創(chuàng)新型的基于軟開關(guān)的X射線電源系統(tǒng)

摘要： AXI（自動X射線檢測）已經(jīng)成為檢測和評估復雜MEMS（微機電系統(tǒng)）和MOEMS（微光電子機械系統(tǒng)）的基本方法，并且在醫(yī)療，考古等領(lǐng)域的也有了廣泛的應(yīng)用，而穩(wěn)定可靠高效的直流高壓電源是AXI的核心組件。一般的高壓直流電源為定值輸出，它們在X射線管這樣的寬負載變化范圍下的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)不能滿足AXI的要求?；贏XI的要求本文介紹了一種最新研制的可調(diào)高壓電源，創(chuàng)新的主電路的拓撲結(jié)構(gòu)由PFC（功率因數(shù)校正）模塊、BUCK模塊、逆變電路、高頻變壓器和倍壓電路組成。電源利用變壓器的寄生參數(shù)諧振工作，利用軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了ZCS低損耗。PFC模塊能使此電源系統(tǒng)使用與國內(nèi)和國外市場并且減小對電網(wǎng)的諧波污染。電源的控制電路采用基于DSP的PI調(diào)解器，并基于RS232實現(xiàn)與PC的通信從而實現(xiàn)本地控制和遠程管理。 敘詞：AXI，軟開關(guān)，PI調(diào)解器，DSP，PFC，諧振，倍壓 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在無損檢測領(lǐng)域，特別是檢測和評估MEMS和MOEMS設(shè)備以及像CSPs，BGA封裝檢測已經(jīng)越來越重要了。因此應(yīng)用于產(chǎn)生X射線的穩(wěn)定直流高壓電源引起了電力電子領(lǐng)域的極大興趣。但是由于X射線管的特殊伏安特性（即電壓和電流基本是獨立調(diào)節(jié)），另外X射線電源必須提供在不同X射線管電流（以下簡稱管電流）的情況下的高穩(wěn)定度且可以大范圍調(diào)節(jié)的電壓，因為高電壓可以產(chǎn)生高強度的X射線，而相對低的電壓產(chǎn)生低強度的X射線以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

因此對管電壓的控制十分重要，已經(jīng)有很多文章介紹了關(guān)于如何使電源輸出電壓達到良好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)。然而在過去的一些文章中可以看出，由于高頻變壓器存在的幾個嚴重的問題：很高的變比，麻煩的高壓絕緣，特別是漏感和寄生電容的問題會導致巨大的開關(guān)損耗和snubber損耗。而漏感將使輸出產(chǎn)生不想要的電壓尖峰而損害射線管的安全和產(chǎn)生的射線穩(wěn)定度，而寄生電容將會產(chǎn)生尖峰電流從而使電壓的暫態(tài)響應(yīng)變得很糟。

本文介紹了最新研制的基于高頻變壓器的串并聯(lián)諧振高壓電源，此電源能夠?qū)崿F(xiàn)ZCS（零電流）軟開關(guān)，并且能方便的調(diào)節(jié)輸出電壓而因為利用高頻變壓器的的寄生參數(shù)從而避免了尖峰電壓和電流。電源的另一個特點是利用倍壓電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管整流電路，從而減少了高頻變壓器的變比和寄生參數(shù)；尤其是主電路的控制策略——BUCK電路和逆變電路的聯(lián)合——用BUCK可以十分方便靈活的調(diào)壓而用定頻定寬的逆變電路可以利用高頻變壓器的寄生參數(shù)實現(xiàn)諧振軟開關(guān)，并且由于不使用調(diào)節(jié)逆變電路的占空比來調(diào)壓從而可以充分利用高頻變壓器的磁性。電源的控制電路采用基于DSP的實時數(shù)字PI調(diào)解器實現(xiàn)電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性。

2 電源系統(tǒng)介紹

2.1 電路拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為高壓直流電源示意圖，主要有幾個模塊：EMI（抗干擾）模塊，PFC模塊，BUCK模塊，逆變模塊，諧振變壓器模塊，倍壓電路模塊以及一個諧振補償電容。諧振補償電容可以用來調(diào)節(jié)諧振頻率；諧振變壓器是特別繞制的；圖上高壓電纜可以作為平波電容，燈管的燈絲電流由另外一個燈絲電路控制?？刂葡到y(tǒng)是一個基于TMS320LF2407的PI調(diào)節(jié)器，并且實現(xiàn)過壓、過流、過溫保護，以及通信功能。

圖1 高壓直流電源示意圖

2.2 調(diào)壓策略

從文獻中，我們知道有幾種調(diào)節(jié)X射線管兩端電壓的方式如下圖：

圖2 幾種調(diào)壓方式的比較

第一種方法是調(diào)節(jié)SCR（晶閘管）的觸發(fā)角從而調(diào)節(jié)整流后的直流基壓從而實現(xiàn)調(diào)壓。這樣的調(diào)壓得缺點很明顯，它將給電網(wǎng)產(chǎn)生很大的諧波電流，并且由于晶閘管的控制比較復雜，從而使控制電路實現(xiàn)起來比較麻煩；第二種方法是移相調(diào)壓，從本質(zhì)上講就是通過改變逆變輸出的基波電壓幅值來調(diào)壓，這樣調(diào)壓有兩個缺點：首先這樣將使后面的變壓器在占空比很小的時候的利用率變?。黄浯卧诘蛪捍箅娏鞯那闆r下對逆變電路的開關(guān)管損害很大，損耗很大；并且高頻煩擾多；第三種方式是最新研發(fā)的電源所采取的調(diào)壓方式，首先由于PFC的使電路的功率因數(shù)接近1從而大大減小了對電網(wǎng)的諧波污染；其次用改變BUCK電路的占空比來調(diào)壓十分簡單易于實現(xiàn)；同時由于逆變電路可以定頻定寬所以對實現(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；

