樊生文，戴偉，王澤庭

（北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京市電力節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京，100144）

電子顯微鏡高壓直流電源技術(shù)參數(shù)

樊生文，戴偉，王澤庭

（北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京市電力節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京，100144）

隨著高壓直流電源技術(shù)的逐漸成熟，應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、醫(yī)療等的領(lǐng)域越來(lái)越普及，對(duì)高壓直流電源的技術(shù)參數(shù)的要求就越來(lái)越高，紋波大小和穩(wěn)定度是影響高壓直流電源質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵因素。本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)90KV/1mA的高壓直流電源應(yīng)用于電子顯微鏡以及曝光機(jī)等，現(xiàn)對(duì)其技術(shù)參數(shù)紋波大小和穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)量，介紹了紋波的測(cè)量方法以及影響穩(wěn)定度的因素。

高壓直流電源；紋波；穩(wěn)定度

0 引言

隨著科技的不斷向前發(fā)展，高壓直流電源被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，在工業(yè)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、國(guó)防科技方面以及通訊電力、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域，都需要高壓直流電源的支撐[1-4]。被譽(yù)為“科學(xué)之眼”的電子顯微鏡就是在高壓電源的發(fā)展基礎(chǔ)上應(yīng)用而生[5]電子顯微鏡是利用電子束和電子透鏡，在非常高的放大倍數(shù)下成像觀察細(xì)微結(jié)構(gòu)體的儀器。目前我國(guó)的電子顯微鏡主要依靠進(jìn)口，一方面是因?yàn)殡娮油哥R的方面的技術(shù)因素，另一個(gè)重要的方面就高壓直流電源的研制受到限制。對(duì)于一個(gè)功能強(qiáng)大的電子顯微鏡來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的高壓直流電源是至關(guān)重要的，而影響高壓直流電源質(zhì)量的關(guān)鍵因素在于紋波大小和電源穩(wěn)定度，電源的穩(wěn)定度是電鏡性能好壞的一個(gè)極為重要的標(biāo)志。在與中國(guó)科學(xué)院電工研究所合作下，本文設(shè)計(jì)并研制出一臺(tái)90KV/1mA高壓直流電源樣機(jī)，用于電子顯微鏡技術(shù)的研究。本文主要對(duì)樣機(jī)的紋波大小和電源穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。電源的技術(shù)參數(shù)：

（1）紋波電壓系數(shù)不大于0.05%

（2）電壓穩(wěn)定度不大于0.05%

（3）額定輸出電流1mA

（4）額定輸出電壓90KV

1 紋波

紋波的定義是指：疊加在直流電壓或電流穩(wěn)定量上的交流分量。對(duì)于開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，紋波的產(chǎn)生主要來(lái)源于：輸入低頻紋波，開關(guān)高頻紋波，有由寄生參數(shù)所引起的共模紋波，器件開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲，閉環(huán)控制引起的紋波噪聲[6]。

紋波會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生危害，降低電源效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電源無(wú)法正常工作，因此高精度的設(shè)備對(duì)電源紋波有嚴(yán)格的要求。

1.1 紋波測(cè)量分析

圖1所示為高壓輸出電壓紋波測(cè)量電路。串聯(lián)電容由10個(gè)相同的電容構(gòu)成電容C。

圖1 高壓紋波測(cè)量電路

由圖1，可以得出紋波電壓的計(jì)算公式：

其中C0為電阻電壓測(cè)試裝置的內(nèi)部電容，U0為電阻兩端的電壓。

為了驗(yàn)證這種測(cè)量方式的正確性以及準(zhǔn)確性，對(duì)一個(gè)已知紋波電壓大小的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試電路如圖2和圖3所示。

