（通信与信息系统专业论文）安检设备用高频x射线源研制.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 x 射线源作为x 射线成像设备的核心部件，在医学和工业生产中具有广泛的应用。 利用x 射线的穿透性可以进行无损检测；利用x 射线的荧光效应可以进行物质的痕量 分析。而传统的x 射线源普遍采用工频高压型发生器，使得x 射线源的体积和重量大、 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。本文将开关电 源技术和单片机控制技术应用到x 射线源的研制中，设计并研制了一台额定管压 1 5 0 k v ，额定管流2 m a 的安检设备用高频x 射线源。 本文绪论部分介绍了x 射线源的基本结构，指出论文的课题来源及论文的主要研 究工作。第二部分对负载谐振型逆变器的工作原理和频率特性及高压电源的调压控制 方式进行了研究，根据x 射线源高压发生器输出电压调节范围宽、纹波小、稳定度高 的设计要求，选择了b u c k 电路斩波调压、并联负载谐振逆变器供电、多级倍压整流 的主电路拓扑结构。第三部分详细介绍了x 射线源主电路的设计过程，通过理论计算 给出了整流滤波电路，b u c k 调压电路，并联负载谐振逆变器，高频升压变压器、倍 压整流电路和灯丝电流源的设计参数，并对设计参数进行了仿真和实验研究。第四部 分建立了x 射线源高压发生器的闭环反馈控制模型，在模型的基础上分析了控制系统 的稳定性并设计了由比例积分( p i ) 调节器构成的滞后补偿网络；最后给出了闭环稳 压系统阶跃响应的仿真和实验结果。第五部分论述了x 射线源单片机控制系统的软硬 件设计。给出了硬件设计的电路原理图和软件的程序流程图。 最后对本文研制的x 射线源样机进行了实验测试，测试结果表明技术指标达到了 安检设备用x 射线源的要求。 关键词：x 射线源高压发生器闭环控制单片机 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a c t x - r a yh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya n dm e d i c i n es i n c ei tw a sf o u n di n1 8 9 5 ，s u c h a sn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o no fc a v i t i e si no b j e c t su s i n gx r a y sp r o p e r t yo fp e n e t r a t i o n , t r a c e e l e m e n ta n a l y s i su s i n gx - r a y s p r o p e r t yo ff l u o r e s c e n c e ，a n ds oo n h o w e v e r , t h e l o w f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra n dm u l t i p l ev o l t a g er e c t i f i e r sw e r eu s e dt og e n e r a t et h ed c h i g h v o l m g ef o rx r a yt u b ef r o m5 0 h z a cu t i l i t ys y s t e m t h e s ec o n v e n t i o n a lt y p e so f x - r a ys o u r c e sw e r eb u l k yi np h y s i c a ls i z ea n dh e a v yi nw e i g h ta n dt h ec o n t r o la c c u r a c i e so f t h eo u t p u tv o l t a g e sw e r en o ta l w a y ss a t i s f a c t o r y t h ed e v e l o p m e n to fah i g i l f r e q u e n c yx r a y s o u r c eu s i n gs w i t c h i n gp o w e r - s u p p l yt e c h n o l o g ya n dd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d i nt h ep a p e r t h ei n t r o d u c t i o no u t l i n e ss t r u c t u r eo fx - r a ys o u r c ea n dp o i n t so u tt h et o p i co r i g i n i n c h a p t e r2 ，c h a r a c t e r i s t i c so fv o