CN204906206U - 一种电子束微细加工设备加速电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电子束微细加工设备加速电源装置，其装置包括进线滤波器、低压整流桥、逆变单元、高压单元和调节器，所述进线滤波器的输入端与外部电网连接，所述进线滤波器的输出端、低压整流桥、逆变单元和高压单元的输入端依次串联，所述高压单元的高压输出端输出高压电，所述高压单元的信号端输出的高压反馈信号U送至所述调节器的第二输入端，所述调节器的第一输入端输入高压给定信号U^*，所述调节器的输出端与所述逆变单元的信号端连接。相对现有技术，本实用新型解决由于PWM变流器工作于电流断续状态导致加速电源输出端出现尖峰电压问题。

Description

一种电子束微细加工设备加速电源装置

技术领域

本实用新型涉及及电子束加工设备领域，具体涉及一种电子束微细加工设备加速电源装置。

背景技术

在电子束打孔、刻蚀、曝光等电子束微细加工设备中，对电子束流、束斑直径及扫描尺寸的稳定度要求颇为严格，而设备电子加速电源波动对电子束流大小、束斑直径及扫描尺寸都有直接影响，因而提高加速电源的稳定性和可靠性，降低其输出的纹波，是保证电子束高精度的必要措施。目前，电子束加速电源多采用电力电子脉宽调制(PWM)变流技术实现功率调节，在PWM变流器中，电感滤波元件有电流连续与电流断续两种工作状态。在电子束微细加工设备中加速高压电源的负载较轻，其PWM变流器一般工作于电流断续状态。变流器负载较轻时，负载电流小于临界负载电流时，电感电流就处于断续状态，当功率管开启瞬间电感呈阻性，输出端就会出现尖峰电压(约等于输入电压)，此尖峰电压经变压器放大直接反映到加速电源输出端，对加速电源及电子枪的运行构成极为不利的影响，且这种现象不能通过闭环控制进行抑制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种解决由于PWM变流器工作于电流断续状态导致加速电源输出端出现尖峰电压问题的电子束微细加工设备加速电源装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种电子束微细加工设备加速电源装置，包括进线滤波器、低压整流桥、逆变单元、高压单元和调节器，所述进线滤波器的输入端与外部电网连接，所述进线滤波器的输出端、低压整流桥、逆变单元和高压单元的输入端依次串联，所述高压单元的高压输出端输出高压电接至电子枪阴极，所述高压单元的信号端输出的高压反馈信号U送至所述调节器的第二输入端，所述调节器的第一输入端输入高压给定信号U^*，所述调节器的输出端与所述逆变单元的信号端连接；

所述进线滤波器，其用于接入交流电，消除高频电磁干扰信号在其输入端与输出端间的传递；

所述低压整流桥，其用于将交流电变换成不可控脉动直流电；

所述逆变单元，其用于将不可控直流电逆变成可控中频矩形波交流电；还用于将调节信号Uc转换成PWM信号的占空比，调整中频矩形波交流电的幅值，稳定高压输出；

所述高压单元，其用于将可控中频矩形波交流电进行升压和整流滤波，并输出平直的直流高压电，同时对输出高压值进行线性采样，输出高压反馈信号U；

所述调节器，其用于将高压给定信号U^*与高压反馈信号U的差值进行比例－积分(PI)运算，生成调节信号Uc。

本实用新型的有益效果是：采用电压闭环控制结构，电源由三相市电供电，采用AC→DC→AC→AC→DC电流变换方式，中间DC→AC逆变环节为中频逆变，在逆变过程同时实现高频脉宽调制调压功能；由中频高压变压器中频高压变压器实现电能的传递、升压和高压绝缘；调节器根据高压给定信号U*和电压反馈信号U的偏差信号△U(ΔU＝U^*-U)进行比例－积分(PI)运算输出信号Uc去调节逆变单元的脉宽调制波的占空比，改变逆变单元输出电压幅值，最终实现输出高压的稳定调节。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述逆变单元包括A相逆变器、B相逆变器和驱动脉冲发生器，所述A相逆变器和所述B相逆变器均与所述驱动脉冲发生器连接。

