創(chuàng )新型的基于軟開(kāi)關(guān)的X射線(xiàn)電源系統

摘要： AXI（自動(dòng)X(jué)射線(xiàn)檢測）已經(jīng)成為檢測和評估復雜MEMS（微機電系統）和MOEMS（微光電子機械系統）的基本方法，并且在醫療，考古等領(lǐng)域的也有了廣泛的應用，而穩定可靠高效的直流高壓電源是AXI的核心組件。一般的高壓直流電源為定值輸出，它們在X射線(xiàn)管這樣的寬負載變化范圍下的穩態(tài)和暫態(tài)響應不能滿(mǎn)足AXI的要求。基于AXI的要求本文介紹了一種最新研制的可調高壓電源，創(chuàng )新的主電路的拓撲結構由PFC（功率因數校正）模塊、BUCK模塊、逆變電路、高頻變壓器和倍壓電路組成。電源利用變壓器的寄生參數諧振工作，利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現了ZCS低損耗。PFC模塊能使此電源系統使用與國內和國外市場(chǎng)并且減小對電網(wǎng)的諧波污染。電源的控制電路采用基于DSP的PI調解器，并基于RS232實(shí)現與PC的通信從而實(shí)現本地控制和遠程管理。 敘詞：AXI，軟開(kāi)關(guān)，PI調解器，DSP，PFC，諧振，倍壓 Abstract： AXI has been becoming the dispensable and essential method for detecting and evaluating features in complex micro-electro-mechanical (MEMS) and micro-opto-electro-mechanical (MOEMS) devices and the high-voltage DC power supply is the very important component. In general, high-voltage DC power supplies are implemented for constant value control schemes but particularly their good transient and steady-state performances can not be achieved under wide load variations involved in an X ray tube. This paper introduces a new-developed high-voltage power supply designed for an X ray generator application, which has a novel topology comprised a PFC module, a BUCK circuit and a series-parallel transformer， multiplier voltage. A constant on-time/fixed frequency control scheme inverter using the parasitic parameter of special-designed high-frequency high-voltage transformer implements ZCS. At the same time introducing the PFC module can greatly cuts down the harmonic current and adapt to various line voltage ratings even the unsteadily voltage. The control system of the power is the digital PID adjuster based on DSP.

1 引言

AXI在無(wú)損檢測領(lǐng)域，特別是檢測和評估MEMS和MOEMS設備以及像CSPs，BGA封裝檢測已經(jīng)越來(lái)越重要了。因此應用于產(chǎn)生X射線(xiàn)的穩定直流高壓電源引起了電力電子領(lǐng)域的極大興趣。但是由于X射線(xiàn)管的特殊伏安特性（即電壓和電流基本是獨立調節），另外X射線(xiàn)電源必須提供在不同X射線(xiàn)管電流（以下簡(jiǎn)稱(chēng)管電流）的情況下的高穩定度且可以大范圍調節的電壓，因為高電壓可以產(chǎn)生高強度的X射線(xiàn)，而相對低的電壓產(chǎn)生低強度的X射線(xiàn)以應用于不同的領(lǐng)域。

因此對管電壓的控制十分重要，已經(jīng)有很多文章介紹了關(guān)于如何使電源輸出電壓達到良好的穩態(tài)和暫態(tài)響應。然而在過(guò)去的一些文章中可以看出，由于高頻變壓器存在的幾個(gè)嚴重的問(wèn)題：很高的變比，麻煩的高壓絕緣，特別是漏感和寄生電容的問(wèn)題會(huì )導致巨大的開(kāi)關(guān)損耗和snubber損耗。而漏感將使輸出產(chǎn)生不想要的電壓尖峰而損害射線(xiàn)管的安全和產(chǎn)生的射線(xiàn)穩定度，而寄生電容將會(huì )產(chǎn)生尖峰電流從而使電壓的暫態(tài)響應變得很糟。

本文介紹了最新研制的基于高頻變壓器的串并聯(lián)諧振高壓電源，此電源能夠實(shí)現ZCS（零電流）軟開(kāi)關(guān)，并且能方便的調節輸出電壓而因為利用高頻變壓器的的寄生參數從而避免了尖峰電壓和電流。電源的另一個(gè)特點(diǎn)是利用倍壓電路代替傳統的二極管整流電路，從而減少了高頻變壓器的變比和寄生參數；尤其是主電路的控制策略——BUCK電路和逆變電路的聯(lián)合——用BUCK可以十分方便靈活的調壓而用定頻定寬的逆變電路可以利用高頻變壓器的寄生參數實(shí)現諧振軟開(kāi)關(guān)，并且由于不使用調節逆變電路的占空比來(lái)調壓從而可以充分利用高頻變壓器的磁性。電源的控制電路采用基于DSP的實(shí)時(shí)數字PI調解器實(shí)現電路的穩態(tài)和暫態(tài)特性。

2 電源系統介紹

2.1 電路拓撲結構

圖1為高壓直流電源示意圖，主要有幾個(gè)模塊：EMI（抗干擾）模塊，PFC模塊，BUCK模塊，逆變模塊，諧振變壓器模塊，倍壓電路模塊以及一個(gè)諧振補償電容。諧振補償電容可以用來(lái)調節諧振頻率；諧振變壓器是特別繞制的；圖上高壓電纜可以作為平波電容，燈管的燈絲電流由另外一個(gè)燈絲電路控制?？刂葡到y是一個(gè)基于TMS320LF2407的PI調節器，并且實(shí)現過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護，以及通信功能。