l t a g eg a i nv e r s u sf r e q u e n c ya n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h e r e s o n a n ti n v e r t e ra l ea n a l y z e d s t r a t e g yo fa d j u s t so u t p u tv o l t a g ef o rh i g h v o l t a g eg e n e r a t o r i ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h v o l t a g eg e n e r a t o r , at o p o l o g ys t r u c t u r e w a sd e v e l o p e di n c l u d i n gab u c kc i r c u i t ，p a r a l l e l - l o a d e dr e s o n a n ti n v e a e f ，h i g h - v o l t a g e t r a n s f o r m e ra n dv o l t a g em u l t i p l i e r i nc h a p t e r3 ，t h ep a r a m e t e rd e s i g nf o rt h em a i nc i r c u i to f x - r a y s o u r c ei sp r e s e n t e d m a i nc i r c u i td e s i g ni n c l u d e ss i xu n i t s ：r e c t i f i e rf i l t e r , b u c k c i r c u i t , p a r a l l e l l o a d e d r e s o n a n ti n v e r t e r h i g h - v o l t a g et r a n s f o r m e r , v o l m g e m u l t i p l i e r , f i l a m e n tp o w e rs u p p l y t h ep a r a m e t e r so fc i r c u i ta r eg i v e na n ds i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s t u d i e sa r ec a r r i e do u t i nc h a p t e r4 ，t h ec l o s e - l o o pf e e d b a c kc o n t r o lm o d e lo fh i g h - v o l t a g e g e n e r a t o ri sc o n s t r u c t e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - v o l t a g eg e n e r a t o r a p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l ( p dc o n t r o l l e rt o p o l o g ya n dp a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t sa r eg i v e ni nt h ee n d i nc h a p t e r5 ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e rf o rx - r a ys o u r c ea r ep r e s e n t e d a tl a s t ，t h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h i s x r a ys o u r c eh a v e b e e np r o v e db y e x p e r i m e n t st ob ef u l l ya g r e e dw i t ht h ed e s i g n i n gt a r g e t s k e y w o r d ：x - r a y s o u r c e h i g h - v o l t a g eg e n e r a t o r c l o s e - l c o pc o n t r o l m i c r o c o n t r o l l e r l l 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主壹歪日期：z 竺乙! 丝 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：勉 导师签名：这么缸辞) 日 期：三! 