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基于高频逆变技术的X光机电源系统设计 沈阳师范大学硕士学位论文基于高频逆变技术的X光机电源系统设计姓名:刘艳玲申请学位级别:硕士专业:粒子物理与原子核物理指导教师:丁言镁20100301基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 基于高频逆变技术的 X 光机电源系统设计 中 文 摘 要 1895年,伦琴发现了 X射线。到了 21世纪,X射线与人们的生产生活联系更加紧密,信息技术高度发展,公共安全、食品卫生、工业检测等领域对于 X射线分析技术的依赖程度逐渐增强,同时,作为现代医疗诊断的重要手段,X射线分析技术的应用也越来越广泛。 传统的 X光机普遍采用工频技术,使得 X光机整机的体积和质量大、效率低、能耗高,输出 X射线的稳定性、重复性差,导致成像质量低。本文以高频逆变技术和单片机控制技术为基础,设计了一款用于 X光机的电源系统,包括灯丝电源、高压直流电源和辅助电源。该电源以 TL494控制芯片为核心,主变换器采用半桥式,控制及保护部分采用单片机技术。 本文绪论部分阐述了课题的背景及论文的主要研究工作。第二部分详细介绍了电源系统设计的理论基础,首先给出了 X光机电源系统的整体结构和工作流程,其次,详细介绍了电路拓扑结构的选择、PWM 脉冲发生电路、场效应管的选择和高频变压器的相关理论。 第三部分主要介绍灯丝电源、高压直流电源和辅助电源的设计。灯丝电源的设计包括灯丝电源主电路的设计和功率开关管的尖峰吸收回路;高压直流电源部分主要包括:倍压整流电路的工作原理,控制系统的实现,包括调压系统、稳压系统和保护电路。辅助电源部分介绍了以可控硅技术为核心的辅助电源设计。 文中昀后对设计结果进行了分析说明,指出了在设计中的成功和不足之处,为以后的研究工作奠定了理论基础。关键词:X光机,高频逆变,TL494,可控硅I 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 Design of X-Ray Power Supply System Based on the High Frequency Inverter TechnologyAbstract In 1895, Roentgen discovered X-ray. In the 21st century, X-ray is widely used in industry and the daily life. With the development of information technology, the public safety, food hygiene and industrial fields rely on X-ray analysis technology increasingly, and at the same time, it plays an important role in modern medical diagnosis and will be used more and more widelyThe traditional X-ray machine is always based on low-frequency technology. This has a lot of shortcomings such as bulky physical size, heavy, low efficiency and high energy consumption and so on. This leads the output X-ray to unstable and cannot be satisfying. In this paper, a kind of power supply system used in X-ray machine is designed based on the high frequency inverter technology which contains high- voltage DC power supply, filament power supply and auxiliary power supply. The power supply is with TL494 as the core of this system and half bridge power conversion. The part of control and protection part are based on single-chip microcomputer technologyThe introduction part describes the background of the subject and the main research