5.7KJ(22μF/23.5Kv)总储能600KJ，予电离电路储能组件由6台22μF电容器组成(2串3并)总储能6.62KJ(33μF/20Kv)。
储能组件是决定能源模块造价、体积与可靠性的最重要因素，传统的箔式高压脉冲电容器的比能、价格很难满足模块的要求。模块中电容器采用金属化介质的电极技术，其比能达到0.4J/CC，大大高于普通电容器0.1J/c.c～0.2J/c.c的水平，满足了模块在体积、造价方面的要求。
  金属化电容器其最可贵的特点是其所谓的“自愈”能力，也就是说如果介质击穿，击穿电流会使击穿点周围的电极蒸发，其结果清除了短路，即“自愈”电容功能恢复正常，仅使其电容量发生了微量减小，实验证明，数千次的“自愈”才导致容量明显地减小，所以这种电容器的失效判定方案是按其容量减小到标称值5%来确定的。对储能模块系统而言，其系统可靠性也因金属化电容器的“软”失效模式得以提高。由于电容器经历的是容量的逐渐减少，而不是突然的短路，故这种容量的变化可通过定期直接测量电容值来测定。也可通过记录每一次打靶的峰值电流，并以检测峰值电流因电容降低而引起的减小量来推断。我们设计中采用了第二种方法，这样运行人员能够在正常运行期间监视电容器工作状态，以便在维护期间及时更换老化的电容器。 
为确定电容器的性能，我们作了大量的测试试验，模拟模块工作条件（23KV/1.6KA）下1万次的寿命试验;故障条件（80%反压）下的模拟测试;每台电容器28KV高压绝缘测试;在工作条件下100次的充放电试验。试验结果表明，电容器均经受了考验。在1万次的寿命试验后，电容量仅略有下降。
尽管自愈式电容器的可靠性很高，但还是不能完全避免电容器的失效击穿，由于电容器组件总储能达600KJ，故仍需考虑电容器短路故障时的保护措施。为避免组件所有储能向某台短路电容器泄放，我们将100台电容器分成10组，每组10台，每组串10μH的限流电感，而每台电容器都串接限流电阻与高压限流熔断器。当某台电容器短路时，与其相连的熔断器迅速动作以隔离故障电容器。限流电阻将故障电容器的故障电流限制在安全的水平。在母排短路的情况下，所有熔断器动作以保护电容器的安全。    
为保证组件维护时的人身安全以及模块放电失败后紧急泄放的需要，组件设置了双路安全放电回路，并附加电容器电压监测以确保安全。
3.2开关组件
储能模块中采用2个开关管，目前，大电流开关可采用的品种有：
Ignitrons，Spark gaps，Pseudosparks，Vacuum switches，SCR/GTOS，RSDS，Low pressure switches 等，依据国内外情况采用进口引燃管(Ignitrons)作为开关管，型号为：NL-37248，NL-488A 主回路放电开关的主要参数为：
主回路放电开关NL-488A的主要参数为：
 峰值正向电压  25KV
 峰值反向电压  25KV
 峰值电流  300KA
 库仑量  50C
 NL-37248 予电离回路放电开关的主要参数为：
 峰值正向电压  50KV
 峰值反向电压  50KV
 峰值电流   2.5KA
 库仑量  5C
大功率引燃管触发器的设计均有严格的要求，触发器的输出反向电压不能超过5V，通过的最大电流及库仑量不能超过其额定值，大功率引燃管在工作过程中存在自燃的问题，在主电路设计中需考虑其保护的问题，同时，在开关导通时产生的操作过电压需考虑，其结构安装也有严格的要求，除考虑电压隔离外，还需考虑电动力的问题。
3.3调波电感
10路调波电感是放电回路中的一关键元件，为保证氙灯负载能量分配的一致性要求，设计上其电感量要求控制为±3%以内，在10个电感的结构排列上精心设计，尽量减少其互感的影响；电感器的设计需保证在氙灯负载短路情况下不损坏。电感设计完成后，我们进行了3倍工作电流的冲击试验，电感器完好无损。
