（地球探测与信息技术专业论文）x射线衍射仪3kw高频高压电源的研究与设计.pdf

摘要1 8 9 5 年伦琴发现了x 射线并用于临床诊断，接着开始探讨x 射线的产生、传播和穿透力等性质。x 射线的发展为医学、矿物学、冶金学等学科的发展开辟了一条崭新的道路。1 0 0 多年来，x 射线技术应用到了很多领域，x射线设备的发展也日新月异。高频技术已经广泛应用到了电源制造领域，因此，研制x 射线衍射仪高频高压电源成为了可能。本文分析了x 射线衍射仪高频高压电源的研究背景、研究状况及研究意义，介绍了x 射线衍射仪的工作原理、x 射线衍射仪对电源的要求以及高频高压电源的工作原理，叙述了一种适用于x 射线衍射仪的高频高压电源的设计思路，以替代传统的工频电源。该电源系统采用高频技术，克服了传统工频电源设备重量重、体积大、效率低等缺陷；采用脉宽调制技术( p w m ) ，对系统进行控制和保护，使信号稳定，并且有效地保护系统各元件免受意外情况的损坏；采用功率因数校正( p f c ) 技术，使系统的功率因数有效地提高，达到了0 9 。通过实验测试，证明该系统能安全、可靠地运行，达到了设计要求。关键词：x 射线衍射仪，脉宽调制，功率因数校正，工频，高频电源a b s t r a c ts i n c er o e n t g e nd i s c o v e r e dt h ex - r a ya n df i r s t l yu s e di nt h ec l i n i cd i a g n o s e s ，a n dt h e ns t a r t e dt od i s c u s ss o m ex r a y sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sg e n e r a t i o n 、r a d i a t i o na n dp e n e t r a b i l i t y w i t ht h ea i do fx r a y , t h ed e v e l o p m e n to fm e d i c i n e 、m i n e r a l o g ya n dm e t a l l u r g yc a m ei n t on e we r a s x r a y st e c h n i q u e sh a v eb e e na p p l i e dt om a n yf i e l d s ，a n dx - r a ye q u i p m e n td e v e l o p e dq u i c k l yd u r i n go v e r10 0y e a r s h i g hf r e q u e n c yt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p f i e dt op o w e rs u p p l y s o ，i ti sp o s s i b l et om a k eh i g hf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yf o rx - r a yd i f f r a c t o m e t e r i nt h i sp a p e r , b a c k g r o u n d 、r e s e a r c hs t a t u sa n ds i g n i f i c a n c ea b o u th i g hf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yf o rx r a yd i f f r a c t o m e t e ra r ea n a l y z e d a l s ot h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp o w e rs u p p l y sr e q u i r e m e n to fx r a yd i f f r a c t o m e t e ra n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ea r ed e s c r i b e d ah i g hf r e q u e n c yh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yh a sb e e nd e s i g n e da n da p p l i e dt ox r a yd i f f r a c t o m e t e r , s oa st or e p l a c et h et r a d i t i o n a lw o r k i n gf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y t h i sn e wp o w e rs u p p l ys y s t e mo v e r c o m e sm a n ys h o r t c o m i n g ss u c ha sh e a v y 、b u l k i n e s sa n di n e