空：主! ；9 兰州大学硬士学位论文 1 1 概述 1 绪论 x 射线是1 8 9 5 年德国物理学家伦琴( w k r o n t g e n ，1 8 4 5 1 9 2 3 ) 发现的，x 射线是一种波长很短的电磁辐射。其波长约为0 0 0 1 1 0 0 纳米之间。波长越短的x 射 线能量越大，q 做硬x 射线，波长长的x 射线能量较低，称为软x 射线。当在真空中， 高能电子流轰击金属靶时，靶就放出x 射线【1 1 。x 射线的发现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，为此1 9 0 1 年伦琴荣获物理 学第一个诺贝尔奖金。 x 射线的主要性质【h l 包括穿透作用、电离作用、荧光作用。穿透作用是指x 射线 通过物质时不被吸收的能力。x 射线能穿透一般可见光所不能透过的物质。可见光因 其波长较长，光子具有的能量很小，当射到物体上时，一部分被反射，大部分被物质 所吸收，不能透过物体；而x 射线则不然，因其波长短，能量大，照射在物质上时， 仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。x 射 线穿透物质的能力与x 射线光子的能量有关，x 射线的波长越短，光子的能量越大， 穿透力越强。x 射线的穿透力也与物质密度有关，密度大的物质，对x 射线的吸收多， 透过少；密度小者，吸收少，透过多。利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质 区分开来。这正是x 射线透视和摄影的物理基础。电离作用是指物质受x 射线照射时， 使核外电子脱离原子轨道。在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电子脱离其 原子的过程叫一次电离，这些光电子或反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击 原子逸出电子n - - 次电离。在固体和液体中电离后的正、负离子将很快复合，不易 收集。但在气体中的电离电荷却很容易收集起来，利用电离电荷的多少可测定x 射线 的照射量：x 射线测量仪器正是根据这个原理制成的。荧光作用，由于x 射线波长很 短，因此是不可见的。但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等 时，由于电离或激发使原子处于激发状态，原子回到基态过程中，由于价电子的能级 跃迁而辐射出可见光或紫外线，这就是x 射线的荧光作用。 由于x 射线具有这些特性。使其在医学诊断、工业无损检测、安全检查、基础科 兰州大学硕士学位论文 学研究等领域得到广泛的应用【j 。 x 射线应用于医学诊断：主要依据x 射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧 光作用。由于x 射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的x 射线量比肌 肉吸收的量要多，那么通过人体后的x 射线强度就不样，这样便携带了人体各部密 度分布的信息，在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大 差别，因而在荧光屏上或摄影胶片上( 经过显影、定影) 将显示出不同密度的阴影。根据 阴影浓淡的对比，结合临床表现、化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是 否正常。 x 射线应用于工业无损检测：在工业生产中经常采用x 射线来对工业零部件进行 探伤，检查零部件有没有砂眼、裂纹等缺陷。特别是一些关键的安全部件( 例如汽车 制造业中的一些铸件) 生产厂商必须保证其产品的质量是信得过的，而铸件的砂眼或 其他内部隐蔽缺陷可能会对其最终用户造成严重的伤害。一张简单的x 射线图像，使 得许多造成次品的原因一目了然。 x 射线应用于安全检查：在机场、车站等人员流动较密集的地方，x 射线被用于 检查旅客的行李中是否带有可疑及危险物品。集装箱码头上采用大型高能x 射线工业 c t ，可以协助海关人员，在不打开集装箱的情况下，快速方便的把夹杂在集装箱里的 可疑走私物品查出来。 x 射线在基础科学研究领域被广泛用于晶体结构分析，由于晶体的点阵结构对x 射线可产生显著的衍射作用，x 射线衍射法( x r d ) 已成为研究晶体结构、形貌和各 种缺陷的重要手段，例如通过蛋白质结晶进行x 射线衍射实验仍然是测定蛋白质三级 结构的主要方法，人类已知结构的绝大部分蛋白质都是经由这种方法测定获得的。另 外通过x 射线光谱和x 射线吸收可以进行化学分析和原子结构的研究。 随着工业技术的不断发展，x 射线源技术也有了很大的发展，主要进展可分为以 下几个阶段1 4 l ： 离子x 射线管阶段：这是x 射线设备的早期阶段。当时x 射线源的结构非常简单， 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 的高压部件，更没有精确的控制装置。x 射线源装置容量小、效率低、穿透力弱。 