圖1 高壓直流電源示意圖

2.2 調壓策略

從文獻中，我們知道有幾種調節X射線(xiàn)管兩端電壓的方式如下圖：

圖2 幾種調壓方式的比較

第一種方法是調節SCR（晶閘管）的觸發(fā)角從而調節整流后的直流基壓從而實(shí)現調壓。這樣的調壓得缺點(diǎn)很明顯，它將給電網(wǎng)產(chǎn)生很大的諧波電流，并且由于晶閘管的控制比較復雜，從而使控制電路實(shí)現起來(lái)比較麻煩；第二種方法是移相調壓，從本質(zhì)上講就是通過(guò)改變逆變輸出的基波電壓幅值來(lái)調壓，這樣調壓有兩個(gè)缺點(diǎn)：首先這樣將使后面的變壓器在占空比很小的時(shí)候的利用率變??；其次在低壓大電流的情況下對逆變電路的開(kāi)關(guān)管損害很大，損耗很大；并且高頻煩擾多；第三種方式是最新研發(fā)的電源所采取的調壓方式，首先由于PFC的使電路的功率因數接近1從而大大減小了對電網(wǎng)的諧波污染；其次用改變BUCK電路的占空比來(lái)調壓十分簡(jiǎn)單易于實(shí)現；同時(shí)由于逆變電路可以定頻定寬所以對實(shí)現軟開(kāi)關(guān)提供很好的條件，并且能充分利用高頻變壓器，也避免了在低壓大電流情況下對逆變電路的損害；

2.3 倍壓電路

隨著(zhù)半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，超高頻二極管和高頻電容已經(jīng)很成熟，而這兩者對倍壓的電路的應用和發(fā)展提供了后盾。最常見(jiàn)的倍壓電路時(shí)半波電容二極管倍壓電路如圖3所示。倍壓電路是基于CW電路的，其他的倍壓電路都是基于CW電路發(fā)展起來(lái)的如圖4所示，而奇數和偶數倍的電壓只需找好合適的參考地即可。要得到負電壓只需把二極管反相即可。倍壓的基本原理如下所述：

圖3 半波電容二極管倍壓電路

圖 4　各種CW電路

表1的內容是各種CW倍壓電路的跌落電壓 和紋波電壓 。如表一所示，跌落電壓 和紋波電壓 與輸入頻率 f 有直接關(guān)系；低的開(kāi)關(guān)管頻率將長(cháng)生交大的跌落電壓 和紋波電壓 ，相反高的輸入頻率會(huì )減小跌落電壓 和紋波電壓 。因此引入高頻諧振逆變器能改善射線(xiàn)電源的控制特性。

表1 各種倍壓電路的跌落電壓 和紋波電壓 比較

3 串并聯(lián)諧振電路工作原理和軟開(kāi)關(guān)

這個(gè)變換器的等效電路如圖5所示。串并聯(lián)諧振電路有兩種工作模式：電流斷續工作模式（DCM）和電流連續工作模式（ＣＣＭ）。在DCM模式中,電感電流有一段時(shí)間為零,這種工作模式發(fā)生在輸入諧振電路輸入電壓頻率Fs小于固有的頻率Fr的一半( ) ；CCM模式中發(fā)生在 。

圖6 所示為逆變電路的控制信號和諧振電路的仿真波形。由于逆變電路的半個(gè)周期大于諧振周期（ ），流過(guò)漏感的電流波形如圖所示6-a，無(wú)論在開(kāi)關(guān)器件S1，S2，S3，S4還是二極管D1 D2 D3 D4的開(kāi)通和關(guān)斷都是實(shí)現了零電流；當 時(shí)，同樣的如圖6-b所示，這時(shí)開(kāi)關(guān)器件可以實(shí)現零電流關(guān)斷，但有一定的開(kāi)通電流；而反向二極管也是零電流關(guān)斷但有開(kāi)通電流。

從圖中可以看出，只要能我們能找到電路的固有諧振頻率或者通過(guò)外在加入合適的電感電容從而把開(kāi)關(guān)的頻率控制在諧振頻率的一半以下，這樣既可以降低開(kāi)關(guān)頻率，又能實(shí)現零電流從而大大減小開(kāi)關(guān)損耗。

4 試驗和討論

試驗系統的參數如下：

輸入電壓： 220V AC

輸出電壓： 0-160KV DC可調

輸出電流： 0-1.2mA　可調

高頻高壓變壓匝比為：22.5：720

逆變開(kāi)關(guān)頻率： 16.7KHZ

諧振的頻率隨著(zhù)外加電容的變化而變化；

如試驗結果所示，基本上符合理論和仿真的仿真結果。

5 結論：

文章介紹的用于產(chǎn)生X射線(xiàn)的串并聯(lián)變壓器諧振高壓直流電源，采用了倍壓電路減小了變壓器的變比，從而工藝和制造上可行，并且能夠在一定條件下，實(shí)現零電流軟開(kāi)關(guān)大大減小了開(kāi)關(guān)損耗；另為這個(gè)拓撲結構是創(chuàng )新型的，由于PFC的引入使得對電網(wǎng)的諧波污染大大減小，同時(shí)可以實(shí)現在國內外110V，220V不同電壓下工作開(kāi)拓了國內外市場(chǎng)；值得注意的是這樣的拓撲結構控制簡(jiǎn)單，這個(gè)電源還利用了DSP實(shí)現數字PID實(shí)時(shí)控制使其能良好工作和實(shí)現遠程通信。

6 參考文獻

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