CN103458153B - 一种基于同型mosfet的控制电子束高频偏转扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，包括：恒压源、换向电路、线性放大电路以及电流采样电路；换向电路包括第1驱动电路、第2驱动电路、第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET以及扫描线圈；线性放大电路包括第3驱动电路、第4驱动电路、第五MOSFET、以及第六MOSFET，第3驱动电路连接第五MOSFET的栅极，第4驱动电路连接第六MOSFET的栅极；恒压源的负端接地，正端连接第一MOSFET的漏极与第二MOSFET的漏极，第四MOSFET的源极连接第六MOSFET的漏极，第三MOSFET的源极连接第五MOSFET的漏极，第五MOSFET的源极连接第六MOSFET的源极，并经过电流采样电路后，连接恒压源的负端。
Description
技术领域
本发明涉及电子束偏转扫描控制技术领域，尤其涉及一种基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，具体的说，是一种适用于控制电子束高频偏转扫描的电源拓扑电路。
背景技术
目前，电子束焊接、电子束物理气相沉积、电子束表面硬化等技术为了提高加工质量，引入了电子束偏转扫描控制技术。
电子束偏转扫描技术是根据电子束通过均匀磁场受到洛仑兹力的作用发生偏转这一基本原理发展起来的，调节磁场强度、频率、方向就可以改变电子束的偏转角度、频率、方向，而磁场强度的调节是通过调节扫描线圈中电流幅值、频率、方向来实现的，扫描线圈中电流幅值、频率、方向是由偏转扫描电源来控制调节的。
对于输出电压为U的偏转扫描电源而言，扫描线圈是一个感性负载。扫描线圈制作完成后，其电感量L及其内阻r便确定下来，扫描频率为f时，则扫描线圈中可以流过的最大电流Imax，可由公式U/(r+2πfL)确定。扫描频率f提高，在偏转扫描电源输出电压U一定时，将会使得Imax减小，从而导致偏转角度降低。电子束偏转角度太小，即使扫描频率提高，一次加工的区域有限，不利于生产效率的提高。
多束流加工技术需要线圈中流过的电流为阶梯波，当电流在不同幅值之间跃变时，电流变化率di/dt将成为影响加工质量的关键参数。在扫描方向与焊接方向垂直的多束流焊接过程中，扫描线圈中的电流变化率di/dt过低，容易导致电子束在工件上拖尾，损坏工件。在扫描方向与焊接方向吻合的多束流焊接过程中，由于电流变化率di/dt过低导致电子束在焊缝上的拖尾现象，将不利于电子束能量输入的精确控制。
在扫描线圈材质为铁氧体时，扫描频率f、电流变化率、电流幅值能否提高，则与偏转扫描电源拓扑结构及控制策略密切相关。
目前，电子束偏转扫描控制系统一般采用大功率运算放大器驱动偏转扫描线圈，受到运算放大器工作电压和输出电流的限制，电子束的偏转角度几乎难以大幅提高；电流变化率di/dt太低，即使达到高频，由于拖尾现象严重，也不能实现电子束多束流加工效果。目前，所述偏转扫描系统的扫描频率徘徊在1kHz，偏转角±3°左右。
图1为常用的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路的电路框图。图1中N-沟道MOSFETQ1与P-沟道MOSFETQ2分别可以用NPN晶体管和PNP晶体管替代。各端子之间的连接为：恒压源I的负端“-”接地，恒压源I的正端“+”连接N-沟道MOSFETQ1的漏极D，N-沟道MOSFETQ1的栅极G与第1驱动电路连接，N-沟道MOSFETQ1的源极S连接P-沟道MOSFETQ2的漏极D、扫描线圈coil的1端；恒压源Ⅱ的正端“+”接地，恒压源Ⅱ的负端“-”连接P-沟道MOSFETQ2的源极S，P-沟道MOSFETQ2的栅极G与第2驱动电路连接，P-沟道MOSFETQ2的漏极D连接扫描线圈coil的1端，扫描线圈coil的2端接地。
在图1中，在第1驱动电路电压大于N-沟道MOSFETQ1的正偏置电压，第2驱动电路电压为正或为负且幅值小于P-沟道MOSFETQ2的负偏置电压的幅值时，N-沟道MOSFETQ1开通，工作在线性放大区，同时P-沟道MOSFETQ2关闭，恒压源I输出的正电压通过N-沟道MOSFETQ1，施加到扫描线圈的1端，则扫描线圈上产生正向电流+Ia；在第2驱动电路电压为负且幅值大于P-沟道MOSFETQ2的负偏置电压的幅值，第1驱动电路电压小于N-沟道MOSFETQ1的正偏置电压时，P-沟道MOSFETQ2开通，工作在线性放大区，同时N-沟道MOSFETQ1关闭，恒压源Ⅱ输出的负电压通过P-沟道MOSFETQ2，施加到扫描线圈的1端，则扫描线圈上产生反向电流-Ia。当第1驱动电路、第2驱动电路连续通过频率为f的交流扫描信号时，N-沟道MOSFETQ1与P-沟道MOSFETQ2以相应的频率f交替开通、关断，则线圈中流过相应频率为f、波形与扫描信号对应的交流电波形。