电子x 射线管阶段：随着电磁学、高真空技术及其他学科的发展，钨灯丝x 射线 管逐渐取代了含气式冷阴极离子x 射线管，它的最大特点是钨灯丝加热到白炽状态以 2 兰州大学硕士学位论文 提供管电流所需的电子，所以调节灯丝的加热温度就可以控制管电流，从而使管电压 和管电流可以分别独立调节，使得x 射线源装置容量增加、效率得到一定的提高。 工频x 射线源阶段：随着高压变压器和高压电容器的制成和倍压电路、全波整流 电路等新电路相继投入应用。一种将工频交流电经过升压后再倍压整流供给x 射线管 阴、阳两极直流高压的供电装置出现，由于采用高压变压器和倍压电路。使射线管获 得了更高的管电压，穿透力得到了很大提高。但由于采用工频进行升压和倍压，使得 输出的高压纹波大，控制精度差，装置的体积很大。 高频x 射线源阶段：随着电力电子技术和控制技术的发展，功率晶体管( g t r ) ， 功率场效应管( m o s f e t ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 及绝缘栅晶体管( i g b t ) 等 全控型电力电子器件相继研制成功，适合于高频化应用的功率变换新技术也相继出现， 使得x 射线源的研制正向着高频化、大功率、小体积高效率的方向发展。 1 2 论文的选题及主要研究工作 本文涉及的课题为横向课题“安检设备专用x 射线源研制”，以x 射线检测技 术为核心的安检设备，能够在不打开旅客行李的情况下迅速检查出其中的可疑及危险 物品，因而在机场、海关、铁路、交通、公共安全等部门得到了广泛的应用。 安检设备主要是由x 射线源和图像采集系统两部分组成，而检测影像的质量很大 程度上受x 射线源性能的影响。因此提高x 射线源性能对提高安检设备的整体性能起 着至关重要的作用。而传统的x 射线源普遍采用工频高压型发生器，使得x 射线源的 体积和重量大、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。 为了减小x 射线源的体积、重量，提高输出x 射线的品质，x 射线源高压发生器的高 频化是关键。随着现代电力电子技术和新型电力电子器件的迅速发展，用技术先进的 高频高压发生器替代传统的工频高压发生器是目前x 射线源技术发展的主要方向。本 文根据设计要求，采用谐振功率变换技术使x 射线源高压发生器的供电频率达到2 0 k h z 左右，从而大大降低了x 射线源的体积和重量，同时提高了输出x 射线的品质。 由于x 射线的产生需要三个基本条件1 1 ，4 1 ：( 1 ) 电子发射源；( 2 ) 高压电场；( 3 ) 金属靶。因此x 射线源一般包括x 射线管、高压发生器和灯丝电流源三个部分。 x 射线管主要由阴极、阳极和玻璃壳三部分组成，阳极和阴极封装在高真空度的 玻璃壳内。阴极( 钨丝) 在高温下可发射足够数量的电子，这些电子在阴阳两极高压 1 兰州大学硕士学位论文 作用下被加速成为高能电子流。当高能电子撞击钨( 或钼) 靶时，电子动能转换为两 部分能量：其中不到l 能量转换为x 射线能量；而9 9 以上能量转换为阳极热量， 加速了阳极靶面的温升。x 射线管分为固定阳极x 射线管和旋转阳极x 射线管，两者 结构区别主要体现在阳极上，前者主要由钨靶面和传热的铜体构成，后者主要由靶面、 转子、转轴、定子及轴承组成。旋转阳极x 射线管分为低速管( 3 0 0 0 转分) 和高速管 ( 9 0 0 0 转，分) 两类。为减少磨损和防止共振，旋转阳极x 射线管一般都有制动装置。 x 射线管放置在x 射线管管室中，两者之间充满了用于绝缘和冷却的变压器油。 高压发生器的主要作用是供给x 射线管阴、阳两极直流高压。灯丝电流源的主要 作用是加热x 射线管阴极( 钨丝) ，使阴极( 钨丝) 在高温下发射足够数量的电子。x 射线管阴、阳两极直流高压使x 射线管阴极( 钨丝) 在高温下发射的电子加速成为高 能电子流。 本课题要求的主要技术指标为： 1 、x 射线源高压发生器：额定电压：1 5 0 k v ；电压调节范围：5 0 k v 1 5 0 k v ，电 压稳定度：0 1 ( 8 小时内) ；电压纹波系数0 1 ；额定电流：2 m a 。 2 、x 射线管的阴极灯丝电流源：额定电流：5 a ；电流调节范围：0 - s a ，电流稳 定度：o 1 ( 8 小时内) ；额定电压：1 0 v 。 3 、x 射线源高压发生器和x 射线管的阴极灯丝电流源均预留有4 2 0 m a 的标准 控制信号接口和r s 2 3 2 的通信接口，可以远动控制管电压和管电流的大小。 论文的主要研究工作包括： 1 、对负载谐振型逆变器的工作原理和频率特性及高压电源的调压控制方式进行了 研究，根据x 射线源高压发生器输出电压调节范围宽、纹波小、稳定度高的设计要求， 选择了b u c k 斩波电路调压、并联负载谐振逆变器供电、多级倍压整流的高压发生器 主电路拓扑结构。 2 、对b u c k 斩波调压电路、并联负载谐振逆变器、高压升压变压器、倍压整流电 路进行了设计，通过理论计算给出了设计参数，并对设计参数进行了仿真和实验研究。 3 、建立了高压发生器主电路的闭环反馈控制模型，在模型的基础上分析了控制系 统的稳定性并设计了由比例一积分( p i ) 调节器构成的滞后补偿网络；最后给出了闭环 稳压系统阶跃响应的仿真和实验结果。 