f f i c i e n c yi nt r a d i t i o n a lw o r k i n gf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y , w h i c he m p l o y t h et e c h n o l o g yo fh i 曲f r e q u e n c y ( h f ) p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y( p w m ) m a k e ss i g n a l ss t a b i l i z e ，s y s t e ms e l f - c o n t r o l l e da n ds e l f - p r o t e c t e dt od r e v e n t sa 儿t h ep a r t sf r o md a m a g i n gi nt h ea c c i d e n t a c i r c u m s t a n c e i tm a k e s p o w e rf a c t o rf p f )u pt o0 9b yt h et e c h n o l o g yo fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a l lw o r ks a f e l ya n dr e l i a b l y k e yw o r d s ：x - r a yd i f f r a c t o m e t e r ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ，w o r k i n gf r e q u e n c y , h i g h f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y 声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国地质科学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：强盔逮日期：罂! ：! !关于论文使用授权的说明本人完全了解中国地质科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)日期：z 竺：! 中国地质科学院硕士学位论文第一章概述1 1 课题背景、研究状况及意义1 1 1 课题背景研制高频高压电源是科技部仪器升级改造技术专项课题。x 射线衍射仪是我国2 3 种大型精密仪器之一，它们为我国的地质、冶金、钢铁、材料、化工等学科的发展起了重要的作用。但随着衍射仪的不断升级、更新，加上国际上计算机技术的飞速发展，仪器的许多电子元件、厂家已不再生产，部分维修零部件只能依赖厂家的库存，而且其价格已大幅提高。这些衍射仪经过多年的运行，虽然主机部分仍然完好，但其综合稳定性能大大下降，仪器故障率逐渐提高，而且不能与普通的计算机连接使用，因此，对x 射线衍射仪的升级改造，对关键控制部件进行国产化，摆脱其零部件完全依赖生产厂家的被动局面，已是国内用户的共同愿望。高压电源是x 射线衍射仪的重要组成部分之一，研制出适用于衍射仪使用的专门电源是升级改造工作的重要一步。1 ，1 2 国内外研制x 射线衍射仪高压电源研究状况x 射线衍射仪高压电源分为工频高压电源和高频高压电源两种方式。一种是高压电源采用工频技术。工频高压电源由于体积大、重量重、不稳定，已基本被淘汰。近几年来，由于电子技术的发展，高频高压电源开始在x射线衍射仪中广泛应用。在其他领域，高频高压电源更早就已经被应用了，尤其是在通信方面，高频电源技术现在已经发展比较成熟了。在国外，x射线衍射仪高压电源几乎已经不在使用工频电源了，而且最大功率可以傲到18 k w 大功率高频高压电源。在国内，x 射线衍射仪高压电源仍然使用工频电源，还没有研制出高频高压电源，因此，该项目填补国内空白，具有很强的实用价值。1 1 3 研究意义电源是各种电子电路的动力源。被人们誉为电路的心脏，众所周知，所中国地质科学院硕士学位论文有用电设备，包括电子仪器仪表、家用电器等，对供电电源都有一定要求。电源设计的是否合理有效和稳定，是整个仪器运行状况是否良好的前提。工频电源，它不仅体积大、效率低，而且精度低、稳定性差，因而使用起来非常不便。而使用高频高压电源不仅体积可以大大缩小，而且精度和效率也可以有很大的提高。研制该大功率高频高压电源采用目前国际上流行的高频调压方式，不但应用在所研制的衍射仪中，而且对其他大功率x 射线衍射仪升级改造打下了良好的基础。其有良好的经济和社会效益。同时在技术上缩短了与国际上的差距，对提高我国仪器技术水平具有深远意义。1 1 4 本文所做工作论文对x 射线的产生、性质和x 射线衍射分析方法以及x 射线衍射仪的工作原理和结构进行了研究和分析；对高频高压电源的主电路以及高压发生器电路都做了详细分析；着重分析和研究了该电源的控制保护电路，并且对电磁兼容以及印制电路板布线做了详尽论述。论文工作具体包括以下内容：1 该高频高压电源是用于x 射线衍射仪这种特定的仪器，其高频高压电源的设计技术指标和性能参数都有很特殊的要求。