CN113381636B - 一种高频脉冲电子束偏压电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频脉冲电子束偏压电源，它包括：基值偏压电源、脉冲偏压电源、隔离通讯电路、隔离供电电源、高压斩波电路；本发明在偏压电源的高压端设置专门的高压斩波电路，能够有效避免高压隔离变压器等器件中的分布电感和电容影响，从而获得上升沿和下降沿快速变化的高频脉冲电子束束流；采用调制解调和高压隔离技术实现了低压端高频脉冲参数向高压端电路的安全可靠隔离串行通讯，并实现了高压端PWM控制波形的产生，使脉冲频率、占空比控制精度高且灵活方便；同时通过高压隔离技术确保了高压端电路供电，大大提高了脉冲偏压上升沿和下降沿的变化速率；本发明结构科学，工艺性好，具有广阔推广应用价值。

Description

一种高频脉冲电子束偏压电源

技术领域

本发明提供一种高频脉冲电子束偏压电源，特别是一种用于控制电子束焊机输出高频脉冲电子束束流的偏压电源，属于特种电源技术领域。

背景技术

电子束焊接是一种先进的焊接技术，以其优越的焊接质量，在航空航天等领域得到广泛应用。但是传统的直流电子束焊接仍然存在一些不足：比如在焊接薄壁零件时，易烧穿工件；电子束能量输入大，焊接过程中产生的金属蒸汽会与电子束流发生碰撞，而影响电子束的穿透能力等。相比之下，脉冲电子束焊接具有以下优点：(1)在同等功率下,脉冲电子束焊接能更大程度发挥焊接过程中“匙孔”效应，穿透深度、深宽比都要大于直流电子束焊接；(2)脉冲电子束焊接薄壁零件时能够更精确地控制热输入，防止被焊工件过热，减少焊接变形的效果；(3)脉冲电子束焊接可以提高焊接接头的性能，特别是脉冲频率超过20kHz时，产生的超声效应可以细化晶粒，改善焊缝性能。

现有技术(ZL201210345485.9)提出了一种适用于高频脉冲电子束焊接的新型偏压电源装置，可以实现输出脉冲偏压幅值、频率和占空比可调。该电源通过控制脉冲电源高压隔离变压器前级低压电路中的MOSFET斩波，生成高频脉冲电压。但是由于脉冲电源中高压隔离变压器和整流电路中寄生电容的存在和滤波电路中滤波电容的存在使得在脉冲频率较高时偏压电源的脉冲偏压波形存在严重畸变，严重影响脉冲电子束束流品质。

现有技术(ZL201610351675.X)提出了一种适用于脉冲电子束焊接的偏压电源装置，可以实现输出脉冲偏压，进而得到焊接所需的束流波形。该电源通过控制脉冲电源高压隔离变压器后级高压电路中的MOSFET斩波，生成高频脉冲偏压。MOSFET的控制信号是由调制后高频方波信号通过高压隔离变压器传递到高压端，然后进行解调，解调后的信号直接驱动MOSFET进行斩波以实现脉冲偏压。但是，由于变压器等器件寄生电容和解调电路中滤波电容的存在，使得在脉冲频率较高时解调后MOSFET驱动信号上升沿和下降沿变化缓慢，使得脉冲束流的上升和下降缓慢，高频时波形畸变；并且该偏压电源的高压侧没有独立供电，存在解调后的MOSFET信号驱动能力不足，也会降低脉冲束流上升沿和下降沿的变化速率。

发明内容

1、发明目的：由于偏压电源连接在加速电源的负极，其对地电位高达负几万伏，或者十几万伏，使偏压电源在高压条件下输出理想的高频脉冲偏压波形，并能灵活准确的调节脉冲偏压的频率和占空比，进而实现具有快速变化的脉冲电子束束流是十分困难的。为了解决上述技术难题，本发明提供了一种高频脉冲电子束偏压电源。该偏压电源既能输出直流偏压，又能输出幅值、频率和占空比连续可调的脉冲偏压。根据偏压和束流大小的对应关系，从而实现具有快速变化的高频脉冲电子束束流输出。

2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

基于上述目的，本发明提供了一种高频脉冲电子束偏压电源，包括：(一)基值偏压电源、(二)脉冲偏压电源、(三)隔离通讯电路、(四)隔离供电电源、(五)高压斩波电路；其中，(一)基值偏压电源包括基值调压电路(101)、基值逆变电路(102)、高压隔离变压器1(103)、高压整流滤波电路1(104)；(二)脉冲偏压电源包括脉冲调压电路(105)、脉冲逆变电路(106)、高压隔离变压器2(107)、高压整流滤波电路2(108)；(三)隔离通讯电路包括直流电源1(109)、通讯逆变电路(110)、高压隔离变压器3(111)、通讯解调电路(112)、高频脉冲参数设置(113)、信号调制电路(114)；(四)隔离供电电源包括直流电源2(115)、供电逆变电路(116)、高压隔离变压器4(117)、电源变换电路(118)；(五)高压斩波电路包括高压端PWM产生电路(119)、高压斩波主电路(120)；

它们之间的位置关系是：

(一)基值偏压电源中，基值调压电路(101)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至基值逆变电路(102)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器1(103)进行隔离升压后传输至高压侧的高压整流滤波电路1(104)变换成0-2000V连续可调的基值偏压Ub；

(二)脉冲偏压电源中，脉冲调压电路(105)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至脉冲逆变电路(106)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器2(107)进行隔离升压后传输至高压整流滤波电路2(108)变换成0-500V连续可调的脉冲偏压Up0，该脉冲偏压Up0的输出再连接至高压斩波主电路(120)；

