创新型的基于软开关的X射线电源系统

摘要： AXI（自动X射线检测）已经成为检测和评估复杂MEMS（微机电系统）和MOEMS（微光电子机械系统）的基本方法，并且在医疗，考古等领域的也有了广泛的应用，而稳定可靠高效的直流高压电源是AXI的核心组件。一般的高压直流电源为定值输出，它们在X射线管这样的宽负载变化范围下的稳态和暂态响应不能满足AXI的要求。基于AXI的要求本文介绍了一种最新研制的可调高压电源，创新的主电路的拓扑结构由PFC（功率因数校正）模块、BUCK模块、逆变电路、高频变压器和倍压电路组成。电源利用变压器的寄生参数谐振工作，利用软开关技术实现了ZCS低损耗。PFC模块能使此电源系统使用与国内和国外市场并且减小对电网的谐波污染。电源的控制电路采用基于DSP的PI调解器，并基于RS232实现与PC的通信从而实现本地控制和远程管理。 叙词：AXI，软开关，PI调解器，DSP，PFC，谐振，倍压 Abstract： AXI has been becoming the dispensable and essential method for detecting and evaluating features in complex micro-electro-mechanical (MEMS) and micro-opto-electro-mechanical (MOEMS) devices and the high-voltage DC power supply is the very important component. In general, high-voltage DC power supplies are implemented for constant value control schemes but particularly their good transient and steady-state performances can not be achieved under wide load variations involved in an X ray tube. This paper introduces a new-developed high-voltage power supply designed for an X ray generator application, which has a novel topology comprised a PFC module, a BUCK circuit and a series-parallel transformer， multiplier voltage. A constant on-time/fixed frequency control scheme inverter using the parasitic parameter of special-designed high-frequency high-voltage transformer implements ZCS. At the same time introducing the PFC module can greatly cuts down the harmonic current and adapt to various line voltage ratings even the unsteadily voltage. The control system of the power is the digital PID adjuster based on DSP.

1 引言

AXI在无损检测领域，特别是检测和评估MEMS和MOEMS设备以及像CSPs，BGA封装检测已经越来越重要了。因此应用于产生X射线的稳定直流高压电源引起了电力电子领域的极大兴趣。但是由于X射线管的特殊伏安特性（即电压和电流基本是独立调节），另外X射线电源必须提供在不同X射线管电流（以下简称管电流）的情况下的高稳定度且可以大范围调节的电压，因为高电压可以产生高强度的X射线，而相对低的电压产生低强度的X射线以应用于不同的领域。

因此对管电压的控制十分重要，已经有很多文章介绍了关于如何使电源输出电压达到良好的稳态和暂态响应。然而在过去的一些文章中可以看出，由于高频变压器存在的几个严重的问题：很高的变比，麻烦的高压绝缘，特别是漏感和寄生电容的问题会导致巨大的开关损耗和snubber损耗。而漏感将使输出产生不想要的电压尖峰而损害射线管的安全和产生的射线稳定度，而寄生电容将会产生尖峰电流从而使电压的暂态响应变得很糟。

本文介绍了最新研制的基于高频变压器的串并联谐振高压电源，此电源能够实现ZCS（零电流）软开关，并且能方便的调节输出电压而因为利用高频变压器的的寄生参数从而避免了尖峰电压和电流。电源的另一个特点是利用倍压电路代替传统的二极管整流电路，从而减少了高频变压器的变比和寄生参数；尤其是主电路的控制策略——BUCK电路和逆变电路的联合——用BUCK可以十分方便灵活的调压而用定频定宽的逆变电路可以利用高频变压器的寄生参数实现谐振软开关，并且由于不使用调节逆变电路的占空比来调压从而可以充分利用高频变压器的磁性。电源的控制电路采用基于DSP的实时数字PI调解器实现电路的稳态和暂态特性。

2 电源系统介绍

2.1 电路拓扑结构

图1为高压直流电源示意图，主要有几个模块：EMI（抗干扰）模块，PFC模块，BUCK模块，逆变模块，谐振变压器模块，倍压电路模块以及一个谐振补偿电容。谐振补偿电容可以用来调节谐振频率；谐振变压器是特别绕制的；图上高压电缆可以作为平波电容，灯管的灯丝电流由另外一个灯丝电路控制。控制系统是一个基于TMS320LF2407的PI调节器，并且实现过压、过流、过温保护，以及通信功能。

