（机械电子工程专业论文）x射线管直流高压电源的研制及其远程控制的实现.pdf

摘要 本文以x 射线管工作电源为研究对象，介绍了用于x 射线管的直流 高压电源的研发过程及其远程控制的实现。文中详细介绍了电源系统 的主电路及其控制系统的设计，并以r s 一4 8 5 总线为媒介，实现了电源 系统的远程控制功能。 本论文的主要研究内容如下： 1 在了解当前国内外x 射线管直流高压电源系统的基础上，提 出了本文所研究的电源系统的结构组成及实现原理，并重点研究了电 源系统的关键实现技术：高频p w m 方波的发生机理和并联负载谐振 电路的工作原理及负载特性。 2 设计了x 射线管直流高压电源主电路。对电源主电路的主要 功能模块的进行了功能分析，对相关参数进行了详细的计算和设计。 3 设计了x 射线直流高压电源的控制系统。电源控制系统以单 片机a t m e g a l 6 为核心，实现电压电流输出稳定、过压过流保护等功 能；通过r s 一4 8 5 总线与上位机通信，接受上位机的远程控制以及将电 压电流采样信号发送给上位机。 ： 4 利用r s 一4 8 5 总线开发了电源的远程控制系统。系统采用主从 式控制结构，设计了相应的通信协议，研究和设计了通信系统的硬件 电路和软件程序，最后分析了总线通信的抗干扰措施。 实验结果表明，本文所研发的x 射线管直流高压电源具有良好的 可靠性和实用性，在工业生产行业具有积极的经济效应，对直流高压 电源技术的发展有一定的促进作用。 关键词高压直流电源，高频p w m ，远程控制，r s 一4 8 5 总线 a bs t r a c t t h i sp a p e rt o o kt h ex r a yt u b ep o w e rs u p p l ya sar e s e a r c ho b j e c t a n dd e t a i l e d l yi n t r o d u c e dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o c e s so fd i r e c t c u r r e n th i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yu s e df o rx r a yt u b ea n di t sr e a l i z a t i o n o fr e m o t ec o n t r 0 1 t h ed e s i g no ft h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o ls y s t e m o ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mw e r ed e t a i l e d l yi n t r o d u c e di nt h ep a p e r ，a n d r s 4 8 5b u sw a st a k e na sc o m m u n i c a t i o nm e t h o dt or e a l i z et h er e m o t e c o n t r o lf u n c t i o no ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e rw e r ea sf o l l o w s ： 1 o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gd i r e c tc u r r e n th i g hv o l t a g ep o w e r s u p p l ys y s t e mf o rx - r a yt u b eb o t hh o m ea n da b r o a d ，t h em a k e u po ft h e p o w e rs u p p l ys y s t e mr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ra n di t sr e a l i z a t i o ns t r a t e g y w e r ep u tf o r w a r d s o m ek e yt e c h n i q u e sd u r i n gt h er e a l i z a t i o no fd c h v p o w e rs u p p l yw e r ee x p r e s s l yr e s e a r c h e d ：t h eo c c u r r e n c ep r i n c i p l eo fh i g h f r e q u e n c yp w mq u a d r a t ew a v e sa n dw o r kp r i n c i p l eo fr e s o n a n ti n v e r t e r e l e c t r i cc i r c u i t 2 t h em a i nc i r c u i to fh i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tp o w e rs u p p l yf o r x r a yt u