新型電子束3D打印電源系統(tǒng)開發(fā)

摘 要：電子束高壓電源系統(tǒng)是電子束3D打印設(shè)備的重要組成部分，這套電子束高壓電源系統(tǒng)主要應(yīng)用在電子束熔融技術(shù)的系統(tǒng)中，它包括三部分，高壓直流電源，柵偏電源，燈絲電源。其高壓直流電源電壓的調(diào)整率、紋波大小以及束流的穩(wěn)定度直接決定著電子束焊接的質(zhì)量?，F(xiàn)有的一般的高壓大功率直流電源系統(tǒng)，由于功率比較大，關(guān)斷速度慢。而一般的柵偏電源由于懸浮在高壓負(fù)60kv上控制起來(lái)有一些技述難度。本套高壓直流電源使用軟開關(guān)技術(shù)，效率高，高壓輸出使用橋式整流電路，關(guān)斷速度快。懸浮柵偏電源使用光纖隔離控制。最終產(chǎn)品成功開發(fā)，滿足25μs以內(nèi)高速關(guān)斷高壓電源的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：電子束熔融；高壓電源；軟開關(guān)技術(shù)；橋式整流；光纖控制；高速關(guān)斷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.127

電子束選區(qū)熔化（EBM）電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)（EBM）是在真空環(huán)境下以電子束為熱源，以金屬粉末為成形材料，通過(guò)不斷在粉末床上鋪展金屬粉末然后用電子束掃描熔化，使一個(gè)個(gè)小的熔池相互熔合并凝固這樣不斷進(jìn)行形成一個(gè)完整的金屬零件實(shí)體。這種技術(shù)可以成形出結(jié)構(gòu)復(fù)雜性能優(yōu)良的金屬零件，但是整套系統(tǒng)對(duì)高壓電源系統(tǒng)有較高的要求。[1]要求高壓電源系統(tǒng)響應(yīng)迅速，懸浮燈絲，并且懸浮柵偏電源。目前國(guó)際上的EBM生產(chǎn)廠商主要有瑞士ARCAM公司，國(guó)內(nèi)的西北有色金屬研究院，也在進(jìn)行研制開發(fā)，但主要高壓電源的技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有完全解決。主要問(wèn)題是快速關(guān)斷技術(shù)以及電源的放電快速保護(hù)和快速恢復(fù)功能。本文設(shè)計(jì)的高壓電源系統(tǒng)在快速關(guān)斷采用全固態(tài)斬波控制脈沖關(guān)斷。高壓側(cè)電流取樣直接送到cpld控制核心進(jìn)行快速放電快速保護(hù)。

1 系統(tǒng)總圖

高壓直流電源產(chǎn)生負(fù)60kv高壓用來(lái)提供電子加速電場(chǎng)。最大功率3kW，在懸浮燈絲電流系統(tǒng)中功率等級(jí)相對(duì)較高。主要是對(duì)燈絲就有一個(gè)較高的要求。燈絲懸浮在負(fù)高壓上，燈絲電流0-20A連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度2mA，穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%；電源0-10V；燈絲電源的難點(diǎn)是懸浮輸出是直流需要精確控制。通過(guò)調(diào)節(jié)燈絲來(lái)控制束流。柵偏電源用來(lái)快速關(guān)斷，要求能快速啟動(dòng)與快速關(guān)斷。輸出電壓0-2000V.柵偏電源是整套系統(tǒng)的難點(diǎn)。本套系統(tǒng)針對(duì)其相應(yīng)速度設(shè)計(jì)采用固態(tài)開關(guān)。

2 高壓直流電源

交流220V輸入，經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲濾波器，再經(jīng)過(guò)整流濾波電路產(chǎn)生300V直流電壓，然后經(jīng)過(guò)逆變電路變?yōu)楦哳l交流送給變壓器初級(jí)進(jìn)行升壓變換，再通過(guò)橋式整流濾波電路進(jìn)行整流濾波。

（1）全橋逆變。主回路由4只GIBT（Q1-Q4）、主變壓器、串聯(lián)諧振電感L1、隔直電容C1、電流互感器CT1組成。對(duì)于開關(guān)電源移相全橋與普通的全橋相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如可以通過(guò)參數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振、實(shí)現(xiàn)零電壓開通（ZVS）、零電流關(guān)斷（ZCS），從而達(dá)到減小功率器件發(fā)熱，提高電源效率的目的。

（2）高壓變壓器以及全橋整流濾波。為了實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，高壓電源的輸出整流濾波沒(méi)有采用傳統(tǒng)的倍壓升壓整流濾波電路，而是采用橋式整流，這就要求高壓變壓器要能承受60kv以上的高壓。而本套系統(tǒng)要求盡肯能的小體積。為了解決上述問(wèn)題，本套系統(tǒng)高壓變壓器采用蜂房繞法，油式絕緣。但是油式絕緣內(nèi)部散熱效率低，考慮到這一問(wèn)題我采取對(duì)整個(gè)高壓部分密封到一個(gè)高壓殼里的措施。并進(jìn)行循環(huán)油風(fēng)冷散熱。

4 結(jié)論

通過(guò)開發(fā)設(shè)計(jì)高速保護(hù)電路設(shè)計(jì)效果非常突出，可以達(dá)到ns級(jí)別的保護(hù)。系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)。

而柵偏電源的響應(yīng)速度也可以達(dá)到ns級(jí)別。完全滿足設(shè)計(jì)要求的25us以內(nèi)。高壓直流電源由于采用軟開關(guān)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)熱特別小。

參考文獻(xiàn)：

[1]張學(xué)軍.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程，2016（44） ：122-128.

作者簡(jiǎn)介：趙志國(guó)（1987-），男，遼寧大連人，研究生在讀，研究方向：電力電子高電壓技術(shù)環(huán)保。