應用於超導體的高電流電源

超導體應用需要高精度的高電流、低壓電源來驅動磁鐵並測試先進的HTS電纜。Magna-Power 的電流供電可程式直流電源供應器，透過提供穩定且可擴充的解決方案，配備靈活冷卻、專用高電流線路及超精密測量配件，滿足超導體應用的需求。

超導體導論

超導體是指當冷卻至某個臨界溫度以下時，幾乎呈現零電阻的材料。這項卓越的特性使電流能在不發生標準導體常見的能量損失的情況下通過。結果是，當這些材料被製成電磁鐵時，能實現高效的電力傳輸與極為強大的磁場——這兩者對於粒子加速器、磁振造影（MRI）、量子運算和融合等離子體等先進應用來說都不可或缺。

歷史上，這些超導材料—通常稱為低溫超導體（LTS）—僅在極低溫下運作，冷卻時需要液態氦（4 K，−269 °C）。雖然這些低溫需求有效，但增加了顯著的複雜度與營運成本，限制了更廣泛的商業採用。

Joint European Torus interior with superimposed plasma (Image Credit: United Kingdom Atomic Energy Authority)

然而，高温超導體（HTS）的突破大大的改變了這種模式。 HTS 材料，例如基於含有稀土元素和氧化銅的陶瓷化合物（通常稱為 REBCO 或 YBCO 導體）的材料，可以在較高溫度下實現超導性，通常在液態氮溫度（77 K，-196 °C）左右。液氮比液氦更經濟、更容易取得，可顯著降低超導體系統的資本和營運成本。

隨著高溫超導技術的這些發展，廣泛、實用的超導技術的前景變得更加明顯。從未來聚變能反應器（託卡馬克，Tokamaks）中更緊湊的超導磁鐵到可能徹底改變配電的超導傳輸線，高溫超導(HTS) 材料在使大規模超導應用變得可行且具有成本效益方面處於領先地位。

超導體應用的直流電源需求

根據定義，超導體在低於其臨界溫度時表現出極低甚至可以忽略不計的電阻。在設計、測試和供電超導磁鐵或測試超導電纜時，這種超低電阻環境提出了獨特的挑戰：該應用通常需要在非常低的電壓下提供極高的電流。

為什麼要低電壓？

• 最小降低電阻：在超導體中，一旦達到工作溫度，電阻損耗就可以忽略。這意味著只需要很小的電壓降就能驅動大電流通過超導線圈或電纜。
• 安全和系統複雜性：保持低電壓可以減輕電氣絕緣要求，並減少高電流測試設定中的安全隱患，特別是在多個電源系統可能並排運行的研究或工業實驗室環境中。

為什麼要超高電流？

• 磁場需求：聚變研究中所使用的超導磁體（如託卡馬克反應器中的超導磁體）需要強大的磁場。為了產生這些磁場，工程師使用必須承載數千至數十萬安培電流的大型線圈。
• 超導體驗證和測試：開發高溫超導 (HTS) 線材的組織需要表徵其在實際工作電流下的性能，要求能夠準確可靠地傳輸高電流。

斜坡和控制的可編程性

• 平滑的斜坡上升和斜坡下降：超導磁鐵通常對電流的快速變化敏感，這可能會引起機械應力或導致失去超導（超導性突然喪失）。可程式直流電源可實現精確的電流分佈，確保超導系統的受控通電和斷電。
• 自動測試協議與控制：在研發和生產環境中，超導體表徵經常涉及在各種條件下重複複雜的電流分佈。可程式電源使工程師能夠自動化這些流程，從而提高一致性和數據準確性。

Magna-Power 的高電流可程式直流電源

幾十年來，Magna-Power 的大電流電源一直是超導負載應用不可或缺的一部分。無論是為聚變實驗的託卡馬克場線圈供電，還是在測試和驗證期間為超導線供電，Magna-Power 結合了垂直整合、電流饋電拓撲、靈活的冷卻解決方案和深厚的工程專業知識，使其能夠提供針對安全性、性能和可靠性進行優化的大電流解決方案。擁有加工原材料和內部設計大電流母線解決方案的能力，這意味著 Magna-Power 可以快速迭代新設計，並整合最新最好的功率半導體以擴展其產品範圍。

54 kA high current power supply system comprised of Qty (9) TSD10-6000/480+LXI+WC power supplies, rack enclosure and integration, AC breakers, and harmonic neutralizers.