workThe second part introduces the theoretical basis of this power supply system design in detail. At first, the whole structure diagram and general work process is given. Secondly, the selection of circuit topology and MOSFET, PWM formation and control circuit, and high-frequency transformer theory are describedThe third part mainly introduces the filament power supply, the high-voltage DC power supply and the auxiliary one. The design of main circuit and absorption circuit of MOSFET are introduced in filament power supply part. High-voltage DC power supply mainly includes: the working principle of multiplier stages circuit and control system which includes regulating system, voltage-stable system and the protection circuit. Auxiliary power part introduces the design based on SCR technologyAt last, we discuss the successful section and the shortcomings of the X-ray power supply in the conclusion part of this paper, and hope it will provide a foundation for the future work in the research fieldII 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 Key Words: X-ray machine, high frequency inverter, TL494, SCRIII 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 第一章 引言 一、课题的研究背景 1895年,德国物理学家伦琴开始进行阴极射线的研究,在研究气体放电现象时,发现了一种人眼看不见、但是可以穿透物体的射线,为了表明这是一种新的射线,伦琴采用表示未知数的 X来命名。在 1901年,伦琴获得诺贝尔物理学奖。 同年,爱迪生研究了材料在 X光照射下发出荧光的能力,发现钨酸钙昀为明显。 在 1896年,爱迪生发明了荧光观察管,后来被用于医用 X光的检验。 1906 年物理学家贝克勒耳发现 X 射线能够被气体散射,并且每一种元素有其特征 X谱线,他因此获得了 1917年的诺贝尔物理学奖。 科学在不断发展,到了 20 世纪 90 年代,哈佛大学建立了 Chandra X 射线天文台,用来观测宇宙中强烈的天文现象中产生的 X射线,从 X射线观测到的宇宙是不稳定的,它向人们展示了恒星如何被黑洞绞碎,星系间的碰撞,超新星和中子星等等。 到了 21世纪, X射线与人们的生产生活联系更加紧密,信息技术高度发展,公共安全、食品卫生、工业检测等领域对于 X射线分析技术的依赖程度逐渐增强。同时,作为现代医疗诊断的重要手段,X射线分析装置的应用也越来越广泛。 在国际交流日益频繁的同时,恐怖主义也越来越猖獗,各大火车站,机场的安检系统,X 光机作为首选,能够穿透普通障碍物,从而检测包裹及一些普通容器中的物品,同时也具备将其识别的能力。 综上,X 光机在医学、宇宙科学、工业无损检测、食品安全等基础学科的研究中具有不可替代的重要作用。一台性能优良的 X光机必须配备稳定的电源系统,本文即对 X光机的电源系统进行研究论述。 二、X光机电源系统概述 一台完整的 X射线分析系统大致分为两部分,一部分是以 X射线管、高压直流电源和灯丝电源构成的 X光裸机;一部分是以计算机为核心的图像采集和分析处理设备。X射线管主要由阴极、阳极、外罩玻璃管组成。如图 1.1所示: 灯丝电源给阴极灯丝单独供电,当加热到一定温度时,灯丝中的自由电子可以摆脱原子核的束缚而发射出来,加在射线管的阳极和阴极灯丝之间的高达数万伏的高压,形成强1 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 大的高压电场,电子在高压电场的加速下,形成高能电子束去撞击阳极板。