b eh a db e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h ef u n c t i o no fl e a d i n g m o d u l e so ft h em a i nc i r c u i tw e r ea n a l y z e de a r n e s t l y ，a n dt h er e l a t e d p a r a m e t e r so f t h o s em o d u l e sw e r ed e t a i l e d l yc a l c u l a t e da n dd e s i g n e d 3 t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed i r e c tc u r r e n th i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l y f o rx r a yt u b ew a sd e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ep o w e rs u p p l y t o o kt h em i c r o p r o c e s s o ra t m e g al6a st h ec o r e ，t or e a l i z et h ef u n c t i o n s s u c ha ss t e a d yv o l t a g e s t e a d yc u r r e n to u t p u t 、o v e rv o l t a g e o v e rc u r r e n t p r o t e c t i o ne t c t h r o u g ht h er s 一4 8 5b u s t oc o m m u n i c a t ew i t hp c ，t h e m i c r o p r o c e s s o ra c c e p t e dt h er e m o t ec o n t r o ls i g n a lf r o mt h ep ca n ds e n t t h ef e e d b a c kv o l t a g e c u r r e n ts a m p l i n gc o n v e r t e dd a t at op c 4 t h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mb e t w e e np ca n dm i c r o p r o c e s s o r sw a s d e v e l o p e db a s i n go nr s - 4 8 5b u s t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma d o p t e dt h e m a s t e r - s l a v ec o n t r o ls t r u c t u r ea si t sa c c e s sc o n t r o l s t r a t e g y c o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t 、h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e p r o g r a m sw e r ep r o p e r l yd e s i g n e dt or e a l i z ei t sf u n c t i o n a n t i - i n t e r f e r e n c e m e a s u r eo fc o m m u n i c a t i o nw a sa l s oa n a l y z e da tt h ee n d t h er e s u l to fe x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ed i r e c tc u r r e n th i g hv o l t a g e p o w e rs u p p l yf o rx - r a yt u b ed e s i g n e d i nt h i s p a p e rg o t i t sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sr e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y i th a da c t i v ee c o n o m y b e n e f i ti ni n d u s t r i a lm a n u f a c t u r ea p p l i c a t i o na n dh a dc e r t a i np r o m o t i o n e f f e c t so nt h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fd c h vp o w e rs u p p l y