4 、设计了x 射线源单片机控制系统的软硬件。 4 兰捕大学硕士学位论文 最后在上述研究的基础上研制完成了一台安检设备专用x 射线源样机，经实验测 试，技术指标达到了安检设备用x 射线源的要求。 兰州大学硕士学位论文 2 1 引言 2x 射线源高压发生器主电路拓扑结构研究 x 射线源主要由x 射线管、高压发生器和灯丝电流源组成，高压发生器的主要作 用是供给x 射线管阴、阳两极直流高压。使x 射线管阴极( 钨丝) 在高温下发射的电 子加速成为高能电子流，当高能电子流轰击金属靶时产生x 射线。 为了获得直流高压，早期通常采用以下方法1 5 】： 1 ) 将工频交流电通过升压变压器升压，在变压器次级采用半波或全波整流方法获 得直流高压输出。这种方法的优点是电路结构简单，容易设计。缺点是当要求的输出 电压较高时，若要在变压器次级直接获得高压输出，必然使变压器的次级绕组匝数过 多。由于变压器绕组的层间寄生电容和线间寄生电容的影响，在变压器工作时会出现 很大的充放电电流和噪声。 2 ) 采用倍压整流电路将变压器次级较低电压倍压整流成直流高压。这样变压器的 变比可以相对较低，其高压绕组还可一点接地。这种电路使高压发生器的输出电压通 过增加倍压级数可以达到很高。但由于早期的倍压回路采用工频供电，由倍压线路可 知，高压发生器输出电压的电压波动幅度和负载电压降落均与供电频率成反比，为了 抑制输出电压波动幅度和负载电压降落的增大，利用增大电容量，限制负载电流的方 法。高压发生器的体积、重量大，效率低。 3 ) 采用中频发电机组和晶闸管中频逆变装置为倍压回路供电，供电频率有了很大 提高，使电压波动幅度和负载电压降落大大减小，电容量也相对减小，输出电流增大， 但这两种方式各有优缺点，中频发电机组技术成熟，结构简单可靠，但效率低，噪声 和体积大，由于发电机组的惯性，稳压性能差，晶闸管逆变装置稳压性能较前者好， 但晶闸管是半控器件，故障保护有一定困难，同时两者的频率很难有再大的提高。 近年来随着功率谐振变换技术的发展和全控型电力电子器件的出现，采用全控型 电力电子器件的负载谐振型逆变器在高压发生器的设计中得到广泛应用【5 1 。负载谐振 型逆变器通过适当增加谐振元件，使其功率开关管在零电压或零电流条件下导通或关 断，从而大大减小功率开关管的导通损耗和关断损耗，减小开关噪声，降低开关应力， 使电路的工作频率得到很大的提高。负载谐振型逆变器主要有串联负载谐振逆变器， 6 兰州大学硕士学位论文 并联负载谐振逆变器和串并联负载谐振逆变器三种基本形式【1 6 切。 2 2 负载谐振型逆变器 2 2 i 串联负载谐振逆变器 串联负载谐振逆变器结构如图2 - 1 所示，开关器件q 1 - q 4 采用功率场效应管， d 1 d 4 为功率场效应管自身的反并联二极管，在电路中起续流作用。l 为谐振电感，c 为谐振电容，r l 为负载等效电阻。 e d 3 i ) 4 e ( a ) 电路原理图( b ) 电路原理等效图 图2 - 1 串联负载谐振逆变器 f i g 2 1s e r i e s - l o a d e dr e $ o l w m ti n v e r t e r 由基波分析法【1 删可知，对串联负载谐振逆变器而言，输入的电压可以等效为一 个正弦量k ，负载可以用一个等效电阻吃来表示，其等效电路如图2 - 2 所示。 巧 图2 - 2 串联负载谐振电路 f i g 2 2s e r i e s - l o a d e dr e s o n a t l tc i r c u i t 由等效电路可得传递函数为： 7 + 、毛 兰州大学硕士学位论文 1 其中： 一y 万 ( 2 1 ) ( 2 2 ) q sm t o s r l - 1 o , s crl(2-3) 由( 2 1 ) 式，可得串联负载谐振电路的频率特性曲线如图2 3 所示，横轴为开关 频率与谐振频率的比值，纵轴为输出电压与输入电压的比值，即电压增益。 1 2 1 0 o 8 暑0 6 o 0 4 0 2 o o ! q 曩篁o 锄1。赊 、 乙 ， 臻腻 劢7 “锄 埝 k 惫a 。劢歹 n z 缓 多；“； q s 2 ： 0 40 5 0 6 0 70 80 91 01 11 21 31 41 51 6 f f s 图2 - 3 串联负载谐振电路的频率特性曲线 f i g 2 3f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e r i e s - l o a d e di c s o l l a n tc i r c u i t 2 2 2 并联负载谐振逆变器 并联负载谐振逆变器如图2 4 所示。交流量的输出由串联负载谐振逆变器的正弦 电流改为谐振电容上的电压。l 为谐振电感，c 为谐振电容，r l 为负载等效电阻。 