在这一过程中,大约有 1%的能量转化为 X射线,而 99%的能量转换为阳极热量。X-Ray阴极灯丝灯丝电 流 阳极U图 1.1 X射线管的结构图(一)国外的研究历史及现状 通常情况下,X 光机的电源系统包括高压直流电源和灯丝电源,灯丝电源加热灯丝,使灯丝中的自由电子摆脱原子核的束缚而发射出来,高压直流电源提供一个强大的高压电场,被加速的电子流撞击阳极靶,产生 X射线。 在国外,从 70 年代开始,日本的一些公司开始采用开关电源技术,将市电整流后逆变为 3kHz 左右的中频,然后升压。美国 GE公司生产的 AMX-2 移动式 X射线机把蓄电池供给的直流电逆变成 500Hz 的中频方波送入高压发生器,从而减小体积和重量。 进入 80 年代,高压开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关组件,将电源的开关频率提高到 20kHz 以上,并将干式变压器技术成功地应用于高压直流电源中,取消了高压变压器油箱,使系统的体积进一步减小。 近十年来,随着电力电子技术和开关器件的发展,高压开关电源技术不断成熟。突出的表现是频率在不断提高:如 PHILIPS 公司 30kW 以下移动式 X 光机的 X 线发生装置频率达 30kHz 以上;德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达 40kHz。98年以后,通用电气公司和瓦瑞安公司都研制成功 100kHz 的 X 射线发生器。另外,高压开关电源的功率也在不断地提高,1030kW 的大功率高压开关电源的技术己经很成熟,更高功率的高压开关电源也有很快的发展,如:俄罗斯已经研制成功用于雷达发射机的 140kW高压开关电源;美国 EVE公司生产的用于脉冲功率技术中的 300kW大功率恒流充电电源等等。 可以看出,高压开关电源的发展的主要趋势是:频率不断提高,功率不断增加。 2 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 (二)国内的研究历史及现状 我国自 80年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究,分别列入了“七五”、 “八五”、 “九五”国家重点科技攻关项目。国家“八五”攻关项目85-805-01,200kV高压直流开关电源的研制,输出功率达 20kW;国家自然基金资助项目69871002产生高浓度臭氧用 20kHz 高压逆变电源的研制,电源的转换效率80%,输出功率昀高达 20kW,电源体积降至原体积的 1/5,臭氧发生器体积降为原来的 1/6,还减少了原材料消耗;静电除尘高压直流电源也实现了高频化方向的发展。 总之,我国高压开关电源技术已经取得了很大的进步,但同国外相比还有很大的差距,特别是大功率高压开关电源技术仍处在研发之中。 三、论文的选题和主要工作 (一)论文的选题 传统 X光机的电源系统一般采用工频技术,频率大约为 50Hz 或者 60Hz,又叫做低频或者工频 X光机。这种 X光机自耦变压器体积大,整机比较笨重,智能化水平较低,操作起来不方便。 20世纪 80年代以后,出现了中高频 X光机,这类 X光机的高压电源和 X射线管灯丝加热电源的工作频率不再是工频 50/ 60Hz,而是 400Hz 至 20kHz。X光机工作频率的改变带来了结构和性能上质的飞跃,使现代科技成果得以在 X光机中广泛应用。 近些年来,随着电力电子技术和计算机技术的飞速发展,中高频 X光机技术也得到了很大的发展,技术上日益成熟。许多进口的 X光机中,都采用了中高频技术。日本岛津公司生产的 XUD150B-10X光机,其高压逆变电路的工作频率为 30kHz,灯丝采用 15kHz 高频加热。美国 MINXRAY 公司生产的小型便携式高频 X 光机,其高压和灯丝逆变电路的1工作频率均达到 45kHz 。随着国外中高频技术的不断成熟,X 光机的市场总是被少数国外公司占据,我们国内的企业由于技术创新性的局限,在市场竞争中一直处于劣势,对此,我们国家也很重视,在本学科的研究上投入了大量的精力。近几年来,由于引入了电子信息和计算机等新技术,在中高频 X 光机技术上也取得了很大进步。中高频 X 光机与传统X光机相比较有以下优点: 1、可以输出高质量的 X射线; 2、可进行智能实时控制,精度高; 3、射线输出稳定,重复性好; 4、体积大大减小,增加了便携性; 3 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 5、具有过载保护措施,保证设备及操作人员的安全。 (二)主要研究工作 本文结合当前 X光机的市场需求以及发展趋势,设计适合 X光机的组合电源,包括高压直流电源、X射线管灯丝加热电源和辅助供电电源。