所述A相逆变器包括开关功率管V1～V2、电感L1、电容C1～C2和电容C5，所述开关功率管V1的集电极接至所述低压整流桥的正输出端，所述开关功率管V1的发射极与所述开关功率管V2的集电极相接，并连至所述电感L1的第一端，所述开关功率管V2的发射极接至所述低压整流桥的负输出端，所述开关功率管V1和开关功率管V2的基极与所述驱动脉冲发生器连接，所述电容C1和电容C2串联连接，电容C1和电容C2串联支路的C1端与所述开关功率管V1的集电极相接，电容C1和电容C2串联支路的C2端与所述开关功率管V2的发射极相接，电容C1和电容C2串联支路的中间端与所述电容C5的第一端相接，所述电容C5的第二端与电感L1的第二端相接，电感L1与电容C5组成输出低通滤波器，所述电容C5的两端作为最终输出端,接至第一升压变压器一次绕组的两端。

所述B相逆变器包括开关功率管V3～V4、电感L2、电容C3～C4和电容C6，所述开关功率管V3的集电极接至所述低压整流桥的正输出端，所述开关功率管V3的发射极与所述开关功率管V4的集电极相接，并连至所述电感L2的第一端，所述开关功率管V4的发射极接至所述低压整流桥的负输出端，所述开关功率管V3和开关功率管V4的基极与所述驱动脉冲发生器连接，所述电容C3和电容C4串联连接，电容C3和电容C4串联支路的C3端与所述开关功率管V3的集电极相接，电容C3和电容C4串联支路的C4端与所述开关功率管V4的发射极相接，电容C3和电容C4串联支路的中间端与所述电容C6的第一端相接，所述电容C6的第二端与电感L2的第二端相接，电感L2与电容C6组成输出低通滤波器，所述电容C6的两端作为最终输出端,接至第二升压变压器一次绕组的两端。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述A相逆变器与B相逆变器采用单相半桥逆变电路，且两相逆变器的电路结构与参数相同，电容C1～C4的电容值相同，电容C1和电容C2串联支路和电容C3和电容C4串联支路作为所述低压整流桥的输出滤波电容以及分别作为开关功率管V1、V2桥臂和开关功率管V3、V4桥臂的缓冲电容，同时分别作为所述A相逆变器与B相逆变器的直流输入均压电容及交流输出隔直电容。所述A相逆变器与B相逆变器的输出为两相对称矩形电压波形，对应的两相高压并联整流波形脉动频率为4(2n+1)倍于中频频率，且消除了凹陷及尖峰电压；由于高压总整流波的脉动频率高，而脉动幅值低，选用较小的高压滤波电容值就能滤掉交流成分，满足纹波系数指标要求；高压滤波电容值小一方面系统惯性时间常数小，有利于提高控制系统调节速度，另一方面贮能小，高压放电产生的冲击自然小，有利于提高电源系统运行可靠性。

进一步，所述高压单元包括第一升压变压器、第二升压变压器、第一高压整流桥、第二高压整流桥、高压滤波器、高压放电扼流器、高压分压器和束流取样电阻，所述第一升压变压器的输出端与所述第一高压整流桥的输入端连接，所述第二升压变压器的输出端所述第二高压整流桥的输入端连接，所述第一高压整流桥和第二高压整流桥的输出端并联且与所述高压滤波器的输入端连接，所述高压滤波器的输出高压端和低压端分别与所述高压放电扼流器和束流取样电阻的第一端连接，所述高压放电扼流器的输出端接至电子枪的阴极，所述束流取样电阻的第二端接地，所述高压分压器并接在所述高压放电扼流器输出端与大地之间；

