一種電子束微細(xì)加工設(shè)備加速電源裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及及電子束加工設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種電子束微細(xì)加工設(shè)備加速電源裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在電子束打孔、刻蝕、曝光等電子束微細(xì)加工設(shè)備中，對(duì)電子束流、束斑直徑及掃描尺寸的穩(wěn)定度要求頗為嚴(yán)格，而設(shè)備電子加速電源波動(dòng)對(duì)電子束流大小、束斑直徑及掃描尺寸都有直接影響，因而提高加速電源的穩(wěn)定性和可靠性，降低其輸出的紋波，是保證電子束高精度的必要措施。目前，電子束加速電源多采用電力電子脈寬調(diào)制(PWM)變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，在PffM變流器中，電感濾波元件有電流連續(xù)與電流斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。在電子束微細(xì)加工設(shè)備中加速高壓電源的負(fù)載較輕，其PWM變流器一般工作于電流斷續(xù)狀態(tài)。變流器負(fù)載較輕時(shí)，負(fù)載電流小于臨界負(fù)載電流時(shí)，電感電流就處于斷續(xù)狀態(tài)，當(dāng)功率管開啟瞬間電感呈阻性，輸出端就會(huì)出現(xiàn)尖峰電壓(約等于輸入電壓)，此尖峰電壓經(jīng)變壓器放大直接反映到加速電源輸出端，對(duì)加速電源及電子槍的運(yùn)行構(gòu)成極為不利的影響，且這種現(xiàn)象不能通過閉環(huán)控制進(jìn)行抑制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種解決由于PffM變流器工作于電流斷續(xù)狀態(tài)導(dǎo)致加速電源輸出端出現(xiàn)尖峰電壓問題的電子束微細(xì)加工設(shè)備加速電源裝置及控制方法。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種電子束微細(xì)加工設(shè)備加速電源裝置，包括進(jìn)線濾波器、低壓整流橋、逆變單元、高壓單元和調(diào)節(jié)器，所述進(jìn)線濾波器的輸入端與外部電網(wǎng)連接，所述進(jìn)線濾波器的輸出端、低壓整流橋、逆變單元和高壓單元的輸入端依次串聯(lián)，所述高壓單元的高壓輸出端輸出高壓電接至電子槍陰極，所述高壓單元的信號(hào)端輸出的高壓反饋信號(hào)U送至所述調(diào)節(jié)器的第二輸入端，所述調(diào)節(jié)器的第一輸入端輸入高壓給定信號(hào)ir，所述調(diào)節(jié)器的輸出端與所述逆變單元的信號(hào)端連接；
[0005]所述進(jìn)線濾波器，其用于接入交流電，消除高頻電磁干擾信號(hào)在其輸入端與輸出端間的傳遞；
[0006]所述低壓整流橋，其用于將交流電變換成不可控脈動(dòng)直流電；
[0007]所述逆變單元，其用于將不可控直流電逆變成可控中頻矩形波交流電；還用于將調(diào)節(jié)信號(hào)Uc轉(zhuǎn)換成PffM信號(hào)的占空比，調(diào)整中頻矩形波交流電的幅值，穩(wěn)定高壓輸出；
[0008]所述高壓單元，其用于將可控中頻矩形波交流電進(jìn)行升壓和整流濾波，并輸出平直的直流高壓電，同時(shí)對(duì)輸出高壓值進(jìn)行線性采樣，輸出高壓反饋信號(hào)U ;
[0009]所述調(diào)節(jié)器，其用于將高壓給定信號(hào)If與高壓反饋信號(hào)U的差值進(jìn)行比例一積分(PD運(yùn)算，生成調(diào)節(jié)信號(hào)uc。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:采用電壓閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，電源由三相市電供電，采用AC — DC — AC — AC — DC電流變換方式，中間DC — AC逆變環(huán)節(jié)為中頻逆變，在逆變過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻脈寬調(diào)制調(diào)壓功能；由中頻高壓變壓器中頻高壓變壓器實(shí)現(xiàn)電能的傳遞、升壓和高壓絕緣；調(diào)節(jié)器根據(jù)高壓給定信號(hào)U*和電壓反饋信號(hào)U的偏差信號(hào)Λ U( △ U = If-U)進(jìn)行比例一積分(PI)運(yùn)算輸出信號(hào)Uc去調(diào)節(jié)逆變單元的脈寬調(diào)制波的占空比，改變逆變單元輸出電壓幅值，最終實(shí)現(xiàn)輸出高壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
