明緯系統電源應用 - 同步加速器光源設備之超高功率電源供應系統
文:技術中心
系統電源應用案例
2020年，明緯系統電源正式取得台灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS)同步加速器(Synchrotron)高頻系統第三站建造的應用標案，作為同步加速器內高頻系統第三站的直流電源供應系統，提供電子在同步加速器內加速至趨近光速運行所需的超高能量。底下圖示為同步(電子)加速器常見的環狀結構(圖一)，內側為增能環，外側則是儲存環以及由儲存環分接出的多個實驗站。
圖一 同步加速器環狀結構
同步加速器應用範圍
同步加速器產生的超高亮度寬頻譜光源(遠紅外線至硬X光)，可廣泛用於材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等領域之實驗等等，是二十一世紀尖端基礎科學研究、生醫科技及工業應用不可或缺的實驗利器，促成現今電動車輛蓬勃發展所不可或缺的長效鋰電池材料與技術，以及實現奈米技術在半導體材料、生醫科技產品研發上，貢獻重要的技術突破。
台灣光子源(Taiwan Photon Source)同步加速器(圖二)，由下方圖示可看出台灣光子源同步加速器，主要由直線加速器、增能環以及儲存環所構成。第一步，由直線加速器將電子加速注入增能環後，再由增能環加速至趨近光速加快粒子運行速度，第二步，將高速電子導入儲存環內產生累積以產生超高亮度光束，並透過高頻系統補充電子束由於放出同步輻射光而損失的能量及提供電子束足夠的能散存活度，最後，透過實驗站取出超高亮度光束，進行相關材料實驗與分析。其明緯系統電源裝置應用於高頻系統第三站的直流供電設備上。
圖二 台灣光子源同步加速器
該標案規劃使用多套96kW之高功率電源系統(圖三)，使用電源系統輸出的電力驅動全固態射頻功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)叢集(圖四)產生高頻能量，匯集高頻能量供應電子於趨近光速運行所需之能量(圖五)，全部電源系統最大輸出直流功率將近800kW !
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圖三 96kW高功率電源系統 |
圖四 RF放大器叢集 |
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圖五 10路同軸功率合併器 |
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為配合儲存環電流所需要的RF功率及最佳的用電效率，電源系統輸出電壓須能涵蓋42Vdc ~54Vdc調變範圍，以滿足不同射頻功率所在最佳電力轉換效率之工作點不同的需求，DRP-3200系列支援數位通訊，透過CANbus通訊指令達成精準調壓的要求。
再者，多套電源系統並非以並聯方式連接，且進行實驗時需要同步調整每套電源系統的匯流排電壓，欲達成同步和遠端控制，勢必要透過外部控制器與通訊協定方能達成，同時使用控制器調變之後的輸出電壓，精準度須滿足+/- 1%的精密要求。在此前提下，全數位化的智能電源設計加上支援數位通訊協定，讓聯網方式遠端監控電源系統變成可能!
此外，DRP-3200-48擁有極高電能轉換效率，符合國際節能環保趨勢，也是獲選的另一個重要原因! 從電源系統合併直流輸出功率近800kW觀之，即便單一電源供應器的轉換效率僅僅提升0.5%，在長時間運轉的情況下，將帶來較佳的節能經濟效益，其節省的電力(電費)十分驚人。
明緯系統電源方案組成
明緯結合最新技術DRP-3200系列數位控制電源、DHP-1UT-A 1U電源機箱、數位電源控制器CMU2以及19吋標準機櫃所組成，並聯方案其輸出功率最高可達128kW。
系統電源優點
- 整合式解決方案: 電源模組支援數位通信，透過控制器遠端監控電源系統重要參數，簡化電源管理作業。
- 易於維護: 電源模組支援熱插拔，可快速裝置與更換模組。
- 輸出功率擴充性高: 12.8~128kW超高功率，依據不同產業與應用，配置電源系統輸出功率、輸出電壓等重要參數。
若您對於明緯推出的超高功率系統電源方案有任何疑問，歡迎隨時與本公司技術服務人員聯繫!
參考資料
- https://www.nsrrc.org.tw/Chinese/acceleratorTPS.aspx
- https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_synchrotron_radiation_facilities
- https://zh.wikipedia.org/wiki/同步加速器
- https://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron
- https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator
- https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_frequency
- https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=12713
- https://buzzorange.com/techorange/2018/03/29/nsrrc-tls-tps/
- “THE COMMISSION OF HOME-MADE 500MHZ, 80KW SOLID-STATE AMPLIFIER IN NSRRC”. https://inspirehep.net/files/afc450fdc0f9c81b455a5142bb3c542f