所以，在论文中首先对x射线的产生、衍射方法进行了详细的分析研究，然后对x 射线衍射仪的工作原理以及组成结构做了分析和说明。2 传统的x 射线衍射仪电源都是工频电源，高频高压电源的研制是x 射线衍射仪升级改造的重要一步，研究和学习高频高压电源的工作原理尤为重要；电源主电路和高压发生器电路是电源的主要组成部分，是输出高压电的核心电路，文中对以上内容均进行了详尽的分析和介绍。3 控制保护电路是电源中不可缺少的电路，它使电源输出更加稳定，而且在异常情况下，使电源电路免受损坏，增强了电路的自我保护能力。控制保护电路设计的好坏是决定电源工作性能优良与否的重要因素。参与了控制保护电路的设计与调试工作。对基本构成进行了研究：在此基础上，对x 射线衍射仪高频高压电源的工作原理有了更深一步的理解。4 在高频电路中，电磁兼容技术尤为重要。p c b 板上，不可避免地会引入电磁兼容和电磁干扰。文中分析了常见的电磁干扰，并且提出了一些抗干扰的措施。使电路板上各部分电路之间相互干扰尽量减小，并使印制板对外的传导发射和辐射发射尽可能降低。并且完成了其中一部分电路的p c b 布线工作。中国地质科学院硕士学位论文第二章衍射仪基本工作原理2 1x 射线衍射分析技术的发展历程及现状1 8 9 5 年1 1 月8 日，德国维尔茨堡( w u r z b u r g ) 大学物理研究所所长一一威廉伦琴( w c r o n t g e n18 4 5 1 9 2 3 ) 在研究阴极射线引起荧光现象时，首次观察到一种奇特的辐射线，可使涂有氰亚硝酸钡的荧光屏发出荧光，也使黑纸包着的底片感光，能穿透手指骨骼等物质。这种肉眼看不到的新射线是一种不同于光的新射线，被称为x 射线，也称x 光，后人也称伦琴射线。随后伦琴将其发现做了第一报道，并且深入探讨x 射线的产生、传播、穿透力等性质。1 9 1 2 年，德国慕尼黑大学物理学家劳厄( m v l a u e ) 成功完成了晶体的x 射线衍射实验，获得第一张x 射线衍射照片。提出了一组衍射方程式。劳厄的工作奠定了x 射线衍射结构分析的实验和理论基础。随后，布拉格( b r a g g ) 父子进一步引出了简单实用的布拉格方程。x 射线照射晶体产生衍射这一事实，一方面说明了x 射线本质是一种波长较短的电磁波，具有波粒二象性，直线传播；另方面又说明了晶体结构的周期性。1 9 1 3 年，英国物理学家贝克莱( b a r k l a ) 和莫斯莱( h g j m o s e l e y ) 开创莫斯莱定律，建立了x 射线光谱学。1 9 1 6 年，德拜及谢乐( d e b y e s c h e r r e r ) 发明粉末照相法。1 9 2 8 年，盖革及弥勒( h g e i g e r w m u l l ) 首次提出用盖革一弥勒计数器测量x 射线的方法。1 9 3 8 年，哈那瓦儿特( h a n a w a l t ) 建立系统的x 射线物相定相分析方法。1 9 4 1 年，美国材料实验协会( a s t m ) 将衍射资料编印成索引及标准卡片，并逐年进行补充，完成粉末衍射卡数据收集与发行的初期阶段工作。1 9 4 5 年，美国海军研究室的f r i e d m a n 设计了用于粉末研究的第一名计数器衍射仪，开始了x 射线衍射仪的设计及商品化，并经后人逐步完善发展成目前的精密仪器。2 0 世纪6 0 年代开始，衍射仪法和计算机技术结合，实现收集衍射试验数据的自动化，研制和发展了物相鉴定、结构测定等方面的计算机程序。2 0 世纪6 0 年代起。中国物理学会x 射线专业委员会，中国化学会晶体学专业委员会，中国金属学会x 射线专业委员会，中国晶体学会粉末衍射专业委员会等相继成立，并多次联合举办全国x 射线衍射学术会议，促进了x中国地质科学院硕士学位论文射线学在我国众多行业的应用和发展。2 2x 射线的产生高速运动的带电粒子( 如电子) 和物质( 如阳极靶) 碰撞时，伴随着带电粒子的动能消失与转化即可产生x 射线。在实验室，产生x 射线是利用具有高真空度的x 射线管。要想获得x 射线必须具备如下条件：第一，产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子：第二，设置自由电子撞击靶，如阳极靶，用以产生x 射线；第三，施加在阴极和阳极间的高压，用以加速自由电子向阳极靶方向加速运动，如高压发生器；第四，将阴阳极封闭在 1 0 。6 毫米汞柱的高真空中，保持两极纯洁，促使加速电子无阻力地撞击到阳极靶上。x 射线管的管壁用玻璃或透明陶瓷制成，管内高真空可减少电子运动的阻力，阴极由钨丝构成，灯丝被3 4 a 的电流加热后发出大量的热电子电子经聚焦和2 0 0 0 0 6 0 0 0 0 v 的电压加速后撞击阳极金属靶( 由c u 、m o 、n i等熔点高而导热性好的金属制成) 时，电子的猝然减速或停止运动，使大部分能量以热辐射的形式耗散掉，少部分能量则以x 射线的形式向外辐射，并产生x 射线谱。为避免靶材长期受热熔解，加循环冷却水可使靶面迅速冷却。由于x 射线在与靶面约成6 。角处的强度最大，所以按此角度在x 射线管上开一个窗口，窗口材料由对x 射线吸收很少的薄铍片( 约o 2 m m 厚) 制成，让x 射线透过。x 射线管结构如下图i 所示。在大功率x 射线衍射仪中采用转靶x 射线管，当需要对微量物相进行精确鉴定时，用大功率转靶x 射线衍射仪。