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河北工业大学硕士学位论文 i 高频高频 x 射线机关键技术与系统开发射线机关键技术与系统开发 摘摘 要要 x射线机的应用起源于1895 年德国物理学家伦琴首次发现x射线,并借助这种射线的 穿透本领摄取了人体内组织的图像。自此以来,x 射线以及 x 射线机的应用得到了长足的 发展。近几年,随着高频开关电源技术的不断成熟, x 射线机的高频化也是其发展的方向， 传统的工频 x 射线机也逐渐被高频 x 射线机所取代。 x 射线机的小型化、智能化、高频化是 x 射线机发展的必然趋势，本文利用 pwm 开 关电源的成熟技术， 在x射线管工作所需的高压电源和灯丝电流源方面做出了全面的革新， 用高频化，小型化的稳定电源代替了传统的工频电源。并且采用了智能化的控制方式来协 调系统各个部分的工作时序。 本课题结合当今国内外先进 x 射线设备的优缺点，对各部分硬件电路进行了设计。其 中对各个模块电源的设计是本课题研究的重点，利用先进的移相软开关技术来实现大功率 高效率的高压电源模块，使得整机的体积大大的减小，输出高压和管电流恒定，重复性好。 并且根据对系统操作开发的智能化设想及单片机控制的深入分析，实现了单片机对多路信 号，多种工作模式的实时控制，使系统达到简单、易操作、且功能强大的目的；实现了系 统的小型化、智能化、高频化。最后对系统整体硬件和软件程序进行了现场调试，使得系 统更加完善，各路信号都能完成稳定的闭环控制，保证了系统的整体性、安全性和可靠性， 实现了设计的目的。 通过后期大量的实验表明，该系统的成像效果好，相片清晰、对比度高，人机交互界 面友好、易于操作。可靠性及稳定性都能满足课题的要求,有广阔的应用前景和重要的创 新价值。 关键词：关键词：x 射线，高频逆变，pwm，uc3875，移相控制，开关电源 高频 x 射线机关键技术与系统开发 ii high- frequency x- ray mashine key technology and system development abstract roentgen，german physicist， discovered x- rays firstly in 1895,and got the image of the human body make use of the penetrate through characteristic of the rays. since then, x- ray, as well as the application of x- ray machine has been significant development. in recent years, x- ray machine has been developed rapidly in the field of high frequency with the ripeness of the technology of high- frequency switching power. from those phenomena, we can see that, the traditional frequency x- ray machines will be replaced by high- frequency x- ray machine gradually. the inevitable trend of development of x- ray machine is miniaturization, intelligent and high- frequency- based. by using mature technologies of pwm switching power, this paper made a comprehensive innovation in high- voltage power and the filament current source required for x- ray tube and realize the high- frequency technology, the miniature power of the stability instead of the traditional frequency power .it coordinate the work of the various parts of the system timing by using an intelligent control approach. after analyzing the advantages and disadvantages of todays advanced x- ray equipment at home and abroad, this paper completed all parts of the hardware circuit design for the system. the power module designed is