本文關(guān)鍵詞：X光機電源設(shè)計與研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

工業(yè)中可以用來探傷；這樣的啟示，1895年11月8日倫琴在研究射線管；skvto士75kv);電壓紋波:低頻紋波應(yīng)在輸；壓電源、三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器[‘J，也是本論文閉；中，玲為輸出電壓;幾為輸出電流Dmax為最大占空；

工業(yè)中可以用來探傷。X光也可激發(fā)熒光、使氣體電離、使感光乳膠感光，故X光可用于電離計、閃爍計數(shù)器和感光乳膠片等檢測。由于晶體的點陣結(jié)構(gòu)對X射線可產(chǎn)生顯著的衍射作用，所以X光衍射法已也是研究晶體結(jié)構(gòu)、形貌和各種缺陷的重要手段。正是基于X光的這些優(yōu)良特性，使得X射線發(fā)生器一X光機在我們的日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中有著極其廣泛的應(yīng)用，比如在車站、機場入口處的安檢門、安檢通道等就是X光機的典型應(yīng)用，還有醫(yī)院用于檢查身體的醫(yī)用X光機更是醫(yī)生做出正確診斷所必不可缺少的工具……產(chǎn)生X光的有效途徑為X光機。在X光發(fā)現(xiàn)幾年之后，隨著歐洲迅猛發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)，真正可以實用的X光機也投入生產(chǎn)，到現(xiàn)在，經(jīng)過近一個世紀(jì)多的發(fā)展，X光機工業(yè)也有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，新技術(shù)、新工藝不斷的融入了X光機，比如采用最新的開關(guān)電源技術(shù)可以極大的減小X光機的體積和重量，采用微機控制可以最大程度的降低X光機對操作人員的輻射，DSC的使用等等，綜合起來，現(xiàn)在X光機主要朝著這么幾個方向發(fā)展:操作簡單化、體積輕便化、控制智能化、成本低廉化。但是當(dāng)前X光機產(chǎn)品基本上被少數(shù)幾家外國公司壟斷，國內(nèi)的企業(yè)由于技術(shù)老化加上體制問題，在殘酷的市場競爭中一直處于劣勢。本論文正是結(jié)合當(dāng)前X光機的市場需求以及發(fā)展趨勢，為X光機這種特殊負(fù)載研制合適的電源，使得國產(chǎn)X光機在技術(shù)上、成本上擁有更強的市場競爭力，所以本論文的研究有很好的實際用途和市場前景。1.2X光的產(chǎn)生原理X光是由加了適當(dāng)電源的X射線管發(fā)出的，射線管實際上是具有陰極和陽極的真空管，陰極用鎢絲制成，通電后可發(fā)射出電子，陽極用高熔點金屬制成(一般用鎢，用于晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線管還可用鐵、銅、鎳等材料)。用幾萬伏至幾北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文十萬伏的高壓加速電子，電子束轟擊靶極，X光就從靶極發(fā)出。具體過程為:在射線管的陽極和陰極燈絲的加數(shù)萬伏的高壓，同時給陰極燈絲單獨供電，當(dāng)燈管燈絲加熱到一定的溫度時，其中的自由電子擺脫原子核的束縛而發(fā)射出來，在高壓電場的加速下，電子撞擊陽極板，X光就從陽極板發(fā)射出來，如圖1一1所示。本論文的的目的就是設(shè)計出這種能為X射線管供電的電源。X射線小|l‘l.es|︵|.|‘.，.|水奮tl燈絲電流控制器全J〕二玉王二〔二〔二二二高壓控制器+卜圖1一IX光發(fā)生原理示意圖Fig.l一 1SketehofX一 raygeneration任何新事物的發(fā)現(xiàn)都是相當(dāng)不易的事情，而且機遇也只給那些有準(zhǔn)備的人。同樣，X光的發(fā)現(xiàn)者倫琴也可以給我們這