2 3x 射线的性质x 射线是一种具有较短波长的高能电磁波，由原子内层轨道中电子跃迁高能电子减速所产生，x 射线的波长范围为0 0 1 1 0 0 a f l a = 1 x t 0 一c m ) 。介于紫外线和y 射线之间，并有部分重叠。可见光的波长约在4 0 07 0 0 n m( 1 n m = l 1 0 。7 c m ) 之间，可见，x 射线的波长比可见光的波长要短得多。x射线在空气中传播的速度与可见光一样。如图2 所示：! 里些堕型堂堕雯主堂垡笙苎图1x 射线管结构图卜频率f h zi t h zi o h zi m h zi k h zi h z 。1 0 1 81 0 1 1 0 1 21 0 91 0 61 0 3 r，射线紫外线卜缸外线微波电无线电信号+视一信号x 射线叶一可见光1 n m1 f m1 m m1 mi k m波长，m + 1 0 1 21 0 。91 0 61 0 3101 0 31 0 6 + ，( a ) 电磁溃谱频率及波长分布+ 一频率1 0 1 4 h z - ,75 紫、瘕长，蛐 4 0 0蓝绿黄橙5 0 0( b ) 电磁波涵中可见光部分p图2 电磁波谱图红4 ”6 0 07 0 0 dx 射线是一种本质与可见光相同的电磁波，所以具有类似于可见光、电4中国地质科学院硕士学位论文子、质子、中子等的性质一一波粒二象性。从波动性的角度看，x 射线是一个随时间变化的j 下弦式振荡的电场，其垂直方向是一个类似变化的磁场。若从粒子性的角度看，x 射线是由大量以光速运动的，具有确定能量的粒子流，这些粒子称为光量子，或简称光子。x 射线的波粒二象性可由爱因斯坦波粒矗c二象性表达式描述，即e = ，矿2 - 7 ，式中h _ 一普朗克( p l a n k ) 常数( h = 6 6 2 6 1 8，01 0 - 3 4 j s ) ；c 一光速，c = 3 1 0 8 m s ；e ，y ，五一一x 射线光子的能量、频率、波长。x 射线与可见光相比，除具有波粒二象性的共性之外，还因其波长短、能量大而显示其特性。穿透能力强。能穿透可见光不能穿透的物质，如生物的软组织，木板，玻璃，甚至除重金属外的金属板，还能使气体电离。x 射线波长范围很大，通常将波长短的x 射线称为硬x 射线，波长较长的x 射线成为软x 射线，此处“硬软”指x 射线穿透能力的强弱。所以，x 射线可用于医学x 射线透视和金属材料的探伤。折射率几乎等于1 。x 射线穿过不同媒质几乎不折射、不反射( 折射和反射极小，可忽略不计) ，仍可视为直线传播。所以x 射线不可能利用折射而聚焦。通过晶体时发生衍射。晶体起衍射光栅作用，因而可用x 射线研究晶体内部结构。x 射线光子能量的大小决定的是x 射线穿透力等性质，而不是x 射线的强度，一定频率的x 射线其强度大小取代于单位时间内通过单位截面的光子数目。由于x 射线对生物细胞与组织有较强的杀伤力，故应注意用铅板、铅玻璃或铅橡胶等对x 射线进行防护。2 4x 射线衍射仪工作原理2 4 1x 射线衍射原理x 射线射入晶体后可以发生多种现象。对于物相分析及研究晶体结构来中国地质科学院硕士学位沦文说，主要利用其衍射现象，而衍射则是相干散射发生干涉加强的结果。由物理光学可知，若可见波长与衍射光栅( 系列等宽狭缝) 宽度非常接近时，从每一狭缝发出的光波为同位相、同频率、同振幅或位相差恒定的相干波，它们干涉的结果得到一系列明暗相间的条纹，亮带为干涉加强所至，暗带则是由干涉相抵产生。衍射是指相干波产生干涉时相互加强的结果，最大程度加强的方向为衍射方向。见图3n喜善引h手if 2 刚i“分“分“2 睁，( 章a 。渤瓣鲥图3x 射线衍射现象晶体是由质点( 原子、离子或分子) 按周期排列构成的固体物质，因原子面间距与入射线波长数量级相当，故可视为衍射光栅。当晶体被x 射线照射时，各原子中的电子受激而同步振动，振动着的电子作为新的辐射源向四周放射波长与原入射线相同的次生x 射线，这个过程就是相干散射的过程。因原子核质量比电子质量大很多，所以可假设电子都集中在原子的中心，则相干散射可以看成是以原子为辐射源。按周期排列的原子所产生的次生x 射线存在恒定的位相关系，所以它们之间会发生叠加，干涉加强就在某些方向上出现衍射线。若用照相法收集衍射线，则可使胶片感光，留下相应的衍射花样( 衍射光斑、衍射光环或衍射线条，不同照相法所得的衍射花样不同) ；若用衍射中国地质科学院硕士学位论文仪法探测衍射线，则所得到的衍射花样为一系列衍射峰( 晶体结晶程度越高，衍射峰越明锐) ；当x 射线照射非晶体，由于非晶体结构为长程无序、短程有序，不存在明显的衍射光栅，故不产生清晰明锐的衍射线条( 见图3 ) 。由以上衍射现象可知，衍射现象与晶体的有序结构有关，即衍射花样规律性反映了晶体结构的规律性，衍射必须满足适当的几何条件才能产生。2 4 2 粉晶x 射线衍射原理用特征x 射线射到多晶粉末( 或块状) 上获得衍射谱图或数据的方法称为粉晶法或粉末法。当单色x 射线以一定的入射角射向粉晶时，无规排列的粉晶中，总有许多小晶粒中的某些面网处于满足布拉格方程的位置，因而产生衍射。所以，粉晶衍射谱图是无数微小晶粒各衍射面产生衍射叠加的结果。当单色x 射线照到粉晶样品上，若其中一个晶粒的一组面网( h k l ) 取向和入射x 射线夹角为8 ，满足衍射条件，则在衍射角2 臼( 衍射线与入射x射线的延长线的夹角) 处产生衍射，如图由于晶粒的取向机遇，因而与入射线夹角为26 l 的衍射线不只一条，而是顶角为2 口x 2 的衍射圆锥面，如图，晶体中有许多面网组，其衍射相应地形成许多以样品为中心。