2.3 倍壓電路

隨著半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，超高頻二極管和高頻電容已經(jīng)很成熟，而這兩者對倍壓的電路的應(yīng)用和發(fā)展提供了后盾。最常見的倍壓電路時半波電容二極管倍壓電路如圖3所示。倍壓電路是基于CW電路的，其他的倍壓電路都是基于CW電路發(fā)展起來的如圖4所示，而奇數(shù)和偶數(shù)倍的電壓只需找好合適的參考地即可。要得到負電壓只需把二極管反相即可。倍壓的基本原理如下所述：

圖3 半波電容二極管倍壓電路

圖 4　各種CW電路

表1的內(nèi)容是各種CW倍壓電路的跌落電壓 和紋波電壓 。如表一所示，跌落電壓 和紋波電壓 與輸入頻率 f 有直接關(guān)系；低的開關(guān)管頻率將長生交大的跌落電壓 和紋波電壓 ，相反高的輸入頻率會減小跌落電壓 和紋波電壓 。因此引入高頻諧振逆變器能改善射線電源的控制特性。

表1 各種倍壓電路的跌落電壓 和紋波電壓 比較

3 串并聯(lián)諧振電路工作原理和軟開關(guān)

這個變換器的等效電路如圖5所示。串并聯(lián)諧振電路有兩種工作模式：電流斷續(xù)工作模式（DCM）和電流連續(xù)工作模式（ＣＣＭ）。在DCM模式中,電感電流有一段時間為零,這種工作模式發(fā)生在輸入諧振電路輸入電壓頻率Fs小于固有的頻率Fr的一半( ) ；CCM模式中發(fā)生在 。

圖6 所示為逆變電路的控制信號和諧振電路的仿真波形。由于逆變電路的半個周期大于諧振周期（ ），流過漏感的電流波形如圖所示6-a，無論在開關(guān)器件S1，S2，S3，S4還是二極管D1 D2 D3 D4的開通和關(guān)斷都是實現(xiàn)了零電流；當 時，同樣的如圖6-b所示，這時開關(guān)器件可以實現(xiàn)零電流關(guān)斷，但有一定的開通電流；而反向二極管也是零電流關(guān)斷但有開通電流。

從圖中可以看出，只要能我們能找到電路的固有諧振頻率或者通過外在加入合適的電感電容從而把開關(guān)的頻率控制在諧振頻率的一半以下，這樣既可以降低開關(guān)頻率，又能實現(xiàn)零電流從而大大減小開關(guān)損耗。

4 試驗和討論

試驗系統(tǒng)的參數(shù)如下：

輸入電壓： 220V AC

輸出電壓： 0-160KV DC可調(diào)

輸出電流： 0-1.2mA　可調(diào)

高頻高壓變壓匝比為：22.5：720

逆變開關(guān)頻率： 16.7KHZ

諧振的頻率隨著外加電容的變化而變化；

如試驗結(jié)果所示，基本上符合理論和仿真的仿真結(jié)果。

5 結(jié)論：

文章介紹的用于產(chǎn)生X射線的串并聯(lián)變壓器諧振高壓直流電源，采用了倍壓電路減小了變壓器的變比，從而工藝和制造上可行，并且能夠在一定條件下，實現(xiàn)零電流軟開關(guān)大大減小了開關(guān)損耗；另為這個拓撲結(jié)構(gòu)是創(chuàng)新型的，由于PFC的引入使得對電網(wǎng)的諧波污染大大減小，同時可以實現(xiàn)在國內(nèi)外110V，220V不同電壓下工作開拓了國內(nèi)外市場；值得注意的是這樣的拓撲結(jié)構(gòu)控制簡單，這個電源還利用了DSP實現(xiàn)數(shù)字PID實時控制使其能良好工作和實現(xiàn)遠程通信。

6 參考文獻

[1] Koki Ogura: Inductor Snubber-Assisted Series Resonant ZCS-PFM High Frequency Inverter Link DC-DC Converter with Voltage Multiplier IEEE 2002.

[2] Yong Ju Kim: Comparative Evaluations of Phase-Shifted PWM Resonant Inverter-fed DC-DC Converter with High-Voltage High-Frequency Transformer Link, IEEE Catalogue No. 95TH8025 1995.

[3] Junming Sun: Series Resonant High-Voltage ZCS-PFM DC-DC Converter for Medical Power Electronics, IEEE 2000.

[4] Shyh-Shin Liang and Ying-Yu Tzou: DSP control of a Resonant Swithing High-Voltage Power Supply for X-ray Generators, IEEE 2001.

[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

PFM control scheme for medical-use high-voltage X-ray power generator, IEE Pinc.-Elecli.. Poaw Appl., Vol. 147, No. 6, November 2001.