the focus of this research project. using advanced phase- shift soft- switching technology to make high- power supply modules with high efficiency, the volume of machine is greatly reduced, otherwise, the output high- voltage and tube current are constant, with good repeatability. with analyzing mcu control and the system operation intelligent, the system achieved the controlling of mcu for multi- channel signals, multi- mode real time, allowing the system to achieve a simple, easy to operate, implement the system miniaturizing, intelligent and high- frequency technology. finally, all the hardware and software in the system were tested and the result showed that this system is stable for running, every signal can be under the stable closed- loop control, so ensure the systems integrity, security and reliability and achieved the target of the design. by a large number of experiments, it shown that this system could get a clear and high- contrast image, its interface is friendly, easy to operate, and the reliability and stability 河北工业大学硕士学位论文 iii could satisfy the requirements of the design. it has broad prospects for application and the important innovative value. key words: x ray, high- frequency inverter, pwm, uc3875, shift- phase control, switching power 河北工业大学硕士学位论文 vii 符号说明符号说明 一、缩写 igbtinsulated gate bipolar transistor，绝缘删双极性晶体管。 ipmintelligent power module，智能功率元件。 mosmetal oxide semiconductor，金属氧物半导体晶体管。 bjtbipolar junction transistor，双极结型晶体管。 dsadigital subtraction angiography，数字减影技术。 ledlight emitting diode，发光二极管。 pwmpulse width modulation，,脉冲宽度调制 。 power mosfetmetal oxide semiconductor field effect transistor，功率场效应管。 zvszero voltage switching，零电压开关。 zcszero current switching，零电流开关。 adcanalog to digital converter，模数转换器。 dacdigital to analog converter，数模转换。 pcbprinted circuit board，印制电路板。 emielectromagnetic interference，电磁干扰。 emcelectromagnetic compatibility，电磁兼容性。 二、符号 ma电流单位，毫安。 kv电压单位，千伏。 ms时间单位，毫秒。 hz频率单位，赫兹。 t磁感应强度，特斯拉。 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内 容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采 用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部 分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 引言引言 1895 年伦琴发现了 x 射线，这在人类历史上具有极其重要的意义，它为自然科学和医学开辟了一 条崭新的道路。