8 兰舞f 大学硕士学位论文 e ( a ) 电路原理图 e ( b ) 电路原理等效图 图2 4 并联负载谐振逆变器 f i g 2 4p a r a l l e l l o a d e dr e s o n a n ti n v e r t e r 由基波分析法【1 s - m l 可得并联负载谐振逆变器的等效电路如图2 5 所示 v i l 图2 - 5 并联负载谐振电路 f i g 2 5p a r a l i e l - l o a d e dr e s o n a n tc i r c u i t 由等效电路可得传递函数为： 1 + 、，o 0 4 ( 2 4 ) 其中： n ，。历( 2 - 5 ) q ，一r l 珊，l 一吃万石 ( 2 6 ) 由( 2 4 ) 式，可得如图2 - 6 所示的并联负载谐振电路的频率特性曲线。 9 兰州大学硕士学位论文 1 2 1 0 8 兽 6 0 = 1 0 l fo p = 8 | 却奶；| 刚7i o i ：a 从一 q 够心 沁 - - 0 40 60 81 01 21 41 6 铘 图2 - 6 并联负载谐振电路的频率特性曲线 f i g 2 6f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a r a l l e l - l o a d e dr e s o n a n tc i r c u i t 2 2 3 串并联负载谐振逆变器 e 串并联负载谐振逆变器如图2 7 所示，它相当于在并联负载谐振逆变器的基础上 串联了一个电容。l 为谐振电感，c s 、c p 为谐振电容，r l 为负载等效电阻。 ( a ) 电路原理图 e 叭 ( b ) 电路原理等效图 图2 - 7 串并联负载谐振逆变器 f i g 2 7s e r i e s - p a r a l l e l - l o a d e dr e s o n a n ti n v e r t e r 兰蝌大学磺士学位论文 采用同样的分析方法可得其等效电路如图2 8 所示 l c 8 图2 - 8 串并联负载谐振电路 f i g 2 8s e r i e s p a r a l l e l l o a d e dr e s o n a n tc i r c u i t 由等效电路可得传递函数为： f 划 i v , ( j o j ) i l + g o 一 当c s - c ，时( 2 - 7 ) 可表示为： l 堡剑 i v m , o ) l 1 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 其中： g o p 一0 3 s v 扯c s ( 2 9 ) qs-s毛溶l(2-10) 由( 2 8 ) 式，可得串并联负载谐振电路的频率特性曲线，如图2 - 9 所示。横轴为 开关频率与谐振频率的比值，纵轴为电压增益。 为了保证开关功率管可靠工作，一般开关频率总低于电路的谐振频率，以使一个 桥臂上的两个功率开关管的关断与导通之间能有一个死区时间，以免发生桥臂直通短 路。通过对三种负载谐振型逆变器频率特性曲线分析可以看出并联负载谐振逆变器当 开关频率小于谐振频率电压增益相对比较大，有利于减小升压变压器的变比。 兰州大学硕士学位论文 e m o 4 3 2 0 q s = o |l o s ：1 l 八 名灸= 2 勿搽， 乏戮。i 。n 蓬蓬 0 00 51 01 52 0 f l f s 图2 - 9 串并联负载i 皆振电路的频率特性曲线 f i g 2 9f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e r i e s - p a r a t l e l - l o a d e dr e s o n a n tc i r c u i t 2 3 并联负载谐振逆变器的工作原理和负载特性 2 3 1 电路的工作原理 并联负载谐振逆变器如图( 2 - 4 ) 所示，根据开关频率，的不同，并联负载谐振逆 变器有三种工作方式【捌： 1 1 ) 当，c 妄，p 时，谐振电感电流不连续。 二 2 ) 当妄，pt ，t ，p 时，即低于谐振频率工作，谐振电感电流连续。 3 ) 当，厂p 时，即高于谐振频率工作，谐振电感电流连续。 由于谐振电感电流断续工作方式只在空载和轻载的时候才出现，在正常负载时都 工作在电流连续方式，因此，只讨论电流连续工作方式。电流连续工作方式又可以分 为开关频率低于谐振频率和开关频率高于谐振频率两种情况。开关频率过高，不利于 开关管的稳定运行。开关频率低于谐振频率时，电路的工作模式分为四个，如图2 1 0 所示，l 为谐振电感、r 为谐振电感的等效电阻、c 为谐振电容、r l 为负载等效电阻。 1 2 兰州大学硕士学位论文 e e ( a ) o i , q 4 导通 ( c ) q 2 q 3 导通 e e ( b ) d 2 ，d 3 导通 ( d ) d 1 , d 4 导通 图2 - 1 0 并联负载谐振逆变电路的工作状态 f i g 2 1 0s c h e m a t i co fp a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r 工作模式l ；如图2 1 0 ( a ) 所示电路工作在输入功率模式下，电源向谐振槽路提供 能量。 当q i ，q 4 导通时，得下列微分方程组： 限+ 三妄地一e i 。