這樣的啟示，1895年11月8日倫琴在研究射線管氣體放電時，用一只嵌有兩個金屬電極的密封玻璃管，在電極兩端加上幾萬伏的高壓電，用抽氣機把玻璃管抽成真空。為了遮住高壓放電時的弧光外泄，在玻璃管外面套上一層黑色紙板。當(dāng)他在暗室中進(jìn)行這項實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)距離玻璃管兩米遠(yuǎn)的地方，一塊用鉑氰化鋇溶液浸洗過的紙板發(fā)出明亮的熒光。再進(jìn)一步試驗，用紙板、木板、衣服及厚約兩千頁的書，都遮擋不住這種熒光。更令人驚奇的是，當(dāng)用手去拿這塊發(fā)熒光的紙板時，競在紙板上看到了手骨的影像。當(dāng)時倫琴認(rèn)定:這是一種人眼看不見、但能穿透物體的射線。因無法解釋它的原理，不明它的性質(zhì)，故借用了數(shù)學(xué)中代表未知數(shù)的“X’，作為代號，稱為“X’，光。這就是X光的發(fā)現(xiàn)與名稱的由來。X光的發(fā)現(xiàn)在人類歷史上具有極其重要的意義，它為自然科學(xué)和醫(yī)學(xué)開辟了一條嶄新的道路。1.3X光機電源系統(tǒng)的總體設(shè)計通過前文關(guān)于X光發(fā)生原理的介紹，很容易聯(lián)想到X光機電源系統(tǒng)的大致情況，電源系統(tǒng)主要包括高壓控制器電路、燈絲電流控制器電路、控制電路、輔助第一章緒論電源和遠(yuǎn)程監(jiān)控等幾個部分。當(dāng)電源系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，首先通過PC機設(shè)定射線管的電壓和電流值，設(shè)定值通過通信模塊送到高壓發(fā)生器模塊和燈絲供電模塊，從而控制射線管的電壓和電流值，而射線管的電壓電流值通過通信模塊反送回PC機，實現(xiàn)實時監(jiān)控。X光機電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1一2所示。輸入22OV工頻交流電，整流之后經(jīng)有源功率因數(shù)校正模塊(APFC)實現(xiàn)功率因數(shù)校正，采用APFC可以降低產(chǎn)品對電網(wǎng)的危害作用，也使產(chǎn)品適應(yīng)電網(wǎng)電壓變化的能力增強，理論上，電網(wǎng)提供的輸入電壓在10ov到250v之間，電源系統(tǒng)依然可以正常工作[ll。APFc的400v直流輸出分別送入高壓控制器和燈絲電流控制器，高壓控制器的輸出經(jīng)升壓變壓器和倍壓電路處理后輸出即為X射線管兩端電壓，而燈絲電流控制器的輸出經(jīng)降壓變壓器處理后即為燈絲電流。電源系統(tǒng)框圖如圖1一2所示，必須說明的是包括升壓變壓器、降壓變壓器、倍壓電路、分壓電路、采流電阻和射線管在內(nèi)的這些部分是被封裝在真空設(shè)備中(圖中虛線框內(nèi)模塊)的，其設(shè)計與調(diào)試不在本論文的范圍之內(nèi)。圖1一2電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.l一 2FrameworkofX一 rayPowersystemX光機電源具體的技術(shù)要求如下:一一一一一一一一一一韭魚塑生題吐，輸入功率要求電網(wǎng)輸入電壓:loovAc一260vAc， 50Hz/60Hz;電網(wǎng)輸入電流:SA(最大有效值);今射線管的兩端電壓要求電壓范圍:75一150Kv(正負(fù)倍壓電路各輸出士37.