在随后的 100 多年时间里，x 射线机及其相关技术，已经得到了长足的发展。目前，综 合了多学科和高技术成果的 x 射线设备己成为医疗、工业和科研必备的先进设备1。 1-2 x 射线简介射线简介 1895年德国物理学家伦琴在做放电实验的时候， 无意中发现了一种穿透力极强的射线， 因为当时他 还不知道这究竟是一种什么射线，于是取名为“x射线”。后来人们为了纪念他，又把x射线叫做伦琴 射线。 后来人们发现， x射线是一种波长介于紫外线和射线之间的电磁辐射， 也就是说它的波长非常短， 频率非常高。根据光电子学理论可知，x射线必定是由原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产 生的，所以x射线光谱是由原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的。并且在实验中也证实了x射线在电 场和磁场中都不会发生偏转。这说明x射线是不带电的粒子流，因此也能产生干涉和衍射现象。 x射线谱由连续谱和标识谱两部分组成，标识谱重叠在连续谱的背景上。当高速运动的电子束受到 金属靶的阻挡时， 电子突然减速， 其损失的动能就会以光子的形式放出， 从而形成x光光谱的连续部分， 这时产生的辐射称为轫致辐射。标识谱是由一系列线状谱组成的，通过提高电子的加速电压，电子携带 的能量就会增大，则有可能将组成金属靶的原子内层电子撞出，于是原子内层形成空穴，外层电子跃迁 回内层填补空穴，同时放出波长在0.1nm左右的光子，形成了标识谱。由于外层电子跃迁放出的能量是 量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些范围，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子的 层间结构。此外，高强度的x射线亦可由同步加速器或自由电子镭射产生。同步辐射光源具有高强度、 连续波长、光束准直、极小的光束截面积并且具有时间脉波性与偏振性，因而成为科学研究最佳之x光 光源2。 x射线具有很强的穿透能力，能透过许多可见光无法穿透的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不 见的射线可以使很多固体材料发出可见的荧光，使照相底片感光以及使空气电离等。x射线在工业和医 学领域的运用就是利用它的这种强穿透能力。 1-3 x 射线装置的发展历史射线装置的发展历史 从发现x射线并摄取第一张x光片以来，x射线在各种领域的应用至今已有100余年的历史。其间的 发展可大致分为四个阶段。 第一阶段约在 20 世纪初的十几年内， 这是 x 射线设备的早期阶段。 当时 x 射线机的结构非常简单， 高频 x 射线机关键技术与系统开发 2 使用效率很低的含气式冷阴极离子 x 射线管，运用笨重的感应线圈产生高压，裸露式的高压机件，更 没有精确的控制装置。x 射线机装置容量小、效率低、穿透力弱、影像清晰度不高、缺乏防护等。据资 料记载，当时拍摄一张 x 射线骨盆像，需长达 4060min 的曝光时间，结果照片拍成之后，受检者的 皮肤也被 x 射线烧伤了。 第二阶段为20世纪前中期，x射线管的阳极靶由固定阳极发展为旋转阳极，金属靶及灯丝的材料也 得到了不断的改进，使得x射线管的热容量越来越大，而体积却越来越小，各项工艺技术极为成熟。高 压发生装置由机械控制模式发展为电子管控制并进化成晶体管控制模式。 这一阶段的特点可概括为工频 50/60hz。 第三阶段为20世纪中后期，首先是x射线影像增强器的出现，使得x射线电视系统成为现实。其次 是现代电子计算机技术的发展，使人们对图像可方便的进行存储、处理。最后是大功率高频可控硅的出 现，使得高压发生器的工作频率由50/60hz发展到10khz左右，随着频率的提高，高压发生器的体积也 得以大幅减小，实现了脉冲曝光。这一阶段的主要特点可概括为高频可控硅。 第四阶段为 20 世纪 90 年代至今，这一阶段是 x 射线机发展最为迅速的时期。由于高频大功率模 块，如 igbt、ipm 、gtr 及 mosfet 的应用使得高压发生器的工作频率达到了 20100khz，从而进 入了高频时代。图像采集方面，出现了 l249 线高扫电视系统，充气电离室探测器阵列，多丝正比探测 器阵列，半导体光敏探测器阵列等，可以直接完成数字摄影。并且随着计算机的处理速度越来越快以及 计算机图像处理技术的成熟，实时处理的 dsa 成为现实。这一时期可概括为高频数字化时代2,3。 下面来介绍一下传统的工频 x 射线机和高频 x 射线机所具有的特点。 中小型工频 x 射线机绝大多数采用工频变压器做高压发生装置, 以供x 射线管工作时所需的高压 的电源。 这已有八十年历史, 它之所以能长期不变, 其主要原因是由于它的结构、 材料和生产工艺都基 本上与动力变压器相似, 具有良好的通用性, 且经济、 便宜。 但随着 x 射线机应用领域的不断扩大, 这 种工频变压器在很多场合下具有不可克服的困难。 如绕组变压比大, 绝缘困难, 绕组分布电容和漏感大, 很难调谐到高次谐波, 因此高压调整率差。