图1 高压直流电源示意图

2.2 调压策略

从文献中，我们知道有几种调节X射线管两端电压的方式如下图：

图2 几种调压方式的比较

第一种方法是调节SCR（晶闸管）的触发角从而调节整流后的直流基压从而实现调压。这样的调压得缺点很明显，它将给电网产生很大的谐波电流，并且由于晶闸管的控制比较复杂，从而使控制电路实现起来比较麻烦；第二种方法是移相调压，从本质上讲就是通过改变逆变输出的基波电压幅值来调压，这样调压有两个缺点：首先这样将使后面的变压器在占空比很小的时候的利用率变小；其次在低压大电流的情况下对逆变电路的开关管损害很大，损耗很大；并且高频烦扰多；第三种方式是最新研发的电源所采取的调压方式，首先由于PFC的使电路的功率因数接近1从而大大减小了对电网的谐波污染；其次用改变BUCK电路的占空比来调压十分简单易于实现；同时由于逆变电路可以定频定宽所以对实现软开关提供很好的条件，并且能充分利用高频变压器，也避免了在低压大电流情况下对逆变电路的损害；

2.3 倍压电路

随着半导体技术的飞速发展，超高频二极管和高频电容已经很成熟，而这两者对倍压的电路的应用和发展提供了后盾。最常见的倍压电路时半波电容二极管倍压电路如图3所示。倍压电路是基于CW电路的，其他的倍压电路都是基于CW电路发展起来的如图4所示，而奇数和偶数倍的电压只需找好合适的参考地即可。要得到负电压只需把二极管反相即可。倍压的基本原理如下所述：

图3 半波电容二极管倍压电路

图 4　各种CW电路

表1的内容是各种CW倍压电路的跌落电压 和纹波电压 。如表一所示，跌落电压 和纹波电压 与输入频率 f 有直接关系；低的开关管频率将长生交大的跌落电压 和纹波电压 ，相反高的输入频率会减小跌落电压 和纹波电压 。因此引入高频谐振逆变器能改善射线电源的控制特性。

表1 各种倍压电路的跌落电压 和纹波电压 比较

3 串并联谐振电路工作原理和软开关

这个变换器的等效电路如图5所示。串并联谐振电路有两种工作模式：电流断续工作模式（DCM）和电流连续工作模式（ＣＣＭ）。在DCM模式中,电感电流有一段时间为零,这种工作模式发生在输入谐振电路输入电压频率Fs小于固有的频率Fr的一半( ) ；CCM模式中发生在 。

图6 所示为逆变电路的控制信号和谐振电路的仿真波形。由于逆变电路的半个周期大于谐振周期（ ），流过漏感的电流波形如图所示6-a，无论在开关器件S1，S2，S3，S4还是二极管D1 D2 D3 D4的开通和关断都是实现了零电流；当 时，同样的如图6-b所示，这时开关器件可以实现零电流关断，但有一定的开通电流；而反向二极管也是零电流关断但有开通电流。

从图中可以看出，只要能我们能找到电路的固有谐振频率或者通过外在加入合适的电感电容从而把开关的频率控制在谐振频率的一半以下，这样既可以降低开关频率，又能实现零电流从而大大减小开关损耗。

4 试验和讨论

试验系统的参数如下：

输入电压： 220V AC

输出电压： 0-160KV DC可调

输出电流： 0-1.2mA　可调

高频高压变压匝比为：22.5：720

逆变开关频率： 16.7KHZ

谐振的频率随着外加电容的变化而变化；

如试验结果所示，基本上符合理论和仿真的仿真结果。

5 结论：

文章介绍的用于产生X射线的串并联变压器谐振高压直流电源，采用了倍压电路减小了变压器的变比，从而工艺和制造上可行，并且能够在一定条件下，实现零电流软开关大大减小了开关损耗；另为这个拓扑结构是创新型的，由于PFC的引入使得对电网的谐波污染大大减小，同时可以实现在国内外110V，220V不同电压下工作开拓了国内外市场；值得注意的是这样的拓扑结构控制简单，这个电源还利用了DSP实现数字PID实时控制使其能良好工作和实现远程通信。

6 参考文献

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[5] Belgin Tǔrkay: Harmonic Filter Design and Power Factor Correction in a Cement Factory, IEEE Porto Power Tech Conference, 2001

[6] JSun: Series resonant ZCS-PFM DGDC converter with multistage rectified voltage multiplier and dual-mode

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