入射线为轴、张角不同的衍射圆锥面，见图即粉晶x 射线衍射形成中心角不同的系列衍射锥，通常称这种同心圆为德拜环。如果使粉晶衍射仪的探测器以一定的角度绕样品旋转，则可接收到粉晶中不同面网，不同取向的全部衍射线，获得相应的衍射谱图。衍射仪的测量是通过探测器对衍射线进行扫描实现的，探测器扫描方式有连续扫描和步进扫描两种方式，因而，衍射仪测量方法有连续扫描法和步进扫描法。下图为连续扫描衍射图。( 如图4 )图4 连续扫描衍射中国地质科学院硕士学位论文2 4 3x 射线衍射方法为了获得晶体的衍射谱图及衍射数据，必须采用一定的衍射方法，对于不同的衍射方法，其测量和计算衍射数据的方法也不同。由简化布拉格方程2 d 。s i n 0 = 旯可知，d 。、0 、丑三变量中，“h k l 是定量( 取决于晶体) ；0 和丑是变量。对于一定的晶体，4 h k l 的一系列数值已定，只有选择适当的0 或五，才能使之满足布拉格方程。最基本的衍射方程有三种：劳厄法、转晶法、粉晶法( 见表1 ) 。我们这里只对粉晶法做一介绍。表1三种基本衍射方法比较衍射方法入射x 射线样品五臼劳厄法连续单晶变不变转晶法单色单晶不变变粉晶法单色多晶粉末不变变粉晶法( 也称粉末法或多晶体法) 。用单色x 射线作为入射光源，入射线以固定方向射到多晶粉末或多晶块状样品上，靠粉晶中各晶粒取向不同的衍射面来满足布拉格方程。由于粉晶含有无数的小晶粒，各晶粒中总有一些面网与入射线的交角满足衍射条件，这相当于0 是变量，所以，粉晶法是利用多晶样品中各晶粒在空间的无规则取向来满足布拉格而产生衍射的，只要是同一种晶体，它们所产生的衍射花样在本质上都应该相同。在x 射线物相分析中，一般都用粉晶法得出的衍射谱图或衍射数据作为对比和鉴定的依据，粉晶法分为两种：粉晶照相法和粉晶衍射仪法。粉晶衍射仪是利用辐射探测器自动测量和记录衍射线的仪器。利用衍射仪获取衍射方向和强度信息进行x 射线分析的技术称为衍射仪技术，也称为衍射仪法。在衍射仪法中，辐射探测器绕样品中心轴旋转，依先后次序测量各衍射线的2 0 及强度值。由于衍射仪法具有快速、准确、自动化程度高等优点，所以，目前成为粉晶衍射分析的主要方法。尽管衍射花样可以千变万化，但是它的基本要素只有三个，即衍射线的峰位、线形和强度。由峰位可以测定晶格常数；由线形测定微观应力和嵌镶块大小：由强度可以测定物相含量。2 4 4 衍射仪的构造及工作原理衍射仪主要由x 射线发生器、测角仪及光路系统、衍射测量控制及计算机控制系统构成。x 射线发生器( 如图5 所示) 是由高压发生器、高压电缆中国地质科学院硕士学位论文与x 光管、冷却水循环温控装置组成；衍射测量系统包括闪烁计数器、脉冲高度分析器( p h a ) 和计数器高压：衍射控制系统由广角测角仪控制、小角测角仪控制、织构测角仪控制、高压控制、波高分析器控制和快门控制组成。蚓5x 射线发生器结构示意图衍射仪工作过程大致为：由高压发生器激发x 光管发出x 射线，照射到片状试样上，所产生的衍射光子用衍射测量装置接收，经检测电路放大处理后，经过计算机控制系统的处理给出精确的衍射数据和谱线。这些衍射信息可作为各种x 射线衍射分析应用的原始数据。中国地质科学院硕十学位论文第三章高频高压电源的工作原理性惺幢姆高压埘掣乏铡主嚣。9l - 1糍，l 二= ：= ：l | _ 熊辅助蚤嬗一謦器+糍澹图63 0 0 0 w 高频高压电源的原理框图本电源电路主要分为主电路、高压发生电路和控制保护电路三个部分。主电路：2 2 0 v 5 0 h z 的交流输入电源经电网滤波、整流得到直流电源( 如图6 所示) ，由于刚上电时滤波电容使电源短路，对电路有损坏，因此加一个延时保护电路，上电时回路经过电阻限流，滤波电容充满后，打开可控硅使电阻短路，从而对电路进行保护，然后经过功率因数校正电路输出4 0 0 v 高压，再把4 0 0 v 高压加到高压驱动电路上，最后通过高压发生器输出一6 0 k v 的高压。功率因数校正电路是使电源输入电流实现正弦化，并保持与输入电压同相，使功率因数接近于1 。高压发生电路就是将驱动电路的信号通过变频升压处理，得到所需的高频高压电源。控制保护电路包括电压控制保护电路和灯丝电流控制保护电路。电压控制保护电路从高压发生器输出电路中做电压采样，将其反馈信息输入到控制电路，通过反馈信息来调节控制电路输出的脉冲宽度，从而调节输出电压，使输出电压保持稳定，减小纹波。灯丝电流控制保护电路的工作原理也是一样，从高压发生器输出电路中做电流采样，将其反馈信息输入到控制电路，控制使其电流保持稳定，从而使灯丝亮度保持稳定。另外，在电路中还输出电路中所需要的辅助电压有：+ 3 6 v 、+ 1 5 v 、1 2 v 、+ 5 v 。图6 中的各模块的作用及工作原理详细在后面各章介绍。第四章电源主电路的研究该电源的主电路部分包括：整流滤波电路、延时保护电路和功率因数校正电路。下面就以上四部分的作用及原理分别进行叙述。1 0中国地质科学院硕士学位论文4 1 整流滤波电路电网提供的交流电一般为2 2 0 v 或3 8 0 v ( 本设计中使用2 2 0 v ) ，而各种电子设备所需要的电压是幅值不同的直流电压，因此，要对电网电压进行处理。在该设计中，首先对电网进行整流滤波处理。