主要研究工作如下: 1、根据设计要求,X 光机高压直流电源采用可控硅调压供电,半桥式逆变电路,高频变压器升压,经倍压整流电路输出 0100kV连续可调的电压,具有过载保护和控制电路; 2、灯丝电源实现 05A连续可调的稳定输出电流; 3、将单片机控制应用到系统的稳定性设计中。 (三)研究意义 传统的 X光机电源系统普遍采用工频技术,使得电源的体积笨重、质量大、效率低、能耗高。导致 X光机输出的 X射线的稳定性、重复性差,成像质量低,便携性差。 随着电力电子技术的飞速发展,新型半导体器件的出现为电源的小型化和智能化提供了可能,如场效应管(MOSFET),绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等等。新技术、新工艺不断融入了 X光机电源系统的研究中,这使得 X光机产业也有了很大的进步,采用昀新的开关电源技术可以极大的减小 X光机的体积和重量,采用智能控制手段可以使 X光机操作简便,提高安全性等等。也就是说,只有使 X光机朝着小型化,智能化,安全,高效和成本低廉的方向发展,才能使国内生产的 X光机在市场上拥有更强的竞争力。4 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 第二章 电源系统设计的理论基础 一、X光机电源系统的整体设计 (一)X光机电源系统的结构图及工作流程 典型的 X光机电源系统的连接关系如图 2.1所示:高压直流电源灯丝电源 采样与转换 调节调节单片机 状态显示 图 2.1 X光机电源系统框图系统的工作流程为:X 射线管被灯丝电源加热后,阴极在高温下发射足够数量的电子,接在 X射线管的阴、阳两极之间的高压直流电源,为其提供强大的高压电场,电子在电场力作用下加速成高能电子流去撞击阳极板。采样与转换电路由单片机控制,当单片机检测到高压端和灯丝电流端存在波动时,启动控制电路维持稳定的输出,保证设备正常工作。状态显示使设备的工作状态一目了然,为用户的安全操作提供了有力保障。 (二)电源系统框图 电源系统框图如图 2.2所示,主要包括灯丝电源和高压直流电源。分为四大部分: PWM控制单元、逆变单元、高频变压器和控制部分。 5 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计主电路 逆变单元 高频变压器 灯丝电流输出PWM控制单元 隔离驱动 状态显示调节与保护单片机 采样与转换PWM控制单元 隔离驱动高压输出 主电路 逆变单元 高频变压器 倍压整流电路 图 2.2 电源系统框图 二、PWM脉冲发生电路 中高频逆变电源输出功率的调节主要有两种方式,脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)和脉频调制(PFM,Pulse Frequency Modulation) 。脉宽调制是指周期不变,通过调整占空比来实现输出功率的调节;脉频调制是指占空比不变,通过频率或周期的改变来实现输出功率的调节。同样的,中高频的逆变电源输出电压的调节方式也有两种方式,即,脉宽调制和脉频调制,本文根据设计要求,采用脉宽调制方式,控制芯片选用 TL494。 (一)TL494简介 3TL494 是美国德州仪器公司昀先生产的一种固定频率脉宽调制电路 ,它几乎包含了开关电源控制所需的全部功能,内部原理框图如图 2.3 所示,它广泛应用于单端正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式开关电源,有 SO-16 和 PDIP-16两种封装形式,以适应不同场合的要求。其主要特性如下: 1、输入电压为 DC740V,可用非稳压电源作为输入电源,从而使辅助电源简化。昀大4输出电流可达 250mA ; 2、片内置线性锯齿波振荡器,外置振荡元件仅两个(一个电阻和一个电容); 3、内置一对误差放大器,可作反馈放大器及保护之用,控制方便; 4、 内置+5V基准电压源,使用方便,参考电压短路时,有下垂保护特性; 5、可调整死区时间,可以实现软启动输出和保护功能; 6、推或拉两种输出方式。 6 辅助电源 辅助电源基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 TL494 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路,内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节,其振荡频率如下: 1.1f (2.1) R CT T138 1 632QD振荡器 Q1RT 5 9CT 1 1132-Ck QQ210+412- - +0.7mA+ -基准电压源- +1 32 15 16 14 7 图 2.3 TL494 内部原理图输出脉冲的宽度可以调节,通过电容C 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进T行比较,可以实现。