中頻倍壓整流在小型直流高壓電源中的應(yīng)用
直流高壓電源作為離子注入機(jī)的重要組成部分，其控制方式、工作頻率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等的差異，都會(huì)對(duì)注入機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的影響。離子注入機(jī)系統(tǒng)使用直流高壓電源為離子加速系統(tǒng)提供能量，加速電壓通常在5kV-100kV 之間，離子束電流強(qiáng)度小于50mA。本文主要論述了一種小型直流高壓電源的線路結(jié)構(gòu)和中頻倍壓整流電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該直流高壓電源不僅穩(wěn)定度高、可靠性好、操控方便，并且更加小型化。
離子注入機(jī)由離子源、質(zhì)量分析器、加速器、四級(jí)透鏡、掃描系統(tǒng)和靶室組成。離子源把需要注入元素的氣態(tài)粒子電離成離子，決定要注入離子的種類和束流強(qiáng)度。在電場(chǎng)激發(fā)下離子源放電室產(chǎn)生的電子作為轟擊粒子，當(dāng)外來(lái)電子的能量高于原子的電離電位時(shí)，通過(guò)碰撞使元素發(fā)生電離。碰撞后除了原始電子外，還出現(xiàn)正電子和二次電子。從離子源吸出的帶正電雜質(zhì)離子，必須用一個(gè)具有強(qiáng)電場(chǎng)作用的加速器進(jìn)行加速，從而使雜質(zhì)離子具有穿越機(jī)器系統(tǒng)并射入靶室所需的能量。加速器主要組成部分是真空室及直流高壓電源。
傳統(tǒng)的直流高壓電源一般先通過(guò)工頻(50Hz)調(diào)壓器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)、工頻變壓器進(jìn)行升壓，再經(jīng)高壓整流和電容濾波獲得直流高壓電壓，這種模式的電源由于工作于工頻(50Hz)狀態(tài)下，調(diào)壓器、升壓變壓器和濾波電容等能量?jī)?chǔ)存元件體積龐大，高壓絕緣設(shè)計(jì)要求很高，可靠性較差、維護(hù)難度大。
本文采用中頻逆變和倍壓整流技術(shù)設(shè)計(jì)一種新型的直流高壓電源，該直流高壓電源不僅穩(wěn)定度高、可靠性好、操控方便，并且更加小型化，電源體積只相當(dāng)于傳統(tǒng)直流高壓電源的30%。
電源整體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求
輸入工頻市電，輸出直流電壓為：5kV～50kV，電流最大值20mA，紋波系數(shù)<2%。
電源流程圖
電源的主流程如圖1 所示，通過(guò)C8051F020單片機(jī)完成了電路的控制和保護(hù)。
圖1 電源流程圖
單片機(jī)通過(guò)設(shè)定值和負(fù)載反饋值調(diào)整BUCK電路的占空比，完成了電壓的閉環(huán)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。通過(guò)霍爾電流傳感器檢測(cè)輸出的電流信號(hào)，通過(guò)比較器339，將輸出的信號(hào)和設(shè)定基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)有高電平時(shí)， 關(guān)斷IGBT 的驅(qū)動(dòng)脈沖。
C8051F020 擁有8 個(gè)8 位的I/O 端口，大量減少了外部連線和器件擴(kuò)展，有利于提高可靠性和抗干擾能力，特別適用于需大量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控領(lǐng)域。單片機(jī)還通過(guò)CAN 通信接收人機(jī)界面的電壓電流等設(shè)定值，并將檢測(cè)到的數(shù)值和故障等信號(hào)通過(guò)CAN 通信至人機(jī)界面進(jìn)行顯示。
電源主回路簡(jiǎn)介
電源的主回路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 電源的主電路圖
三相電輸入，通過(guò)三相雙向可控硅，經(jīng)過(guò)三相整流橋和濾波電容C1，將交流電轉(zhuǎn)化為紋波較小的直流電。濾波后的直流電通過(guò)BUCK 降壓斬波電路進(jìn)行調(diào)壓控制，它是通過(guò)3525產(chǎn)生的PWM 波來(lái)控制IGBT1 的導(dǎo)通腳和電感L1、二極管D 形成的續(xù)流回路調(diào)節(jié)C2、C3 上的電壓。單片機(jī)輸出的可調(diào)占空比脈沖信號(hào)控制IGBT2、IGBT3 的導(dǎo)通和關(guān)斷，將恒定可調(diào)的直流電轉(zhuǎn)換為占空比和幅值均可調(diào)的中頻交流方波電壓。最后通過(guò)本文主要論述了在中頻條件下倍壓整流電路在直流高壓電源中的應(yīng)用。
結(jié)論
本文提出了一種在中頻倍壓整流下設(shè)計(jì)的小型直流高壓電源，詳細(xì)的介紹了倍壓整流電路的原理和計(jì)算方法。理論上避免了在工頻情況下設(shè)計(jì)直流高壓電源中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題。從實(shí)際搭建的電源和電壓波形可以看出，此種方式較傳統(tǒng)方式而言，研制出的電源更小，維護(hù)更方便，可靠性高，紋波較小。為靜電除塵設(shè)備新建或改造時(shí)電源的選擇提供了更多的選擇。
