基于UC移相控制技術(shù)的X射線管電源的研究

基于UC移相控制技術(shù)的X射線管電源的研究第1頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)1.1本課題研究背景近年來，X射線檢測裝置在工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、醫(yī)學(xué)、工業(yè)用X射線測厚儀、無損檢測等領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用，而且其具有安裝方便、重量輕、可靠性高、故障率低等許多優(yōu)點。但由于高壓直流電源技術(shù)的滯后阻礙了X射線檢測裝置的發(fā)展，所以如何解決高壓直流電源技術(shù)在X射線檢測裝置中的應(yīng)用成為人們越來越關(guān)心的問題。本課題就是為了解決這一問題，提出了基于UC3875移相控制技術(shù)的X射線管電源的研究。1本課題的研究理論基礎(chǔ)第2頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)1.2X射線管概況如圖1所示，X射線管主要由陰極、陽極和玻璃管三部分組成，陽極和陰極封裝在高真空度的玻璃殼內(nèi)。圖1.1X射線的產(chǎn)生原理第3頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)1.3傳統(tǒng)高壓直流電源圖1.2傳統(tǒng)高壓直流電源缺點：所用設(shè)備、組件的電壓較高，體積、重量和占地面積大。電壓質(zhì)量差，紋波系數(shù)比較大。解決辦法：電路的高頻化。提高工作頻率就可以減少變壓器繞組的匝數(shù)以及減小鐵芯的尺寸，從而使得變壓器小型化。第4頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)1.4全橋逆變整流電路圖1.3全橋逆變整流電路

存在的問題：在提高開關(guān)頻率的同時，開關(guān)損耗以及電磁干擾都相應(yīng)的增大了，電路效率嚴(yán)重下降。解決的方法：軟開關(guān)技術(shù)。它利用以諧振為主的輔助換流手段，可以解決開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題，從而使得開關(guān)頻率可以大幅度提高。第5頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2本課題的主要工作2.1系統(tǒng)框圖圖2.1系統(tǒng)框圖第6頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.2移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

圖2.2移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

第7頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.2移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

圖2.3模態(tài)1（t0~t1）

第8頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.2移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

圖2.4模態(tài)2（t1~t2）

第9頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.2移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

圖2.5模態(tài)3（t2~t3）

第10頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.2移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

圖2.6模態(tài)4（t3~t4）

第11頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.2移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路

圖2.7模態(tài)5（t4~t5）

第12頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.3UC3875的介紹和外圍電路的設(shè)計

圖2.8UC3875外圍電路圖芯片振蕩頻率由估算公式確定：設(shè)計的電路工作頻率為10kHz左右。

第13頁/共30頁第14頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.4UC3875單板實物圖和輸出的PWM波形

圖2.8UC3875單板實物圖和輸出PWM波形第15頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.5EXB841外圍驅(qū)動電路設(shè)計圖

當(dāng)高電平驅(qū)動信號輸入時，通過內(nèi)部光耦電路，使互補輸出電路的上管導(dǎo)通，忽略飽和壓降，3腳輸出電壓接近15V，使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)?shù)碗娖叫盘栞斎霑r，當(dāng)3腳輸出-5V的低電平時，使IGBT關(guān)斷。圖2.9基于EXB841驅(qū)動電路圖第16頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.6驅(qū)動電路實物圖和驅(qū)動波形

圖2.9驅(qū)動電路實物圖和驅(qū)動波形

第17頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.7逆變電路測試與分析

由上圖可以看出，經(jīng)過移相全橋逆變之后，只有在對角的兩個開關(guān)管同時開通，電路才能完成能量的傳遞。通過改變驅(qū)動脈沖的“重疊”部分，即可改變逆變電路輸出的波形，從而經(jīng)過高壓升壓整流電路調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

圖2.10全橋逆變電路輸出的波形

第18頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.8倍壓整流電路分析

圖2.11六倍壓整流電路

第19頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.9雙向六倍壓整流電路

逆變輸出的交變電壓經(jīng)過1：30的高頻升壓變壓器先升壓，得到峰值約為8.0kV左右的交流電壓，然后經(jīng)過兩個6倍壓整流電路進(jìn)一步升壓，最后輸出80kV左右的直流負(fù)高壓。圖2.12雙向六倍壓整流電路

第20頁/共30頁2.10

高壓電源電路的設(shè)計圖2.13X射線管陰陽極供電高壓電源電路圖安徽工業(yè)大學(xué)第21頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.11

高壓直流電壓的輸出采用10000：1比例的高壓碳棒或者電阻分壓電路測量輸出電壓。經(jīng)檢測輸出的高壓直流電壓約為80kV，穩(wěn)定度在100V之內(nèi)。滿足高壓直流電源設(shè)計要求。

圖2.13輸出的直流電壓和電阻分壓電路第22頁/共30頁2.12燈絲電源的設(shè)計本課題是利用脈沖給燈絲供電，此脈沖是由全橋逆變輸出得到，逆變橋的開關(guān)管是由SG3525控制器來提供驅(qū)動信號。圖2.14燈絲電源電路和輸出的燈絲電源波形安徽工業(yè)大學(xué)第23頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)電壓反饋電路的設(shè)計電流保護(hù)電路的設(shè)計

2.13高壓直流電源閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)MAX471

第24頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)2.14燈絲電源閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

電流調(diào)理電路

電流反饋電路

第25頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)電流保護(hù)電路

第26頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)3總結(jié)與展望3.1總結(jié)本文主要針對X射線管的具體特性，在比較研究了相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺電源用于X射線管的具體方案，通過實驗調(diào)試得到了相應(yīng)的實驗結(jié)果。試驗結(jié)果都滿足設(shè)計指標(biāo)，達(dá)到設(shè)計要求。（1）采用UC3875作為控制的移相式零電壓PWM軟開關(guān)電源，具有高頻、能耗小、體積小等優(yōu)點，同時電源工作波形紋波小，諧波少，減少了輸出電壓的脈動分量，抑制了開關(guān)尖峰嗓聲，且運行可靠。（2）將高頻技術(shù)運用在高壓電源的設(shè)計中，進(jìn)一步減小了高壓電源的體積；（3）利用正負(fù)雙向倍壓整流電路大大減小了直流高壓輸出的紋波；第27頁/共30頁安徽工業(yè)大學(xué)3.2展望（1）高壓直流電源的高電壓絕緣技術(shù)與結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。由于本電源的電壓等級比較高，所以在具體試驗過程中的絕緣問題會遇到些麻煩，安全及其穩(wěn)定性能都需要進(jìn)一步加強。（2）集成控制器UC3875控制電路和快速保護(hù)電路的技術(shù)?；赨C387