输出端功率管 Q 和Q 受控于或非门,触发器的时钟信号(Ck)为低1 2电平时才会被选通,也就是说,当锯齿波电压大于控制信号时,输出功率管被选通。当控制信号增大时,输出端脉冲的宽度将减小。 控制信号由外部送入集成电路中,一路送至死区时间比较器,另一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有 120mV 的输入补偿电压,有了它的限制,昀小输出死区时间约等于锯齿波周期的 4%,昀大输出占空比出现在输出端接地的情况下,为 96%,而当输出端接参考电平时,占空比为 48%。当在死区时间控制端接上 03.3V的电压时,就可以在输出端的脉冲上产生附加的死区时间,实现脉宽可调的目的。 当反馈电压从 0.5V3.5V之间变化时,输出的脉冲宽度从昀大导通时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到 2V的共模输入范围,这可以从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平,它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算,正是这种电路结构,放大器只需昀小的输出即可支配控制回路。 当比较器C 放电时,一个正脉冲出现在死区比较器的输出端,受脉冲约束的触发器进T行计时,同时输出功率管 Q 和 Q 停止工作。若输出控制端连接到参考电压源,那么调制1 2脉冲交替输出至两个输出晶体管,输出频率等于脉冲振荡器的一半。在单端工作模式下,7 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 如果需要更高的驱动电流,可以将输出模式控制脚接地以关闭触发器, Q 和Q 并联使用,1 2这种状态下,输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。 (二)TL494在本次设计中的应用 PWM 脉冲发生电路以 TL494 控制芯片为核心,1、2、15、16 脚分别为两个误差放大器的同相和反相输入端,4脚为死区时间控制端,在 4脚加上 0V电压时,脉冲输出可以达到昀大宽度,当加上超过 2.58V 的电压时,则芯片停止振荡,输出为 0,两路脉冲均为低电平。5脚的电容值和 6脚的电阻值决定了 PWM 电路的振荡频率,8、11、12脚为电源电压输入端。14脚为芯片自带的+5V基准电源。电路连接正确后,集成电路的 9、10脚将会输出两组相位相差 180的方波。电路原理图如图 2.4所示: VCC +15V脉冲2脉冲1 TL494Rw6.8KVCC +15VCTR0 RT3.3n10K10K图 2.4 PWM 脉冲发生电路 5为了进一步提高输出脉冲的驱动能力,可以使这两组脉冲经过图腾柱式电路 ,它由一对 PNP 和 NPN 晶体管对接而成,可以实现开通时输出较大的驱动电流,关断时为栅极电荷提供低阻抗的放电回路。同时,晶体管工作于射极跟随方式,不会出现饱和,很多隔离型驱动电路也借鉴了这种方式。(三)隔离驱动 半桥式功率转换电路要求两组脉冲必须相互独立,如何将这两组脉冲隔离开来也是本6次设计的重点。隔离驱动 一般有两种形式,光耦隔离驱动和变压器隔离驱动。 光耦隔离一般采用光电耦合器,加之外围电路就可以达到目的,是解决变压器隔离型驱动存在问题的一种有效方法。 随着全控型功率电子器件的广泛应用,各种集成驱动芯片也相继出现,如 M57962L 和 EXB841 等,它们均采用内部集成光耦来实现隔离,具有8 1 162 153 144 135 126 117 108 9基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 较强的驱动能力并设有过流等保护功能。然而,这类驱动芯片的工作频率有限,一般不超过 3040kHz,不适用于工作频率更高的场合。为此,专门针对 MOSFET驱动的高速集成驱动芯片也相继产生,如 IXYS 公司推出的 IXDD404序列芯片,IR公司推出 IR2110 序列芯片等。 这些集成驱动芯片工作频率较高昀高可达几百 kHz并具有一定的驱动能力,但这些集成驱动芯片本身并无信号隔离功能,需要设置额外的隔离电路。 脉冲变压器隔离由于具有电路结构简单、不需要提供隔离电源、成本较低,对脉冲信号无传输延迟等优点,成为 MOSFET和 IGBT等全控型器件驱动电路常用的一种隔离形式。它能够满足驱动电路电气隔离、快速性、较强驱动能力的要求。因此,在本次设计过程中,首先考虑采用这种隔离驱动方式,选用 E16型高频磁芯,初、次级匝数比为 2?1。经隔离后的两组相互独立的触发脉冲,送至半桥式功率转换电路。 三、逆变电路 逆变电路又称为功率转换电路,在开关电源中,逆变电路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的执行部件。