中频倍压整流在小型直流高压电源中的应用

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　　直流高压电源作为离子注入机的重要组成部分，其控制方式、工作频率、拓扑结构等的差异，都会对注入机系统运行效率和稳定性产生巨大的影响。离子注入机系统使用直流高压电源为离子加速系统提供能量，加速电压通常在5kV-100kV 之间，离子束电流强度小于50mA。本文主要论述了一种小型直流高压电源的线路结构和中频倍压整流电路的优化设计。实验结果表明该直流高压电源不仅稳定度高、可靠性好、操控方便，并且更加小型化。
　　离子注入机由离子源、质量分析器、加速器、四级透镜、扫描系统和靶室组成。离子源把需要注入元素的气态粒子电离成离子，决定要注入离子的种类和束流强度。在电场激发下离子源放电室产生的电子作为轰击粒子，当外来电子的能量高于原子的电离电位时，通过碰撞使元素发生电离。碰撞后除了原始电子外，还出现正电子和二次电子。从离子源吸出的带正电杂质离子，必须用一个具有强电场作用的加速器进行加速，从而使杂质离子具有穿越机器系统并射入靶室所需的能量。加速器主要组成部分是真空室及直流高压电源。
　　传统的直流高压电源一般先通过工频(50Hz)调压器进行电压调节、工频变压器进行升压，再经高压整流和电容滤波获得直流高压电压，这种模式的电源由于工作于工频(50Hz)状态下，调压器、升压变压器和滤波电容等能量储存元件体积庞大，高压绝缘设计要求很高，可靠性较差、维护难度大。
　　本文采用中频逆变和倍压整流技术设计一种新型的直流高压电源，该直流高压电源不仅稳定度高、可靠性好、操控方便，并且更加小型化，电源体积只相当于传统直流高压电源的30%。
　　电源整体设计
9 W8 V2 A1 N3 I5 y- r! Y5 w2 h/ ?) s　　设计要求
　　输入工频市电，输出直流电压为：5kV～50kV，电流最大值20mA，纹波系数
* E7 d. ]" B3 l　　电源流程图
　　电源的主流程如图1 所示，通过C8051F020单片机完成了电路的控制和保护。
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图1 电源流程图
　　单片机通过设定值和负载反馈值调整BUCK电路的占空比，完成了电压的闭环稳定调节。通过霍尔电流传感器检测输出的电流信号，通过比较器339，将输出的信号和设定基准值进行比较，当有高电平时， 关断IGBT 的驱动脉冲。
: }# D1 m. n1 P0 d/ F+ v4 \8 m) q  c　　C8051F020 拥有8 个8 位的I/O 端口，大量减少了外部连线和器件扩展，有利于提高可靠性和抗干扰能力，特别适用于需大量数据处理的测控领域。单片机还通过CAN 通信接收人机界面的电压电流等设定值，并将检测到的数值和故障等信号通过CAN 通信至人机界面进行显示。
　　电源主回路简介
$ j' q" L0 q! K+ P2 F$ F　　电源的主回路结构如图2 所示。
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图2 电源的主电路图
　　三相电输入，通过三相双向可控硅，经过三相整流桥和滤波电容C1，将交流电转化为纹波较小的直流电。滤波后的直流电通过BUCK 降压斩波电路进行调压控制，它是通过3525产生的PWM 波来控制IGBT1 的导通脚和电感L1、二极管D 形成的续流回路调节C2、C3 上的电压。单片机输出的可调占空比脉冲信号控制IGBT2、IGBT3 的导通和关断，将恒定可调的直流电转换为占空比和幅值均可调的中频交流方波电压。最后通过本文主要论述了在中频条件下倍压整流电路在直流高压电源中的应用。
$ P6 a* |6 N; g/ J& v' S' m" T. T# d　　结论
8 k3 Q8 C8 p- Z. a1 O# D  W* y3 I' N　　本文提出了一种在中频倍压整流下设计的小型直流高压电源，详细的介绍了倍压整流电路的原理和计算方法。理论上避免了在工频情况下设计直流高压电源中出现的诸多问题。从实际搭建的电源和电压波形可以看出，此种方式较传统方式而言，研制出的电源更小，维护更方便，可靠性高，纹波较小。为静电除尘设备新建或改造时电源的选择提供了更多的选择。
8 z4 p  E7 g$ ?: b1 V　　中频倍压整流在小型直流高压电源中的应用