(三)隔离通讯电路中，直流电源1(109)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至通讯逆变电路(110)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器3(111)隔离后传输至高压端，该输出再连接至通讯解调电路(112)实现高频脉冲参数的解调；高频脉冲参数是通过高频脉冲参数设置电路(113)进行设置，设置好的参数再传输至信号调制电路(114)进行信号调制，变成含有高频脉冲参数的PWM控制信号，该信号的输出再连接至通讯逆变电路(110)，使得逆变成40kHz的高频方波交流信号成为高频脉冲参数的载波信号；

(四)隔离供电电路中，直流电源2(115)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至供电逆变电路(116)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器4(117)隔离后传输至高压端，该输出再连接至电源变换电路(118)变成12V直流电源，为高压端的电路进行供电；

(五)高压斩波电路中，高压端PWM产生电路(119)接收来自通讯解调电路(112)的通讯信号，然后进行解析获取高频脉冲参数，并生成高频脉冲PWM控制信号，然后通过驱动电路连接至高压斩波主电路(120)，将脉冲偏压电路中高压整流滤波电路2(108)输出的直流电压斩波成高频脉冲偏压Up输出；

该高频脉冲偏压Up与基值脉冲偏压Ub串联后，其正极输出通过电阻R1和R2连接至电子枪(122)中的灯丝阴极(123)，负极输出连接至电子枪(122)中的栅极(124)，实现电子束的控制；

所述的基值调压电路(101)和脉冲调压电路(106)结构相同，包括+48V AC/DC通用电源(201)、滤波电容C2(202)、功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)；AC220V电源输入经+48V AC/DC通用电源(201)变换成+48V直流电源，然后经由滤波电容C2(202)、MOSFET功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)组成的BUCK电路进行调压，变成0-48V连续可调的直流电压输出；

所述的基值逆变电路(102)和脉冲逆变电路(106)均采用全桥逆变结构，包括滤波电容C3(301)、功率开关管T2(302)、T3(303)、T4(304)、T5(305)、隔直电容C4(306)；调压电路输出的0-48V直流电压连接至逆变电路，经功率开关管T2(302)、T3(303)、T4(304)、T5(305)组成的全桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波，隔直电容C4(306)串联在输出电路上起隔离直流分量防止变压器偏磁的功能；

所述的通讯逆变电路(110)和供电逆变电路(116)均采用半桥逆变结构，包括滤波电容C5(401)、半桥电容C6(402)和C7(403)、功率开关管T6(404)、T7(405)；直流电源1或直流电源2输出的+24V直流电压连接至逆变电路，经半桥电容C6(402)和C7(403)、功率开关管T6(404)、T7(405)组成的半桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波；

所述的高频脉冲参数设置(113)由触摸屏和单片机电路组成，触摸屏采用威纶通公司生产的MT6071iE触摸屏，单片机采用美国微芯科技公司生产的PIC18F25K22型号的单片机；通过触摸屏可以设置高频脉冲偏压的脉冲频率和占空比，设置好的参数传输给单片机，该单片机再通过串口将脉冲参数变换成串行信号输出至信号调制电路；

所述的信号调制电路(114)主要由PWM发生专用集成电路SG3525A(501)及其外围电路组成，改变电阻R3(502)、R4(503)和电容C8(504)可以调节SG3525A的输出PWM频率；高频脉冲参数设置(113)输出串行通讯信号连接至SG3525A的引脚10，当串行信号为高电平时，停止PWM输出，当串行信号为低电平时，使能PWM输出，从而实现了高频脉冲参数对PWM控制波形的调制；

所述的高压隔离变压器1(103)、高压隔离变压器2(107)高压隔离变压器3(111)高压隔离变压器4(117)用于实现原边电压和副边电压的电压变换和隔离，骨架采用铁氟龙材料、采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成；

所述的高压整流滤波电路1(104)、高压整流滤波电路2(108)均采用高压快恢复二极管、高压薄膜电容组成的全桥滤波电路，功能是将高压隔离变压传输的高频交流方波整流滤波成稳定的直流输出；

所述的通讯解调电路(112)包括由D2(601)、D3(602)、D4(603)、D5(604)组成的整流桥，R5、R6和C9组成的滤波电路，比较器U2(611)、R7(608)、R8(609)、R9(613)、C10(610)和C11(612)组成的电压整形电路，功能是将隔离通讯高压隔离变压器3(111)输出的含有脉冲参数的高频交流方波进行整流滤波，并将串行通讯信号检测出来，解调后的串行通讯信号RX连接至高压端PWM产生电路(119)进行串行数据接收和解析；

所述的高压斩波主电路(120)包括限流电阻R10(701)、放电电阻R11(702)、尖峰吸收电容C12(703)、二极管D10(704)、IGBT功率开关管T8(705)、续流二极管D11(706)；高压斩波电路(120)接收脉冲偏压电源输出的直流电压Up0，经限流电阻R10(701)限流后连接至IGBT功率开关管(705)进行斩波，将0-500V的直流电压Up0变换成高频脉冲偏压；

所述的高压端PWM产生电路(119)由PIC18F25K22单片机及其外围电路组成，功能是接收来自通讯解调电路(112)输出的串行通讯信号，然后进行解析获取高频脉冲参数，并生成高频脉冲PWM控制信号，再通过驱动电路连接至高压斩波主电路(120)，实现IGBT功率开关管的导通和关断控制；

所述的电源变换电路(118)主要由美国德州仪器公司(简称：Ti公司)的电源变换集成电路LM2576及其外围电路组成，主要功能是将高压隔离变压器4(117)输出的高频方波信号进行整流滤波、降压变换成+12V电源，为高压端PWM产生电路(119)和驱动电路供电。