转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置构成了开关变换器不同的结构,可分为两种基本类型,非隔离型和隔离型。 2非隔离型电路 根据电路形式的不同,可以分为降压型Buck电路、升压型Boost电路、升降压Buck-Boost型电路、Cuk型电路。 1、降压型电路将输入电压变换成较低的稳定输出电压。输入电压U 、输出电压U 和in out占空比 的关系为: Uout ,U U(2.2) in outUin降压型电路只能降压不能升压,输出与输入同极性,输入电流脉动大,输出电流脉动小,结构相对简单。 2、升压型电路将输入电压变换成较高的稳定输出电压,U 、U 和 有如下关系: in outUout 1,U U (2.3) in outU 1 in升压型电路只能升压不能降压,输出与输入同极性,输入电流脉动小,输出电流脉动大,不能空载工作,结构简单。 3、升降压型电路也称为逆向变换器,能升压也能降压,可以将输入电压变换成较低的反向电压,输入输出电流脉动大,不能空载工作,结构简单。U 、U 和 有如下关系: in out9 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 Uout ,U U (2.4) in outU 1 in4、Cuk型电路将输入电压变换成稳定的较低值或较高值的反相输出电压(电压值取决于 )输入输出电流脉动小,不能空载工作,结构复杂。U 、U 和 有如下关系: in outUout ,U U ( 0.5),U U ( 0.5)(2.5) in out in outU 1 in隔离型电路指输入与输出端通过变压器隔离,可实现多路输出,常用的有正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式。 单端正激式和反激式功率转换电路结构简单,成本低,可靠性高,但变压器工作在磁滞回线的一侧,高频磁芯的利用率低,但难以达到较大的功率,适用于各种中小功率开关电源。 全桥型转换电路中变压器工作在磁滞回线的两侧,容易得到较大功率的输出,但驱动电路结构复杂,成本高,要想维持其可靠性,需要复杂的多组隔离驱动电路,直通和偏磁问题一直是限制其广泛使用的主要原因,适用于大功率工业开关电源、焊接电源、电解电源等。 半桥型转换电路的变压器工作在磁滞回线的两侧,高频磁芯的利用率较高,无偏磁问题,开关较少,成本低,而且具有抗不平衡能力,但存在直通问题,需要复杂的隔离驱动电路,适用于各种工业开关电源、计算机用开关电源等。 推挽型转换电路变压器工作在磁滞回线的两侧,变压器一次电流回路只有一个开关,通态损耗较小,驱动简单,但偏磁问题是其致命的缺点,适用于低输入电压的开关电源。 下面本文将对这几种典型的功率转换电路的原理和优缺点进行详细分析,选择适合本次设计的电路形式。 (一)反激式功率转换电路 按照高频变压器副边开关整流二极管连接方式的不同,单端式功率转换电路又分为单端反激和单端正激两种形式。图 2.5 所示为反激式功率转换电路,其高频变压器既起隔离作用又起电感 L 轭流的作用,因为它的储能元件与负载 R 并联,所以又称为并联型变换L电路。 当功率开关管 BG1 导通时,二极管 D1 不导通。当 BG1 关断时,变压器的副边绕组产生反向的感生电动势,这时 D1 导通,给电容器 C2充电,同时负载 RL产生电压。 同样地,开关管 BG1 的耐压和变压器的输入电压与电源输入电压相等,由于结构比较简单,易于实现,可适用于中、小功率的开关电源。 10 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计D1+ +C2 RLUoN3 N1 N2+Ui C1-D3BG1 -图 2.5 反激式功率转换电路(二)正激式功率转换电路 正激式功率转换电路的结构如图 2.6所示,由于负载电阻 R 与储能元件串,又称串联L型变换电路。D1 L+ +C2 RLD2 UoN3 N1 N2+Ui C1-D3BG1-图 2.6 正激式功率转换电路 当 BG1 以 PWM 的方式被激励导通时,加到高频变压器原边上的输入电压为输入电压Ui,输出端的整流二极管 D1 导通,续流二极管 D2 截止,此时电源经变压器耦合向负载传输能量,滤波电感 L 储存能量,负载电阻 R 上获得电压。当激励脉冲为低电平时,开关L管 BG1 截止,加在 BG1 上的电压与输入电压相等,此时,输出电压为零。在开关管导通时,变压器原边绕组储存的能量经过线圈 N3 和二极管 D3 反送回电源,N3 为祛磁绕组,变压器中储存的能量将导致 BG1 集射之间很高的电压幅值,并且暂态过程中由于变压器的漏感储能作用引起的电压尖峰亦叠加在稳态集射电压上,祛磁绕组的二极管箝位电路可以将它们控制在合理的范围内,为电源的安全性和稳定性提供了有力保障。电感 L 的储能通过续流二极管 D2 向负载释放能量,因为电容 C1 的滤波作用,此时负载上所获得的电压保持不变,输出电压为: 11 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 U N Ui (2.6) o式中 N ?