高壓電源在科學(xué)儀器的模塊化升級(jí)方案

科學(xué)儀器迭代速度極快，從30kV透射電鏡升級(jí)到300kV、從單束流離子源擴(kuò)展到多束流聚焦系統(tǒng)，傳統(tǒng)整體式高壓電源一旦定型就難以改動(dòng)，導(dǎo)致每次升級(jí)都要重新設(shè)計(jì)整套電源系統(tǒng)，周期長(zhǎng)、成本高。模塊化升級(jí)方案以“通用功率磚+可擴(kuò)展母線+固件即定義”為核心，讓科學(xué)儀器的高壓電源像搭積木一樣實(shí)現(xiàn)平滑、無(wú)損、分鐘級(jí)升級(jí)。

通用功率磚采用25kW標(biāo)準(zhǔn)單元，單磚集成三相400V輸入、碳化硅全橋逆變、高頻平面變壓器、主動(dòng)整流輸出、可在線切換恒壓/恒流/脈沖三種模式、液冷與全數(shù)字控制。磚與磚之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化高壓母板并聯(lián)，母板每段預(yù)留8個(gè)盲插槽，支持熱插拔。升級(jí)時(shí)只需按需插入新磚并刷寫對(duì)應(yīng)固件，無(wú)需斷開現(xiàn)有高壓電纜。

可擴(kuò)展母線徹底打破空間限制。傳統(tǒng)儀器內(nèi)部高壓電纜固定布線，新增一路電壓必須重新開孔走線。新方案母線采用分段式柔性高壓GIL，每段1.2米帶快速法蘭與光纖盲插接口，可沿儀器骨架任意蛇形延伸。實(shí)驗(yàn)人員想在原有200kV加速管后再加一級(jí)80kV后加速，只需接長(zhǎng)兩段母線、插入4個(gè)功率磚，最快40分鐘完成硬件擴(kuò)展，電壓從200kV提升到280kV。

固件即定義讓同一套硬件支持完全不同應(yīng)用。功率磚內(nèi)置Xilinx Zynq UltraScale+，支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)。同一批磚今天可以是300kV直流透鏡電源，明天刷寫新固件后變成±150kV雙極性離子陷阱電源，后天再刷成30kV/10A電子槍燈絲+偏壓組合電源。實(shí)際在某國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，30塊通用磚在過(guò)去三年內(nèi)完成了7次不同儀器的功能切換，總升級(jí)成本僅為傳統(tǒng)方案的12%。

熱冗余與自愈讓升級(jí)零風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)常態(tài)N+6冗余，升級(jí)過(guò)程中即使誤插或新磚故障，系統(tǒng)8秒內(nèi)自動(dòng)隔離并重新均流，實(shí)驗(yàn)不中斷。實(shí)際在中國(guó)散裂中子源某譜儀升級(jí)項(xiàng)目中，科研人員在束流運(yùn)行間隙的2小時(shí)內(nèi)完成從600kV到920kV的電源擴(kuò)容，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天即恢復(fù)出束。

模塊化升級(jí)方案已讓科學(xué)儀器的高壓電源從“終身制”變成“可成長(zhǎng)制”，科研人員再也不用為一次參數(shù)調(diào)整而等半年新電源到貨。