3、优点及功效：

(1)本发明在偏压电源的高压端设置专门的高压斩波电路，并通过高压端PWM产生电路和驱动电路控制IGBT功率开关管导通和关断，从而产生高频脉冲偏压，能够有效避免高压隔离变压器等器件中的分布电感和电容影响，使脉冲偏压具有陡峭的上升沿和下降沿，从而获得上升沿和下降沿快速变化的高频脉冲电子束束流；

(2)本发明采用串行通讯、信号调制、高压隔离变压器信号传输、信号解调等技术，实现了低压端高频脉冲参数向高压端电路的安全可靠隔离串行通讯，并结合单片机控制实现了高压端PWM控制波形的产生，具有脉冲频率、占空比控制精度高及灵活方便等优点；

(3)本发明采用高压隔离变压器供电技术为高压端的PWM波形产生电路及驱动电路进行独立供电，确保了高压端电路供电，尤其是保证PWM波形驱动电路具有足够的驱动电流，大大提高了脉冲偏压上升沿和下降沿的变化速率；

(4)本发明提供的高频脉冲电子束偏压电源，脉冲偏压频率0-40kHz连续可调，占空比0-100％连续可调，脉冲偏压上升沿和下降沿500V/μs；

(5)本发明所述的高频脉冲电子束偏压电源，结构科学，工艺性好，具有广阔推广应用价值。

附图说明

图1为本发明高频脉冲偏压电源组成及其与电子枪的连接关系示意图。

图2为本发明低压调压电路组成。

图3为本发明全桥逆变主电路结构。

图4为本发明半桥逆变主电路结构。

图5为本发明信号调制电路。

图6为本发明通讯解调电路。

图7为本发明高压斩波主电路。

图8为本发明信号调制和解调电路的工作原理波形示意图。

图中序号代号符号说明如下：

101为基值调压电路； 102为基值逆变电路； 103为高压隔离变压器1；

104为高压整流滤波电路1； 105为脉冲调压电路； 106为脉冲逆变电路；

107为高压隔离变压器2； 108为高压整流滤波电路2； 109为直流电源1；

110为通讯逆变电路； 111为高压隔离变压器3； 112为通讯解调电路；

113为高频脉冲参数设置电路； 114为信号调制电路； 115为直流电源2；

116为供电逆变电路； 117为高压隔离变压器4； 118为电源变换电路；

119为高压端PWM产生电路； 120为高压斩波主电路； 121为灯丝加热电源；

122为电子枪； 123为灯丝阴极； 124为栅极；

125为阳极； 126为电子束束流； 201为+48V AC/DC通用电源；

202为滤波电容C1； 203为功率开关管T1； 204为续流二极管D1；

205为滤波电感L1； 206为滤波电容C2； 301为滤波电容C3；

302为功率开关管T2； 303为功率开关管T3； 304为功率开关管T4；

305为功率开关管T5； 306为隔直电容C4； 401为滤波电容C5；

402为半桥电容C6； 403为半桥电容C7； 404为功率开关管T6；

405为功率开关管T7； 501为PWM发生专用集成电路SG3525A；

502为充电电流设定电阻R3； 503为放电电流设定电阻R4； 504为谐振频率设定电容C8；

601为整流二极管D2； 602为整流二极管D3； 603为整流二极管D4；

604为整流二极管D5； 605为限流电阻R5； 606为放电电阻R6；

607为滤波电容C9； 608为分压电阻R7； 609为分压电阻R8；

610为滤波电容C10； 611为比较器LM393； 612为滤波电容C11；

613为上拉电阻R9； 701为限流电阻R10； 702为放电电阻R11；

703为尖峰吸收电容C12； 704为二极管D10； 705为IGBT功率开关管T8；

706为续流二极管D11。

具体实施方式

本发明提供了一种高频脉冲电子束偏压电源，其具体实施方式是：

所述的高频脉冲电子束偏压电源包括：

参见图1所示，基值调压电路(101)、基值逆变电路(102)、高压隔离变压器1(103)、高压整流滤波电路1(104)、脉冲调压电路(105)、脉冲逆变电路(106)、高压隔离变压器2(107)、高压整流滤波电路2(108)、直流电源1(109)、通讯逆变电路(110)、高压隔离变压器3(111)、通讯解调电路(112)、高频脉冲参数设置(113)、信号调制电路(114)、直流电源2(115)、供电逆变电路(116)、高压隔离变压器4(117)、电源变换电路(118)、高压端PWM产生电路(119)、高压斩波主电路(120)；它们之间的位置关系是：基值调压电路(101)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至基值逆变电路(102)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器1(103)进行隔离升压后传输至高压侧的高压整流滤波电路1(104)变换成0-2000V连续可调的基值偏压Ub。脉冲调压电路(105)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至脉冲逆变电路(106)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器2(107)进行隔离升压后传输至高压侧的高压整流滤波电路2(108)变换成0-500V连续可调的脉冲偏压Up0，该脉冲偏压Up0的输出再连接至高压斩波主电路。直流电源1(109)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至通讯逆变电路(110)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器3(111)隔离后传输至高压端，该输出再连接至通讯解调电路(112)实现高频脉冲参数的解调；高频脉冲参数是通过高频脉冲参数设置(113)进行设置，设置好的参数再传输至信号调制电路(114)进行信号调制，变成含有高频脉冲参数的PWM控制信号，该信号的输出再连接至通讯逆变电路(110)，使得逆变成40kHz的高频方波交流信号成为高频脉冲参数的载波信号。直流电源2(115)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至供电逆变电路(116)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器4(117)隔离后传输至高压端，该输出再连接至电源变换电路(118)变成12V直流电源，为高压端的电路进行供电。高压端PWM产生电路(119)接收来自通讯解调电路(112)的通讯信号，然后进行解析获取高频脉冲参数，并生成高频脉冲PWM控制信号，然后通过驱动电路连接至高压斩波主电路(120)，将脉冲偏压电路中高压整流滤波电路2(108)输出的直流电压斩波成高频脉冲偏压Up输出。高频脉冲偏压Up与基值脉冲偏压Ub串联后，其正极输出通过电阻R1和R2连接至电子枪(122)中的灯丝(123)，负极输出连接至电子枪(122)中的栅极(124)，实现电子束束流的控制；