另外工频变压器是把市电直接升压后加于 x 射线管的两端， 这样的话只有在交流峰值附近的电压才能达到射线管工作的要求， 那么就只有小部分阴极电子得到了最 大的动能与阳极的金属靶撞击, 产生波长极短的 x 射线，称为硬射线, 这是对透视和照相有用的射线。 峰值以外的绝大部分使阴极电子得到的动能较小, 产生波长较长的 x 射线, 称为软射线 5。 软射线不仅 影响人体的健康, 而且还使得图像模糊不清晰。高频 x 射线机不存在这些缺点，没有软射线及杂散射 线，相应对人体的伤害小，成像质量较高。 鉴于工频 x 射线机的缺点，发达国家已全部淘汰了工频 x 射线机。90 年代以后进口的 x 射线机均 是高频机。据 2008 年 6 月初在北京召开的全球医用 x 射线设备交流会统计表明，现今只有国外的几家 大公司已经把高频技术与 x 射线机结合了起来，例如芬兰的 soredex 公司，法国的 trophyg 公司 以及美国的 kodak 公司等都已经生产出了高频 x 射线机，但是在国内还很少有公司真正生产出来频 率超过 30khz 的高频 x 射线机。现有的国产大型医用 x 射线机系统的集成化和自动化程度较低、控制 面板的交互性能差，采用的还是传统工频变压器升压的办法来获得所需的高压电源，这样就增加了 x 射线对人体的辐射剂量，也降低了胶片成像的清晰度，并且也不适合 rvg 的工作模式，不能很好的满 足临床需求，长此以往，也不利于国内企业的发展。因此设计高指标、高稳定性、低成本、易维护的高 河北工业大学硕士学位论文 3 频 x 射线发生器以替代进口产品,是我国医疗行业长远发展规划中的重点发展领域和关键技术4,5。 1-4 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 本课题的主要内容是完成对医用 x 射线机的高频化、智能化和小型化的设计。简要说来，就是利 用开关电源的理论体系设计合理高效的高频高压电源和稳定高效的恒流电源； 利用单片机的理论知识设 计系统整体的控制方式和智能化的人机交互界面。 直流高压电源的必要性：在 x 射线管中，电子被强电场加速后，撞击到阳极的金属靶上，产生的 轫致辐射为连续能谱，连续能谱中的低能部分由于能量偏低，无法彻底穿过人体，这样就会被人体所吸 收，并且成像的结果主要取决于射线中的高能部分。因此，只有在纹波极小的直流高压情况下射线管所 产生的 x 射线的高能部分所占的比例才能达到最大,其曝光效率也最高，空间及密度分辨率也最好。当 然最理想的状态是能够像原子外层的电子跃迁时产生的特征射线一样，发射出单能的 x 射线。总之， 利用直流高压电源为 x 射线管提供加速电场所产生的 x 射线，能使病人的辐射损伤降至最低，对阳极 金属靶的热容量要求也最小，而且成像的质量也能够达到最高。 高频开关电源的必要性：根据开关电源理论的知识，要想产生稳定的直流高压，只能先通过高频逆 变，之后再经过高频高压变压器升压，最后再整流滤波后产生。并且高频逆变的频率越高，高频变压器 的体积就可以做得越小，效率也就越高，成本也会降低。 控制的数字化：由于高频高压发生器的输出精度要求较高，其控制需要由单片机来完成。特别是对 于大型x射线机，大都采用智能化的操作界面。其发生器系统、影像传输系统、图像处理系统、影像记 录系统等均通过网络控制，自动调整，并反馈参数，完成准确、快速的检查。 1-5 本章小结本章小结 本章主要介绍了 x 射线的基本特点和 x 射线机的发展历史， 讨论了高频 x 射线机相对于传统工频 x 射线机的优势所在， 以及其今后的发展方向。 最后简单介绍了本课题的主要设计内容和大体方向以及 其必要性。 高频 x 射线机关键技术与系统开发 4 第二章第二章 系统方案设计系统方案设计 2-1 x 射线管简介射线管简介 x 射线管是 x 射线机中的主要元件，是一个高真空的玻璃器件。现代使用最多的是热阴极电子 x 射线管。其工作原理如图 2.1 所示,在射线管的阳极和阴极灯丝之间施加上万伏的高压，产生一个很强 的电场，同时给阴极灯丝施加一个固定的电流，当把阴极灯丝加热到一定的温度时，灯丝中的自由电子 就会从电源中获得足够的能量，从而可以摆脱原子核的束缚而发射出来，即“热发射” ，被激活的热发 射电子束在外加高压电场的作用下高速飞向阳极靶面。由于高速运动的电子束受到阳极靶急剧的阻止， 因此在阳极靶面上产生了能量的转换。 电子束的动能大部分转化为阳极靶的热能， 同时有少部分电子将 阳极靶原子内层中的电子撞出，进而引起靶原子内部电子的跃迁，而电子跃迁时辐射出的射线就是 x 射线。 变压器变压器 阳极阳极 阴极灯丝阴极灯丝 图 2.1 x 射线发生装置 fig. 2.1 generated equipment of x ray 因此，x 射线管要想发出 x 射线，必须具备以下条件： (1)有一个能发射出电子的阴极； (2)有一个真空度较高的空间，使电子在高速运动中不受阻挡； (3)有一个能够受电子的轰击而产生 x 射线的阳极。 同时， 灯丝电流对电子的激活和管内高压电场对电子的加速也是产生 x 射线所不可缺少的， 所以对 电压和电流的精确控制是非常有必要的，这也是本课题所要设计的内容之一。 