標準化產品可達數十萬安培(100,000 A)，具有可靠的電流饋電功率處理

Magna-Power 的標準TS 系列電源涵蓋數百種型號和數千種配置，能夠提供從幾安培到數十萬安培的電流。例如，低電壓、高電流型號包括 TSD8-2500（0-8 Vdc、0-2500 Adc、4U）、TSD8-5000（0-8 Vdc、0-5000 Adc、8U）、TSD8-7500（0-8 Vdc、0-7500 Adc, 12U), 及 TSD8-10000 (0-8 Vdc, 0-10000 Adc, 16U)。多個 TS 系列設備可主從並聯配置，以實現更高的電流等級。

每個型號均採用該公司的電流饋電式電源處理拓撲，可確保在電阻、電容或高電感負載下穩定的電流輸出、高容錯能力以及在苛刻負載條件下可預測的系統行為。這些標準配置提供了擴展功率需求的直接途徑，同時簡化了通常與超高電流應用相關的複雜性。

憑藉為超導項目供電的深厚傳統，Magna-Power 的可程式直流電源系列不斷發展，以滿足工業和科學用戶等嚴格的電源需求。

彈性化的冷卻解决方案和系統選項

Magna-power 的機架外殼提供多種靈活的即插即用安裝和冷卻解決方案，以滿足特定的安裝要求。這些外殼可以容納氣冷或水冷 電源，且通常將多個單元組合成一個解決方案：

• 整合式冷卻系統：整合到機架中的風冷產品包括頂部安裝的風扇，用於吸入冷空氣並從頂部排出熱量。對於水冷裝置，為機架的公共入口和出口提供了歧管，從而簡化了與設施供水的連接。
• 諧波中和器：大型機架式外殼系統可以包括可選的輸入諧波濾波器，確保在並行運行多個高電流電源時，總諧波失真（THD-I）保持在低水平。
• 可用配件：Magna-Power 提供各種機架配件，例如交流斷路器、共用交流進口母線和配電、緊急停止按鈕、可安裝於地面的基座等。機架配置是一起定義的，並提供唯一識別碼以供參考。

借助這些全面的整合選項，您的超高電流電源解決方案仍然是模組化且易於管理的，從而簡化了從採購和設定到持續營運和維護的一切。

30,000 Adc water cooled TS Series in Magna-Power rack enclosures with manifolding to a common inlet and outlet.

高電流佈線，簡化系統整合

高電流超導應用通常需要能夠承載數千安培電流而不會產生過多熱量或壓力降的專用連接器和電纜。通常，這些高電流連接需要製造大型客製化銅母線，這需要工程資源並且成本非常高。

Magna-Power 提供大電流、極靈活、高股數和低阻抗直流電源電纜，專為與其 TS 系列母線配對而設計，其主要特點如下：

• 高耐用性絕緣套管：電纜由丙烯酸塗層編織玻璃纖維套管保護，提供高耐磨性（2500 次循環，SAE ARP 1 536）和 6,000 Vdc 絕緣，確保工業或研發環境中的耐用性和長使用壽命。
• 高電流容量：每條電纜均為 1,000 Adc，極為靈活且阻抗低（0.020 mΩ/ft）。可以並聯多條電纜以滿足更高的電流要求。每個 TS 系列母線都包含足夠的連接點，以允許電纜承載全部電流。
• 從 1 英尺到 300 英尺的各種長度選項：簡化設備或測試台可能位於與電源不同距離的安裝。

透過將這些專用電纜與 TS 系列電源相結合，Magna-Power 消除了高電流整合中的猜測，確保了安裝的安全性和簡單性。

Magna-Power CBL-6000-1000 ultra-flexible power cables, rated for 6000 Vdc and 1000 Adc per cable

超精密附加或 DIY 輸入

對於需要超精確測量和控制的應用（無論是微調超導磁體的場均勻性還是表徵 HTS 電纜的細微行為），Magna-Power 提供了 DBx 模組。此附加配件提供：

• 高精度：具有溫度穩定控制器的高效能 D/A 和 A/D 轉換器可提供高度精細的編程（18 位元）和讀回（24 位元）解析度。
• 高穩定性：超穩定磁通閘直流電流互感器 (DCCT) 用於透過與電源直流輸出的串聯進行高精度隔離測量，然後透過 DBx 模組的溫度穩定控制器驅動電源的類比輸入，提供 < 50 ppm 的穩定性。
• 解決方案配置：系統直接從工廠出貨和測試，與電源、DBx 模組、機架外殼、佈線和冷卻完全整合在一起。

對於想要提供自己的高精度基準並執行外部誤差校正的客戶，Magna-Power 為其電源提供類比輸入，這是通往我們控制器的直接模擬路徑。

100 kW TS Series power supplies integrated with DBx Module to provide < 50 ppm for superconducting magnet steering.

總結

超導應用——從託卡馬克等聚變反應器中必不可少的超強磁鐵到新型高溫超導 (HTS) 電纜——需要在低電壓下運行的精確大電流電源。在本文中，我們將探討 Magna-Power 強大的可程式直流電源解決方案如何滿足這些具有挑戰性的要求。 Magna-Power 利用獨特的電流饋電拓撲，提供能夠達到數萬安培的標準電源，提供靈活的冷卻、與專用高電流佈線的簡化集成，以及透過 DBx 模組可選的超精密測量。憑藉數十年的經驗和垂直整合的美國製造方法，Magna-Power 隨時準備好客製化每個系統，以滿足超導研究、測試和工業規模實施的特定需求。

Originally published by Magna-Power February 5, 2025