所述第一升压变压器和第二升压变压器，均用于将中频矩形波交流电进行电能传递、升压和高压绝缘，输出中频高压交流电；

所述第一高压整流桥和第二高压整流桥，均用于将中频高压交流电变换成脉动高压直流电；

所述高压滤波器，用于将脉动高压直流电变换为平滑的高压直流电；

所述高压放电扼流器，用于当发生高压放电时，将抑制高压直流电放电电流的上升速率，减缓高压放电所产生的电磁冲击强度；

所述高压分压器，用于测量输出高压的电压值，输出正比于加速高压的电压信号U，作为高压反馈信号；

所述束流取样电阻，用于测量电子束流值，束流取样电阻两端输出正比于电子束流大小的电压取样信号，作为电子束流反馈信号供给设备其它控制系统用。

附图说明

图1为本实用新型一种电子束微细加工设备加速电源装置的结构图；

图2为逆变单元的电路原理图；

图3为驱动脉冲发生器产生的驱动波形和逆变单元输出电压波形的示意图；

图4为高压单元的电路原理图；

图5为高压整流波形示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、进线滤波器；

2、低压整流桥；

3、逆变单元，3-1、驱动脉冲发生器；

4、高压单元，4-1、第一升压变压器，4-2、第二升压变压器，4-3、第一高压整流桥，4-4、第二高压整流桥，4-5、高压滤波器，4-6、高压放电扼流器，4-7、高压分压器，4-8、束流取样电阻；

5、调节器；

Ua1、第一高压整流桥输出波形，Ua2、第二高压整流桥输出波形；Ua、第一高压整流桥和第二高压整流桥并联输出波形。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

一种电子束微细加工设备加速电源装置，包括进线滤波器1、低压整流桥2、逆变单元3、高压单元4和调节器5，所述进线滤波器1的输入端与外部电网连接，所述进线滤波器1的输出端、低压整流桥2、逆变单元3和高压单元4的输入端依次串联，所述高压单元4的高压输出端输出高压电，所述高压单元4的信号端输出的高压反馈信号U送至所述调节器5的第二输入端，所述调节器5的第一输入端输入高压给定信号U^*，所述调节器5的输出端与所述逆变单元3的信号端连接；

所述进线滤波器1，其用于接入交流电，消除电磁干扰信号在其输入端与输出端间的传递；

所述低压整流桥2，其用于将交流电变换成不可控脉动直流电；

所述逆变单元3，其用于将不可控直流电逆变成可控中频矩形波交流电；还用于将调节信号Uc转换成PWM信号的占空比，调整中频矩形波交流电的幅值，稳定高压输出；

所述高压单元4，其用于将可控中频矩形波交流电进行升压和整流滤波，并输出平直的直流高压电，同时对输出高压值进行线性采样，输出作为高压反馈信号U；

所述调节器5，其用于将高压给定信号U^*与高压反馈信号U的差值进行比例－积分(PI)运算，生成调节信号Uc；

采用电压闭环控制结构，电源由三相市电供电，采用AC→DC→AC→AC→DC电流变换方式，中间DC→AC逆变环节为中频逆变，在逆变过程同时实现高频脉宽调制调压功能；由中频高压变压器中频高压变压器实现电能的传递、升压和高压绝缘；调节器5根据高压给定信号U*和电压反馈信号U的偏差信号△U(ΔU＝U^*-U)进行比例－积分(PI)运算输出信号Uc去调节逆变单元的脉宽调制波的占空比，改变逆变单元输出电压幅值，最终实现输出高压的稳定调节。