为了能获得清晰的 x 射线影像，对 x 射线管的基本要求是：它应具有小的焦点和大的功率。焦点 小可以提高图像的对比度和清晰度，而输出功率大，曝光时间可以缩短，减小了由于曝光时间太长引起 的图像模糊，也减短了受辐射的时间。当然，由于阳极靶面所能承受的最大热量是有限的，要想同时满 足焦点小、功率大的要求是较为困难的。旋转阳极 x 射线管能较好地解决这一矛盾，因而得到了广泛的 使用。下面来介绍 x 射线管的分类及特点。 河北工业大学硕士学位论文 5 (1) 固定阳极 x 射线管 这种 x 射线管的阳极是固定不动的。其功率较小，焦点较大，一般用于小型 x 射线机。如图 2.2 所示： 图 2.2 固定阳极 x 射线管 fig. 2.2 x ray pipe of fixed anode (2) 旋转阳极 x 射线管 固定阳极 x 射线管因阳极焦点面受温度的影响较大而限制了它的功率。要提高功率，焦点面就必 须增大。但焦点面增大又影响了影像的清晰度，两者不能兼顾。因此就有了旋转阳极 x 射线管，这种 射线管的阳极靶是可以旋转的，只要靶做得很均匀对称，那么在短时间使用时，它可以在同样大小的有 效焦点之下将负载的功率增大到几倍之多。其结构如图 2.3 所示。 图 2.3 旋转阳极 x 射线管 fig. 2.3 x ray pipe of rolling anode (3) 金属陶瓷 x 射线管 就像钨丝灯泡一样，x 射线管的阴极灯丝在大负载时温度也会升高，会逐渐的升华。时间长了，就 会使灯丝变细，并且还会导致 x 射线管玻璃壳内表面形成薄薄的钨层，易受到由阴极发射电子的轰击 而损坏。 为了克服这个缺点，近代研制出了金属陶瓷 x 射线管。如图 2.4 所示。这种射线管的中间部分有一 块钢质管壳，与玻璃壳相接；另一端则与陶瓷相接。玻璃壳与陶瓷部分起电绝缘的作用；x 射线管的金 属部分接大地，以接收杂散电子。x 射线则从金属铍制成的窗口中射出，铍材料对原发射线的吸收是很 少的。 由于金属陶瓷 x 射线管中没有玻璃壳，便不会有因钨丝蒸发导致 x 射线管损坏的危险，所以可将 灯丝加热到较高温度。这样可以提高 x 射线管的允许负荷，并可以在较低的高压情况下得到较高的管 电流值6。 高频 x 射线机关键技术与系统开发 6 图 2.4 金属陶瓷 x 射线管 fig. 2.4 x ray pipe of metal keramic anode 考虑到项目的要求、系统的功率、工作环境以及成本等因素，本课题中选用了康源电子有限公司生 产的型号为 xd710s1.4/80 的 x 射线管。 该 x 射线管属于小功率的固定阳极 x 射线管， 主要由管壳、 阳极组件(无氧铜阳极头、钨靶等)、阴极组件(纯铁阴极头、铁镍合金套、芯柱)等组成，该射线管的最 高耐压可以达到 10 万伏，并且热稳定性好，寿命较长。 根据康源公司所给资料里的灯丝特性曲线图可知，射线管正常工作时的灯丝电流在 1.5a 到 3a 的 范围内，与灯丝两端的电压基本是线性的关系。 在一定的管电压下，管电流 i与灯丝的加热电流 if之间的关系曲线叫做灯丝的发射特性曲线，该 曲线反映了灯丝电流的大小和发射出射线的剂量间的关系。灯丝的发射特性曲线如图 2.5 所示，在具有 相同的输出管电流 i的情况下，灯丝的加热电流 if与加速电场的电压是成反比关系。 图 2.5 x 射线管的灯丝发射曲线 fig. 2.5 filament emitted curve of x ray pipe 2-2 整体方案制定整体方案制定 由以上的分析可知，使 x 射线管发射出 x 射线所必不可少的条件有两个：一个是要有稳定的高压 电源，另一个是要有稳定的恒流源为灯丝加热。此外，还需要为系统的正常工作提供必要的供电电源。 因为本课题是针对用户的，因此还需要有人机交互界面，使得对系统的检测和使用更加方便。 2-2-1 功率电路方案功率电路方案 根据厂家提供的 x 射线管资料和射线管的实验数据，要想满足系统正常稳定的工作，必须有 70kv 的稳定高压电源和 1.53a 连续可调的恒流电源。 本课题是对原有的传统 x 射线机的更新， 传统的 x 射 i/ma 100kv 60 kv 40 kv if/a 0 河北工业大学硕士学位论文 7 线机采用的是工频变压器直接把市电升压到交流 50hz 的高压电源来为 x 射线管提供高压电场。 由于是 交流高压， 因此真正对射线管有用的高压部分并不是很多， 大部分时间里的电压都不足以使电子加速到 具有足够能量，从而产生了好多对人体无益的软辐射。此外，由于是用变压器直接把电网电压升到上万 伏特的高压，因此，电网的波动对系统的正常工作影响甚大。因此本设计拟采用先进的开关电源的技术 来得到高压直流电源和恒流电源，能够对电源进行闭环的控制，增加系统的稳定性和可靠性。功率电路 的原理图如图 2.6 所示，其中电阻 r 为管电流采样电阻。 恒流源 高 压 电 源 r 图 2.6 功率电路原理图 fig. 2.6 principle diagram of power circuit 利用电源控制芯片控制高压发生器产生高压，为 x 射线管提供高压电场，同时利用串联电阻分压 采样，把采样值返回到控制芯片中做闭环的控制，从而实现对电源的 pwm 控制。