图1的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路与采用晶体管做功率器件的电子束偏转扫描电路相比，具有显著优越性。由于通常采用的扫描波形是电压波形，而晶体管是电流型驱动器件，需要复杂的电路转换，才能使输出电流波形与扫描波形一致；并且工作温度对晶体管性能影响较大，需要有严格的温度补偿电路。相对于晶体管而言，MOSFET是电压型驱动器件，使用MOSFET可简化电路；MOSFET不会发生热击穿，不需要对偏置电路进行严格的温度补偿。
但是，图1的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路不仅需要幅值相同的正、负两路恒压源，而且需要N-沟道MOSFET与P-沟道MOSFET配对使用。由于P-沟道MOSFET型号有限，使得能够配对使用的N-沟道MOSFET与P-沟道MOSFET选择范围有限。通常可选择的P-沟道MOSFET的最高工作电压较低，对于需要大电流变化率的电子束高频偏转扫描系统，电源的工作电压需要达到上百伏，很难有合适的P-沟道MOSFET可以达到设计要求。即使在几十伏较低的工作电压，电子束扫描频率≤1kHz时，由于选择了N-沟道、P-沟道两种类型的MOSFET，要使这两种类型MOSFET同时工作在线性放大区，就需要给N-沟道MOSFET提供正偏置电压，给P-沟道MOSFET提供负偏置电压。偏置电压难以一致，并且所需要的正、负两路恒压源的输出电压很难保证其一致性，这将使得流过线圈的电流的正负半波的对称性很难保证。对于需要阶梯波电流波形的多束流加工技术，这种工作电压仅有几十伏的常用的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路在扫描频率提高以后，波形会严重畸变，将会直接影响到多束流电子束加工质量。
发明内容
为了解决现有的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路输出数安培阶梯波电流时，电流频率f、电流变化率di/dt难以大幅提高的难题，本发明提供了一种基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，包括：恒压源、换向电路、线性放大电路以及电流采样电路；所述换向电路包括第1驱动电路、第2驱动电路、第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET以及扫描线圈，所述第1驱动电路连接所述第一MOSFET的栅极和第四MOSFET的栅极，所述第2驱动电路连接所述第二MOSFET的栅极和第三MOSFET的栅极，所述扫描线圈的一端连接所述第二MOSFET的源极和第四MOSFET的漏极，所述扫描线圈的另一端连接所述第一MOSFET的源极和第三MOSFET的漏极；所述线性放大电路包括第3驱动电路、第4驱动电路、第五MOSFET、以及第六MOSFET，所述第3驱动电路连接所述第五MOSFET的栅极，所述第4驱动电路连接所述第六MOSFET的栅极；所述恒压源的负端接地，正端连接所述第一MOSFET的漏极与所述第二MOSFET的漏极，所述第四MOSFET的源极连接所述第六MOSFET的漏极，所述第三MOSFET的源极连接所述第五MOSFET的漏极，所述第五MOSFET的源极连接所述第六MOSFET的源极，并经过所述电流采样电路后，连接所述恒压源的负端。
本发明实施例的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，采用一路正恒压源，避免了常用的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路采用正、负两路恒压源所造成的流过扫描线圈的正、负电流波形的不对称性；由于本发明采用的N-沟道MOSFET可选择范围大，其工作电压可以从几伏到上千伏，采用N-沟道MOSFET作为主功率放大器件，这为电子束偏转扫描电路的工作电压提高到数百伏提供了保障；采用N-沟道MOSFET组成的换向电路与N-沟道MOSFET组成的线性放大电路驱动扫描线圈，不但可以使扫描频率得到大幅提高，达到100kHz以上的高频，而且保证了正、负电流波形的对称性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有常用的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路的电路框图；