3.4能量传输
由于要求传输效率达80%以上，能量传输电缆的设计必须控制能量损耗，我们采用50Ω高压同轴电缆由模块向激光放大器附近的接线盒传输能量，长度为50米，这种电缆是专门定做的专用电缆；
其主要技术指标为：
芯线和屏蔽层之间的绝缘要求：≥50KV
分布电感：＜7nH/m
分布电容：100PF/m
线电阻：＜0.5mΩ/m
3.5充电组件
模块采用两个充电电源，一个是12kW主充电电源，一个是0.5kW预电离充电电源。为使充电组件尽量做到体积小、重量轻，模块主充电电源及预电离充电电源的设计均采用高频逆变恒流充电技术，12kW主充电电源采用两个单元合成，输出电流恒定值为1A，充电速率为9.4KJ/S。0.5kW预电离充电电源输出电流恒定值为30mA，充电速率为200J/S。
随着高频逆变技术和功率半导体器件的发展，中、大功率的高频逆变装置不再是很难实现的问题了。高频逆变阶梯充电实际上就是充电电源以一定的电压阶梯对电容器组进行充电，就这个逆变充电电源而言，其输出外特性近似于一个恒流源，所以这种电源特别适宜于负载是高压、小电流及可能会短路的情况下使用，对于模块中可能出现的引燃管自燃等负载短路情况是能够适应的。在这个大的前提下，由于系统采用了高频逆变充电技术，明显提高了系统的充电效率，减小了装置的体积、重量。
3.6充电机反压保护电路
当电容器组内发生电容器失效或母线发生短路的故障时，电容器组将产生很高的反向电压（约 -19KV），该反向电压会使主电源整流回路过流，使整流管产生损坏，因此，需设置反压保护电路，如图5所示。硅堆D5分流故障电流，电阻R1将故障电流限制在安全范围内。电阻R2须能承受故障时的电容器反向储能(在反压80%时约为500KJ)。
预电离充电电源输出采用50KΩ的电阻串接在输出端，以防止电容器电压反向时损坏充电机。
3.7控制及诊断
监控系统主要完成以下功能:
主电离充电电源的控制与监测；
预电离充电电源的控制与监测；
主电离及预电离触发控制；
电容器充电状态的监测；
氙灯电流的监测、分析与显示；
模块安全运行的控制；
与上位机的通信；
监控系统框图如图6。
能源模块控制系统由一个分级计算机系统控制。中心计算机位于控制室内， 中心控制台与能源模块控制组件的PLC 采用光缆通信， 完成监视控制、波形等数据的监测与处理等功能。该PLC机是具有高性能和智能化高速处理功能的中小规模可编程序控制器。
能源模块系统的诊断，主要是对各闪光灯组进行峰值电流测量。每一对氙灯组的电流由二个罗可夫斯基线圈进行测量，然后通过峰值检测器测量其峰值，再送至PLC的A/D转换器进行数字化处理化后送到中心计算机进行处理。
电流峰值测量同时提供故障保护功能，如果在充电机充电引燃管未触发时检测到氙灯电流，则证明是引燃管自燃故障，此时切断充电机高压电源。
通过监测氙灯电流的大小及有无，可判断放电回路中电容器组的容量损失及氙灯工作是否正常。如容量损失超过5%，则可及时更换部分电容器。
4试验结果
系统完成后，由于暂时无氙灯负载，我们进行了模拟测试，试验是在模拟电阻负载上进行，单路氙灯负载用1.5Ω的模拟负载代替，由于与氙灯负载特性的差异，因此，模拟负载与氙灯负载放电电流波形的脉宽及峰值电流有一定差别。 模拟负载下主泵浦电路单路放电电流波形如图7，测试结果表明，十路放电电流波形峰值电流与脉宽等指标与仿真结果基本一致，十路放电电流波形一致性误差小于±1%。预电离放电、控制与检测等功能均进行了测试，均达到指标要求。
5结束语
目前，能源模块完成了模拟负载下所有的功能指标测试，波形一致性较好，至今在模拟负载下已经进行了上百次的放电试验，系统运行正常。下一步的工作主要是与激光放大器氙灯负载进行联试。

参考文献
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