如+ p c 等， ( 2 1 1 ) c 争心+ 等等m 争一 解此二阶常微分方程得： ( 2 1 2 ) 堑也 丑 i 玩 即 兰州大学硕士学位论文 驴一( 会+ 妇v i 西rt 耐12 司1 - + 牵r 州f 孑协 髓6 i 会+ 赤击a + p l ，2 - 一6 j o ,n ，一n ，0 2 6 2 ，为谐振频率。 2 历1u + 一r 一。瓦r + 面1 j 2 ( 2 - 1 4 ) 当o l ，0 4 导通时，初始条件：i 一0 h 。( 0 ) - e 代入通解式； 。o ) 一4 e - , - 鸣e 阜 ( 2 - 1 5 ) 卜。鬻。撕， l a 2 e ( 2 - l p 1 ) 一 ”e 1 鬻州篙学m r l e 4 陋c o s “+ 扣丝s i n 耐】 ，e 生e 一4 【堕c o s 耐+ 旦s i nc a “。e ! 生p 一6 s i n q ，c o s + c o s 妒s i n “】 ( 2 1 7 ) 模式2 ：如图2 - 1 0 ( b ) ，续流二极管d 2 ，d 3 导通，功率开关管0 2 、0 3 两端的电 模式3 ：如图2 - 1 0 ( c ) 电路工作在输入功率模式下，电源向谐振环节提供能量。当 0 2 ，0 3 导通时，可得同样的负半周表达式，h 。的全波表达式为： c 。意吣血似训( 2 - 1 8 ) 1 4 兰州大学碗士学位论文 续流二极管d 1 ，1 3 4 导通，功率开关管q 1 、q 4 两端的电压分别被续流二极管d 1 ，1 3 4 箝位到零。 2 3 2 负载特性 由( 2 1 4 ) 式可知，当负载电阻r l 较大时谐振频率只取决于谐振回路的l ，c 和r ，谐振回路参数确定后，谐振电感l ，谐振电容c 及谐振电感的等效电阻r 均 不再变化，负载电阻r l 的变化对( 2 1 4 ) 式几乎无影响。这种电路的缺点是：谐振 电流较大。需选用较大容量的开关器件，虽然增加了成本，但在负载变化大，又要求 工作频率非常稳定的场合，这种电路是适合的选择。 图2 1 1 ( a ) 和图2 - 1 1 ( b ) 是谐振频率与谐振电感等效电阻r ，负载电阻r l 的关 系图，从图中可以明显看出对，影响的大小，负载r l 在较大范围变化时。谐振频率，p 几乎没有变化，而当谐振电感等效电阻r 有变化，谐振频率厂p 将发生很大改变。 、 ( a ) 谐振电感等效电阻与谐振频率的关系 r 且国 ( b ) 负载与谐振频率的关系 图2 一l l 谐振频率与回路参数的关系 f i g 2 1 1v a d a t i o no fr e s o n a n tf r e q u e n c yw i t he q u i v a l e n t - r e s i s t a n c ea n dl o a d - “塔i s b n c e 2 4 高压供电电源的调压方式 一般来说，高压供电电源的调压有三种可选的方案【1 0 - 1 2 ；晶闸管移相调压；逆变 兰州大学硕士学位论文 桥移相调压；直流斩波调压。三种方案在一定程度上均能满足闭环稳压的需要，但各 有优缺点。晶闸管移相调压，功率因数低，谐波污染严重，对电网和精密仪器的工作 有不良影响，动态响应慢：逆变桥移相调压，虽然动态响应快，但调压范围窄，输出 波形产生畸变：直流斩波调压则具有调压范围宽，无谐波污染，功率因数高，输出波 形无失真，动态响应快等优点。以现有技术条件，宣采用直流斩波调压方式。b u c k 电 路是目前应用较多的一种直流斩波调压电路。 2 4 1b u c k 电路的工作过程 b u c k 电路组成如图2 - 1 2 所示。电路完成把直流电压v s 转换为直流电压v o 的功 能【2 1 氆】。 t l n 1 - 一。 c 卡r 5 图2 - 1 2b u c k 电路原理图 f i g 2 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fb u c k c i r c u i t - 蛭 l = = = = l l + v b v s ( a ) 工作状态l 工作状态2 图2 - 1 3 理想b u c k 电路的工作状态 f i g 2 1 3e q u i v a | e n tc f f c u i tt o p o l o g i e so fb u c k c i r c u i t 理想的b u c k 电路在一个开关周期内有两种不同的工作状态如图2 - 1 3 所示。 工作状态1 ：如图2 1 3 ( a ) 所示，功率场效应管t 导通时，电流一i 。流过电感 l ，在电感未饱和前，电流线性增加，在负载r 上流过电流，。，两端输出电压v o ，极 1 6 兰州大学硕士学位论文 性上正下负。i s ，o 时，电容在充电状态。这时二极管d 承受反向电压。 工作状态2 ：如图2 1 3 ( b ) 所示，功率场效应管t 关断时，由于电感l 中的磁场 将改变电感l 两端的电压极性，以保持其电流t 不变。负载两端的电压仍为上正下负。 在f c i 。时，电容处在放电状态，有利于维持l ，不变。这时二极管d 承受正向偏 压为电流i ，构成通路。 