参见图2所示，所述的基值调压电路(101)和脉冲调压电路(105)结构相同，包括+48V AC/DC通用电源(201)、滤波电容C2(202)、功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)；AC220V电源输入经+48V AC/DC通用电源(201)变换成+48V直流电源，然后经由滤波电容C2(202)、MOSFET功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)组成的BUCK电路进行调压，变成0-48V连续可调的直流电压输出；

参见图3所示，所述的基值逆变电路(102)和脉冲逆变电路(106)均采用全桥逆变主电路，包括滤波电容C3(301)、功率开关管T2(302)、功率开关管T3(303)、功率开关管T4(304)、功率开关管T5(305)、隔直电容C4(306)；调压电路输出的0-48V直流电压连接至逆变电路，经功率开关管T2(302)、功率开关管T3(303)、功率开关管T4(304)、功率开关管T5(305)组成的全桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波，隔直电容C4(306)串联在输出电路上起隔离直流分量防止变压器偏磁的功能；

参见图4所示，所述的通讯逆变电路(110)和供电逆变电路(116)均采用半桥逆变主电路，包括滤波电容C5(401)、半桥电容C6(402)和半桥电容C7(403)、功率开关管T6(404)、功率开关管T7(405)；直流电源1或直流电源2输出的+24V直流电压连接至逆变电路，经半桥电容C6(402)和半桥电容C7(403)、功率开关管T6(404)、功率开关管T7(405)组成的半桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波；

参见图5所示，所述的信号调制电路(114)主要由PWM发生专用集成电路SG3525A(501)及其外围电路组成，改变充电电流设定电阻R3(502)、放电电流设定电阻R4(503)和谐振频率设定电容C8(504)可以调节PWM发生专用集成电路SG3525A的输出PWM频率；高频脉冲参数设置电路(113)输出串行通讯信号连接至PWM发生专用集成电路SG3525A的引脚10，当串行信号为高电平时，停止PWM输出，当串行信号为低电平时，使能PWM输出，从而实现了高频脉冲参数对PWM控制波形的调制；

参见图6所示，所述的通讯解调电路(112)包括由整流二极管D2(601)、整流二极管D3(602)、整流二极管D4(603)、整流二极管D5(604)组成的整流桥，由限流电阻R5(605)、放电电阻R6(606)、滤波电容C9(607)组成的滤波电路，由比较器LM393(611)、分压电阻R7(608)、分压电阻R8(609)、上拉电阻R9(613)、滤波电容C10(610)和滤波电容C11(612)组成的电压整形电路，功能是将隔离通讯用的高压隔离变压器3(111)输出的含有脉冲参数的高频交流方波进行整流滤波，并将串行通讯信号检测出来，解调后的串行通讯信号RX连接至高压端PWM产生电路(119)进行串行数据接收和解析；

参见图7所示，所述的高压斩波主电路(120)包括限流电阻R10(701)、放电电阻R11(702)、尖峰吸收电容C12(703)、二极管D10(704)、IGBT功率开关管T8(705)、续流二极管D11(706)；高压斩波电路(120)接收脉冲偏压电源输出的直流电压Up0，经限流电阻R10(701)限流后连接至IGBT功率开关管(705)进行斩波，将0-500V的直流电压Up0变换成高频脉冲偏压；

参见图8所示，为本发明信号调制和解调电路的工作原理波形示意图；所述的高频脉冲参数设置电路(113)将触摸屏输入的脉冲参数传输至单片机，单片机再通过串口将脉冲参数变换成串行信号S1输出至信号调制电路(114)中的PWM发生专用集成电路SG3525A(501)的引脚10，当串行信号S1为高电平时，停止PWM输出，当串行信号为低电平时，使能PWM输出，从而实现了高频脉冲参数对PWM控制波形的调制；该PWM控制波形通过驱动电路连接至通讯逆变电路(110)，控制功率开关管T6(404)、功率开关管T7(405)交替导通和关断，得到调制后的逆变电路输出的高频交流方波信号S2，该信号S2再经高压隔离变压器3(111)隔离后传输至高压端的通讯解调电路(112)，通过整流、滤波和电平变换等电路后将串行通讯信号解调出来，解调后的串行通讯信号S4再连接至高压端PWM产生电路(119)进行串行数据接收和解析；

