입증 된 사례 연구

2020 년 MEAN WELL의 시스템 전력 솔루션은 싱크로트론 내의 RF 증폭기 시스템을위한 DC 전력 공급 시스템으로 대만 광자 소스 (TPS) 싱크로트론에 대한 정부 입찰 계약을 성공적으로 수주했습니다. 이 전력 시스템은 전자가 거의 광속으로 가속 될 수 있도록 초고 에너지를 제공합니다. 그림 1은 동기식 (전자) 가속기의 일반적인 링 구조를 보여줍니다. 내부는 부스터 링이고 외부는 여러 실험 스테이션이 분기되는 저장 링입니다.

그림 1. 싱크로트론의 고리 구조

싱크로트론 응용 프로그램

싱크로트론에 의해 생성된 광원의 초고밝기 및 넓은 대역폭 스펙트럼(원적외선부터 하드X선까지)은 물리학, 화학, 재료, 화학공학, 생물학, 의학, 지질학, 고고학, 환경보호, 에너지, 전자, 마이크로 전자기계 시스템 분야의 실험에 널리 사용될 수 있다.s(MEMS), 나노스케일 장치 등. 그것은 21세기의 첨단 기초 과학 연구, 생물 의학 기술 및 산업 응용에 필수적인 도구이다. 그것은 오늘날 세계 전기차 시장에 필수적인 오래 지속되는 배터리를 달성하는 리튬 재료 연구에 기여했다. 또한, 반도체 재료의 핵심 요소인 나노 기술과 바이오의약품 관련 제품 개발에 대한 깊은 이해를 돕고 있습니다.
 
그림 2는 주로 선형가속기(LINAC), 부스터 링 및 스토리지 링으로 구성된 TPS의 싱크로트론을 보여줍니다. 이 소스는 입자를 생성하며, 입자가 부스터 링에 주입되기 전에 LINAC에서 속도까지 가속됩니다. 그런 다음 입자 빔이 저장 링으로 들어가 속도를 유지합니다. 입자 빔이 빛의 속도에 가까운 속도로 전환될 경우 에너지의 일부를 전자기파 형태로 싱크로트론 방사선으로 방출한다. 요구 사항에 따라 초밝기 빔이 빔 라인으로 전환되어 엔드 스테이션에서 실험 또는 적용을 수행합니다. RF 앰프 시스템은 링 위에서 포착된 신호가 링 반대편에서 전용 위상각도로 증폭되어 다시 공급될 수 있는 싱크로트론 복사의 방출로 인해 저장 링에서 입자 빔의 전력 손실을 보상하는 것이다. 피드백 루프는 크기와 에너지 분배를 줄이는 데 도움이 됩니다. MEAN WELL 시스템 전원 솔루션은 스토리지 링에 RF 앰프 시스템의 DC 전원으로 설치 및 적용됩니다.
 

그림 2. 타이완 광자원의 싱크로트론
 

프로젝트의 계획은 그림 3에 나타낸 96 kW의 고출력 전원공급장치 여러 세트를 사용하는 것이다. 전력 시스템의 출력은 그림 4에 표시된 솔리드 스테이트 RF 파워앰프 클러스터를 구동하기 위한 것입니다. 이 클러스터는 고주파 에너지를 생성하여 전자가 그림 5에 표시된 거의 광속으로 이동하도록 합니다. 전체 시스템의 최대 출력 DC 전력은 최대 800kW입니다!

그림 3.96kW 고출력 전원 시스템	그림 4. RF 앰프 클러스터
그림 5. 10 방향 동축 전력 결합기

저장 링에 필요한 RF 출력과 최상의 전력 효율로 일치시키려면, 전력 시스템의 출력 전압을 특정 RF 전력 레벨로 각 작동 지점에 대해 42Vdc에서 54Vdc의 변조 범위 사이에서 조정할 수 있어야 합니다. 디지털 통신 프로토콜인 CAN 버스를 장착한 DRP-3200 시리즈는 정확한 전압 트리밍 요건을 충족할 수 있다.

 또한, 각 전원 시스템 세트의 버스 전압은 병렬로 연결되어 있지 않다면 실험 중에 동기적으로 조정되어야 한다. 이를 위해 원격 제어를 위해 외부 컨트롤러가 구현됩니다. 또 다른 문제는 트리밍 후 출력 전력의 정확도가 +/- 1%로 제한된다는 것입니다. 이를 위해 완전한 디지털 설계 및 통신 프로토콜을 갖춘 전원 공급 장치를 통해 이더넷을 통해 원격으로 시스템을 제어 및 모니터링할 수 있습니다!
 
DRP-3200-48이 선정된 또 다른 중요한 요인은 에너지 절약 및 환경 보호에 대한 국제적 추세와 일치하는 매우 높은 효율성 때문입니다. 800kW 시스템에서 모든 단일 전원 공급 장치의 효율에 대해 0.5% 증가하면 상당한 경제적 결과와 장기적인 운영의 이점을 얻을 수 있습니다.
 

MEAN WELL 시스템 파워 솔루션 성분

MEAN WELL은 최신 기술을 사용하여 시스템 전원 솔루션을 구축합니다. DRP-3200 시리즈는 완전한 디지털 설계의 전원 모듈로, DHP-1UT-A 1U는 전원 쉘프로, CMU2는 전원 컨트롤러로, 19인치 표준 랙 캐비닛으로 구성됩니다. 총 출력 전력은 최대 128kW입니다.

