面向核聚变装置的数字化电源系统：技术架构与工程实践
➤能源转型背景下的核聚变技术定位
在全球能源结构转型与碳中和目标的双重驱动下，可控核聚变因其燃料资源丰富、能量密度高、固有安全性好等特征，被视为基荷能源的终极解决方案。
我国在磁约束核聚变领域已形成完整技术链条：东方超环（EAST）实现403秒高约束模等离子体运行，中国环流三号突破百万安培等离子体电流，标志着我国在该领域进入国际前列。
托卡马克装置：电源系统的“终极试炼场”
托卡马克是一种利用磁场约束高温等离子体以实现可控核聚变反应的环形实验装置。其核心在于通过强磁场，将亿度高温的等离子体稳定约束在环形真空室中，使之与装置壁隔离，从而维持持续聚变反应。
该装置的核心技术挑战，在于稳定约束高温等离子体并实现有效加热与控制，这一过程高度依赖精密、可靠的电源管理系统，其技术难度远超常规工业电源：
▌磁体系统：需数十兆瓦级高稳定度电源，为超导线圈供电以生成约束等离子体的强磁场；
▌加热系统：需高压大功率电源，将等离子体加热至亿度级高温；
▌诊断系统：需超高精密电源，保障实验数据的精准采集。
可以说，电源系统是托卡马克装置的“动力之核”，它的性能优劣直接影响着核聚变实验的成败与效率高低。
PPEC inside数字电源：全栈自主化的技术架构
依托PPEC Workbench低代码开发平台，森木磊石构建了面向可控核聚变全场景的PPEC inside数字电源产品体系：
▶双引擎智能开发模式：采用“图形化＋AI”的智能化低代码开发模式，组件丰富、兼容性强，支持快速构建系统并自动优化代码，显著缩短开发周期。
▶全数字化控制：实现输出电压、电流波形及工作时序的μs级精确可编程，灵活适配核聚变放电、平顶、破裂等多工况运行模式。
▶高可靠性设计：内置多级实时监测与硬件联锁保护机制，满足长脉冲、高重复频率运行要求；模块化冗余设计支持在线热插拔维护，降低大科学装置的运行风险。
▶标准化与可扩展性：统一硬件平台与软件接口规范，便于功率等级扩展与多装置协同，为聚变电源的批量化工程交付奠定基础。
01、逆变式高压电源模块系统：加速级供电
逆变式高压电源模块系统是 NBI 系统中离子源加速级的核心供电单元，负责为离子束提供高能量加速电场，其输出电压稳定性直接决定中性束的注入能量与束流品质。
逆变式高压电源模块系统（PPEC inside）含126个逆变模块与3套超级电容系统，可输出120kV/50A高压。系统采用先进的高频逆变技术、高频高压隔离变压器研制技术、超高压绝缘工艺，具备高功率密度、低纹波（<2%）及微秒级保护响应能力，支持多种供电输入与柔性输出配置，专为NBI强电磁干扰环境中的稳定高压供电设计。
02、PSM高压供电系统：脉冲高压调制
PSM 高压供电系统为 NBI 系统的主控与辅助电路提供多组稳定高压，是保障系统各模块协同运行的基础供电单元。
PSM高压供电系统（PPEC inside）采用模块化脉冲阶梯调制(PSM）技术，可为加速极提供高达120kV/120A的稳定高压输出。系统由160kW功率模块组成，稳定度优于1%，效率超97%。其具备微秒级波形合成与快速响应能力，并集成多层保护，为中性束注入提供高精度、高效率的脉冲功率调制。
通过PPEC Workbench平台的架构创新，PPEC inside数字电源已完成多类核聚变装置的电源落地部署。
森木磊石实现了核聚变电源开发从"代码级"向"模型级"的转变，在提升开发效率的同时保障了系统可靠性。
其标准化、模块化的设计思路，为核聚变电源装置的工程化批量交付提供了技术路径。
未来展望：数字化＋平台化的融合演进
随着CFETR等下一代装置的建设推进，电源系统的数字化、平台化将成为重要发展趋势。未来，基于AI算法的自适应控制、数字孪生技术的预测性维护、以及宽禁带半导体（SiC/GaN）的应用，将进一步提升核聚变电源系统的功率密度与可靠性水平。
来源：电力电子技术与新能源