同理，恒流源电路也 采用 pwm 的控制方式，利用小电阻采样灯丝电流，返回到控制芯片中做闭环的控制，具体的控制方式 将在第三章中讨论。 2-2-2 控制电路方案控制电路方案 低压控制电路的核心是控制器，是 x 射线机实现人机对话的唯一处理器，设计思路应本着简单、 明了、易操作、容错能力强的原则开发。本课题采用单片机作为控制器的中心控制芯片，拥有极其丰富 的片内资源，可以尽可能减少外围电路的设计。 图 2.7 控制电路硬件组成框图 fig. 2.7 control circuit diagram of hardware 控制电路硬件组成框图如图 2.7 所示，本设计中的控制电路主要包括单片机系统、键盘输入电路、 高频 x 射线机关键技术与系统开发 8 数码管显示电路等， 这部分除了人机交互界面所必需的控制和处理外， 还包括高压发生电路和恒流源电 路的控制和反馈部分。电压和电流的控制部分经由 2 路 d/a 进行设定，传输给高压发生电路和恒流源 电路的控制芯片，实现单片机对功率电路的控制；同时高压部分经电压采样，恒流源部分通过电流采样 返回参数通过 2 路 a/d 传输给单片机，经由软件分析实现保护功能和数据采集功能。 以上所述的硬件系统配上软件系统，便可使整个系统具有完整的人机界面和自诊断等智能化功能。 2-3 本章小结本章小结 本章概括介绍了 x 射线管的结构和分类。在分析 x 射线管工作原理以及工作条件的基础上制定出 整个系统工作时所需要的各种电源电路，控制电路以及人机交互电路。 河北工业大学硕士学位论文 9 第三章第三章 功率电路设计功率电路设计 3-1 开关电源的电路拓扑开关电源的电路拓扑 如前面章节所述， 本设计是基于开关电源的理论来设计系统所需的各种电源电路。 直流开关电源变 换器(即 dc/dc 变换器)按其输入与输出是否进行电气隔离，可分为非隔离式变换器和隔离式变换器电 路，以下来做简要的介绍。 3-1-1 非隔离式变换器非隔离式变换器 1. buck 变换器 buck 变换器又称降压型变换器，电路如图 3.1 所示。由开关 s，续流二极管 d，电感 l 和电容 c 组 成。电路完成把输入电压 vi 转换为输出电压 vo 的功能。当开关 s 工作的占空比为 d 时，输出电压： * oi vvd= （3.1） 图 3.1 buck 变换器电路 fig. 3.1 buck converter circuit 当开关 s 接通时，输入电流经过电感线圈 l 给电容 c 充电，在负载上流过的电流为 io，极性为上 正下负，负载两端的电压为 vo，此时二极管承受反向偏置电压而截止。 当开关 s 断开时，电感内部的磁场还会继续维持电流的方向不变，流过负载的电流方向仍是上正 下负，电容处在放电状态，电感 l 和电容 c 维持 vo 和 io 的不变。此时二极管 d 承受正向偏置电压而 导通，作为电流的通路，因此称之为续流二极管。 由于变换器的输出电压小于输入电压，因此 buck 变换器也称为降压型变换器。当开关 s 通断的一 个周期内电容 c 上面的充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放 电电荷增加，使得电容两端电压上升的速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时的输出电 压维持不变；反之，如果在开关 s 通断的一个周期内电容 c 上面的放电电荷高于充电电荷，将导致后 面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使得电容电压下降的速度减慢，这种过程的延续也会直至达到 充放电平衡，最终维持输出电压不变。这种过程是电容 c 上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时， 电路达到动态平衡，电容上的充放电也达到动态平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律7。 高频 x 射线机关键技术与系统开发 10 2. boost 变换器 boost 变换器又称升压型变换器，电路如图 3.2 所示。由电感 l，开关 s，二极管和电容 c 组成。电 路完成把输入电压 vi 转换为输出电压 vo 的功能。当开关 s 工作的占空比为 d 时，输出电压 /(1) oi vvd= （3.2） 图 3.2 boost 变换器电路 fig. 3.2 boost converter circuit 当开关 s 接通时，输入电流经过电感线圈 l，电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈中， ， 此时，电容 c 向负载放电，在负载上流过的电流为 io，极性为上正下负，负载两端的电压为 vo。由于 开关 s 的接通，使得二极管的阳极接到了低电位，所以此时的二极管是截止的。 当开关 s 断开时，电感线圈 l 中的磁场将改变线圈两端的电压方向以保持电流的方向不变，这样 线圈内部储存的磁能转化为的电压 vl与输入电压 vi 串联，以高于 vo 的电压向电容 c 和负载供电，流 过负载的电流方向仍是上正下负。 