k e yw o r d sh v d cp o w e rs u p p l y ，h i g hf r e q u e n c yp w m ，r e m o t e c o n t r o l ，r s - 4 8 5b u s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： ：睡避日期：塑盟年上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：越导师签名雄日期：盟年卫月三日 中南人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究目的与意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于深圳圣科科技有限公司和中南大学联合研发的x 射线管直流 高压电源。 1 1 2 课题研究目的与意义 由于本论文所研究的电源针对于x 射线管，所以应用场合与x 射线密切相 关。x 射线的主要性质包括穿透作用、电离作用、荧光作用等【l , 2 1 。穿透作用是 指x 射线通过物质时不被完全吸收的能力，x 射线因其波长短、能量大，照射 在物质上时仅一部分被物质所吸收，另一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；密度小的物质，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，这也是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，使物质原子核外电子脱离 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，使被击原子再 次逸出电子叫二次电离。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 射线电离室和正比计数器等是根据这个原理制成的。荧光作 用是指x 射线照射到某些荧光物质时，由于电离或激发使原子处于激发状态， 原子退激回到基态过程中，由于价电子的能级跃迁而辐射出可见光，这就是x 射线的荧光作用。 由于x 射线具有上述一些特性，使其在医学诊断、工业无损检测、安全检 查、基础科研究等领域得到广泛的应用【3 ，4 ，5 1 。而x 射线在上述领域的应用中，为 了达到最理想的效果，要求x 射线的强度在应用过程中变化要尽量小，以保证 所检测到的结果更切近实际情况，而保证x 射线管正常稳定工作的前提就是要 为其提供稳定的工作电压和工作电流，即要能为x 射线管提供能稳定可靠工作 的直流高压电源。本文的研究目的即是研发出一套能稳定可靠工作的x 射线直 流高压电源，能实现输出电压和输出电流的持续可调；同时为使操作人员远离高 压和辐射等现场恶劣环境，要为电源设计一套可实现远程控制的方案。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 研究x 射线管直流高压电源具有很重要的实际应用价值和良好的经济效益， 由于国内的x 射线管直流高压电源基本上还都以进口为主；虽然一些单位和科 研机构已开始自主研制，但普遍存在着控制精度低、实时响应慢、监测手段落后、 发生故障时不能自我保护等缺点，而引进的国外同类产品成本高、维修困难等； 同时，考虑到研发的x 射线管直流高压电源在经过调整后，还可以应用到其他 领域如激光器等，本文所研究的x 射线管直流高压电源具有非常重要的工业应 用价值，有着实际应用背景。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 直流高压电源研究现状与发展趋势 高压直流电源有着广泛的应用领域，电力系统中广泛地应用于高压电气设备 的直流耐压和泄漏试验，如电力系统避雷器、电力电缆、变压器绕组及发电机的 现场试验；工业中通过放电用于环保的静电除尘、污水处理、激光器等；医学方 面用于x 光机、c t 等大型设备；科研上用于高能物理、等离子体物理；军事上雷 达发射器、脉冲点火技术等【6 ，7 1 。 高压直流发生器最重要的指标就是输出直流电压特性。国家对直流高压试验 的电压有特别的规定：直流试验电压系指其算术平均值，直流电压的脉动幅值是 最大值与最小值之差的一半；脉动因数为脉动幅值与算术平均值之比。一般规定 加于被试品上的直流试验电压的脉动因数不应大于3 。这要求直流高压发生器 输出电压要达到一定的品质。目前实际生产中对这一指标的要求越来越高，这就 需要在电路结构和设计原理上进行新的研究以满足实际需要。 然而作为x 射线测厚系统或x 射线荧光分析设备中的重要组成部分高压直流 电源有许多仍以工频硅整流电源为主。由于工频硅整流电源体积大、笨重、电源 效率低，直接影响了设备的使用效果。随着电力电子技术及开关器件的发展，如 新理论、新技术的指导，新器件、新材料的进步以及控制的智能化等等，使用高 频开关电源替代传统的工频硅整流电源成为一种发展方向。利用开关电源技术产 生比工频高上千倍频率的方波或正弦波，从而可大大减小升压变压器的体积和重 量、提高功率因素等，这也是高压直流电源的重要发展趋势。在高频丌关电源的 控制上，过去多采用模拟电路，存在着电路设计复杂、控制算法简单、系统调试 困难等难以克服的缺点。