整流滤波电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压，为处理成为理想的直流电压做一基础性的工作。但是这种脉动电压还包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差比较远。因此，在整流滤波电路之后还有功率因数校正电路，对脉动电压进行进一步的处理图7 a 整流滤波电路图7 b 工作原理图一图7 c 工作原理图二本设计中应用的整流滤波电路为桥式整流电路，整流电路由四只整流二极管d l 4 组成，接成电桥形式。其工作原理如下：当输入电源为u 2 的正半周( 如图7 b 所示) ，d 1 、d 3 导通，d 2 、d 4 截止，电流由u 2 的1 端经d 1 一r l d 3 回到u 2 的2 端，在负载r l 上得到一半波整流电压；当输入电源为u 2 的负半周( 如图7 c 所示) ，d l 、d 3 截止，d 2 、d 4 导通，电流由u 2 的2 端经d 2 一r l d 4 回到u 2 的1 端，在负载r l 上得到另一半波整流电压，这样就得到一个与全波整流相同的电压波形。其工作波形如图7 d 所示。输出波形参数估计：整流输出电压平均值：u o = 1 l r f 4 5 v s i n ( c o t ) d ( c o t ) ：2 4 5 x u ，：0 9 u ，二极管平均电流：i 。：三，。：旦生：0 4 5 u lj 2 。j 2 r i ，r i 二极管最大反向电压：。= 2 一fn中国地质科学院硕士学位论文0八2 l 触。：m3 ：v l4 ( o 舌o1d图7 d 桥式整流电路工作波形图桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。在整流之后，对电流进行电容滤波，其电容滤波电路如图7 a 所示。然而在本电源的设计中，用来滤波的电容其容值很小，对整流输出的电流只做很小的滤波，滤波后的电流还有较大的波动性，功率因数也是比较低。具有较大波动性的输出电流再经后面的功率因数校正电路进行校正，同时使功率因数达到接近于1 。4 2 延时保护电路的设计由于整流电路中的滤波电容比较大，当开机时电源会短路，烧坏整流块，因此整流电路中串连一个2 0 q 电阻，开机延时一段时间内通过电阻向电容充电，充满后再将可控硅打开，如图8 所示中国地质科学院硕士学位论文图8 延时保护电路示意图保护电路中延时控制由下列电路组成，分压器由三个阻值均为5 k q 的电阻串联连接构成，为比较器c 1 和c 2 提供参考电压v r l 和v r 2 ，c 1 的同相输入端v + = v r l = 2 v c c 3 ，c 2 的反相输入端v - = v r 2 = v c c 3 。如果在电压控制端5 另加控制电压，则可改变比较器c l 和c 2 的参考电压v r l 和v r 2的值。若工作中不使用控制端5 时，则控制端5 通过一个0 0 1 ，的电容接地，以旁路高频干扰。分压器上端8 接v c c ，下端1 接地。1 比较器c l 和c 2 是两个比较器，分别由集成运算放大器构成。c 1 的同相输入端“+ ”接到参考电压v r l 端上，即电压控制端5 ，反相输入端“一”用t h表示，称为高触发端6 ；c 2 的反相输入端“一”接到参考电压v r 2 端上，同相输入端“+ ”用t l 表示，称为低触发端2 。当同相输入端电压v + ，j 、于反相输入端电压v ( v + 2 v c c 3时，即n ，则c i = 0 ，q = 1 ，”o = “0 ”，t 导通；若t h v c c 3 时，则。( 1 = “i ”，。c 2 = “l ”，基本r s 触发器保持原来状态，因此输出”口和三极管t 也保持原来状态；当t h 2 v c c 3 、t l 2 v c c 3jo导通 2 v c c 3 v c c 31不变不变 2 v c c 3 v c c 31l截【e开机初始，由于c 1 上电压不能突发，使5 5 5 处于复位状态。随着c 1 的充电，当2 脚电位低于v d d 3 时，5 5 5 才置位，3 脚转呈高电平，使晶闸管导通。从开机到置位的时间，即延时时间t d = 1 1 r l c l ，在本设计中延时约为5秒钟。v4 3 功率因数校正电路图95 5 5 工作原理图近二十年来，随着现代经济和技术的大发展，越来越多的电器设备加入电网，产生出大量的谐波分量又经电网串入其他电气设备，对计算机等重要电子设备的稳定工作产生严重的电磁干扰。中国地质科学院硕士学位论文众所周知，传统的a c d c ( 交流直流) 电能变换器和开关电源，其输入电路普遍采用了全桥二极管不控整流方式或者相控整流方式。虽然不控整流器电路简单可靠，但它们会从电网中吸取高峰值电流，使输入端电流和交流电压均发生畸变。也就是说，大量的电气设备自身的稳压电源，其输入前置级电路实际上是一个峰值检波器，在高压电容滤波器上的充电电压，使得整流器的导通角缩短三倍，电流脉冲变成了非正弦波的窄脉冲，因而在电网输入接口端产生失真很大的谐波尖峰干扰。由于传统的稳压电源数量大增，其输入级不控整流器和高压大滤波电容产生的严重谐波电流干扰，已成为强噪声发射源，危害了电网的正常工作，使2 2 0 v 电网输送线路上损耗剧增，浪费了大量的电能。