驗(yàn)證電路的總阻抗：

圖2 紋波驗(yàn)證電路 圖3 阻抗電路

前兩項(xiàng)為虛部，后一項(xiàng)為實(shí)部，計(jì)算得阻抗角為：

由（4）可知，阻抗角與電阻值密切相關(guān)。

1.2 測(cè)量結(jié)果分析

試驗(yàn)條件如下所示：紋波電壓622V，頻率5OHz，電容C為4.7nF,電阻R為1K～300K。

分別測(cè)出在不同阻值下的紋波電壓，如圖4-圖8所示。

圖4 阻值1K波形

圖5 阻值10K波形

圖6 阻值20K波形

圖7 阻值100K波形

圖8 阻值300K波形

將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下表1所示。

表1 紋波驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果

根據(jù)表1中的實(shí)際計(jì)算值是根據(jù)阻抗角和實(shí)際紋波電壓值計(jì)算得出。從表1可觀察出實(shí)際計(jì)算值比測(cè)量值小，分析原因是由于測(cè)量誤差以及讀數(shù)誤差造成的。當(dāng)電阻值較小的時(shí)候，電阻上的分壓小，測(cè)量工具的精度影響測(cè)量結(jié)果。另外一方面，電阻值太大會(huì)使測(cè)量工具的內(nèi)部電容對(duì)測(cè)量電路的影響較大，即阻抗角不能太小。通過(guò)測(cè)量值和阻抗角得到的計(jì)算值要比測(cè)量值和倍數(shù)得到的計(jì)算值要準(zhǔn)確。綜合分析取阻抗角為81.601時(shí)為最佳測(cè)量方式。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)也能夠證明這種測(cè)量紋波方式的可行性。當(dāng)取阻抗角為81.601時(shí)，考慮測(cè)量誤差為：

對(duì)高壓直流電源紋波進(jìn)行測(cè)量，取阻抗角為81.601時(shí)，在額定輸出下，通過(guò)電容隔直，測(cè)得電阻兩端實(shí)際紋波電壓波形如下圖8所示。

本高壓電源采用調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓源Vref控制高壓輸出U0大小的方式，在系統(tǒng)的放大倍數(shù)足夠大且誤差放大器輸入阻抗足夠高的條件下，基準(zhǔn)電壓與輸出電壓的關(guān)系有[9]：

其中Rf為采樣電阻，R為采樣電阻塔，RS、R0為基準(zhǔn)電阻。對(duì)（6）進(jìn)行變換，得 ：

將（7）對(duì)U0取全微分得：

將（6）式代入（8）式歸一化得 ：

式（9）表明，高壓直流電源的輸出電壓的穩(wěn)定度與參考電壓源，采樣電阻，采樣電阻塔，基準(zhǔn)電阻的穩(wěn)定度有著直接的聯(lián)系，因此，在選擇參考電壓源時(shí)，其穩(wěn)定度至少要比高壓電源穩(wěn)定度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，電阻采用高精度，低溫漂系數(shù)的精密電阻。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析

在額定90KV/1mA輸出條件下，采樣電阻塔為10個(gè)300M電阻組成，采樣電阻為3個(gè)100K電阻串聯(lián)（為了使測(cè)量位數(shù)更高更準(zhǔn)確），構(gòu)成分壓比為1:10000，即采樣電阻上1V電壓，對(duì)應(yīng)負(fù)高壓輸出10KV。測(cè)一個(gè)電阻上的電壓，經(jīng)過(guò)兩天加載實(shí)驗(yàn)測(cè)得如下數(shù)據(jù)（每次加載時(shí)間以四個(gè)小時(shí)為準(zhǔn)），如表2所示。

表2 穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果

從表中可以看出輸出電壓穩(wěn)定度在0.015%～0.021%之間變化，其電壓穩(wěn)定度低于0.05%，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)論

本文分析了紋波產(chǎn)生來(lái)源，詳細(xì)介紹了一種測(cè)量紋波大小的方法，并驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電源紋波電壓滿足設(shè)計(jì)要求。而后，分析了影響輸出電壓穩(wěn)定性的因素，合理選擇基準(zhǔn)源，基準(zhǔn)電阻，采樣電阻，能夠有效改善輸出電壓穩(wěn)定度，并通過(guò)樣機(jī)長(zhǎng)時(shí)間加載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的高壓電源具有較高的穩(wěn)定性，對(duì)高精度高壓直流電源的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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Electron Microscope Technology Parameters Of High Voltage DC Power Supply

Fan Shengwen，Dai Wei，Wang Zeting
（Inverter Technologies Engineering Research Center of Beijing ,Collaborative Innovation Center of Key Power Energy-Saving Technologies in Beijing ,Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing ,Beijing,100144）

With the gradually mature of High-Voltage Direct Current Power Supply technology, it is popular to apply in industry, agriculture, aerospace, medical and other fields Technical parameter requirements for High Voltage DC Power Supply is more and more high, however, ripple size and stability are two key factors affecting its quality. This paper designed a 90KV/1mA High Voltage DC Power Supply used in electron microscopy and exposure machine, etc. This paper have a measurement for ripple size and stability, and introduce the ripple measurement method and the factors that affect stability

High power high voltage power supply；ripple；stability

樊生文(1969-），男，北京人，教授，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，高壓電源。