而随着微电子工艺水平的提高，单片微型计算机有了飞 跃的发展，单片机或d s p 已被应用于各种要求实时处理、实时控制的自动控制系 统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电机控制系统 等。采用单片机或d s p 可以用软件设计来替代复杂的硬件模拟电路设计，调试方 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 便。 用电力电子器件产生直流高压的一般性原理见图1 1 ，交流电源经整流滤波 单元1 整流、滤波后变成低压直流，再经过逆变单元2 逆变成高频方波电压，然后 经高频高压变压器和倍压整流单元3 将电压升高到直流高压，反馈单元6 将输出的 高压信号反馈到控制单元5 ，控制单元5 触发逆变单元2 电路中开关管的导通，只 要通过调整控制单元5 的触发预置电压，就可调节直流高压的输出电压。单元4 是触发单元5 的辅助电源。采用开关电源技术的高压直流电源具有体积小、重量 轻、控制精度、稳定度高、纹波系数低、保护速度快等优点，因此它必然在高压 直流电源中有更广泛的应用 8 , 9 , 1 0 】。 图卜1 直流高压电源原理框图 在国外，从7 0 年代丌始，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3 k h z 左右的中频，然后升压；美国g e 公司生产的a m x 移动式x 光机 把蓄电池供给的直流电逆变成5 0 0 h z 的中频方波送入高压发生器，从而减小体积 和重量。进入8 0 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 体管做主开关元件，将电源的开关频率提高至l j 2 0 k h z 以上；并将干式变压器技术 成功地应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一 步减小。近十年来，随着电力电子技术的进步和开关器件的发展，高压开关电源 技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高：如p h i l i p s 公司3 0 k w 以下移动式x 光机的x 射线发生装置频率达3 0 k h z 以上，德国的霍夫曼公司高压发生器频率高 达4 0 k h z ，9 8 年以后通用电气公司和瓦里安公司都研制成功1 0 0 k h z 的x 线机发生 器。另外，高压开关电源的功率也在不断地提高，1 0 3 0 k w 的大功率高压开关电 源技术在产品应用中已相当成熟，更高功率的高压开关电源也有很快的发展，如： 用于雷达发射机的1 4 0 k w 高压开关电源( 俄罗斯) ；用于脉冲功率技术中的3 0 0 k w 大功率恒流充电电源( 美 e e v 公司) 等。中频电源技术的发展和电力电子器件、 微处理器、控制理论等学科的发展紧密联系在一起。电力电子器件和控制技术的 发展使得更高频成为可能，出现了各种软开关电源。微电子集成技术的发展为电 力电子控制技术提供了新的思路，由最初的分立元件发展到集成电路、大规模集 成电路再到后来的微处理器的出现，都为高频电源的控制技术带来了极大的便 中南大学硕上学位论文第一章绪论 利。近年来，电力电子器件的研究和制造水平取得了突飞猛进的发展，出现了许 多新型的电力电子器件和线路，电力电子器件正朝着场控化、高集成化、大容量 化、高频化的方向发展。近年来，t i 、m o t o r o l a 、a d i 等公司相继推出了适 用于开关电源使用的单片机或d s p 芯片，且功能越来越完善，性能也越来越优越。 可以看出，开关电源经历了由低频到高频，由模拟控制到数字控制的过程， 发展的主要趋势是频率和功率的不断提高； 我国自8 0 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”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目2 0 0 k v 高 压直流丌关电源的研制，输出功率达2 0 k w ；国家自然基金资助项目( 6 9 8 7 1 0 0 2 ) 产生高浓度臭氧用2 0 k h z 高压逆变电源的研制，电源的转换效率 8 0 ，输出功率 最高达2 0 k w ，电源体积降至原体积1 5 ，臭氧发生器体积降为原来1 1 6 ，体积质 量最高可达2 5 0 咖3 ，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，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流高压逆变为高频电压，然后 由高频变压器升压，最后整流为直流高压，在电阻负载条件下，输出直流电压达 到5 5 k v ，电流达到1 5 m a ，工作频率为2 5 6 k h z 。目前国内采用最多的是用脉宽 调制和中频逆变来实现直流高压发生器的设计，一般采用1 0 k h z 一4 0 k h z 的脉宽调 制和中频逆变，经多级倍压整流得到直流高压。此类设备的特点是体积小、重量 轻、控制精度高、稳定度高、纹波系数低、保护速度快。 在我国开关电源的控制领域，利用单片机参与控制的研制已经有了较大的发 展。单片机的加入，使得开关电源的控制技术朝着全数字化、智能化和网络化的 方向发展，对电力电子技术的发展起到了巨大的推动作用。