所述的高频脉冲电子束偏压电源可以实现具有快速变化上升沿和下降沿的电子束高频脉冲偏压输出，进而获得高频脉冲电子束束流输出；

所述的高频脉冲电子束偏压电源的脉冲偏压频率0-40kHz连续可调；

所述的高频脉冲电子束偏压电源的脉冲偏压占空比0-100％连续可调；

所述的高频脉冲电子束偏压电源的脉冲偏压上升沿和下降沿500V/μs；

本发明针对电子束偏压电源对地电位高、输出具有快速变化上升沿和下降沿、脉冲频率和占空比灵活可调的高频脉冲偏压难的问题，提供了一种高频脉冲电子束偏压电源；在偏压电源的高压端设置专门的高压斩波电路，并通过高压端PWM产生电路和驱动电路控制IGBT功率开关管导通和关断，从而产生高频脉冲偏压，能够有效避免高压隔离变压器等器件中的分布电感和电容影响，使脉冲偏压具有陡峭的上升沿和下降沿，从而获得上升沿和下降沿快速变化的高频脉冲电子束束流；采用串行通讯、信号调制、高压隔离变压器信号传输、信号解调等技术，实现了低压端高频脉冲参数向高压端电路的安全可靠隔离串行通讯，并结合单片机控制实现了高压端PWM控制波形的产生，使脉冲频率、占空比控制精度高且灵活方便；采用高压隔离变压器供电技术为高压端的PWM波形产生电路及驱动电路进行独立供电，确保了高压端电路供电，尤其是保证PWM波形驱动电路具有足够的驱动电流，大大提高了脉冲偏压上升沿和下降沿的变化速率；所提供的高频脉冲电子束偏压电源，脉冲偏压频率0-40kHz连续可调，占空比0-100％连续可调，脉冲偏压上升沿和下降沿500V/μs。

就本发明而言，包括基值偏压电源、脉冲偏压电源、隔离通讯电路、隔离供电电源、高压斩波电路；其中，基值偏压电源包括基值调压电路(101)、基值逆变电路(102)、高压隔离变压器1(103)、高压整流滤波电路1(104)；脉冲偏压电源包括脉冲调压电路(105)、脉冲逆变电路(106)、高压隔离变压器2(107)、高压整流滤波电路2(108)；隔离通讯电路包括直流电源1(109)、通讯逆变电路(110)、高压隔离变压器3(111)、通讯解调电路(112)、高频脉冲参数设置电路(113)、信号调制电路(114)；隔离供电电源包括直流电源2(115)、供电逆变电路(116)、高压隔离变压器4(117)、电源变换电路(118)；高压斩波电路包括高压端PWM产生电路(119)、高压斩波主电路(120)。

基值调压电路(101)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至基值逆变电路(102)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器1(103)进行隔离升压后传输至高压侧的高压整流滤波电路1(104)变换成0-2000V连续可调的基值偏压Ub；

脉冲调压电路(105)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至脉冲逆变电路(106)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器2(107)进行隔离升压后传输至高压侧的高压整流滤波电路2(108)变换成0-500V连续可调的脉冲偏压Up0，该脉冲偏压Up0的输出再连接至高压斩波主电路。

直流电源1(109)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至通讯逆变电路(110)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器3(111)隔离后传输至高压端，该输出再连接至通讯解调电路(112)实现高频脉冲参数的解调；高频脉冲参数是通过高频脉冲参数设置(113)进行设置，设置好的参数再传输至信号调制电路(114)进行信号调制，变成含有高频脉冲参数的PWM控制信号，该信号的输出再连接至通讯逆变电路(110)，使得逆变成40kHz的高频方波交流信号成为高频脉冲参数的载波信号。

直流电源2(115)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至供电逆变电路(116)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器4(117)隔离后传输至高压端，该输出再连接至电源变换电路(118)变成12V直流电源，为高压端的电路进行供电。

高压端PWM产生电路(119)接收来自通讯解调电路(112)的通讯信号，然后进行解析获取高频脉冲参数，并生成高频脉冲PWM控制信号，然后通过驱动电路连接至高压斩波主电路(120)，将脉冲偏压电路中高压整流滤波电路2(108)输出的直流电压斩波成高频脉冲偏压Up输出。

高频脉冲偏压Up与基值脉冲偏压Ub串联后，其正极输出通过电阻R1和R2连接至电子枪(122)中的灯丝阴极(123)，负极输出连接至电子枪(122)中的栅极(124)，实现电子束的控制。

基值调压电路(101)和脉冲调压电路(106)结构相同，包括+48V AC/DC通用电源(201)、滤波电容C2(202)、功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)。AC220V电源输入经+48V AC/DC通用电源(201)变换成+48V直流电源，然后经由滤波电容C2(202)、MOSFET功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)组成的BUCK电路进行调压，变成0-48V连续可调的直流电压输出。

基值逆变电路(102)和脉冲逆变电路(106)均采用全桥逆变结构，包括滤波电容C3(301)、功率开关管T2(302)、T3(303)、T4(304)、T5(305)、隔直电容C4(306)。调压电路输出的0-48V直流电压连接至逆变电路，经功率开关管T2(302)、T3(303)、T4(304)、T5(305)组成的全桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波，隔直电容C4(306)串联在输出电路上起隔离直流分量防止变压器偏磁的功能。

通讯逆变电路(110)和供电逆变电路(116)均采用半桥逆变结构，包括滤波电容C5(401)、半桥电容C6(402)和C7(403)、功率开关管T6(404)、T7(405)。直流电源1或直流电源2输出的+24V直流电压连接至逆变电路，经半桥电容C6(402)和C7(403)、功率开关管T6(404)、T7(405)组成的半桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波。

高频脉冲参数设置(113)由触摸屏和单片机电路组成，触摸屏采用威纶通公司生产的MT6071iE触摸屏，单片机采用美国微芯科技公司生产的PIC18F25K22型号的单片机。通过触摸屏可以设置高频脉冲偏压的脉冲频率和占空比，设置好的参数传输给单片机，单片机再通过串口将脉冲参数变换成串行信号输出至信号调制电路。

信号调制电路(114)主要由PWM发生专用集成电路SG3525A(501)及其外围电路组成，改变电阻R3(502)、R4(503)和电容C8(504)可以调节SG3525A的输出PWM频率；高频脉冲参数设置(113)输出串行通讯信号连接至SG3525A的引脚10，当串行信号为高电平时，停止PWM输出，当串行信号为低电平时，使能PWM输出，从而实现了高频脉冲参数对PWM控制波形的调制。