skvto士75kv);電壓紋波:低頻紋波應(yīng)在輸出電壓峰峰值的1%之內(nèi);過壓保護(hù):定義為大于170kv持續(xù)loms;令射線管的電流要求工作范圍:0.1一1，ZmA;令射線管的燈絲供電電路輸出電流:3.2士0.2AmPs輸出電壓 :3.5Vrms.4論文的主要研究內(nèi)容本論文主要是針對當(dāng)前x光機電源系統(tǒng)進(jìn)行俊計與研究。具體內(nèi)容如下:(1)X光機高壓控制器主電路，控制電路和驅(qū)動電路設(shè)計和調(diào)試;(2)X光機燈絲電流控制器主電路，控制電路和驅(qū)動電路設(shè)計和調(diào)試;(3)X光機輔助電源設(shè)計和調(diào)試;(4)X光機APFC設(shè)計和調(diào)試;(5)X光機電源控制系統(tǒng)建模、參數(shù)計算等;(6)數(shù)字控制軟、硬件的設(shè)計，包括控制算法的實現(xiàn)、PC監(jiān)控軟件設(shè)計。第二章高壓控制器設(shè)計第二章高壓控制器設(shè)計2.1高壓控制器主電路的設(shè)計高壓控制器的主要任務(wù)就是將市電經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，成為75kV一150kV的直流電壓，該電壓用于射線管兩端產(chǎn)生高壓電場以加速電子，從而使電子以較高能量撞擊靶極產(chǎn)生X光。以上的敘述是X射線電源的基本原理，在X光機誕生的一百多年里，這一點并沒有改變，只是隨著半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步，具體實現(xiàn)高壓的方法經(jīng)歷了很大的變革。較早使用的方法是晶閘管調(diào)壓法，也就是市電經(jīng)過可控整流之后再逆變輸出，在這一過程中通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來調(diào)節(jié)整流后的直流電壓以達(dá)到調(diào)壓的目的。這種方法的不足之處是顯而易見的，由于晶閘管的開關(guān)頻率不可能很高，所以勢必造成整個X光機電源系統(tǒng)特別是后面變壓器既笨重而且體積龐大，此外還會給電網(wǎng)極大的諧波污染Iz]。基于傳統(tǒng)X光機電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺陷，本論文提出一種全新的電路設(shè)計思路:采用MOSFET代替晶閘管從而極大地提高開關(guān)頻率以降低電源系統(tǒng)的體積和重量;在前端采用APFC使電路的功率因數(shù)達(dá)到1以克服對電網(wǎng)的諧波污染;斬波電路部分采用BUCK變換器使電路的結(jié)構(gòu)和調(diào)壓更加簡單;逆變部分采用半橋電路，以解決輸出波形伏秒不平衡的問題，且逆變電路可以設(shè)置固定的頻率和脈寬，對實現(xiàn)軟開關(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。具體的設(shè)計如圖2一1所示。BBBUCKKKKK半橋逆 .....升壓變 .....倍壓整整整卜x射線 線變變換器器器變電路 路路壓器 器器 流 流流 管 管400voeLfCfCOM倍壓電路圖2一1高壓控制器主電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2一 1TOPologyofHigh一 VoltController該主電路主要有幾個模塊:BUCK模塊，半橋逆變模塊，升壓變壓器，倍壓電路模塊等。北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文2.1.1Buck變換器設(shè)計Buck變換器又稱降壓變換器、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)

壓電源、三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器[‘J，也是本論文閉環(huán)調(diào)壓的核心電路，Buck電路設(shè)計的成敗直接決定了整個電源系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定度和精度，所以電路參數(shù)的選擇一定要依據(jù)精準(zhǔn)的計算和工程設(shè)計經(jīng)驗來決定。1.電路原理簡介圖2一2所示為由以占空比D工作的晶體管界、二極管Dl、電感L、電容C組成的Buck變換器，電路完成吧直流電壓嶺轉(zhuǎn)換成直流電壓Vo的功能。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，有電流i，二紅流過電感線圈L，電流線性增加，在負(fù)載R上流過電流I。，兩端輸出電壓Vo，極性上正下負(fù)。當(dāng)i;之I。時，電容在充電狀態(tài)。這時二極管Dl承受反向電壓，經(jīng)時間幾雙后，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，由于線圈L中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持器電流i:不變。負(fù)載R兩端電壓仍是上正下負(fù)。在紅‘Io時，電容處于放電狀態(tài)，有利于維持Io、氣不變，這時二極管D，承受正向偏壓為電流幾構(gòu)成通路。由于變換器輸出電壓代小于電源電壓凡，所以即實現(xiàn)了降壓。工作中輸入電流is是脈動的，但輸出電流幾在電感L、二極管D，、電容C的濾波作用下卻是連續(xù)平穩(wěn)的。MOSFETCIR圖2一ZBuck電路原理圖Fig.2一 2SehematieofBuekConverter2.占空比D工作范圍的確定屹是Buck電路的輸入，玲是Buck電路的輸出。由于嶺是經(jīng)有源功率因數(shù)校正器(APFC)的輸出，故在額定功率時基本保持恒定約為直流400V，考慮一些極端的不穩(wěn)定情況，給電路增加一些裕量，設(shè)計為上下變化45V，故Vs(min)一355V，呱 max)=445v;從前面的介紹中可以得知，Buck電路的輸出要經(jīng)過半橋逆變、升壓變壓器和倍壓整流電路一系列的“升壓”環(huán)節(jié)，通過調(diào)整Buck電路的輸出來控制整個高壓控制器的輸出電壓，倍壓電路的倍壓級數(shù)為16，升壓變壓器的匝數(shù)比為第二章高壓控制器設(shè)計22.5:1440。當(dāng)BUCK電路輸出為75v時，逆變輸出頻率30KHz，峰峰值75V的交流，經(jīng)過升壓變壓器之后升為峰峰值4800V交流，再經(jīng)16倍壓電路之后輸出為38400V(倍壓電路輸出約為交流峰值的整數(shù)倍)，再加上正負(fù)兩級倍壓，輸出為7680OV，這是理論值，考慮到元件上的電壓降，此時的輸出約為7500oV，即為75kV，其他等級的輸出電壓也是同樣的當(dāng)理，此處不再論述。考慮到電源系統(tǒng)要求的最終輸出電壓在75kV一150kV，可以將Buck電路的輸出Vo設(shè)計為:玲(max)一375V，Vo(m、n)一75V，將數(shù)據(jù)代入公式2一l魚竺、D:蘭竺嶺(max)嶺‘nun)(2一1)得到:蘭<D<些445355(2一2)考慮到死區(qū)時間以及D的物理意義(D不能大于1)，確定D的范圍為0.2<D<0.83.電感值L的計算及設(shè)計從相關(guān)的參考文獻(xiàn)可以得知，Lc=玲刀maxTs2Io電感的計算公式為:(l一Dm訪)RTs’2(2一3)其

