新型电子束3D打印电源系统开发

摘 要：电子束高压电源系统是电子束3D打印设备的重要组成部分，这套电子束高压电源系统主要应用在电子束熔融技术的系统中，它包括三部分，高压直流电源，栅偏电源，灯丝电源。其高压直流电源电压的调整率、纹波大小以及束流的稳定度直接决定着电子束焊接的质量。现有的一般的高压大功率直流电源系统，由于功率比较大，关断速度慢。而一般的栅偏电源由于悬浮在高压负60kv上控制起来有一些技述难度。本套高压直流电源使用软开关技术，效率高，高压输出使用桥式整流电路，关断速度快。悬浮栅偏电源使用光纤隔离控制。最终产品成功开发，满足25μs以内高速关断高压电源的设计要求。

关键词：电子束熔融；高压电源；软开关技术；桥式整流；光纤控制；高速关断

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

电子束选区熔化（EBM）电子束选区熔化成形技术（EBM）是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成形材料，通过不断在粉末床上铺展金属粉末然后用电子束扫描熔化，使一个个小的熔池相互熔合并凝固这样不断进行形成一个完整的金属零件实体。这种技术可以成形出结构复杂性能优良的金属零件，但是整套系统对高压电源系统有较高的要求。[1]要求高压电源系统响应迅速，悬浮灯丝，并且悬浮栅偏电源。目前国际上的EBM生产厂商主要有瑞士ARCAM公司，国内的西北有色金属研究院，也在进行研制开发，但主要高压电源的技术问题没有完全解决。主要问题是快速关断技术以及电源的放电快速保护和快速恢复功能。本文设计的高压电源系统在快速关断采用全固态斩波控制脉冲关断。高压侧电流取样直接送到cpld控制核心进行快速放电快速保护。

1 系统总图

高压直流电源产生负60kv高压用来提供电子加速电场。最大功率3kW，在悬浮灯丝电流系统中功率等级相对较高。主要是对灯丝就有一个较高的要求。灯丝悬浮在负高压上，灯丝电流0-20A连续可调，调节精度2mA，稳定度优于0.1%；电源0-10V；灯丝电源的难点是悬浮输出是直流需要精确控制。通过调节灯丝来控制束流。栅偏电源用来快速关断，要求能快速启动与快速关断。输出电压0-2000V.栅偏电源是整套系统的难点。本套系统针对其相应速度设计采用固态开关。

2 高压直流电源

交流220V输入，经过保险丝滤波器，再经过整流滤波电路产生300V直流电压，然后经过逆变电路变为高频交流送给变压器初级进行升压变换，再通过桥式整流滤波电路进行整流滤波。

（1）全桥逆变。主回路由4只GIBT（Q1-Q4）、主变压器、串联谐振电感L1、隔直电容C1、电流互感器CT1组成。对于开关电源移相全桥与普通的全桥相比有诸多优点，例如可以通过参数的设计实现准谐振、实现零电压开通（ZVS）、零电流关断（ZCS），从而达到减小功率器件发热，提高电源效率的目的。

（2）高压变压器以及全桥整流滤波。为了实现快速关断，高压电源的输出整流滤波没有采用传统的倍压升压整流滤波电路，而是采用桥式整流，这就要求高压变压器要能承受60kv以上的高压。而本套系统要求尽肯能的小体積。为了解决上述问题，本套系统高压变压器采用蜂房绕法，油式绝缘。但是油式绝缘内部散热效率低，考虑到这一问题我采取对整个高压部分密封到一个高压壳里的措施。并进行循环油风冷散热。

4 结论

通过开发设计高速保护电路设计效果非常突出，可以达到ns级别的保护。系统响应及时。

而栅偏电源的响应速度也可以达到ns级别。完全满足设计要求的25us以内。高压直流电源由于采用软开关技术系统发热特别小。

参考文献：

[1]张学军.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016（44） ：122-128.

作者简介：赵志国（1987-），男，辽宁大连人，研究生在读，研究方向：电力电子高电压技术环保。