X光管小型高壓電源的研制★

孫亮亮 ，李利品 ，馬橋斌 ，樊超

（1 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2 陜西青年職業(yè)學(xué)院，陜西 西安 710068）

0 引言

在X射線在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)從醫(yī)療上的應(yīng)用逐步進(jìn)入其他領(lǐng)域。安檢系統(tǒng)中采用X射線照射攜帶的行李，通過(guò)CT成像技術(shù)檢測(cè)違禁物品；無(wú)損檢測(cè)中采用X射線確定被檢物內(nèi)部是否有裂紋或孔洞；熒光分析可以分析材料的元素組成；在微觀領(lǐng)域用X射線做物相分析，研究和測(cè)量晶體的晶格結(jié)構(gòu)；在一些文獻(xiàn)中還采用X射線測(cè)量混合流體的相比例。X射線的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，對(duì)X射線產(chǎn)生方法的研究也在不斷發(fā)展。安檢，工業(yè)CT、無(wú)損探傷領(lǐng)域所使用的X射線機(jī)體積較大，但在石油井下等應(yīng)用場(chǎng)合，要求X射線機(jī)體積小、重量輕、而X射線機(jī)的體積主要由其所使用的高壓電源決定。

為了得到體積小、重量輕、便于攜帶、方便現(xiàn)場(chǎng)使用的穩(wěn)定射線源，需要設(shè)計(jì)出一種小體積、低功耗、輸出穩(wěn)定的高壓電源給X光管提供高壓。常用的鎢靶光管標(biāo)稱(chēng)電壓為80kV，鉬靶光管標(biāo)稱(chēng)電壓為50kV，管電流為幾毫安。為了滿(mǎn)足常用X光管在現(xiàn)場(chǎng)使用的要求，研制了一種用于X光管的低功耗、小體積、重量輕的高壓電源。

1 總體結(jié)構(gòu)

直流高壓電源是將交流市電或三相電由工頻高壓變壓器升壓變成交流高壓電，然后整流濾波得到直流高壓電。由于頻率低，電源的體積和重量都比較大，轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定度差。隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展與成熟，采用高頻開(kāi)關(guān)變換技術(shù)結(jié)合高壓電源的特點(diǎn)而研制的直流高壓電源成為主流。其特點(diǎn)是體積小、重量輕、效率高、功率大、穩(wěn)定度高、可靠性高。

根據(jù)高壓電源的使用需要和X光管的管電流特性，提出采用高頻開(kāi)關(guān)變換技術(shù)的方案。電源電池、控制電路、開(kāi)關(guān)電路、脈沖變壓器、倍壓整流電路和反饋電路組成，如圖1所示，其特點(diǎn)是采用電池供電，減小了體積，使其可以在很多場(chǎng)合使用。電源的工作過(guò)程是：由控制電路輸出的脈沖信號(hào)控制開(kāi)關(guān)電路通斷，開(kāi)關(guān)電路通斷使脈沖變壓器初級(jí)的電流發(fā)生變化，脈沖變壓器升壓，變壓器升壓后得到類(lèi)正弦波。變壓器的次級(jí)輸出通過(guò)倍壓整流電路多級(jí)倍壓，得到需要的高壓。為了得到穩(wěn)定的輸出，采用了直接取樣的方式，將取樣結(jié)果反饋給控制電路，控制電路根據(jù)取樣電壓值調(diào)整脈沖寬度，改變脈沖方波占空比，使變壓器輸出電壓升高或降低，從而使電源輸出穩(wěn)定的電壓。

圖1 高壓電源的結(jié)構(gòu)框圖

2 單元電路

2.1 控制電路

控制電路采用集成芯片SG3524，該芯片由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、電壓比較器、限流比較器、振蕩器、關(guān)斷電路和輸出級(jí)等組成。該芯片PWM控制電路功能完善，提供推挽和單端兩種輸出模式，待機(jī)電流低，典型值為8mA，具有過(guò)電流和過(guò)熱保護(hù)功能，單端模式下輸出脈沖占空比為0%～90%。

芯片中集成的誤差放大器和限流比較器作為反饋的輸入，用來(lái)調(diào)整輸出的脈沖寬度，使電源輸出更加穩(wěn)定。針對(duì)所接負(fù)載阻值大，輸出功率較小的特點(diǎn)，電路選用了單端反激式變換，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的控制電路如圖2所示，6腳和7腳的電容和電阻決定了振蕩器的振蕩頻率，14腳輸出頻率為的脈沖，用來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的通斷。輸出端采用電阻分壓采樣并將采樣結(jié)果反饋給SG3524誤差放大器的反相輸入端1腳。在輸入電壓變低，或是負(fù)載加重的情況下，輸出電壓變低，反饋回1腳的電壓也變低。基準(zhǔn)電壓端16腳經(jīng)電阻分壓后輸入誤差放大器同相端2腳，1腳和2腳的電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大后，誤差放大器的輸出電壓變大。在此變化信號(hào)的作用下，輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，占空比變大，輸出電壓回升到原來(lái)的穩(wěn)定值。當(dāng)輸入電壓增大或是負(fù)載變輕，引起輸出電壓增加時(shí)，與前面調(diào)整過(guò)程相同，通過(guò)電壓閉環(huán)反饋系統(tǒng)，能使輸出電壓降到原來(lái)的穩(wěn)定值，從而提高了輸出電源的穩(wěn)定性。