中，玲為輸出電壓;幾為輸出電流Dmax為最大占空比;Dm‘。為最小占空比;R為負(fù)載電阻;Ts為開關(guān)周期。在X光機電源系統(tǒng)設(shè)計初期進(jìn)行仿真時，Buck電路的負(fù)載電阻大約為2000幾，當(dāng)開關(guān)頻率為IO0kHz時，將以上數(shù)值代入公式2一3可得到:幾=(l一 0.2)x2000x10一，2二smH根據(jù)工程經(jīng)驗，通常取電感量為臨界連續(xù)電感量的1.2倍，所以當(dāng)開關(guān)頻率為100kHz時，選取L=l.ZLc=9.6mH。電感在工程上常用的設(shè)計方法通常有兩種[ll:面積乘積法和幾何參數(shù)法，但是AP法相對于幾何參數(shù)法在計算上以及原理上都更容易理解，在這里就只對AP法北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文進(jìn)行簡要的介紹。磁心窗口面積A*、磁心截面積A。的乘積AP與可儲能的值LI’有正比的關(guān)系，于工作磁感應(yīng)強度B二、電流密度J、窗口面積使用系數(shù)K。是反比的關(guān)系，具體表達(dá)式為公式2一3:A尸=A尸A。=L尸B附湯丫。(2一4)上式說明只要相關(guān)參數(shù)選值合適，電流I就會產(chǎn)生合適的溫升，這就是按照AP法設(shè)計電感的原理。經(jīng)過一系列的推導(dǎo)，公式2一4可以推導(dǎo)出電感的表達(dá)式2一5，具體推導(dǎo)過程可以參考相關(guān)文獻(xiàn)，此處不再詳細(xì)論述。:=旦蘭竺蘭、10一SHl:+l二/刀。通常情況下，z:)l。/產(chǎn):，上式可以化簡為L=0.4左入zlg生、10一8萬(2一5)其中，l。為電感氣隙。經(jīng)過大量的計算，最終設(shè)計出電感如圖2一3所示圖2一 3Buck電路電感器照片F(xiàn)ig.2一 3InduetorPhotoofBuekConverter4.電容值的計算及并聯(lián)泄放電阻的選取Buck電路電容計算公式為。_Von，2七一麗河“ma·’:(2一6)其中，△Vo為紋波電壓，工程上的經(jīng)驗值一般為小于輸出電壓的0.5%，即△玲/玲<0.5%，所以將相關(guān)參數(shù)代入公式2一6，可知第二章高壓控制器設(shè)計c_里望蘭8x9.6xo.sx(10一，)’=2.08解實際取4.7解，400V的電解電容。為了避免電容被持續(xù)的充電，需要在電容兩端并聯(lián)一個功率電阻，如果Buck的最大輸出電壓為375V，則選取100kQ電阻的損耗為大約為0.14w，所以選擇功率電阻為10Ok貝，IW.5.峰值電流的計算ITr一Iz+合AI!一會·告令氣·:(2一7)其中，Rm，為最小的負(fù)載電阻，代入相關(guān)參數(shù)可以得知峰值電流為2.63A。5.功率開關(guān)與二極管的選擇開關(guān)電源中的功率開關(guān)晶體管是影響電源可靠性的關(guān)鍵器件，，開關(guān)電源所出現(xiàn)的故障中約60%時開關(guān)管引起的〔門，所以開關(guān)管的選擇在電源設(shè)計中就顯得尤為重要。由于MOSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單級型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲存時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非�？斓拈_關(guān)速度，適用于高頻率場合，所以在本論文中使用MOSFET作為開關(guān)管。通常，MOSFET的

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