中子加速器高压电源的模块化并联与均流技术
中子加速器作为产生高通量中子的核心装置，在核物理研究、材料科学、生物医学及无损检测等领域具有不可替代的作用。其前端离子源（如射频离子源、潘宁离子源）及低能束流传输段通常需要工作电压在数十千伏至数百千伏量级的高压电源。随着实验对中子通量要求的提高，离子源需要更大的束流引出能力，这就要求驱动其的高压电源具备更高的输出功率。单一的大功率高压电源模块在技术实现、可靠性及维护性方面面临挑战：功率器件应力大、散热集中、故障时影响面广、且体积重量可能非常庞大。采用多个中、小功率的高压电源模块进行并联输出，成为解决高功率需求的主流技术路径。然而，模块化并联并非简单连接，其成功实施的核心在于高效的均流控制技术，确保各模块均衡分担总负载电流，避免个别模块过载，从而实现系统的高效率、高可靠性和优良的动态性能。
模块化并联架构通常分为两类：一种是输出端直接并联，另一种是通过输出耦合电感或变压器进行并联。直接并联结构简单，但对均流控制的要求极为苛刻。由于各模块的参数（如输出电压设定值微差、输出阻抗、元器件特性）不可能完全一致，即使其空载输出电压设定相同，在带载时也会因微小差异导致电流分配严重不均。输出阻抗低的模块将承担更多的电流，可能很快进入限流或过载状态，而其他模块则处于轻载，系统总输出能力无法达到设计值，且过载模块寿命缩短，系统可靠性下降。因此，必须采用主动均流控制策略来强制各模块输出电流平均分配。
主动均流技术主要包含以下几种方案：
**1. 主从设置法：** 指定一个模块作为“主模块”，工作在电压源模式，负责稳定总输出电压。其他“从模块”工作在电流源模式，其电流设定值跟随主模块的实际输出电流。通常通过一个共享的均流总线来传递主模块的电流信号。这种方案控制简单，但主模块故障会导致整个系统崩溃，且均流总线上的噪声可能影响系统稳定性。
**2. 平均电流自动均流法：** 各模块均配备均流控制器。所有模块将其自身的输出电流通过一个公共的均流母线进行通信或模拟叠加，计算出所有模块的平均电流值。每个模块将自己的电流与这个平均电流进行比较，通过调整其电压基准来消除偏差，使自身电流向平均电流靠拢。这种方法实现了模块间的民主化协同，不存在单点故障，但对均流母线的信号质量和抗干扰能力要求高。
**3. 最大电流自动均流法（民主制）：** 该方法也使用公共均流母线，但各模块将其自身的电流信号送至母线，而母线自动呈现所有模块中最大的电流信号值。每个模块将自己的电流与这个最大电流值比较，如果自己的电流小于最大值，则提高自身输出电压设定，增加输出电流，直至所有模块的电流趋于一致。这种方法能自动让输出能力最强的模块承担基准角色，但同样依赖高可靠性的均流母线。
**4. 基于数字总线通信的均流法：** 这是现代高性能系统的主流方向。每个模块都是一个智能节点，拥有本地控制器。各节点通过高速数字通信总线（如CAN、EtherCAT）连接。一个中央控制器或通过分布式算法，实时收集所有模块的输出电流和电压信息，计算总电流和平均电流，然后向各模块下达调整指令（如微调电压参考值或占空比）。这种方法的优势在于灵活性强，可以集成复杂的算法（如根据模块温度、健康状况动态调整均流权重），并能实现故障模块的“热插拔”与无缝退出/加入。通信延迟和同步精度是实现优良动态均流的关键。
无论采用何种均流方案，并联系统都需要解决一些共性的技术难题。**首先是环流抑制。** 即使实现了稳态直流电流均分，由于各模块开关动作的相位、输出电压纹波的不完全一致，模块间仍可能产生高频环流。这种环流不流经负载，而是在模块间循环，增加了导通损耗和器件应力。需要在输出端加入小阻值的均流电感或利用耦合电感来抑制高频环流。**其次是动态均流性能。** 当负载发生阶跃变化时，各模块的响应速度可能存在微小差异，导致瞬态电流分配不均。这需要均流控制环路具有足够高的带宽，并可能引入负载电流前馈或采用预测控制算法来改善动态响应。**再者是故障隔离与冗余。** 系统应能检测到某个模块的故障（如过流、过温、内部短路），并迅速将其从并联系统中隔离，同时其余模块能够自动调整，继续保持系统输出，实现N+X冗余。这要求每个模块输出端串联隔离二极管或使用具有反向阻断能力的固态开关，并配备快速故障检测与关断驱动电路。
对于中子加速器高压电源，其负载（离子源）具有非线性、可能发生闪络的特性，这对并联均流系统提出了额外挑战。发生闪络时，负载近似短路，各模块会瞬间输出最大电流。均流系统必须在此极端瞬态下依然保持有效的电流分配和保护，防止个别模块因承受过大的di/dt而损坏。同时，系统从闪络恢复时，电压的重新建立过程也需要各模块协调一致。
模块化并联与均流技术的成功应用，为中子加速器高压电源带来了显著优势：功率可灵活扩展（通过增减模块）、易于维护（模块可在线更换）、提高了系统可用性（冗余设计）、并且有利于采用标准化模块降低成本。然而，这也增加了系统的复杂性，对控制算法、电磁兼容设计和热设计提出了更高要求。未来的发展趋势是进一步数字化和智能化，利用更强大的处理器和先进算法，实现更精准的均流、更优的效率分布以及基于状态的预测性维护，从而为新一代高通量、高稳定性中子源的持续运行提供更加强劲和可靠的电能心脏。