工作中输入电流，在功率场效应管t 导通是，0 ，功率场效应管t 关断时， i ；- 0 故是脉动的，但输出电流，o ，在l 、d 、c 作用下却是连续的、平稳的。 2 4 2b u c k 电路主要关系式 电路工作时按电感电流t 在周期开始时是否从零开始，可分为电感电流连续工作 模式和电感电流不连续工作模式两种【2 1 1 ，如图2 1 4 所示。 i l l l 0群了 i t l t 2 i d , z s 广i _ d 2 r s - - - 1 7 t 毛叫 ( a ) 电感电流连续 余a 二 d 。瓦：d ：毛i 瓦叫 ( b ) 电感电流不连续 图2 - 1 4b u c k 变换器两种工作模式波形图 f i g 2 1 4 t o w m o d c s o f b u c k c i r c u i t 下面首先分析在电感电流连续工作模式下输出电压与功率场效应管t 导通时闻占 空比d t 的关系。 设功率场效应管t 的开关周期为弧，导通时间为t 。一d 。r s ，关断时间为 t ：一t 。= d ：瓦；d 。c 1 ，为导通时间占空比，d ：t l ，为关断时间的占空比，且 1 7 兰州大学硕士学位论文 d 1 + d 2 - 1 。在输入电源电压v s 和输出电压v o 保持小爻的前提f ，当t 导通时，电 感电流线性上升，其变化量为： 虬一r 气一v 5l - v o o 。b ( 2 1 9 ) 当t 关断时，电感电流线性下降，其变化量为： 舰2t 产l v o d 2 五 ( 2 2 0 ) 由于稳态时这两个电流变化量相等，即a i 。一l 越。：i ，因此有： 半喁一鲁一- - 鲁( 1 _ d i ) b ( 2 - 2 ) 整理可得： v o 一攻d 1 电压增益为：m v o d 1 ( 2 2 2 ) 由式( 2 - 2 2 ) 可以看出电压增益由功率场效应管t 导通时间占空e d 。决定，与负 载电流大小无关，变化器有很好的外特性。 当电感l 较小，负载电阻r 较大，或t s 较大时，将出现电感电流己下降到0 ，新 的周期却尚未开始的情况。当新的周期来到时，电感电流从0 开始，电路进入电感电 流不连续的工作模式。此时，由( 2 2 1 ) 式整理得： v o - d l d + i d 2 v s ( 2 2 3 ) 其中：d ，为功率场效应管t 关断、续流二极管导通时间占空比。 此时，d 。+ d ：1 。通过计算可得电感电流不连续的情况下的b u c k 电路的电压 增益为： m 堡 略 2 ( 2 2 4 ) 兰州大学硕士学位论文 其中一c 。志 综上所述，b u c k 电路电压增益特性曲线如图2 - 1 5 所示。其中吒分别取0 0 0 5 、 0 0 2 、0 1 。 图2 - 1 5b u c k 电路电压增益特性曲线 h g 2 1 5g a i nc h a r a c t e r i s t i co fb u c k c i r c u i t 电感电流连续与不连续的临界条件为： 连续状态 = i a l 2 i o 临界状态 二i a i l 2 l 不连续状态 = ia i l 2 i o 临界时有：瓦v o 。：瓦一百v o 整理得： 譬瓦t 告 临界电感可表示为： 小d 2 2 r t ，一笔一岳铲丢帅t ， 其中：l ，为l 临界电感量( h ) o 1 9 ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) o 8 6 4 2 o 1 o 0 o 0 o 兰州大学硕士学位论文 为输出电压( v ) ； 丘为开关工作频率( h z ) ； b 为变换器输出功率，昂一，。( w ) 。 纹波电压为： a 一暂似一言专争争一a 盯l 2 t 。 将( 2 2 0 ) 式代入( 2 2 7 ) 式可得： - 去( f ：_ 冯- v 8 。d c 2 t 。2 2 5 高压发生器主电路框图 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 综上所述，根据x 射线源高压调节范围宽、纹波小、稳定度高的设计要求，选择 了b u c k 电路斩波调压、并联负载谐振逆变器供电、多级倍压整流的主电路结构，如 图2 1 6 所示。 2 6 小结 图2 1 6 高压发生器主电路框图 f i g 2 1 6b l o c kd i a g r a mo fh i g h - v o l t a g eg e n e r a t o r 本章首先对高压供电电源中经常采用的三种负载谐振型逆变器进行了分析，详细 兰州大学硕士学位论文 论述了并联负载谐振逆变器的工作原理和负载特性；其次对高压供电电源的调压方式 进行了介绍，详细分析了b u c k 电路的工作过程并得出了用于b u c k 电路设计的主要 关系式。 兰州大学硕士学位论文 3 1 引言 3 x 射线源的主电路设计 x 射线源的主电路原理如图3 1 所示，整流二极管d 1 一d 4 及滤波电容c o 组成整 流滤波电路将输入的2 2 0 v 5 0 m 工频交流市电，进行整流滤波后，得到大约3 0 0 v 左 右的直流母线电压。功率场效应管q o 、续流二极管d 6 、滤波电感l l 和滤波电容 c