高压隔离变压器1(103)、高压隔离变压器2(107)高压隔离变压器3(111)高压隔离变压器4(117)用于实现原边电压和副边电压的电压变换和隔离，骨架采用铁氟龙材料、采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成。

高压整流滤波电路1(104)、高压整流滤波电路2(108)均采用高压快恢复二极管、高压薄膜电容组成的全桥滤波电路，功能是将高压隔离变压传输的高频交流方波整流滤波成稳定的直流输出。

通讯解调电路(112)包括由D2(601)、D3(602)、D4(603)、D5(604)组成的整流桥，R5(605)、R6(606)、C9(607)组成的滤波电路，比较器U2(611)、R7、R8、R9、C10和C11组成的电压整形电路，功能是将隔离通讯高压隔离变压器3(111)输出的含有脉冲参数的高频交流方波进行整流滤波，并将串行通讯信号检测出来，解调后的串行通讯信号RX连接至高压端PWM产生电路(119)进行串行数据接收和解析。

高压斩波主电路(120)包括限流电阻R10(701)、放电电阻R11(702)、尖峰吸收电容C12(703)、二极管D10(704)、IGBT功率开关管T8(705)、续流二极管D11(706)；高压斩波电路(120)接收脉冲偏压电源输出的直流电压Up0，经限流电阻R10(701)限流后连接至IGBT功率开关管(705)进行斩波，将0-500V的直流电压Up0变换成高频脉冲偏压。

高压端PWM产生电路(119)由PIC18F25K22单片机及其外围电路组成，功能是接收来自通讯解调电路(112)输出的串行通讯信号，然后进行解析获取高频脉冲参数，并生成高频脉冲PWM控制信号，再通过驱动电路连接至高压斩波主电路(120)，实现IGBT功率开关管的导通和关断控制。

电源变换电路(118)主要由Ti公司的电源变换集成电路LM2576及其外围电路组成，主要功能是将高压隔离变压器4(117)输出的高频方波信号进行整流滤波、降压变换成+12V电源，为高压端PWM产生电路(119)和驱动电路供电。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是高频脉冲偏压电源组成及其与电子枪的连接关系示意图。包括基值调压电路(101)、基值逆变电路(102)、高压隔离变压器1(103)、高压整流滤波电路1(104)、脉冲调压电路(105)、脉冲逆变电路(106)、高压隔离变压器2(107)、高压整流滤波电路2(108)、直流电源1(109)、通讯逆变电路(110)、高压隔离变压器3(111)、通讯解调电路(112)、高频脉冲参数设置(113)、信号调制电路(114)、直流电源2(115)、供电逆变电路(116)、高压隔离变压器4(117)、电源变换电路(118)、高压端PWM产生电路(119)、高压斩波主电路(120)。

参考图1，基值调压电路(101)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至基值逆变电路(102)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器1(103)进行隔离升压后传输至高压侧的高压整流滤波电路1(104)变换成0-2000V连续可调的基值偏压Ub。脉冲调压电路(105)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至脉冲逆变电路(106)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器2(107)进行隔离升压后传输至高压侧的高压整流滤波电路2(108)变换成0-500V连续可调的脉冲偏压Up0，该脉冲偏压Up0的输出再连接至高压斩波主电路。直流电源1(109)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至通讯逆变电路(110)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器3(111)隔离后传输至高压端，该输出再连接至通讯解调电路(112)实现高频脉冲参数的解调；高频脉冲参数是通过高频脉冲参数设置(113)进行设置，设置好的参数再传输至信号调制电路(114)进行信号调制，变成含有高频脉冲参数的PWM控制信号，该信号的输出再连接至通讯逆变电路(110)，使得逆变成40kHz的高频方波交流信号成为高频脉冲参数的载波信号。直流电源2(115)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至供电逆变电路(116)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器4(117)隔离后传输至高压端，该输出再连接至电源变换电路(118)变成12V直流电源，为高压端的电路进行供电。高压端PWM产生电路(119)接收来自通讯解调电路(112)的通讯信号，然后进行解析获取高频脉冲参数，并生成高频脉冲PWM控制信号，然后通过驱动电路连接至高压斩波主电路(120)，将脉冲偏压电路中高压整流滤波电路2(108)输出的直流电压斩波成高频脉冲偏压Up输出。高频脉冲偏压Up与基值脉冲偏压Ub串联后，其正极输出通过电阻R1和R2连接至电子枪(122)中的灯丝阴极(123)，负极输出连接至电子枪(122)中的栅极(124)，实现电子束束流的控制。

图2是低压调压电路组成，包括+48V AC/DC通用电源(201)、滤波电容C2(202)、功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)。

参考图2，AC220V电源输入经+48V AC/DC通用电源(201)变换成+48V直流电源，然后经由滤波电容C2(202)、MOSFET功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)组成的BUCK电路进行调压，变成0-48V连续可调的直流电压输出。

图3是全桥逆变主电路结构，包括滤波电容C3(301)、功率开关管T2(302)、T3(303)、T4(304)、T5(305)、隔直电容C4(306)。

参考图3，调压电路输出的0-48V直流电压连接至逆变电路，经功率开关管T2(302)、T3(303)、T4(304)、T5(305)组成的全桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波，隔直电容C4(306)串联在输出电路上起隔离直流分量防止变压器偏磁的功能。

图4是半桥逆变主电路结构，包括滤波电容C5(401)、半桥电容C6(402)和C7(403)、功率开关管T6(404)、T7(405)。

参考图4，直流电源1或直流电源2输出的+24V直流电压连接至逆变电路，经半桥电容C6(402)和C7(403)、功率开关管T6(404)、T7(405)组成的半桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波。