如图2所示，所述逆变单元3包括A相逆变器、B相逆变器和驱动脉冲发生器3-1，所述A相逆变器和所述B相逆变器均与所述驱动脉冲发生器3-1连接。

所述A相逆变器包括开关功率管V1～V2、电感L1、电容C1～C2和电容C5，所述开关功率管V1的集电极接至所述低压整流桥2的正输出端，所述开关功率管V1的发射极与所述开关功率管V2的集电极相接，并连至所述电感L1的第一端，所述开关功率管V2的发射极接至所述低压整流桥2的负输出端，所述开关功率管V1和开关功率管V2的基极与所述驱动脉冲发生器3-1连接，所述电容C1和电容C2串联连接，电容C1和电容C2串联支路的C1端与所述开关功率管V1的集电极相接，电容C1和电容C2串联支路的C2端与所述开关功率管V2的发射极相接，电容C1和电容C2串联支路的中间端与所述电容C5的第一端相接，所述电容C5的第二端与电感L1的第二端相接，电感L1与电容C5组成输出低通滤波器，所述电容C5的两端作为最终输出端,接至第一升压变压器4-1一次绕组的两端。

所述B相逆变器包括开关功率管V3～V4、电感L2、电容C3～C4和电容C6，所述开关功率管V3的集电极接至所述低压整流桥2的正输出端，所述开关功率管V3的发射极与所述开关功率管V4的集电极相接，并连至所述电感L2的第一端，所述开关功率管V4的发射极接至所述低压整流桥2的负输出端，所述开关功率管V3和开关功率管V4的基极与所述驱动脉冲发生器3-1连接，所述电容C3和电容C4串联连接，电容C3和电容C4串联支路的C3端与所述开关功率管V3的集电极相接，电容C3和电容C4串联支路的C4端与所述开关功率管V4的发射极相接，电容C3和电容C4串联支路的中间端与所述电容C6的第一端相接，所述电容C6的第二端与电感L2的第二端相接，电感L2与电容C6组成输出低通滤波器，所述电容C6的两端作为最终输出端,接至第二升压变压器4-2一次绕组的两端；

如图3所示，所述驱动脉冲发生器3-1产生逆变单元3中开关功率管V1～V4驱动控制信号，包括A、B两逆变器的相序控制和输出电压幅值控制；所述驱动脉冲发生器3-1根据调节器5输出的控制信号Uc产生的脉宽调制(PWM)脉冲去控制A相逆变器和B相逆变器输出交流方波的幅值；A相逆变器和B相逆变器的中频逆变相序和高频脉宽调制波相序受同一时钟(cp)控制，A相逆变器和B相逆变器逆输出的中频逆变方波相位差为90°，相序呈对称分布；A相逆变器和B相逆变器的开关功率管V1～V4的驱动信号均为高频PWM信号，开关功率管V1和开关功率管V2的驱动信号g1、g2为推挽互补关系，但转换过程设置2-3微秒的死区时间，避免开关功率管V1和开关功率管V2两管短时直通，开关功率管V3和开关功率管V4的驱动信号g3、g4为推挽互补关系，但转换过程设置2-3微秒的死区时间，避免开关功率管V3和开关功率管V4两管短时直通；A、B两逆变器输出为双极性PWM电压波形，分别经电感L1、电容C5以及电感L2、电容C6低通滤波后变成中频矩形波电压输出，高频PWM信号的频率为中频逆变频率的2(2n+1)倍(n为大于1的整数)，A、B两组高频PWM驱动波形相位亦相差90°，两组逆变单元输出波形严格对称，高频脉宽调制波的占空比正比于调节器的输出信号Uc；

所述A相逆变器与B相逆变器采用单相半桥逆变电路，且两相逆变器的电路结构与参数相同，电容C1～C4的电容值相同，电容C1、C2串联支路和电容C3、C4串联支路作为所述低压整流桥的输出滤波电容以及分别作为开关功率管V1、开关功率管V2的桥臂和开关功率管V3、开关功率管V4的桥臂的缓冲电容，同时分别作为所述A相逆变器与B相逆变器的直流输入均压电容及交流输出隔直电容。所述A相逆变器与B相逆变器的输出为两相对称矩形电压波形，对应的两相高压并联整流波形脉动频率为4(2n+1)倍于中频频率，且消除了凹陷及尖峰电压；由于高压总整流波的脉动频率高，而脉动幅值低，选用较小的高压滤波电容值就能滤掉交流成分，满足纹波系数指标要求；高压滤波电容值小一方面系统惯性时间常数小，有利于提高控制系统调节速度，另一方面贮能小，高压放电产生的冲击自然小，有利于提高电源系统运行可靠性。