[0011]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0012]進(jìn)一步，所述逆變單元包括A相逆變器、B相逆變器和驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器，所述A相逆變器和所述B相逆變器均與所述驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器連接。
[0013]所述A相逆變器包括開關(guān)功率管Vl?V2、電感L1、電容Cl?C2和電容C5，所述開關(guān)功率管Vl的集電極接至所述低壓整流橋的正輸出端，所述開關(guān)功率管Vl的發(fā)射極與所述開關(guān)功率管V2的集電極相接，并連至所述電感LI的第一端，所述開關(guān)功率管V2的發(fā)射極接至所述低壓整流橋的負(fù)輸出端，所述開關(guān)功率管Vl和開關(guān)功率管V2的基極與所述驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器連接，所述電容Cl和電容C2串聯(lián)連接，電容Cl和電容C2串聯(lián)支路的Cl端與所述開關(guān)功率管Vl的集電極相接，電容Cl和電容C2串聯(lián)支路的C2端與所述開關(guān)功率管V2的發(fā)射極相接，電容Cl和電容C2串聯(lián)支路的中間端與所述電容C5的第一端相接，所述電容C5的第二端與電感LI的第二端相接，電感LI與電容C5組成輸出低通濾波器，所述電容C5的兩端作為最終輸出端，接至第一升壓變壓器一次繞組的兩端。
[0014]所述B相逆變器包括開關(guān)功率管V3?V4、電感L2、電容C3?C4和電容C6，所述開關(guān)功率管V3的集電極接至所述低壓整流橋的正輸出端，所述開關(guān)功率管V3的發(fā)射極與所述開關(guān)功率管V4的集電極相接，并連至所述電感L2的第一端，所述開關(guān)功率管V4的發(fā)射極接至所述低壓整流橋的負(fù)輸出端，所述開關(guān)功率管V3和開關(guān)功率管V4的基極與所述驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器連接，所述電容C3和電容C4串聯(lián)連接，電容C3和電容C4串聯(lián)支路的C3端與所述開關(guān)功率管V3的集電極相接，電容C3和電容C4串聯(lián)支路的C4端與所述開關(guān)功率管V4的發(fā)射極相接，電容C3和電容C4串聯(lián)支路的中間端與所述電容C6的第一端相接，所述電容C6的第二端與電感L2的第二端相接，電感L2與電容C6組成輸出低通濾波器，所述電容C6的兩端作為最終輸出端，接至第二升壓變壓器一次繞組的兩端。
[0015]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:所述A相逆變器與B相逆變器采用單相半橋逆變電路，且兩相逆變器的電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)相同，電容Cl?C4的電容值相同，電容Cl和電容C2串聯(lián)支路和電容C3和電容C4串聯(lián)支路作為所述低壓整流橋的輸出濾波電容以及分別作為開關(guān)功率管V1、V2橋臂和開關(guān)功率管V3、V4橋臂的緩沖電容，同時(shí)分別作為所述A相逆變器與B相逆變器的直流輸入均壓電容及交流輸出隔直電容。所述A相逆變器與B相逆變器的輸出為兩相對(duì)稱矩形電壓波形，對(duì)應(yīng)的兩相高壓并聯(lián)整流波形脈動(dòng)頻率為4(2n+l)倍于中頻頻率，且消除了凹陷及尖峰電壓；由于高壓總整流波的脈動(dòng)頻率高，而脈動(dòng)幅值低，選用較小的高壓濾波電容值就能濾掉交流成分，滿足紋波系數(shù)指標(biāo)要求；高壓濾波電容值小一方面系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)小，有利于提高控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，另一方面貯能小，高壓放電產(chǎn)生的沖擊自然小，有利于提高電源系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。
[0016]進(jìn)一步，所述高壓單元包括第一升壓變壓器、第二升壓變壓器、第一高壓整流橋、第二高壓整流橋、高壓濾波器、高壓放電扼流器、高壓分壓器和束流取樣電阻，所述第一升壓變壓器的輸出端與所述第一高壓整流橋的輸入端連接，所述第二升壓變壓器的輸出端所述第二高壓整流橋的輸入端連接，所述第一高壓整流橋和第二高壓整流橋的輸出端并聯(lián)且與所述高壓濾波器的輸入端連接，所述高壓濾波器的輸出高壓端和低壓端分別與所述高壓放電扼流器和束流取樣電阻的第一端連接，所述高壓放電扼流器的輸出端接至電子槍的陰極，所述束流取樣電阻的第二端接地，所述高壓分壓器并接在所述高壓放電扼流器輸出端與大地之間；
[0017]所述第一升壓變壓器和第二升壓變壓器，均用于將中頻矩形波交流電進(jìn)行電能傳遞、升壓和高壓絕緣，輸出中頻高壓交流電；
[0018]所述第一高壓整流橋和第二高壓整流橋，均用于將中頻高壓交流電變換成脈動(dòng)高壓直流電；
[0019]所述高壓濾波器，用于將脈動(dòng)高壓直流電變換為平滑的高壓直流電；<