并且输出电压要高于输入电压， 其实升压的过程就是一个电感的能量 传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么输出端就可以在放 电过程中保持一个持续的电流。 如果这个通断的过程不断重复， 就可以在电容两端得到高于输入电压的 电压，这也是一个动态的平衡8。 3. buck- boost 变换器 在 buck 变换器后串接一个 boost 变换器就构成了 buck- boost 变换器，如图 3.3 所示，这种电路具 有 buck 变换器的降压和 boost 变换器升压的双重作用。输出电压为: */(1) oi vvdd= （3.3） 图 3.3 buck-boost 变换器电路 fig. 3.3 buck- boost converter circuit 河北工业大学硕士学位论文 11 3-1-2 隔离式变换器隔离式变换器 1. 单端正激式变换器 单端正激式变换器是在 buck 变换器的开关与续流二极管间直接插入高频变压器，从而实现输入与 输出隔离的一种 dc/dc 变换器。这种变换器在开关导通的时候，输入端的能量传输到输出端，因此称 为正激变换器。如图 3.4 所示，开关 s 按 pwm 方式工作，其导通占空比 d 受输出电压或电流信号控 制调节， d1是整流二极管，d2是续流二极管，l 为储能电感，c 为输出的滤波电容，变压器按照同名 端绕制。 + + 图 3.4 正激变换器电路 fig. 3.4 forward converter circuit 当开关导通时，理想状况下加在变压器一次绕组上的电压为 vi，那么就会在二次绕组上感应出电 压，此时 d1正偏而导通，d2反偏而截止， 电感 l 中的电流线性增长，其增长的速度与所加电压成正比， 与电感量成反比。 当开关截止时，因变压器二次电压极性反向，整流管 d1截止，电感电流经二极管 d2续流并为负载 提供输出电流，在此期间电感电流开始线性下降。同样，如果这个通断的过程不断重复，达到动态平衡 的时候，就可以在输出端得到一个稳定的电压输出。 单端正激变换器的纹波电压小，适用于中小功率的场合。 2. 单端反激式变换器 + + 图 3.5 反激变换器电路 fig. 3.5 flyback converter circuit 高频 x 射线机关键技术与系统开发 12 单端反激式变压器是在 buck- boost 变换器基础上演变而来的。如图 3.5 所示，在电路结构上比正 激变换器少了一只续流二极管和一个电感储能滤波器。 当开关导通时，将电源的能量储存在变压器的一次侧电感中。当开关截止时，将导通期间储存的能 量传输到二次侧负载，因此称为反激变换器。 单端反激式变换器输出的纹波电压大，电压和电流调整率低。要提高性能指标，可以增大滤波电容 和辅助 lc 滤波器，或者在二次侧再串联一线性集成稳压块，这样势必增大体积和成本，削弱了本来具 有的优点。因此，单端反激式变换器多用于小功率电源，且对电源性能指标要求不高的场合9。 3. 半桥变换器 半桥变换器实际上也是由两个单端正激变换器组合而成， 如图 3.6 所示,电容器 c1 和 c2 组成变换 器的一个桥臂，另一个桥臂由两个受 pwm 信号控制的开关承担，故称为半桥变换器，输出从两桥臂的 中点取出，接高频变压器隔离变压，两个 pwm 驱动信号互补10。 + + 图 3.6 半桥变换器电路 fig. 3.6 half- bridge converter circuit 由于开关器件特性的不对称，驱动电路的不对称等原因，会引起直流分量，产生偏磁并可能因积累 而使得变压器磁饱和，产生过大的电流，以致使变换器的损耗过大而降低效率，严重时甚至会烧毁开关 器件，因此在半桥电路中应有防磁偏措施。半桥电路可用于输入电压高，中等功率的场合。 4. 全桥变换器 全桥变换器的电路相当于两组双管正激式变换器电路的组合，如图 3.7 所示。它由四个开关器件组 成，每一桥臂有两个开关器件，对角两组开关器件的驱动 pwm 脉冲是互补的。高频变压器的一次侧接 在两路桥臂的中点，在电路形式上像一个电桥，且每个桥臂均由有源功率开关器件组成，故称为全桥变 换器11。 全桥变换器的变压器磁芯也工作在双磁化状态。同半桥变换器一样，全桥变换器也存在偏磁现象， 可能导致变压器磁饱和。 为防止同一桥臂上的两个开关器件同时导通的现象， 需要精心设计驱动电路和 抗干扰电路。 虽然全桥变换器的电路较为复杂些， 但在选用与半桥电路同样规格的开关器件时， 能够得到 2 倍于 半桥电路的输出功率。并且开关器件所承受的电压应力也较低，适合于高输入电压大功率的应用场合。 河北工业大学硕士学位论文 13 其开关器件的控制方式也比较灵活，有双极性 pwm 控制方式，有限双极性 pwm 控制方式和移相控制 方式。 + 图 3.7 全桥变换器电路 fig. 3.7 full- bridge converter circuit 3-2 高高压压电电源源设计设计 如前所述，系统需要设计一个高压电源，高压电路的示意图如图 3.8 所示，先把输入的交流 50hz 的市电整流滤波成直流电压， 经过高频逆变后送入高频变压器升压， 之后再经过 6 倍压整流电路得到所 需的 70kv 直流高压。