中頻倍壓整流在小型直流高壓電源中的應用

　　直流高壓電源作為離子注入機的重要組成部分，其控制方式、工作頻率、拓撲結構等的差異，都會(huì )對注入機系統運行效率和穩定性產(chǎn)生巨大的影響。離子注入機系統使用直流高壓電源為離子加速系統提供能量，加速電壓通常在5kV-100kV 之間，離子束電流強度小于50mA。本文主要論述了一種小型直流高壓電源的線(xiàn)路結構和中頻倍壓整流電路的優(yōu)化設計。實(shí)驗結果表明該直流高壓電源不僅穩定度高、可靠性好、操控方便，并且更加小型化。

　　離子注入機由離子源、質(zhì)量分析器、加速器、四級透鏡、掃描系統和靶室組成。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(lèi)和束流強度。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)離子具有穿越機器系統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。

　　傳統的直流高壓電源一般先通過(guò)工頻(50Hz)調壓器進(jìn)行電壓調節、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，調壓器、升壓變壓器和濾波電容等能量?jì)Υ嬖�件體積龐大，高壓絕緣設計要求很高，可靠性較差、維護難度大。

　　本文采用中頻逆變和倍壓整流技術(shù)設計一種新型的直流高壓電源，該直流高壓電源不僅穩定度高、可靠性好、操控方便，并且更加小型化，電源體積只相當于傳統直流高壓電源的30%。

　　電源整體設計

　　設計要求

　　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<2%。

　　電源流程圖

　　電源的主流程如圖1 所示，通過(guò)C8051F020單片機完成了電路的控制和保護。

圖1 電源流程圖

　　單片機通過(guò)設定值和負載反饋值調整BUCK電路的占空比，完成了電壓的閉環(huán)穩定調節。通過(guò)霍爾電流傳感器檢測輸出的電流信號，通過(guò)比較器339，將輸出的信號和設定基準值進(jìn)行比較，當有高電平時(shí)， 關(guān)斷IGBT 的驅動(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(xiàn)和器件擴展，有利于提高可靠性和抗干擾能力，特別適用于需大量數據處理的測控領(lǐng)域。單片機還通過(guò)CAN 通信接收人機界面的電壓電流等設定值，并將檢測到的數值和故障等信號通過(guò)CAN 通信至人機界面進(jìn)行顯示。

　　電源主回路簡(jiǎn)介

　　電源的主回路結構如圖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)行調壓控制，它是通過(guò)3525產(chǎn)生的PWM 波來(lái)控制IGBT1 的導通腳和電感L1、二極管D 形成的續流回路調節C2、C3 上的電壓。單片機輸出的可調占空比脈沖信號控制IGBT2、IGBT3 的導通和關(guān)斷，將恒定可調的直流電轉換為占空比和幅值均可調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用。

　　結論

　　本文提出了一種在中頻倍壓整流下設計的小型直流高壓電源，詳細的介紹了倍壓整流電路的原理和計算方法。理論上避免了在工頻情況下設計直流高壓電源中出現的諸多問(wèn)題。從實(shí)際搭建的電源和電壓波形可以看出，此種方式較傳統方式而言，研制出的電源更小，維護更方便，可靠性高，紋波較小。為靜電除塵設備新建或改造時(shí)電源的選擇提供了更多的選擇。