优选的，如图4所示，所述高压单元4包括第一升压变压器4-1、第二升压变压器4-2、第一高压整流桥4-3、第二高压整流桥4-4、高压滤波器4-5、高压放电扼流器4-6、高压分压器4-7和束流取样电阻4-8，所述第一升压变压器4-1的输出端与所述第一高压整流桥4-3的输入端连接，所述第二升压变压器4-2的输出端所述第二高压整流桥4-4的输入端连接，所述第一高压整流桥4-3和第二高压整流桥4-4的输出端均与所述高压滤波器4-5的输入端连接，所述高压滤波器4-5的输出高压端和低压端分别与所述高压放电扼流器4-6和束流取样电阻4-8的第一端连接，所述高压放电扼流器4-6的输出端接至电子枪的阴极，所述束流取样电阻4-8的第二端接地，所述高压分压器4-7并接在所述高压放电扼流器4-6输出端与大地之间；

所述第一升压变压器4-1和第二升压变压器4-2，均用于将中频矩形波交流电进行升压、传递和高压绝缘，输出中频高压交流电；

如图5所示，所述第一高压整流桥4-3和第二高压整流桥4-4，均用于将中频高压交流电变换成脉动高压直流电，第一高压整流桥4-3和第二高压整流桥4-4并联输出；

所述高压滤波器4-5，用于将脉动高压直流电变换为平滑的高压直流电；

所述高压放电扼流器4-6，用于当发生高压放电时，将抑制高压直流电放电电流的上升速率，减缓高压放电所产生的电磁冲击强度；

所述高压分压器4-7，用于测量输出高压的电压值，输出正比于加速高压的电压信号U，作为高压反馈信号；

所述束流取样电阻4-8，用于测量电子束流值，其两端输出正比于电子束流大小的电压取样信号，作为电子束流反馈信号供给设备其它控制系统用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电子束微细加工设备加速电源装置，包括进线滤波器(1)、低压整流桥(2)、逆变单元(3)、高压单元(4)和调节器(5)，所述进线滤波器(1)的输入端与外部电网连接，所述进线滤波器(1)的输出端、低压整流桥(2)、逆变单元(3)和高压单元(4)的输入端依次串联，所述高压单元(4)的高压输出端输出高压电，所述高压单元(4)的信号端输出的高压反馈信号U送至所述调节器(5)的第二输入端，所述调节器(5)的第一输入端输入高压给定信号U^*，所述调节器(5)的输出端与所述逆变单元(3)的信号端连接；

所述进线滤波器(1)，其用于接入交流电，消除电磁干扰信号在其输入端与输出端间的传递；

所述低压整流桥(2)，其用于将交流电变换成不可控脉动直流电；

所述逆变单元(3)，其用于将不可控直流电逆变成可控中频矩形波交流电；还用于将调节信号Uc转换成PWM信号的占空比，调整中频矩形波交流电的幅值，稳定高压输出；

所述高压单元(4)，其用于将可控中频矩形波交流电进行升压和整流滤波，并输出平直的直流高压电，同时对输出高压值进行线性采样，输出作为高压反馈信号U；

所述调节器(5)，其用于将高压给定信号U^*与高压反馈信号U的差值进行比例－积分(PI)运算，生成调节信号Uc。

2.根据权利要求1所述一种电子束微细加工设备加速电源装置，其特征在于：所述逆变单元(3)包括A相逆变器、B相逆变器和驱动脉冲发生器(3-1)，所述A相逆变器和所述B相逆变器均与所述驱动脉冲发生器(3-1)连接。