下面就来设计各部分的具体电路。 图 3.8 高压电路示意图 fig. 3.8 diagram of high voltage circuit 3-2-1 逆变逆变电路设计电路设计 市电输入的 220v50hz 交流电经全桥整流并滤波后得到的直流电压约为交流的峰值电压， 计算可得 约为 310v，作为逆变电路的直流输入电压。根据本设计中的要求，以及系统正常工作时的功率计算， 考虑到系统的效率，并且参照上节中对各种变换器的分析，最后选择如图 3.7 所示的全桥变换器作为高 压电路中逆变电路的拓扑方式。 近些年大功率高频功率模块在工业中的应用越来越广泛，如可控硅、gtr、mosfet 和 igbt 等模 块。由于可控硅存在一些固有的缺陷，gtr 的驱动电路比较复杂等因素，因此近年来在高频逆变电路 中的使用越来越少，逐渐被 mosfet 和 igbt 所取代。 mosfet的全称是金属- 氧化层- 半导体- 场效晶体管， 但是由于工艺的改进， 现下的mosfet 中已经用多晶硅代替了原来的金属栅极，因此准确来说mosfet 应该是绝缘栅极场效应管。它 的开关速度非常快，峰值电流大，由于栅极采用的是 mos 工艺，与漏、源极是绝缘的，因此栅极的驱 高频 x 射线机关键技术与系统开发 14 动电路相对很简单，安全工作区宽，耐量高，热稳定性好，在小功率电子设备中得到了广泛应用。但是 由于导通特性受额定电压的影响很大，而且工作电压较高时，mosfet 固有的反向二极管导致通态电 阻增加，并且击穿电压低，工作电流小，因此在大功率电子设备中的应用受到很大限制12。 igbt 的全称是绝缘栅双极性晶体管，是由 bjt(双极结型晶体管)和 mos 组成的复合全控型电压 驱动式功率半导体器件, 兼有 mosfet 的高输入阻抗和 gtr 的低导通压降两方面的优点。 例如具有像 功率 mosfet 的容易驱动，安全工作区宽，峰值电流大，坚固耐用等特性。并且 igbt 像 gtr 一样是 少子器件，工作时，内部的结型场效应管 jfet 承受大部分电压，并且让 mosfet 承受较低的电压， 因此具有较低的导通电阻，有着非常好的导通特性，较高的击穿电压，适用于大功率的逆变电路。但是 igbt 的开关速度低于功率 mosfet，一般来说最高能够达到 30khz。 由于本设计中 x 射线机工作时的最高功率可以达到 1000w， 因此在前期的设计中选用的是仙童公司 的 igbt 作为全桥逆变电路的功率开关，可是在后期的调试过程中发现，所采用的 igbt 在不影响功率 的情况下，频率最高只能达到 30khz。在此频率下，后级倍压电路的电压跌落太大，导致高压不够，如 果增加高频变压器的升压倍数，那么就会导致变压器副边的匝间电压太高，容易烧毁副边的线圈，增加 副边线圈的话势必导致变压器体积的增大，等等一系列的后果。因此在精确计算了系统功率，考虑到倍 压跌落以及高频变压器的绕制和体积等问题之后， 选择了 ir 公司的功率 mosfet 作为逆变电路的开关 器件，极限功率可以达到 2000w，采用的频率是 100khz，完全可以满足系统的要求。全桥逆变器的控 制方式将在下一章中做具体分析。 3-2-2 高频升压变压器设计高频升压变压器设计 开关电源中的变压器工作在高频状态，分布参数的影响非常大，例如分布电容、漏感、以及电流在 导体中的集肤效应等，在实际计算的时候不能忽略。 变压器的漏感主要有励磁电感，原边漏感和副边漏感。其中励磁电感是原边产生磁效应的电感，对 副边来说没有用处，一般数值比较大，与原边电感并联起来可以忽略掉，而副边的漏感可以等效的折合 到原边，与原边线圈的漏感串联起来作为变压器的总漏感 ls。而至于分布电容，由于采用的是升压变 压器，副边的匝数要比原边多好多，因此主要是副边层间的分布电容比较大，起着主导作用。折合到原 边，用 cp来表示。等效的电路如图 3.9 所示。 ls cp t 图 3.9 变压器等效电路 fig. 3.9 the equal circuit of transformer 全桥电路中点输出的波形是方波， 那么在波形突变的过程中， 太大的漏感和分布电容会造成很大的 尖峰电压和浪涌电流，甚至会产生振荡，加大器件的损耗。因此在设计的时候应该重点考虑分布电容的 影响1317。 本设计中所采用的磁芯是应用最为广泛的铁氧体磁芯， 这种材料具有较高的饱和磁感应强度， 该参 河北工业大学硕士学位论文 15 数会直接影响变压器的功率。 并且由于磁芯材料的发热会导致变压器的损耗增大， 因此在实际工作的时 候，把变压器全部浸在了绝缘油中，第一为高压部分冷却，第二也能够防止高压端的放电现象。 变压器主要参数计算： 初级绕组匝数： 2 1 1 10 2 pon mc ut n ba = =50 匝 (3.4) 其中， 1p u为初级输入电压的幅值， on t为输入脉冲的宽度， m b为工作磁感应强度， c a是磁芯截 面积。 由于经过后级 6 倍压后的目标电压是 70kv， 因此变压器的次级电压 2p u为 12kv， 则次级绕组匝数： 2 21 1 p p u nn u =1940 匝 (3.5) 为防止初级电流的集肤效应，在绕制时