图2是本发明实施例的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置的拓扑电路框图；
图3是控制本发明实施例的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置中的各MOSFET开通/关断的驱动电压波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2是本发明实施例的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置的拓扑电路框图。如图2所示，本发明实施例的控制电子束高频偏转扫描装置包括：恒压源I、换向电路、线性放大电路以及电流采样电路。
在本实施例中，所述换向电路包括第1驱动电路、第2驱动电路、第一MOSFETQ1、第二MOSFETQ2、第三MOSFETQ3、第四MOSFETQ4以及扫描线圈coil，所述第1驱动电路连接所述第一MOSFETQ1的栅极和第四MOSFETQ4的栅极，所述第2驱动电路连接所述第二MOSFETQ2的栅极和第三MOSFETQ3的栅极，所述扫描线圈coil的1端连接所述第二MOSFETQ2的源极和第四MOSFETQ4的漏极，所述扫描线圈coil的2端连接所述第一MOSFETQ1的源极和第三MOSFETQ3的漏极；
所述线性放大电路包括第3驱动电路、第4驱动电路、第五MOSFETQ5、以及第六MOSFETQ6，所述第3驱动电路连接所述第五MOSFETQ5的栅极，所述第4驱动电路连接所述第六MOSFETQ6的栅极；
所述恒压源I的负端“-”接地，正端“+”连接所述第一MOSFETQ1的漏极与所述第二MOSFETQ2的漏极，所述第四MOSFETQ4的源极连接所述第六MOSFETQ6的漏极，所述第三MOSFETQ3的源极连接所述第五MOSFETQ5的漏极，所述第五MOSFETQ5的源极连接所述第六MOSFETQ6的源极，并经过所述电流采样电路后，连接所述恒压源I的负端“-”。
在本实施例中，所述恒压源I的输出电压为0～+200V可调，输出的最大电流为10A。本发明采用一路正恒压源，避免了常用的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路采用正、负两路恒压源所造成的流过扫描线圈的正、负电流波形的不对称性。
在本实施例中，工作于开/关状态的第一MOSFETQ1、第二MOSFETQ2、第三MOSFETQ3、第四MOSFETQ4组成的换向电路的每个电流通路上串联了工作于放大区的MOSFET，第一MOSFETQ1、第四MOSFETQ4组成的电流通路上串联了第六MOSFETQ6，第二MOSFETQ2、第三MOSFETQ3组成的电流通路上串联了第五MOSFETQ5。
在本实施例中，所述换向电路中的第一MOSFETQ1、第二MOSFETQ2、第三MOSFETQ3、第四MOSFETQ4为N-沟道MOSFET单管。当然，本发明不限于此，在其他实施例中，所述换向电路中的第一MOSFETQ1、第二MOSFETQ2、第三MOSFETQ3、第四MOSFETQ4也可以根据功率增大的需求，改变为同型号N-沟道MOSFET并联的多管结构。同样，在本实施例中，所述线性放大电路中的第五MOSFETQ5与第六MOSFETQ6为N-沟道MOSFET单管。当然，本发明不限于此，在其他实施例中，在其他实施例中，所述线性放大电路中的第五MOSFETQ5与第六MOSFETQ6也可以根据功率增大的需求，改变为同型号N-沟道MOSFET并联的多管结构。
在本发明实施例中，由于N-沟道MOSFET可选择范围大，其工作电压可以从几伏到上千伏，采用N-沟道MOSFET作为主功率放大器件，这为电子束偏转扫描电路的工作电压提高到数百伏提供了保障；并且，采用N-沟道MOSFET组成的换向电路与N-沟道MOSFET组成的线性放大电路驱动扫描线圈，不但可以使扫描频率得到大幅提高，达到100kHz以上的高频，而且保证了正、负电流波形的对称性。
在本实施例中，所述第1驱动电路、第2驱动电路输出的驱动电压波形是与扫描信号相关的波形，例如，所述第1驱动电路在扫描信号为正时，输出+15V，所述第2驱动电路在扫描信号为正时，输出0V；所述第1驱动电路在扫描信号为负时，输出0V，所述第2驱动电路在扫描信号为负时，输出+15V。所述第3驱动电路输出的驱动信号是扫描信号叠加了正向偏置电压的波形；所述第4驱动电路输出的驱动信号是扫描信号经过反向后叠加了正向偏置电压的波形。
在本实施例中，施加于各驱动电路上的扫描信号包括阶梯波、正弦波、余弦波、锯齿波、三角波和方波。并且，所述扫描信号的幅值可调，调节范围为-5V～+5V，扫描频率≤200kHz。