圖2 單端反激式穩(wěn)壓電源控制電路

2.2 變換電路

圖3所示的變換電路由脈沖變壓器及開(kāi)關(guān)電路組成，Tr為變壓器，Q為功率場(chǎng)效應(yīng)管。開(kāi)關(guān)電路的周期性通斷使變壓器初級(jí)電流周期性變化，變壓器磁芯中的磁場(chǎng)周期性變化，在次級(jí)產(chǎn)生與初級(jí)周期一致的交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，完成DC-AC的變換并升壓。

圖3 變換電路

1)脈沖變壓器

脈沖變壓器磁芯采用鐵氧體，鐵氧體是一種非金屬磁性材料，其電阻率比金屬、合金磁性材料大得多，有較高的介電性能，在高頻時(shí)具有較高的磁導(dǎo)率，在高頻弱電領(lǐng)域用途廣泛。在高溫場(chǎng)合時(shí)，磁芯材料可選用坡膜合金。

定制的脈沖變壓器變比低，降低了絕緣的難度，減小了寄生電容，使整個(gè)電源的體積減小。變壓器工作在18KHz的頻率下輸出波形規(guī)則穩(wěn)定，沒(méi)有尖峰電壓和電流。

2)開(kāi)關(guān)電路

開(kāi)關(guān)電路中采用IRF740功率場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)器件，IRF740漏源級(jí)耐壓為400V，可通過(guò)的漏極電流為10A，最大可到40A，反向恢復(fù)時(shí)間為370ns，導(dǎo)通電壓3V，導(dǎo)通電阻為0.5Ω左右。導(dǎo)通電阻小，耐壓高，開(kāi)關(guān)速度快，作為開(kāi)關(guān)元件可降低功耗提高工作效率。

2.3 倍壓整流電路

高電壓、小電流的高壓電源可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的電容二極管倍壓整流電路。如圖4所示，由于二極管的作用流過(guò)電容的電流方向如圖中箭頭方向。在變壓器負(fù)半周期(下正上負(fù))C2不導(dǎo)通，變壓器給C1充電，充電電壓約為變壓器的峰值UM，在下一個(gè)正半周期變壓器M和C1給C2充電C2對(duì)地電壓如(1)式。

在第三個(gè)半周期變壓器給C1充電、C2和M給C3充電，C3的對(duì)地電壓可由(2)式計(jì)算。

采用這種辦法，增加多個(gè)二極管和相同數(shù)量的電容器，即可以組成多倍壓整流電路，在由n個(gè)電容和二極管組成的n倍壓電路中，電容Cn上的電壓值約為電容和二極管的數(shù)量n與變壓器峰值的乘積，如(3)式。

當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，輸出電壓從上端取出，當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，輸出電壓從下端取出。

圖4 多倍壓電路原理

HV為n倍壓整流電路上第n個(gè)電容對(duì)地的電壓，電源中采用11級(jí)倍壓電路得到80kV的直流高壓。

2.4 反饋電路

倍壓電路C1上的電壓Uf分壓后與控制電路1腳相連，1腳為控制電路的誤差放大器的反向輸入端，2腳為誤差放大器同相輸入端，16腳的基準(zhǔn)電壓經(jīng)分壓后與2腳相連，若電壓有變化，1腳和2腳的電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大后，誤差放大器的輸出電壓也有相應(yīng)的變化。誤差放大器的輸出變化使控制電路輸出的方波占空比改變，使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間減少或者增加，最終調(diào)整變壓器輸出的電壓，使高壓電源的輸出電壓保持穩(wěn)定。

3 性能測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)高壓電源的性能進(jìn)行了測(cè)試：電源輸入15V直流，開(kāi)光管開(kāi)關(guān)頻率為18kHz。

圖5，圖6分別為測(cè)得的控制電路輸出的脈沖波形和變壓器次級(jí)的波形。輸出的脈沖方波波形規(guī)則，沒(méi)有出現(xiàn)突跳和尖峰。變壓器輸出的波形穩(wěn)定、平滑，沒(méi)有尖峰電壓，電源工作穩(wěn)定，可靠性高。

圖5 輸出的脈沖方波

圖6 變壓器次級(jí)波形

變壓器輸出電壓經(jīng)倍壓整流電路可得到直流高壓，最常用的鎢靶光管80kV直流高壓采用11級(jí)倍壓，接入負(fù)載(X光管)后，根據(jù)反饋電壓調(diào)節(jié)控制電路輸出脈沖方波的占空比，使電源穩(wěn)定的輸出80kV電壓。

對(duì)80kV直流高壓采用電阻分壓的方法，得到電源的輸出電壓。對(duì)輸出電壓為80KV分壓到5.0V進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，每隔30min計(jì)數(shù)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表中數(shù)據(jù)可以看出電源在兩小時(shí)內(nèi)電壓沒(méi)有漂移，穩(wěn)定性良好。

表1 測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并研制的高壓電源可以滿(mǎn)足常用鎢靶X光管的供電，對(duì)各種不同型號(hào)的X光管可根據(jù)其標(biāo)稱(chēng)電壓來(lái)改變倍壓電路的倍壓級(jí)數(shù)得到需要的高壓，使其工作在額定功率下。如鉬靶光管的標(biāo)稱(chēng)電壓為50kV，在控制電路和變換電路不變的前提下，倍壓電路采用7級(jí)倍壓，根據(jù)反饋電壓調(diào)節(jié)脈沖方波占空比，便可得到50kV直流高壓。

研制的高壓電源功耗低、體積小、重量輕、適合作業(yè)空間小的應(yīng)用場(chǎng)合。經(jīng)多次測(cè)試和使用達(dá)到的指標(biāo)：(1)輸出方式：直流正高壓；(2)輸出電壓：80kV固定高壓；(3)高壓2h穩(wěn)定度小于1‰。

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