开关电源的输入级峰值电流很高，使网侧的功率因素下降到0 5 0 6 5 ，即视在功率远大于有用功率，电网质量严重受损。所以发达国家率先采用了多种功率因数校正( p f c )方法，来实现“绿色能源”革命，并强制推行了国际标准1 e c 5 5 5 2 、e n 6 0 5 5 5 2等，限制电子生产厂家入网电器设备的电流谐波值。4 3 1 功率因数校正基本原理功率因数( p f ) 的定义功率因数( p f ) 是指交流输入有功功率( p ) 与输入视在功率( s ) 的比值。即：p f ：! ：u t l tc o s o ：土x c o s 多：瑚s 庐sul i 。si 。jjj式中，。一为输入基波电流有效值；。一为输入电流有效值：u ，为输入电压有效值；，为输入电流失真系数；c 0 8 妒为基波电压和基波电流之间的相移因数。所以功率因数可以定义为输入电流失真系数( ，) 与相移因数( c o s 西) 的乘积。可见功率因数( p f ) 由电流失真系数( r ) 和基波电压、基波电流相移因数( c o s ) 决定。0 8 矿低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，r 值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。由于常规接流装置常使用非线性器件( 如可控硅、二极管) ，整流器件的导通角小于1 8 0 。，从而产生大量谐波电流成份。而谐波电流成份不做功，只有基波电流成份做功。所以相移因数( c 0 8 妒) 和电流失真系数( y ) 相比，输入电流失真系数( r ) 对供电线路功率因数( p f ) 的影响更大。传统的功率中国地质科学院硕士学位论文因数概念是假定输入电流无谐波电流( 即一1 一r 或r = 1 ) 的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了p f = 。o s 妒。( 以上参考于高压资料中的采用u c 3 8 5 4 的有源功率因数校正电路工作原理与应用)o 功率因数校正的基本原理，就是从电路上采取措施，使电源输入电流实现正弦波，并与输入电压保持同相。功率因数与电流总谐波失真的关系为：曝真2 而蠢11 ) 正弦化是使其他谐波为零，即厶；，则失真因数，2 = 1 ；2 、同相位是使= 旷，即c o s 0 。= l ，使相移因数c o s 2 l 。综合这两种结果，就实现了功率因数为1 的重要目标，即公式p f = 7 c o s 口1 2 1 1 。4 3 2 常用功率因数校正方法目前广泛使用的改善功率因数的方法主要有以下几种：多脉冲整流法。它的基本原理是利用变压器对各次不同谐波电流进行移相，使奇次谐波在变压器次级相互叠加而抵消。这种方法在变压器负载平衡的情况下对减小输入端的低次谐波是有效的。无源滤波法。其基本原理是在整流电路中用l c 滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波，提高功率因数。无源功率因数校正由于采用电感、电容、二极管等元器件代替了价格较高的有源器件，因而使开关电源的成本降低。虽然采用无源功率因数校正技术所得到的功率因数不如有源功率因数电路高，但仍然能使电路的功率因数提高到0 7 o 8 ，电流谐波含量降到4 0以下，因而这种技术在中大容量的电子设备中被广泛采用。但无源功率因数校正还存在着诸如波峰系数与谐波含量较高等技术问题，仍需进一步改进。无源p f c 电路同时作为整流电路的前端滤波器只能工作在工频( 5 0 h z 6 0 h z ) 状态下，使用的电容和铁心电感处于工频低通或带通状态。在电路的整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流侧介入一个谐振滤波器。其主要优点是电路简单，成本低可靠性高，电磁干扰小；主要缺点是尺寸大，重量大，难以得到高功率因数，工作性能与频率、负载变化及输入电压有关，电感和电容间有大的充放电电流等。这种方法对抑制高次谐波有效，但滤波设备庞大，而且运行情况受系统阻抗的影响，若不使用中国地质科学院硕士学位论文调谐电抗器，很可能会与系统电抗产生并联谐振。但由于此法结构简单，目前还常使用。有源功率因数校正法。它直接采用有源开关或a c d c 变换技术，使输入电流成为和电网电压同相位的正弦波。在整流器和负载之间接入个d c d c 开关变换器，应用电流反馒技术，使输入端电流q 的波形跟踪交流输入正弦电压的波形，从而使电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电压同相位。具体内容于下面详细介绍。4 3 3 有源功率因数校正( a p f c ) 电路的工作原理有源功率因数校正大都采用高频a p f c 电路。该电路接在整流桥和变换器之间( 如图) ，其功率因数可达0 9 9 以上，谐波电流分量小于1 0 ，输入电压为9 0 2 7 0 v ，适用范围广，输出电压稳定，磁性元件体积小，但电路复杂，大都采用集成电路控制。有源功率因数校正是抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法，其工作原理如图所示。