总之，我国高压开关 电源技术已取得了很大的进步，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。 目前设计的直流高压发生器主要存在以下一些问题： 1 电路结构复杂。如功率器件的驱动电路和反馈控制电路设计过程复杂， 这提高了设计的难度，使得开关电源技术推广困难。 。 2 保护电路不够完善。在输出短路或试品击穿时保护可能不起作用，仪器 智能化程度不高。 3 在泄漏电流的测量上存在着问题。由于安全问题，目前大多数直流高压 发生器都采用外接微安表远距离目测的方式实现泄漏电流的测量，这种方式使用 起来十分不便。 1 2 2r s 4 8 5 总线在工业控制中的应用与发展 随着数字通信技术的发展和智能仪表同益广泛的应用，在一个控制系统中往 往由多台微机组成，为了解决点对多点、远距离通信的问题，工业总线也随之产 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 生。串行通信是c p u 与外界进行信息交换常用的一种方式，是指数据按顺序进 行位传输的一种通信方式。串行通信的主要优点是硬件传输资源需求较少，只要 几根数据传输线即可进行，从而降低了硬件成本。 r s 2 3 2 标准是由美国e i a 于1 9 6 9 年公布的通信协议。它适用于传输数率在 0 , - - 2 00 0 0 b i t s 范围内的通信。r s 2 3 2 串口标准目前已经在微机通信接口中广泛采 用，它不仅已被内置于每一台计算机，同时也已经被内置于从微控制器到主机的 多种类型的计算机以及相连接的设备。r s 2 3 2 接口电路的驱动能力要比t t l 电 路大，抗干扰能力也大大提高，虽然r s 一2 3 2 具有很多优点，而且应用非常广泛， 但是它也存在以下问题： 1 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与1 v r l 电平不 兼容故需使用电平转换电路方能与t t l 电路连接。 2 串口在p c 系统中应用十分广泛，p c 机可以有多个串口，但是系统不可 能为每一个串口分配一个唯一的终端请求信号，并且大多数微控制器只有一个硬 件串口。 3 抗噪声干扰性弱，接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的 传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰；传输距离有限，最大传输距离实际 上只能在5 0 米左右。 相对于r s 2 3 2 的通信距离短、抗干扰能力差等缺点，r s 4 8 5 具有网络连接 方便、抗干扰性能好、传输距离远等优点。r s 4 8 5 收发器采用平衡发送和差分 接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测到低 达2 0 0 m v 的电压，可靠通信的传输距离可达数千米。使用r s 4 8 5 总线组网，只 需一对双绞线就可实现多系统联网构成分布式系统，设备简单、价格低廉、通信 距离长。随着r s 4 8 5 总线型网络控制系统的推广与发展，系统中计算机集中控 制系统可同时监控多个单元的工作过程，使每个单元的工作按“集中控制、独立 操作”的方式进行，各自独立操作，互不干扰等优点使r s 4 8 5 总线结构在中小型 d c s 系统中得到了广泛的应用。但是r s 4 8 5 总线在抗干扰、自适应、通信效率 等方面仍存在缺陷，一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故 障；同时其他功能更为强大的现场总线如c a nb u s 、p r o f ib u s 等在大型控制 系统中得到了广泛的应用。但在中小型的简单控制系统中，基于r s 4 8 5 网络的 控制系统仍具有极大的开发研究价值 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 1 3 本文的研究任务和内容结构 1 3 1 本文研究任务 中南人学硕士学位论文第一章绪论 本论文针对当前国内市场上x 射线管电源的需求及发展趋势，以实现x 射线 管稳定工作为目的，对x 射线直流高压电源进行储备研发。本论文首先研究了x 射线管直流高压电源的总体设计方案，在此基础上进行了主电路设计和控制系统 的设计；为了在操作时有效避免意外高压泄露和辐射危险，设计了电源的远程控 制方案，以r s 一4 8 5 总线为媒介，实现了电源的可远程控制。 在电源系统的研发过程中，本文着重分析和研究了以下几个关键问题： 1 x 射线管直流高压电源的输出电压和输出电流的持续可调。用于给x 射线 管供电的电源必须能实现电源输出电压和输出电流的持续可调以满足不同x 射 线强度的现场需要。 2 x 射线管直流高压电源输出电压和输出电流的稳定以及过压过流的自我 保护。为使相关的测量结果与实际尽量相近，x 射线管在工作过程中要保持高稳 定度，能自动地根据反馈结果及时地调整输出与设定值相一致；在检测到发生过 压过流的情况时能迅速判断输出以实现电源系统的自我保护。 3 x 射线管直流高压电源友好的人机界面。系统由上位机的控制软件程序 界面中输入数字控制信号进行远程控制，电源系统采样当前的输出电压电流值反 馈给上位机进行参数显示；同时电源系统机箱上也配有键盘输入和液晶显示以实 现本地人机对话。 