3.根据权利要求2所述一种电子束微细加工设备加速电源装置，其特征在于：所述A相逆变器包括开关功率管V1～V2、电感L1、电容C1～C2和电容C5，所述开关功率管V1的集电极接至所述低压整流桥(2)的正输出端，所述开关功率管V1的发射极与所述开关功率管V2的集电极相接，并连至所述电感L1的第一端，所述开关功率管V2的发射极接至所述低压整流桥(2)的负输出端，所述开关功率管V1和开关功率管V2的基极与所述驱动脉冲发生器(3-1)连接，所述电容C1和电容C2串联连接，电容C1和电容C2串联支路的C1端与所述开关功率管V1的集电极相接，电容C1和电容C2串联支路的C2端与所述开关功率管V2的发射极相接，电容C1和电容C2串联支路的中间端与所述电容C5的第一端相接，所述电容C5的第二端与电感L1的第二端相接，电感L1与电容C5组成输出低通滤波器，所述电容C5的两端作为最终输出端,接至第一升压变压器(4-1)一次绕组的两端。

4.根据权利要求2所述一种电子束微细加工设备加速电源装置，其特征在于：所述B相逆变器包括开关功率管V3～V4、电感L2、电容C3～C4和电容C6，所述开关功率管V3的集电极接至所述低压整流桥(2)的正输出端，所述开关功率管V3的发射极与所述开关功率管V4的集电极相接，并连至所述电感L2的第一端，所述开关功率管V4的发射极接至所述低压整流桥(2)的负输出端，所述开关功率管V3和开关功率管V4的基极与所述驱动脉冲发生器(3-1)连接，所述电容C3和电容C4串联连接，电容C3和电容C4串联支路的C3端与所述开关功率管V3的集电极相接，电容C3和电容C4串联支路的C4端与所述开关功率管V4的发射极相接，电容C3和电容C4串联支路的中间端与所述电容C6的第一端相接，所述电容C6的第二端与电感L2的第二端相接，电感L2与电容C6组成输出低通滤波器，所述电容C6的两端作为最终输出端,接至第二升压变压器(4-2)一次绕组的两端。

5.根据权利要求1至4任一项所述一种电子束微细加工设备加速电源装置，其特征在于：所述高压单元(4)包括第一升压变压器(4-1)、第二升压变压器(4-2)、第一高压整流桥(4-3)、第二高压整流桥(4-4)、高压滤波器(4-5)、高压放电扼流器(4-6)、高压分压器(4-7)和束流取样电阻(4-8)，所述第一升压变压器(4-1)的输出端与所述第一高压整流桥(4-3)的输入端连接，所述第二升压变压器(4-2)的输出端所述第二高压整流桥(4-4)的输入端连接，所述第一高压整流桥(4-3)和第二高压整流桥(4-4)的输出端均与所述高压滤波器(4-5)的输入端连接，所述高压滤波器(4-5)的输出高压端和低压端分别与所述高压放电扼流器(4-6)和束流取样电阻(4-8)的第一端连接，所述高压放电扼流器(4-6)的输出端接至电子枪的阴极，所述束流取样电阻(4-8)的第二端接地，所述高压分压器(4-7)并接在所述高压放电扼流器(4-6)输出端与大地之间；

所述第一升压变压器(4-1)和第二升压变压器(4-2)，均用于将中频矩形波交流电进行升压、传递和高压绝缘，输出中频高压交流电；

所述第一高压整流桥(4-3)和第二高压整流桥(4-4)，均用于将中频高压交流电变换成脉动高压直流电，第一高压整流桥(4-3)和第二高压整流桥(4-4)并联输出；

所述高压滤波器(4-5)，用于将脉动高压直流电变换为平滑的高压直流电；

所述高压放电扼流器(4-6)，用于当发生高压放电时，将抑制高压直流电放电电流的上升速率，减缓高压放电所产生的电磁冲击强度；

所述高压分压器(4-7)，用于测量输出高压的电压值，输出正比于加速高压的电压信号U，作为高压反馈信号；

所述束流取样电阻(4-8)，用于测量电子束流值，其两端输出正比于电子束流大小的电压取样信号，作为电子束流反馈信号供给设备其它控制系统用。