图3是控制本发明实施例的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置中的各MOSFET开通/关断的驱动电压波形示意图。
参看图3所示，为本实施例的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置中各个N-沟道MOSFET的驱动电压波形，扫描信号Vscan是一组-5V-+5V变化的阶梯波电压波形，在扫描信号大于0V期间，大于0V的正向扫描信号经过第2驱动电路转化后，变成+15V的驱动脉冲信号，分别施加到换向电路Q2、Q3的栅极G，使得Q2、Q3导通；在扫描信号大于0V期间，大于0V的正向扫描信号经过第1驱动电路转化后，变为0V，分别施加到换向电路Q1、Q4的栅极G，使得Q1、Q4关闭；在扫描信号大于0V期间，扫描信号Vscan经过第3驱动电路，叠加了偏置电压Ugth后施加到Q5的栅极G，使得Q5工作在线性放大区；在扫描信号大于0V期间，扫描信号Vscan在第4驱动电路中经过反向后，再叠加了偏置电压Ugth后施加到Q6的栅极G，使得Q6的驱动电压小于偏置Ugth，Q6关闭；在Q2、Q3开通，Q5工作于线性放大区，Q1、Q4、Q6关闭，恒压源I、Q2、扫描线圈coil、Q3、Q5工形成回路，扫描线圈coil流过与Q5驱动电压对应的电流+Ia。
参见图3所示，在扫描信号小于0V期间，小于0V的负向扫描信号经过第1驱动电路转化后，变成+15V的驱动脉冲信号，分别施加到换向电路Q1、Q4的栅极G，使得Q1、Q4导通；在扫描信号小于0V期间，小于0V的负向扫描信号经过第2驱动电路转化后，变为0V，分别施加到换向电路Q2、Q3的栅极G，使得Q2、Q3关闭；在扫描信号小于0V期间，扫描信号Vscan在第4驱动电路中经过反向后，再叠加了偏置电压Ugth后施加到Q6的栅极G，使得Q6的驱动电压大于偏置Ugth，Q6工作于线性放大区；在扫描信号小于0V期间，扫描信号Vscan经过第3驱动电路，叠加了偏置电压Ugth后施加到Q5的栅极G，使得Q5的驱动电压小于Ugth，Q5关闭；在Q1、Q4开通，Q6工作于线性放大区，Q2、Q3、Q5关闭，恒压源I、Q1、扫描线圈coil、Q4、Q6工形成回路，扫描线圈coil流过与Q6驱动电压对应的电流-Ia。
参见图3所示，在扫描信号Vscan为周期性变化的波形时，则流过扫描线圈coil中的电流波形是与扫描信号Vscan对应的周期性变化的电流波形。流过扫描线圈coil中的最大电流幅值可以通过调整Vscan的最大幅值而进行调整。扫描信号Vscan为阶梯波电流时，阶梯波的台阶数量决定了电子束在工件上的驻点数量，调整扫描信号Vscan为阶梯波电流的台阶数量，可以调整电子束在工件扫描的驻点数。
当然，所述扫描信号Vscan不局限于阶梯波，还可以是正弦波、余弦波、锯齿波、三角波或者方波等等。
本发明的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置在图3所示的扫描信号Vscan达到高频≥100kHz，相应得电子束扫描频率≥100kHz。
本发明基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置的优点在于：
（1）采用一路正恒压源，避免了常用的基于MOSFET的电子束偏转扫描电路采用正、负两路恒压源所造成的流过扫描线圈的正、负电流波形的不对称性；
（2）由于N-沟道MOSFET可选择范围大，其工作电压可以从几伏到上千伏，采用N-沟道MOSFET作为主功率放大器件，这为电子束偏转扫描电路的工作电压提高到数百伏提供了保障；
（3）采用N-沟道MOSFET组成的换向电路与N-沟道MOSFET组成的线性放大电路驱动扫描线圈，不但可以使扫描频率得到大幅提高，达到100kHz以上的高频，而且保证了正、负电流波形的对称性。
本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路（ASIC），现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。所述通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块（illustrativelogicalblock），单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性（interchangeability），上述的各种说明性部件（illustrativecomponents），单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，包括：恒压源、换向电路、线性放大电路以及电流采样电路；
