核聚变能作为未来清洁能源的重要方向，其装置运行离不开高性能的辅助加热系统。PSM高压电源作为中性束注入等加热系统的核心供能单元，需具备高精度、低纹波和强动态响应能力。EasyGo半实物仿真平台可为PSM高压电源的研制提供完整的虚拟调试与验证环境，确保其在复杂等离子体环境中的可靠性与实时性，避免高成本、高风险的实物测试，有效降低了研发工程风险，为核聚变电源系统的可靠运行与性能优化提供关键技术支撑。
一、背景介绍
在核聚变装置（如托卡马克）的辅助加热系统中，脉冲阶梯调制（PSM）高压电源作为关键能量供给单元，其性能直接决定了中性束注入等系统的加热效率与等离子体控制精度。该电源基于模块化串联拓扑，通过大量低压功率单元的精密协同，实现低纹波、高动态响应的直流高压输出。
为确保其在极端等离子体物理环境下的可靠性、实时性与容错能力，规避高成本、高风险的实物测试，基于硬件在环（HIL）的半实物仿真平台已成为不可或缺的研发工具。
二、EasyGo PSM 高压电源解决方案
EasyGo半实物仿真平台支持用户在Matlab Simulink上搭建PSM高压电源拓扑，并通过EasyGo DeskSim软件载入、部署到仿真设备中，从而与真实控制器进行联合调试。
本文中我们基于EasyGo实时仿真平台PXIBox实时仿真器，分别使用PSM控制、PWM配合PSM控制、移相控制三种控制方式，对高压电源模型进行了实时仿真联合调试。
>仿真模型
PSM高压电源模型由多个子模块串联而成，单个子模块中前级为单相交流源与不控整流桥，通过控制每个子模块中开关管的通断，就能控制其输出电压，并将其叠加起来获得高压输出。
单个子模块与叠加方式如下图所示：
考虑到实时仿真时，FPGA中可以容纳的拓扑规模是有限的。为了串联更多的子模块，需要将拓扑模型进行分割。
分割点为不控全桥的直流侧的电容处，该处的左侧为低频部分、右侧为高频部分。且设计将低频部分放入CPU中进行仿真，高频部分放入FPGA中进行仿真。
**具体分割方式为：**分别测量左侧的电压与右侧的电流，再以受控电压源与受控电流源的形式传递所测电压电流，做等效分割处理。
根据该分割方式，本平台分别封装了CPU部分与FPGA部分的级联模块，供用户在Matlab Simulink建模时调用。具体级联模块如下：
以150个子模块串联为测试对象，其拓扑搭建如下图。
>控制算法的仿真验证
这里我们分别使用PSM控制、PWM配合PSM控制、移相控制三种控制方式，对高压电源模型进行实时仿真联合调试。
1. PSM控制
PSM控制算法根据目标输出电压调节子模块调用数量。电压环经PI调节后，输出需调用的子模块数量M，并将其送入模块调用控制环节，从而形成闭环控制。该方法的缺点是输出电压纹波较大，且灵活性不足。
▌ 离线仿真
离线模型中，Vref设定为50kV，在0.02秒时启动控制。启动模型，观察离线模型波形。可以观察到，负载输出在50kV左右。
▌ 实时仿真
利用EasyGo DeskSim软件与PXIBox仿真设备进行实时仿真。将Vdc_ref设置为50kV，启动使能后，可以发现负载电压稳定在49850~50200V左右。
仿真支持实时调参，实时修改Vdc_ref的值至52kV，接着切换开环控制模式，可以手动输入需要调用的子模块个数，调整投入使用的子模块数为140个。其仿真波形如下图。
将Vdc设定为50kV，实时仿真（左）与离线仿真（右）Vdc波形图对比如下。
2. PWM配合PSM控制
PSM控制纹波较大，主要原因是不同电压期望值对应需要投入的子模块数不是一个理想的整数，而调用的子模块数只能是整数，导致模块数持续波动。PI计算出的子模块数其往往会有小数部分，可以将部分转换为占空比，并通过PWM控制去控制一个固定的子模块，用来缓和小数部分带来的纹波。
▌ 离线仿真
根据PWM配合PSM控制算法，搭建Matlab Simulink离线模型如图。
在控制中，只对第150个子模块使用PWM控制，其他的149个子模块依旧是用PSM控制，这样可以起到PWM配合PSM的作用，整体模型如下图。离线模型中，Vref设定为50kV，在0.02秒时启动控制。启动模型，观察离线模型波形。
▌ 实时仿真
利用EasyGo DeskSim软件与PXIBox仿真设备进行实时仿真。将Vdc_ref设置为50kV，启动使能后，可以发现负载电压稳定在49900~50100V左右，其纹波相对于纯PSM控制有减少。
将Vdc设定为50kV，实时仿真（左）与离线仿真（右）的Vdc波形图对比如下：
3. 载波移相控制
载波移相控制是指在参考波与载波比较的过程中，对于不同的子模块，其载波依次移相。该模型为150个模块串联而成，以同相为基础进行载波移相。同相子模块，载波依次移相2.4°。
▌ 离线仿真
根据载波移相控制算法，搭建Matlab Simulink离线模型。以一相的第二个子模块为例，其载波移相角度为2.4°，如下图所示：
离线模型中，将Vref设定为50kV，在0.02秒时启动控制。启动模型，观察离线模型波形。
▌ 实时仿真
利用EasyGo DeskSim软件与PXIBox仿真设备进行实时仿真。将Vdc_ref设置为50kV，启动使能后，可以发现负载电压稳定在49950~50050V左右。
Vdc设定为50kV时，实时仿真（左）与离线仿真（右）Vdc波形图对比如下：
通过以上仿真验证，证明 EasyGo 实时仿真平台能够帮助研究人员在虚拟环境中精准优化PSM电源的拓扑结构、控制算法及系统保护策略，显著缩短研发周期、降低研发成本，规避实物测试中可能出现的重大风险。
核聚变能源的实现离不开关键部件的高可靠性与先进控制技术的支持。基于EasyGo半实物仿真平台的PSM高压电源实时仿真解决方案，通过从离线建模到半实物验证的全流程覆盖，为研究人员提供了高效、安全的开发环境，助力控制策略优化与系统性能提升。随着仿真技术的不断发展，平台将继续推动核聚变电源系统向更高精度、更强鲁棒性的方向发展，为未来清洁能源的实现贡献坚实的技术力量。