4 基于r s 一4 8 5 总线的电源可远程控制的设计。为有效避免操作人员可能会 遇到的高压和辐射等现场恶劣环境，同时也便于整个系统在上位机中集中管理， 电源采用r s 4 8 5 总线来实现电源与上位p c 机的通信，从而达到远程控制电源的 目的。 1 3 2 本文内容结构 本文内容结构如下： 第一章绪论。综述了课题的来源、研究目的和意义，x 射线管直流高压电 源及r s 2 3 2 、r s 4 8 5 总线的发展状况及趋势，并简要介绍了本论文的主要研究 任务及内容结构。 第二章x 射线管直流高压电源总体方案设计。在分析x 射线管直流高压电源 的技术需求的基础上，阐述了电源系统的关键实现技术，最后介绍了电源系统的 结构组成和直流高压发生器的实现原理。 第三章x 射线管直流高压电源主电路设计。这一章节详细介绍了直流高压 电源主电路的设计过程，详细地分析了各主要功能模块的工作原理和相关参数的 设计和计算。 第四章x 射线管直流高压电源本地控制设计。分析了整个本地控制的功能 需求和实现方案，然后分别设计了本地控制的硬件和程序，并对主要控制程序进 6 中南大学硕上学位论文第一章绪论 行了相应的说明和设计。 第五章基于r s - 4 8 5 总线电源系统远程控制的实现。以r s 4 8 5 总线为传输媒 介，实现了上位机与电源系统控制器的数据通信，从而完成了电源系统的远程控 制和数字控制。章节中详细设计了相关的通信协议、硬件电路和软件程序。 第六章实验与结果分析。利用实验室现有的设备和条件，对电源的关键组 成部分，如逆变谐振电路、r s 一4 8 5 通信电路等进行了实验，并对实验结果进行了 详细分析，结果表明设计完全达到系统的要求。 第七章总结。总结了本文所完成的主要工作、创新点以及电源须进一步完 善的地方。 7 中南人学硕一l j 学位论文第二章x 射线管直流高压电源总体方案设计 第二章x 射线管直流高压电源总体方案设计 2 1x 射线管对电源的技术要求 针对特定的工业现场所采用的x 射线管，对本次所研发的直流高压电源除 了要求体积小，安装方便等外形要求，还有以下一些技术要求： 1 电网输入电压：采用市用交流电，2 2 0 v 5 0 h z ； 2 输出电压：0 5 0 k v 之间连续可调，电压波动范围为设定电压的1 ，电 压超过5 5 k v 时即为过压，电源能自动切断电压输出； 3 最大管电流：2 m a ； 4 灯丝电流：0 - 3 a 之间连续可调，灯丝电流超过3 5 a 时即为过流，电源 能自动切断电流输出。 2 2 电源实现的关键技术研究 2 2 1 高频p w m 方波的发生机理 从前一章节可以知道，当前直流高压电源的主要发展趋势是电源体积越来越 小，功率越来越大。传统的直流高压电源所采用的将工频电压直接升压或升压后 再倍压的方法显然不再适用，提高升压前交流电压的频率能大大减小升压器的体 积，因此高频化成为了电源小型化的首选方案。 u v o a b 图2 - 1 高频p w m 方波发生原理 目前直流高压电源中高频p w m 方波的产生多数是借助于专用的p w m 发生 输出 中南人学硕上学位论文 第二章x 射线管直流高压电源总体方案设计 芯片，如s g 3 5 2 5 、u c 3 8 2 5 、t i a 9 4 等，其工作原理如图2 1 所示：p w m 芯片在 内部高频振荡器的作用下输出高频的锯齿波，此频率一般是由外接的r 、c 元件 来决定。若给p w m 芯片输入一个参考比较电压信号，则此比较电压信号在经过 误差放大器放大后，与内部振荡器产生的锯齿波进行比较产生脉宽调制信号，输 出的脉宽调制信号再经分相器分成两路互不重叠的a 、b 两路脉宽信号，通过调 节给定比较电压值来输出不同占空比的p w m 方波 1 4 , 1 5 , 1 6 】。 此方法可以产生变压器所需的高频p w m 方波，但也存在着其固有的缺点： 外部电路复杂且精度不高，o h p w m 信号的频率和死区时间通过外接r 、c 元件来 决定，不方便改变；输入比较电压值容易受外界的干扰产生变化而导致输出p w m 波占空比发生意外变化，所以本文采用高稳定的相频修j q - p w m 功能来产生高频 p w m 方波。 2 2 2 并联谐振电路工作原理与负载特性 近年来随着全控型电力电子器件的出现，采用全控型电力电子器件的在高压 发生器的设计中得到广泛应用，p w m 电路由于其较强的可控性成为逆变电路的 首选。传统p w m 变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作有开通和 关断损耗大、感性关断问题、容性丌通问题及二极管反向恢复等四大缺陷，妨碍 了开关器件工作频率的提高。 克服以上缺陷的有效办法就是采用软开关技术。最理想的软开通过程是：电 压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零。另外，因 器件开通前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开通问 题，这意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题 亦不复存在。最理想的软关断过程是：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态 值，所以关断损耗