图5是信号调制电路，包括PWM发生专用集成电路SG3525A(501)及其外围电路、电阻R3(502)、R4(503)和电容C8(504)。

参考图5，高频脉冲参数设置(113)输出串行通讯信号连接至SG3525A的引脚10，当串行信号为高电平时，停止PWM输出，当串行信号为低电平时，使能PWM输出，从而实现了高频脉冲参数对PWM控制波形的调制；改变电阻R3(502)、R4(503)和电容C8(504)可以调节SG3525A的输出PWM频率。

图6是通讯解调电路，包括D2(601)、D3(602)、D4(603)、D5(604)、R5(605)、R6(606)、C9(607)、比较器U2(611)、R7(608)、R8(609)、R9(613)、C10(610)和C11(612)。

参考图6，隔离通讯高压隔离变压器3(111)输出的含有脉冲参数的高频交流方波连接至由D2(601)、D3(602)、D4(603)、D5(604)组成的整流桥，R5(605)、R6(606)、C9(607)组成的滤波电路进行整流滤波后，高频方波信号被滤除，解调出串行通讯信号，然后解调后的串行通讯信号再经比较器U2(611)、R7(608)、R8(609)、R9(613)、C10(610)和C11(612)组成的电压整形电路进行波形整形和电压变换成幅值为+5V的串行通讯信号RX,该信号再连接至高压端PWM产生电路(119)进行串行数据接收和解析。

图7是高压斩波主电路，包括限流电阻R10(701)、放电电阻R11(702)、尖峰吸收电容C12(703)、二极管D10(704)、IGBT功率开关管T8(705)、续流二极管D11(706)。

参考图7，高压斩波电路(120)接收脉冲偏压电源输出的直流电压Up0，经限流电阻R10(701)限流后连接至IGBT功率开关管(705)进行斩波，将0-500V的直流电压Up0变换成高频脉冲偏压。

图8是信号调制和解调的工作原理波形示意图。

参考图8，高频脉冲参数设置(113)将触摸屏输入的脉冲参数传输至单片机，单片机再通过串口将脉冲参数变换成串行信号S1，然后该信号输出至信号调制电路(114)中的SG3525A(501)的引脚10，当串行信号S1为高电平时，停止PWM输出，当串行信号为低电平时，使能PWM输出，从而实现了高频脉冲参数对PWM控制波形的调制；该PWM控制波形通过驱动电路连接至通讯逆变电路(110)，控制功率开关管T6(404)、T7(405)交替导通和关断，得到调制后的逆变电路输出的高频交流方波信号S2，该信号S2再经高压隔离变压器3(111)隔离后输出高频方波信号S3，该信号再传输至高压端的通讯解调电路(112)，通过整流、滤波和电平变换等电路后将串行通讯信号解调出来，解调后的串行通讯信号S4再连接至高压端PWM产生电路(119)进行串行数据接收和解析。

本发明提供了一种高频脉冲电子束偏压电源。在偏压电源的高压端设置专门的高压斩波电路，并通过高压端PWM产生电路和驱动电路控制IGBT功率开关管导通和关断，从而产生高频脉冲偏压，能够有效避免高压隔离变压器等器件中的分布电感和电容影响，使脉冲偏压具有陡峭的上升沿和下降沿，从而获得上升沿和下降沿快速变化的高频脉冲电子束束流。采用串行通讯、信号调制、高压隔离变压器信号传输、信号解调等技术，实现了低压端高频脉冲参数向高压端电路的安全可靠隔离串行通讯，并结合单片机控制实现了高压端PWM控制波形的产生，使脉冲频率、占空比控制精度高且灵活方便。采用高压隔离变压器供电技术为高压端的PWM波形产生电路及驱动电路进行独立供电，确保了高压端电路供电，尤其是保证PWM波形驱动电路具有足够的驱动电流，大大提高了脉冲偏压上升沿和下降沿的变化速率。所提供的高频脉冲电子束偏压电源，脉冲偏压频率0-40kHz连续可调，占空比0-100％连续可调，脉冲偏压上升沿和下降沿500V/μs。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高频脉冲电子束偏压电源，其特征在于：它包括：基值偏压电源、脉冲偏压电源、隔离通讯电路、隔离供电电源及高压斩波电路；其中，基值偏压电源包括基值调压电路(101)、基值逆变电路(102)、高压隔离变压器1(103)、高压整流滤波电路1(104)；脉冲偏压电源包括脉冲调压电路(105)、脉冲逆变电路(106)、高压隔离变压器2(107)、高压整流滤波电路2(108)；隔离通讯电路包括直流电源1(109)、通讯逆变电路(110)、高压隔离变压器3(111)、通讯解调电路(112)、高频脉冲参数设置(113)、信号调制电路(114)；隔离供电电源包括直流电源2(115)、供电逆变电路(116)、高压隔离变压器4(117)、电源变换电路(118)；高压斩波电路包括高压端PWM产生电路(119)、高压斩波主电路(120)；

它们之间的位置关系是：

基值偏压电源中，基值调压电路(101)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至基值逆变电路(102)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器1(103)进行隔离升压后传输至高压侧的高压整流滤波电路1(104)变换成0-2000V连续可调的基值偏压Ub；

脉冲偏压电源中，脉冲调压电路(105)输出0-48V的连续可调直接电压，该输出电压连接至脉冲逆变电路(106)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器2(107)进行隔离升压后传输至高压整流滤波电路2(108)变换成0-500V连续可调的脉冲偏压Up0，该脉冲偏压Up0的输出再连接至高压斩波主电路(120)；