所述换向电路包括第1驱动电路、第2驱动电路、第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET以及扫描线圈，所述第1驱动电路连接所述第一MOSFET的栅极和第四MOSFET的栅极，所述第2驱动电路连接所述第二MOSFET的栅极和第三MOSFET的栅极，所述扫描线圈的一端连接所述第二MOSFET的源极和第四MOSFET的漏极，所述扫描线圈的另一端连接所述第一MOSFET的源极和第三MOSFET的漏极；
所述线性放大电路包括第3驱动电路、第4驱动电路、第五MOSFET、以及第六MOSFET，所述第3驱动电路连接所述第五MOSFET的栅极，所述第4驱动电路连接所述第六MOSFET的栅极；
所述恒压源的负端接地，正端连接所述第一MOSFET的漏极与所述第二MOSFET的漏极，所述第四MOSFET的源极连接所述第六MOSFET的漏极，所述第三MOSFET的源极连接所述第五MOSFET的漏极，所述第五MOSFET的源极连接所述第六MOSFET的源极，并经过所述电流采样电路后，连接所述恒压源的负端；
工作于开/关状态的第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET组成的换向电路的每个电流通路上串联了工作于放大区的MOSFET，第一MOSFET、第四MOSFET组成的电流通路上串联了第六MOSFET，第二MOSFET、第三MOSFET组成的电流通路上串联了第五MOSFET。
2.根据权利要求1所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，所述恒压源的输出电压为0～+200V可调，输出的最大电流为10A。
3.根据权利要求1所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，所述换向电路中的第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET为N-沟道MOSFET单管。
4.根据权利要求1所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，所述换向电路中的第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET根据功率增大的需求，使用同型号N-沟道MOSFET并联的多管结构。
5.根据权利要求1所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，所述线性放大电路中的第五MOSFET与第六MOSFET为N-沟道MOSFET单管。
6.根据权利要求1所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，所述线性放大电路中的第五MOSFET与第六MOSFET根据功率增大的需求，使用同型号N-沟道MOSFET并联的多管结构。
7.根据权利要求1所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，所述第1驱动电路、第2驱动电路输出的驱动电压波形是与扫描信号相关的波形，所述第1驱动电路在扫描信号为正时，输出+15V，所述第2驱动电路在扫描信号为正时，输出0V；所述第1驱动电路在扫描信号为负时，输出0V，所述第2驱动电路在扫描信号为负时，输出+15V。
8.根据权利要求1所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，所述第3驱动电路输出的驱动信号是扫描信号叠加了正向偏置电压的波形；所述第4驱动电路输出的驱动信号是扫描信号经过反向后叠加了正向偏置电压的波形。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，施加于各驱动电路上的扫描信号包括阶梯波、正弦波、余弦波、锯齿波、三角波和方波。
10.根据权利要求7或8所述的基于同型MOSFET的控制电子束高频偏转扫描装置，其特征在于，所述扫描信号的幅值可调，调节范围为-5V～+5V，扫描频率≤200kHz。
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| CN103458153A (zh) | 2013-12-18 |
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