华安证券研报指出，在FRC核聚变装置中，电源系统是FRC稳定运行的关键。FRC等离子体的形成和喷射高度动态化，给θ-pinch线圈供电的高压脉冲电源能否精准放电，决定了等离子体参数的高低。高压脉冲电源由Bias、PI、Main、Crowbar四个分支组成，每个分支对应一个放电阶段，分别由S1-S4开关控制，依次放电产生电流。开关技术直接决定放电效率，间接影响商业化可行性。长远来看半导体开关用于大型驱动器是大势所趋。本文基于华安证券研究所数据，深入分析FRC脉冲电源系统的技术架构与开关技术演进趋势。
θ-pinch线圈：FRC等离子体形成的核心部件
在FRC核聚变装置中，最核心的是使用θ-pinch线圈在装置两端产生“初始等离子体”，然后这些等离子体被喷射到装置中间碰撞合并形成新的“FRC等离子体”。以华中科技大学建设的HFRC实验装置为例，装置包括两端的两个“形成区”和中间的一个“压缩区”。“初始等离子体”在形成区产生，然后被喷射到压缩区进行碰撞、合并和磁压缩。θ-pinch线圈在等离子体的形成过程中起到至关重要的作用，其供电电源的性能直接影响等离子体的品质。
四阶段放电：Bias→PI→Main→Crowbar的精确时序
高压脉冲电源的精准放电控制是FRC等离子体形成的关键。高压脉冲电源由4个分支组成，每个分支对应一个放电阶段，分别由S1-S4开关控制。第一阶段Bias（~几十μs）产生使等离子体可发生初始电离的Bias磁场。第二阶段PI产生更大的振动频率，为初始等离子体提供更好的电离环境。第三阶段Main磁场在几μs内快速反转，磁场线重新连接形成封闭磁场面，该阶段产生FRC等离子体，然后被轴向加速喷射到中间腔室。第四阶段Crowbar延长FRC等离子体的持续时间。HFRC装置中Bias阶段预充电电压-24kV、电容54.1μF；PI阶段40kV、0.85μF；Main阶段40kV、8μF。
开关技术：从氩闸流管到半导体开关的演进
θ-pinch电源系统的开关在瞬时状态下需要承受高电压（高达几十kV）和高电流（高达上百kA）。HFRC实验装置的脉冲电源开关目前选用具有耐高压和高电流能力的TDI氢闸流管（又称氩闸流管），并设计了基于IGBT的脉冲开关触发器。S1选用TDI1-50k/50H（50kV/50kA），S2为TDI4-100k/75H（75kV/100kA），S3为TDI4-100k/150H（150kV/100kA），S4为TDI4-150k/50H（50kV/200kA）。但气体开关存在“个性较强”的问题——每个开关因个体差异导致触发控制条件不同，需要独立触发控制系统，系统庞杂。长远来看，半导体开关器件具有较高寿命和可靠性，是用于大型驱动器的大势所趋。
Helion的实践：半导体开关实现磁能回收
Helion在2015年使用IGBT首次实现了直接磁能回收。直接磁能回收的原理是——高β等离子体随着聚变的发生而膨胀，足够强时可以反推外部磁场产生电流，实现从聚变过程直接回收电力，省略蒸汽发电阶段，是低成本实现商业化聚变发电的关键。Helion创始人David Kirtley公开表示，Helion脉冲聚变核心依靠两个关键电子器件：高压电容和半导体芯片。2025年1月Helion再获4.25亿美元投资后提到将加速建设电容、磁体和半导体器件。Helion的实践验证了半导体开关在FRC聚变装置中的技术可行性，也为国内相关企业指明了方向。
HFRC高压脉冲电源设计参数| 设计参数 | Bias | PI | Main | 功能说明 |
|---|
| 预充电电压 | -24 kV | 40 kV | 40 kV | — |
| 电容 | 54.1 μF | 0.85 μF | 8 μF | — |
| 振动频率 | 5 kHz | 150 kHz | 62.5 kHz | — |
| 放电阶段 | 产生Bias磁场 | 增强电离 | 磁场反转生成FRC | Crowbar（延长等离子体） |