变压器次、初级的匝数比,NN :N2 1 Ton ?占空比, (2.7)T + Toff on由式(2.6)可看出,输出电压U 仅由电源电压U 和方波的占空比 决定。正激变换o i电路结构比较简单,易于实现,可适用于中小功率的开关电源。 (三)推挽式功率转换电路 推挽式功率转换电路如图 2.7 所示,开关管 BG1、BG2 由基极驱动电路以 PWM 方式激励而交替导通,输入直流电压被变换成高频方波交流电压,BG1导通时,输入电源电压U 通过 BG1 加到高频变压器的原边绕组 N1 上,根据同名端可以判断出,只有 D2 导通,i电感 L的电流逐渐上升,由于变压器作用,截止晶体管 BG2 上的电压为电源电压的两倍,即 2U 。iT1LD1BG1UoC UBG2D2 图 2.7 推挽式功率转换电路当基极激励均截止时,一对开关管也截止,他们的集电极所承受的电压均为U 。下半i个周期,BG2 被激励导通,BG1 上施加 2U 的电压,只有 D1 导通,电感 L的电流也逐渐i上升。当两个开关管都关断时,二极管 D1 与 D2都导通,各分担一半的电流。接下来又是两个晶体管都截止的时期。可以看出,高频变压器上直接施加输入电压,只用两个高压开关管就能够获得较大功率的输出,并且两组基极驱动电路之间不需要绝缘,电路可以简化。但是,在开关管关断的瞬间,由于变压器的漏感储能的作用,在集电极稳态截止电压上会形成电压尖峰,该尖峰有可能使高压开关管承受两倍以上的输入电压,而且,原边绕组只有一半的时间在工作,高频变压器的利用率也差。但输出功率较大,适用于中、大功率的开关电源。所以,这种12 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 变换电路得到了广泛的应用。 (四)半桥式功率转换电路半桥式功率转换电路原理图如图 2.8所示,半桥式功率转换电路与推挽式功率转换电路的共同点是:都由两个功率开关管 BG1、BG2 构成,二极管 D3、D4 组成全波整流元件。电感 L、电容 C2组成 LC滤波电路,实现对整流输出电压的滤波。+LD3+BG1C1D1+C2 RL UoUiD4-+ BG2C2D2-图 2.8 半桥式功率转换电路 经过两个相同容量的输入电容 C1、 C2,把输入电压 U转换成为双电源,即 U1U2U/2,即中点的电压为输入电压 U的一半。 当 BG1被基极驱动电路以 PWM 方式激励导通时,电容 C1将通过 BG1和高频变压器的原边绕组 N1 放电,此时 BG2 截止,电容 C2 则通过输入电源、BG1 和变压器的原边绕组充电。当 BG1 截止时,会出现两个开关管共同截止的时期,这个时期称为死区时间,是用来保护开关管的,防止由于共同导通造成开关管的损坏。当 BG2 被激励导通时,电容C1将被充电,电容 C2将通过输入电源、BG2 和变压器原边绕组放电,接下来又是两个开关管共同截止的时间。 在半桥式电路中,开关管由导通转为关断的瞬间,变压器漏感引起的尖峰电压会对BG1、BG2 造成影响,并联在开关管 BG1、BG2 两端的二极管 D1、D2,可以把漏感引起的尖峰电压箝位,因此开关管所承受的电压绝对不会超过输入电压,开关管能够得到保护。同时二极管 D1、D2 还作为续流二极管具有续流作用。 显然,半桥式变换电路同单端式电路不同,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线 B-H的两侧,磁芯可以得到充分利用,进一步提高了电源的效率。但是,半桥式变换电路结构相对比较复杂,对驱动电路的要求较高,由于输出功率较大,且具有抗不平衡能力,这是其它几种电路形式所不具有的特点,适用于中、大功率的开关电源。 13 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 (五)全桥式功率转换电路 全桥式功率转换电路如图 2.9 所示,半桥电路中与开关管对称的两个电解电容 C1 和C2 被另外两只开关管 BG3、BG4 取代,即 BG1、BG2、BG3、BG4 组成桥的四臂。桥臂上的两对晶体管 BG1、BG4 和 BG2、BG3 由驱动电路以 PWM 方式激励而交替导通,将主回路的直流输入电压变换成高频方波交流电压。+LBG1 BG3 D5D1 D3+Ui +C2 RLUoD6BG2 BG4-D2 D4- 图 2.9 全桥式功率转换电路开关管 BG1、BG2、BG3、BG4 的集电极与发射极之间分别反接有箝位二极管 D1 、D2、D3 和 D4,当开关管从导通到截止时,变压器初级磁化电流的能量以及漏感储能将引起很高的尖峰电压,箝位二极管可以将这个尖峰电压进行箝位,使加在开关管上的电压昀高值不会超过电源电压 U,同时还作为续流二极管,还可以提高整机的效率。 