隔离通讯电路中，直流电源1(109)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至通讯逆变电路(110)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器3(111)隔离后传输至高压端，该输出再连接至通讯解调电路(112)实现高频脉冲参数的解调；高频脉冲参数是通过高频脉冲参数设置电路(113)进行设置，设置好的参数再传输至信号调制电路(114)进行信号调制，变成含有高频脉冲参数的PWM控制信号，该信号的输出再连接至通讯逆变电路(110)，使得逆变成40kHz的高频方波交流信号成为高频脉冲参数的载波信号；

隔离供电电路中，直流电源2(115)输出稳定的24V电压，该输出电压连接至供电逆变电路(116)再次逆变成40kHz的高频方波交流信号，再经高压隔离变压器4(117)隔离后传输至高压端，该输出再连接至电源变换电路(118)变成12V直流电源，为高压端的电路进行供电；

高压斩波电路中，高压端PWM产生电路(119)接收来自通讯解调电路(112)的通讯信号，然后进行解析获取高频脉冲参数，并生成高频脉冲PWM控制信号，然后通过驱动电路连接至高压斩波主电路(120)，将脉冲偏压电路中高压整流滤波电路2(108)输出的直流电压斩波成高频脉冲偏压Up输出；该高频脉冲偏压Up与基值脉冲偏压Ub串联后，其正极输出通过电阻R1和R2连接至电子枪(122)中的灯丝阴极(123)，负极输出连接至电子枪(122)中的栅极(124)，实现电子束的控制；

所述的基值调压电路(101)和脉冲调压电路(106)结构相同，包括+48V AC/DC通用电源(201)、滤波电容C2(202)、功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)；AC220V电源输入经+48V AC/DC通用电源(201)变换成+48V直流电源，然后经由滤波电容C2(202)、MOSFET功率开关管T2(203)、续流二极管D7(204)、滤波电感L1(205)和滤波电容C3(206)组成的BUCK电路进行调压，变成0-48V连续可调的直流电压输出；

所述的基值逆变电路(102)和脉冲逆变电路(106)均采用全桥逆变结构，包括滤波电容C3(301)、功率开关管T2(302)、T3(303)、T4(304)、T5(305)、隔直电容C4(306)；调压电路输出的0-48V直流电压连接至逆变电路，经功率开关管T2(302)、T3(303)、T4(304)、T5(305)组成的全桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波，隔直电容C4(306)串联在输出电路上起隔离直流分量防止变压器偏磁；

所述的通讯逆变电路(110)和供电逆变电路(116)均采用半桥逆变结构，包括滤波电容C5(401)、半桥电容C6(402)和C7(403)、功率开关管T6(404)、T7(405)；直流电源1或直流电源2输出的+24V直流电压连接至逆变电路，经半桥电容C6(402)和C7(403)、功率开关管T6(404)、T7(405)组成的半桥逆变电路后变换成40kHz的交流方波；

所述的高频脉冲参数设置(113)由触摸屏和单片机电路组成，触摸屏采用威纶通公司生产的MT6071iE触摸屏，单片机采用美国PIC18F25K22型号的单片机；通过触摸屏能设置高频脉冲偏压的脉冲频率和占空比，设置好的参数传输给单片机，该单片机再通过串口将脉冲参数变换成串行信号输出至信号调制电路；

所述的信号调制电路(114)由PWM发生专用集成电路SG3525A(501)及其外围电路组成，改变电阻R3(502)、R4(503)和电容C8(504)能调节SG3525A的输出PWM频率；高频脉冲参数设置(113)输出串行通讯信号连接至SG3525A的引脚10，当串行信号为高电平时，停止PWM输出，当串行信号为低电平时，使能PWM输出，从而实现了高频脉冲参数对PWM控制波形的调制；

所述的高压隔离变压器1(103)、高压隔离变压器2(107)、高压隔离变压器3(111)、高压隔离变压器4(117)用于实现原边电压和副边电压的电压变换和隔离，骨架采用铁氟龙材料，采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成；

所述的高压整流滤波电路1(104)、高压整流滤波电路2(108)均采用高压快恢复二极管、高压薄膜电容组成的全桥滤波电路，将高压隔离变压传输的高频交流方波整流滤波成稳定的直流输出；

所述的通讯解调电路(112)包括由D2(601)、D3(602)、D4(603)、D5(604)组成的整流桥，R5、R6和C9组成的滤波电路，比较器U2(611)、R7(608)、R8(609)、R9(613)、C10(610)和C11(612)组成的电压整形电路，将隔离通讯高压隔离变压器3(111)输出的含有脉冲参数的高频交流方波进行整流滤波，并将串行通讯信号检测出来，解调后的串行通讯信号RX连接至高压端PWM产生电路(119)进行串行数据接收和解析；

所述的高压斩波主电路(120)包括限流电阻R10(701)、放电电阻R11(702)、尖峰吸收电容C12(703)、二极管D10(704)、IGBT功率开关管T8(705)、续流二极管D11(706)；高压斩波电路(120)接收脉冲偏压电源输出的直流电压Up0，经限流电阻R10(701)限流后连接至IGBT功率开关管(705)进行斩波，将0-500V的直流电压Up0变换成高频脉冲偏压；

所述的高压端PWM产生电路(119)由PIC18F25K22单片机及其外围电路组成，接收来自通讯解调电路(112)输出的串行通讯信号，然后进行解析获取高频脉冲参数，并生成高频脉冲PWM控制信号，再通过驱动电路连接至高压斩波主电路(120)，实现IGBT功率开关管的导通和关断控制；

所述的电源变换电路(118)由美国Ti公司的电源变换集成电路LM2576及其外围电路组成，将高压隔离变压器4(117)输出的高频方波信号进行整流滤波、降压变换成+12V电源，为高压端PWM产生电路(119)和驱动电路供电。

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