시스템 파워 솔루션의 이점

1. 통합 솔루션 : 전원 시스템의 주요 매개 변수를 컨트롤러를 통해 원격으로 제어 및 모니터링하여 간단히 전원 관리 작업을 수행 할 수있는 디지털 통신을 지원합니다.
2. 손쉬운 유지 보수 : 모듈을 빠르게 설치하고 교체 할 수있는 핫 스왑 기능을 지원합니다.
3. 전력 확장 성 : 매개 변수 구성이 필요한 다양한 산업 및 애플리케이션에 적합한 12.8kW에서 128kW 고전력 솔루션으로 확장됩니다.

1. https://www.nsrrc.org.tw/Chinese/acceleratorTPS.aspx
2. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_synchrotron_radiation_facilities
3. https://zh.wikipedia.org/wiki/同步加速器
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_frequency
7. https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=12713
8. https://buzzorange.com/techorange/2018/03/29/nsrrc-tls-tps/
9. “THE COMMISSION OF HOME-MADE 500MHZ, 80KW SOLID-STATE AMPLIFIER IN NSRRC”. https://inspirehep.net/files/afc450fdc0f9c81b455a5142bb3c542f

Proven Case Study

In 2020, MEAN WELL's system power solution successfully won one government tender contract for Taiwan Photon Source (TPS) Synchrotron, as DC power supply system for the RF amplifier system within the synchrotron. This power system provides ultra-high energy for electrons to be accelerated to near light speed. Figure 1 shows a common ring structure of a synchronous (electron) accelerator. The inner side is booster ring, and the outer side is storage ring from which multiple experimental stations branch out.

Fig. 1 The ring structure of the synchrotron

Synchrotron Applications

The ultra-high brightness and wide bandwidth spectrum of light source (far-infrared to hard X-ray) generated by the synchrotron can be widely used for experiments in the fields of physics, chemistry, materials, chemical engineering, biology, medicine, geology, archaeology, environmental protection, energy, electronics, microelectromechanical systems (MEMS), nanoscale devices, and etc. It is an indispensable tool for leading-edge fundamental scientific research, biomedical technology and industrial applications in the 21st century. It has contributed to the study of lithium materials achieving long-lasting battery which is essential to the global electric vehicle market nowadays. Additionally, it further helps the deep understanding at research of nanotechnology for which is key element of semiconductor materials and biomedical relevant products development.
 
Figure 2 shows the illustration of the synchrotron of TPS for which it mainly consists of Linear Accelerator (LINAC), Booster Ring and Storage Ring. The source produces the particles which are propelled up to speed in a LINAC before they are injected into a booster ring to be accelerated further. The particle beams then enter the storage ring, which maintains their speed. In case particle beams are diverted at speeds close to the speed of light, it emits part of the energy as synchrotron radiation in the form of electromagnetic waves. Depending on requirements, the super bright beams are then diverted into the beamline to perform the experiment or application in the end station. RF amplifier system is to compensate the power loss of the particle beams in the storage ring due to the emission of synchrotron radiation by which a signal picked up on ring can be amplified and fed back in on the opposite side of the ring at a dedicated phase angle. The feedback loop helps to reduce the size and energy distribution. MEAN WELL system power solution is installed and applied as the DC power source for the RF amplifier system in the storage ring.
 

Fig 2. Synchrotron of Taiwan Photon Source

 

The plan of project is to use multiple sets of 96kW high-power power supply system shown in Figure 3. The output from the power system is for driving solid-state RF power amplifier clusters shown in Figure 4 which generates high-frequency energy for boosting electrons to travel at nearly light speed shown in Figure 5. The maximum output DC power of whole system is up to 800kW!
 

Fig 3. 96kW High Output Power System	Fig 4. RF Amplifiers Clusters
Fig 5. 10-Way Co-axial Power Combiners

To match RF power required by the storage ring and best power efficiency, the output voltage of the power system must be adjustable between 42Vdc to 54Vdc modulation range for each operating point with specific RF power level to achieve best result. The DRP-3200 series equipped with CANbus, digital communication protocol, can achieve the requirement on precise voltage trimming.
 
Furthermore, the bus voltage of each set of power system needs to be adjusted synchronously during experiments provided they are not connected in parallel. To achieve it, the external controllers are implemented for remote control. Another challenge is that the accuracy of output power is limited to +/- 1% after trimming. To accomplish it, power supply with fully digital design and communication protocol makes it possible for control and monitoring the system remotely through Ethernet!
 
Another important factor that DRP-3200-48 being selected is because of its extremely high efficiency which is in line with international trends for energy saving and environmental protection. An increased 0.5% on efficiency of every single power supply in an 800kW system, it will bring substantial economic result and benefit in the case of long-term operation.
 

Ingredients of MEAN WELL System Power Solution

MEAN WELL uses the up-to-date technology to build system power solution including: DRP-3200 series as power module with fully digital design, DHP-1UT-A 1U as power shelf, CMU2 as power controller and 19-inch standard rack cabinet. The total output power is up to 128kW.

Benefits of System Power Solution

1. Integrated solution: it supports digital communication provided key parameters of the power system can be controlled and monitored through the controller remotely to simply power management work.
2. Easy maintenance: it supports hot swap function for which the module can be quickly installed and replaced.
3. Power scalability: it scales from 12.8kW to 128kW high power solutions suitable for different industries and applications where the configuration on parameters required.

1. https://www.nsrrc.org.tw/Chinese/acceleratorTPS.aspx
2. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_synchrotron_radiation_facilities
3. https://zh.wikipedia.org/wiki/同步加速器
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_frequency
7. https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=12713
8. https://buzzorange.com/techorange/2018/03/29/nsrrc-tls-tps/
9. “THE COMMISSION OF HOME-MADE 500MHZ, 80KW SOLID-STATE AMPLIFIER IN NSRRC”. https://inspirehep.net/files/afc450fdc0f9c81b455a5142bb3c542f