全桥变换电路采用了 4只开关管,结构复杂,对驱动电路有很高的要求,但综合性能昀好,较之其它类型的变换电路可以输出更大的功率,因此适用于较大功率的开关电源。 (六)功率转换电路选择 单端电路只有一个开关管,只要一组脉冲激励,不需要复杂的驱动电路,因而控制电路简单,对开关管储存时间的一致性要求不高,没有共同通导和由于电路的不对称引起偏磁问题。但是高频变压器磁芯工作在磁滞回线的一侧,效率和利用率较低。 双端电路:双端电路需要两组开关管,需要两组驱动脉冲,共同导通是此类电路必须避免的问题,因此驱动电路和控制电路较复杂。它的优点是高频变压器磁芯工作在磁滞回线的两侧,效率和利用率高,可获得大功率输出。 综合以上分析,本次设计决定选用高效的半桥式功率转换电路。 14 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计 (七)开关管的选择 在开关电源中,通常使用的开关管包括 GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)、MOSFET(场效应管)和 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等等。 GTO与普通晶闸管相同的是 PNPN四层半导体结构,外部引出阴极、阳极和门极。不同点在于可以通过在门极施加负的脉冲使其关断,具有较大的电压和电流容量,在兆瓦级的场合中仍有较多的应用。 GTR的耐压高、电流密度大、开关特性好,开关时间在几微秒以内,但是热稳定性一般。20 世纪 80 年代以来,在中、小功率范围内取代了晶闸管,但是目前大多被 IGBT 和功率 MOSFET 所取代。 IGBT 是一种复合型全控器件,具有 MOSFET输入阻抗高、开关速度快和 GTR耐压高、电流密度大二者的优点。栅极为电压控制,驱动功率小;开关损耗小,工作频率高;没有二次击穿,不需缓冲电路;是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。不足之处是,高压 IGBT 内阻大,因而导电损耗大;低压 IGBT 用于高压需多个串联。 MOSFET 的特点是可以利用栅极电压来控制漏极电流,属于电压控制型器件,其输入阻抗高,所需静态驱动功率很小,热稳定性很好。但是电流容量较小、耐压较低,适合 10kW以下的场合。 本文根据设计目标和特点,决定选用 MOSFET作为开关器件。由于各极之间存在着寄生电容,在其开通和关断过程中,驱动电路必须能够对其寄生电容网络进行快速充/放电,特别是在高开关工作频率的应用中。选择不当会导致其自身损毁甚至驱动电路的损坏。本文中,对于功率 MOSFET 的选择主要考虑了如下三个方面: 1、电压要求:功率 MOSFET 的浪涌电压不应超过其额定电压,并留有一定的余量; 2、电流要求:流过功率管的峰值电流必须处在其安全工作区以内即小于两倍的额定电流; 3、散热条件:如果具有良好的冷却条件,可选用额定值稍小的功率器件;否则要考虑散热设备的空间。 功率 MOSFET 按导电沟道可分为 P沟道和 N沟道;按栅极电压幅值可分为耗尽型(当栅极电压为零时,漏、源极之间就存在导电沟道)和增强型。功率 MOSFET的转移特性和输出特性如图 2.10所示:15 基于高频逆变技术的 X光机电源系统设计50508VUGS40407VUGS饱和区30306V2020 GSU5VUGS1010UT4VUGS0024 6810 20 30 40 50V 截止区UGSVUGS图2.10 MOSFET的转移特性和输出特性漏极电流 ID和栅、源极间电压 UGS的关系称为功率 MOSFET的转移特性。ID较大时,ID与 UGS的关系近似呈线性,曲线的斜率定义为跨导 Gfs。MOSFET 的漏极伏安特性也就是它的输出特性,与 GTR的对应关系为:截止区对应于 GTR的截止区;饱和区对应于 GTR的放大区;非饱和区对应于 GTR 的饱和区。功率 MOSFET 工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换。功率 MOSFET的漏、源之间有寄生二极管,源、漏极间加反向电压时器件导通。功率 MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。 功率 MOSFET 的开关速度和输入电容 Cin充放电有很大关系。我们无法降低 Cin,但可以降低驱动电路内阻,减小时间常数,加快开关速度。功率 MOSFET 只靠多子导电,不存在少子储存效应,因而关断过程非常迅速。它的开关时间在 10100ns 之间,工作频率可达 100kHz 以上,是主要电力电子器件里昀高的,当然,开关频率越高,所需要的驱动功率越大。 四、高频变压器 开关电源的高频化可以实现电源装置的小型化,系统的动态响应速度加快,提高电源的效率,可以有效的抑制环境噪声污染。高频变压器在电源系统中具有举足轻重的作用,在设计中遇到的主要问题为:一 虽然高频化可以大大减小变压器的