交流输入电压经桥式整流后在经过d c d c 变换，通过相应的控制使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基波值并保持输出电压稳定。a p f c 电路有两个反馈控制环：一是输入电流环，使d c ，d c 变换器输入电流的波形与桥式整流电压的波形相同；二是输出电压环，使d c d c 变换器输出端为一个直流稳压源。在a p f c 电路中，d c d c变换器使输入电流与输入电压都为桥式整流波形，并且相位相同。4 3 4 有源功率因数校正方法的分类按电路结构，有源功率因数校正方法可分为以下几种：降压式：噪声大，滤波困难，功率开关管上的电压应力大，控制驱动电平浮动，因此很少采用。升降压式：需用两个功率开关管，其中一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制方法，适用于1 5 0 w 以下功率的应用场合。升压式：采用简单电流型控制方法，p f 值较高，总谐波失真( t h d )小，效率高，但是输出电压高于输入电压，适用于7 5 2 0 0 0 w 功率范围的应用场合，应用最为广泛。升压型a p f c 电路具有以下优点：电路中的电感l适用于电流型控制；由于升压型a p f c 电路的预调整作用，在输出电容器c上保持高电压，所以电容器c 的体积小、储能大：在整个交流输入电压变化中国地质科学院硕士学位论文曲o t 懒t tt - + 吒酶生里些壁型堂堕堡圭堂垡笙苎( a ) 平均电流型( b ) 、滞后电流型i f( e 1 ) 电压控制型图1 1 工作波形图4 3 5 有源功率因数校正器的设计有源校正技术特别是用于高频( 原文献为“开关”) 电源的单相升压式高频有源功率因数校正电路。本设计应用了有源校正技术，它具有高的功率因数值职o 。9 9 ，低频谐波失真t h d 茎8 1 0 ，电源效率高达9 0 以上，输出电压v b 稳定( 升至4 0 0 v 左右) 。该有源功率因数校正器适用于中大功率电源( 1 0 0 0 w 3 0 0 0 w ) 且适应宽输入电压( 9 0 2 7 0 v ) ，磁性元件小，省略了庞大的原输入级滤波器。在电源输入级插进了功率因数校正网络，通过适当的控制电路不断调节输入电流波形，使其逼近正弦波，并与输入的电网电压保持同相。高功率因数校正电路设计的基本工作原理方框图见图1 2 a 。由储能电感中国地质科学院硕士学位沦文l 、高频大功率开关三极管s 、单向二极管d 和滤波电容c 共同组成b o o s t( 即升压式) 变换器电路。其中开关管s 受恒定高频( 例如4 0 k h z 或5 0 k h z等) 脉宽调制( p w m ) 开关信号的控制。假定在理想条件下，对应于s 丌通和关断时的升压式电路等效电路为图，其表达式为：s 导通时：堕：u i ms i n c o td ls 关断时：生：u , ms i n w t - u rd。l式中，u m 是输入电压u 1 的幅值，u b 是输出直流电压，国是输入电压的角也2 2 蝻一书竹悱l 一草鲤鱼一图1 2 ( a ) 高功率因数校正电路工作原理方框图蚜粘) 帕：别n 九枷 1 if 1p 器直蕾图1 2 ( b ) 功率因数校正电路中开关s 控制脉冲p w m 与电感电流关系图频率，k 是电感l 中的电流，即是桥式整流器从电网中吸取的电流。由于升压式电路结构中电感电流t 的变化剧烈，在输入交流电压接近零值时出现电流t 的断续现象，为此要增加开关s 的导通时间，并采用从输入端电流屯的中国地质科学院硕士学位论文瞬时值取样反馈进行控制。从图看出，输入电压经足、r ，分压器采样和检测后加到乘法器输入端；输入电流经检测后也加到乘法器输入端；另外输出电压经蜀、r 。分压取样和检测后，又与参考电压比较后输出误差信号也加到乘法器。乘法器是功率因数控制器的关键环节。在较大动态范围内，乘法器的传输曲线呈线性。当正弦波交流输入电压从零升至峰值电压时，乘法器输出电压控制电流取样比较器的门限电平。而比较器又受高频三角波( 4 0 k h z 或5 0 k h z ) 信号调制，从而产生受控脉宽调制p w m 信号脉冲加到m o s f e t 栅极。这样就能快速调节控制m o s f e t 主开关s 的导通时间，使它及时跟随电网输入电压的变化，从而让p f c 前置变换器的负载对于交流电网呈现电阻性。经各路反馈信号的控制，晟终使流过电感l 中感性电流的峰值包络线总是紧密跟踪单向正弦波形的交流输入电压波而变化，于是在电气设备开关电源的输入端，就可以得到一个与输入电压几乎完全同频同相的平滑正弦波电流，实现系统的高功率因数值( 达0 9 9 ) 。本设计中采用了u c 3 8 5 4 芯片，u c 3 8 5 4 为电源提供有源功率因数校正，它还按正弦的电网电压来牵制非正弦的电流变化。该器件能最佳地利用供电电流失真减到最小，执行所有的控制功能。u c 3 8 5 4 包括一个电压放大器、一个模拟乘法器驱动器、一个电流放大器、一个恒频脉宽调制器( p w m ) 。u c 3 8 5 4 还包括一个功率m o s f e t 兼容的栅极驱动器、7 5 v 参考电压、电网预置器、负载变化比较器、低电源检测器和过流比较器。u c 3 8 5 4 采用平均电流型控制来完成恒频电流控制，具有高稳定性和低失真性。不同于峰值电流型控制，平均电流型控制可准确地维持正弦电网电流，无需斜率