[發(fā)明專利]一種基于同型MOSFET的控制電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310291247.9
• 申請日: 2013-07-11
• 公開（公告）號: CN103458153A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許海鷹;代建輝;左從進;韓瑞清;付鵬飛;王西昌;王永鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所
• 主分類號: H04N3/18
• 分類號: H04N3/18;H01L27/146
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 任默聞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子束偏轉(zhuǎn)掃描控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于同型MOSFET的控制電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描裝置，具體的說，是一種適用于控制電子束高頻偏轉(zhuǎn)掃描的電源拓撲電路。

背景技術(shù)

目前，電子束焊接、電子束物理氣相沉積、電子束表面硬化等技術(shù)為了提高加工質(zhì)量，引入了電子束偏轉(zhuǎn)掃描控制技術(shù)。

電子束偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)是根據(jù)電子束通過均勻磁場受到洛侖茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)這一基本原理發(fā)展起來的，調(diào)節(jié)磁場強度、頻率、方向就可以改變電子束的偏轉(zhuǎn)角度、頻率、方向，而磁場強度的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)掃描線圈中電流幅值、頻率、方向來實現(xiàn)的，掃描線圈中電流幅值、頻率、方向是由偏轉(zhuǎn)掃描電源來控制調(diào)節(jié)的。

對于輸出電壓為U的偏轉(zhuǎn)掃描電源而言，掃描線圈是一個感性負載。掃描線圈制作完成后，其電感量L及其內(nèi)阻r便確定下來，掃描頻率為f時，則掃描線圈中可以流過的最大電流Imax，可由公式U/(r+2πfL)確定。掃描頻率f提高，在偏轉(zhuǎn)掃描電源輸出電壓U一定時，將會使得Imax減小，從而導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)角度降低。電子束偏轉(zhuǎn)角度太小，即使掃描頻率提高，一次加工的區(qū)域有限，不利于生產(chǎn)效率的提高。

多束流加工技術(shù)需要線圈中流過的電流為階梯波，當電流在不同幅值之間躍變時，電流變化率di/dt將成為影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。在掃描方向與焊接方向垂直的多束流焊接過程中，掃描線圈中的電流變化率di/dt過低，容易導(dǎo)致電子束在工件上拖尾，損壞工件。在掃描方向與焊接方向吻合的多束流焊接過程中，由于電流變化率di/dt過低導(dǎo)致電子束在焊縫上的拖尾現(xiàn)象，將不利于電子束能量輸入的精確控制。

在掃描線圈材質(zhì)為鐵氧體時，掃描頻率f、電流變化率、電流幅值能否提高，則與偏轉(zhuǎn)掃描電源拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略密切相關(guān)。

目前，電子束偏轉(zhuǎn)掃描控制系統(tǒng)一般采用大功率運算放大器驅(qū)動偏轉(zhuǎn)掃描線圈，受到運算放大器工作電壓和輸出電流的限制，電子束的偏轉(zhuǎn)角度幾乎難以大幅提高；電流變化率di/dt太低，即使達到高頻，由于拖尾現(xiàn)象嚴重，也不能實現(xiàn)電子束多束流加工效果。目前，所述偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)的掃描頻率徘徊在1kHz，偏轉(zhuǎn)角±3°左右。

圖1為常用的基于MOSFET的電子束偏轉(zhuǎn)掃描電路的電路框圖。圖1中N-溝道MOSFET?Q1與P-溝道MOSFET?Q2分別可以用NPN晶體管和PNP晶體管替代。各端子之間的連接為：恒壓源I的負端“-”接地，恒壓源I的正端“+”連接N-溝道MOSFET?Q1的漏極D，N-溝道MOSFET?Q1的柵極G與第1驅(qū)動電路連接，N-溝道MOSFET?Q1的源極S連接P-溝道MOSFET?Q2的漏極D、掃描線圈coil的1端；恒壓源Ⅱ的正端“+”接地，恒壓源Ⅱ的負端“-”連接P-溝道MOSFET?Q2的源極S，P-溝道MOSFET?Q2的柵極G與第2驅(qū)動電路連接，P-溝道MOSFET?Q2的漏極D連接掃描線圈coil的1端，掃描線圈coil的2端接地。

在圖1中，在第1驅(qū)動電路電壓大于N-溝道MOSFET?Q1的正偏置電壓，第2驅(qū)動電路電壓為正或為負且幅值小于P-溝道MOSFET?Q2的負偏置電壓的幅值時，N-溝道MOSFET?Q1開通，工作在線性放大區(qū)，同時P-溝道MOSFET?Q2關(guān)閉，恒壓源I輸出的正電壓通過N-溝道MOSFET?Q1，施加到掃描線圈的1端，則掃描線圈上產(chǎn)生正向電流+I_a；在第2驅(qū)動電路電壓為負且幅值大于P-溝道MOSFET?Q2的負偏置電壓的幅值，第1驅(qū)動電路電壓小于N-溝道MOSFET?Q1的正偏置電壓時，P-溝道MOSFET?Q2開通，工作在線性放大區(qū)，同時N-溝道MOSFET?Q1關(guān)閉，恒壓源Ⅱ輸出的負電壓通過P-溝道MOSFET?Q2，施加到掃描線圈的1端，則掃描線圈上產(chǎn)生反向電流-I_a。當?shù)?驅(qū)動電路、第2驅(qū)動電路連續(xù)通過頻率為f的交流掃描信號時，N-溝道MOSFET?Q1與P-溝道MOSFET?Q2以相應(yīng)的頻率f交替開通、關(guān)斷，則線圈中流過相應(yīng)頻率為f、波形與掃描信號對應(yīng)的交流電波形。

圖1的基于MOSFET的電子束偏轉(zhuǎn)掃描電路與采用晶體管做功率器件的電子束偏轉(zhuǎn)掃描電路相比，具有顯著優(yōu)越性。由于通常采用的掃描波形是電壓波形，而晶體管是電流型驅(qū)動器件，需要復(fù)雜的電路轉(zhuǎn)換，才能使輸出電流波形與掃描波形一致；并且工作溫度對晶體管性能影響較大，需要有嚴格的溫度補償電路。相對于晶體管而言，MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，使用MOSFET可簡化電路；MOSFET不會發(fā)生熱擊穿，不需要對偏置電路進行嚴格的溫度補償。