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，都會對注入機(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)外來電子的能量高于原子的電離電位時(shí)，通過碰撞使元素發(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儲存元件體積龐大，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)。通過霍爾電流傳感器檢測輸出的電流信號，通過比較器339，將輸出的信號和設(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)處理的測控領(lǐng)域。單片機(jī)還通過CAN 通信接收人機(jī)界面的電壓電流等設(shè)定值，并將檢測到的數(shù)值和故障等信號通過CAN 通信至人機(jī)界面進(jìn)行顯示。

　　電源主回路簡介

　　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，通過三相雙向可控硅，經(jīng)過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BUCK 降壓斬波電路進(jìn)行調(diào)壓控制，它是通過3525產(chǎn)生的PWM 波來控制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。