電子顯微鏡高壓直流電源技術參數

樊生文，戴偉，王澤庭

（北京市變頻技術工程技術研究中心，北京市電力節能關鍵技術協同創新中心，北京電動車輛協同創新中心，北京，100144）

電子顯微鏡高壓直流電源技術參數

樊生文，戴偉，王澤庭

（北京市變頻技術工程技術研究中心，北京市電力節能關鍵技術協同創新中心，北京電動車輛協同創新中心，北京，100144）

隨著高壓直流電源技術的逐漸成熟，應用于工業、農業、航天、醫療等的領域越來越普及，對高壓直流電源的技術參數的要求就越來越高，紋波大小和穩定度是影響高壓直流電源質量的兩個關鍵因素。本文設計了一臺90KV/1mA的高壓直流電源應用于電子顯微鏡以及曝光機等，現對其技術參數紋波大小和穩定度進行測量，介紹了紋波的測量方法以及影響穩定度的因素。

高壓直流電源；紋波；穩定度

0 引言

隨著科技的不斷向前發展，高壓直流電源被廣泛的應用于各行各業，在工業領域、農業領域、國防科技方面以及通訊電力、科研、醫療等領域，都需要高壓直流電源的支撐[1-4]。被譽為“科學之眼”的電子顯微鏡就是在高壓電源的發展基礎上應用而生[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下成像觀察細微結構體的儀器。目前我國的電子顯微鏡主要依靠進口，一方面是因為電子透鏡的方面的技術因素，另一個重要的方面就高壓直流電源的研制受到限制。對于一個功能強大的電子顯微鏡來說，高質量的高壓直流電源是至關重要的，而影響高壓直流電源質量的關鍵因素在于紋波大小和電源穩定度，電源的穩定度是電鏡性能好壞的一個極為重要的標志。在與中國科學院電工研究所合作下，本文設計并研制出一臺90KV/1mA高壓直流電源樣機，用于電子顯微鏡技術的研究。本文主要對樣機的紋波大小和電源穩定度進行測量驗證。電源的技術參數：

（1）紋波電壓系數不大于0.05%

（2）電壓穩定度不大于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定量上的交流分量。對于開關電源來說，紋波的產生主要來源于：輸入低頻紋波，開關高頻紋波，有由寄生參數所引起的共模紋波，器件開關過程中產生的超高頻諧振噪聲，閉環控制引起的紋波噪聲[6]。

紋波會對電氣設備產生危害，降低電源效率，嚴重時會使電源無法正常工作，因此高精度的設備對電源紋波有嚴格的要求。

1.1 紋波測量分析

圖1所示為高壓輸出電壓紋波測量電路。串聯電容由10個相同的電容構成電容C。

圖1 高壓紋波測量電路

由圖1，可以得出紋波電壓的計算公式：

其中C0為電阻電壓測試裝置的內部電容，U0為電阻兩端的電壓。

為了驗證這種測量方式的正確性以及準確性，對一個已知紋波電壓大小的設備進行試驗。測試電路如圖2和圖3所示。

驗證電路的總阻抗：

圖2 紋波驗證電路 圖3 阻抗電路

前兩項為虛部，后一項為實部，計算得阻抗角為：

由（4）可知，阻抗角與電阻值密切相關。

1.2 測量結果分析

試驗條件如下所示：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

將數據統計如下表1所示。

表1 紋波驗證測量結果

根據表1中的實際計算值是根據阻抗角和實際紋波電壓值計算得出。從表1可觀察出實際計算值比測量值小，分析原因是由于測量誤差以及讀數誤差造成的。當電阻值較小的時候，電阻上的分壓小，測量工具的精度影響測量結果。另外一方面，電阻值太大會使測量工具的內部電容對測量電路的影響較大，即阻抗角不能太小。通過測量值和阻抗角得到的計算值要比測量值和倍數得到的計算值要準確。綜合分析取阻抗角為81.601時為最佳測量方式。通過以上實驗也能夠證明這種測量紋波方式的可行性。當取阻抗角為81.601時，考慮測量誤差為：

對高壓直流電源紋波進行測量，取阻抗角為81.601時，在額定輸出下，通過電容隔直，測得電阻兩端實際紋波電壓波形如下圖8所示。

本高壓電源采用調節基準電壓源Vref控制高壓輸出U0大小的方式，在系統的放大倍數足夠大且誤差放大器輸入阻抗足夠高的條件下，基準電壓與輸出電壓的關系有[9]：

其中Rf為采樣電阻，R為采樣電阻塔，RS、R0為基準電阻。對（6）進行變換，得 ：

將（7）對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定度與參考電壓源，采樣電阻，采樣電阻塔，基準電阻的穩定度有著直接的聯系，因此，在選擇參考電壓源時，其穩定度至少要比高壓電源穩定度高一個數量級，電阻采用高精度，低溫漂系數的精密電阻。

1.3 實驗分析

在額定90KV/1mA輸出條件下，采樣電阻塔為10個300M電阻組成，采樣電阻為3個100K電阻串聯（為了使測量位數更高更準確），構成分壓比為1:10000，即采樣電阻上1V電壓，對應負高壓輸出10KV。測一個電阻上的電壓，經過兩天加載實驗測得如下數據（每次加載時間以四個小時為準），如表2所示。

表2 穩定度測量結果

從表中可以看出輸出電壓穩定度在0.015%～0.021%之間變化，其電壓穩定度低于0.05%，滿足設計要求。

2 結論

本文分析了紋波產生來源，詳細介紹了一種測量紋波大小的方法，并驗證了所設計電源紋波電壓滿足設計要求。而后，分析了影響輸出電壓穩定性的因素，合理選擇基準源，基準電阻，采樣電阻，能夠有效改善輸出電壓穩定度，并通過樣機長時間加載實驗，驗證了本文設計的高壓電源具有較高的穩定性，對高精度高壓直流電源的設計具有一定的參考價值。

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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，高壓電源。