基于UC移相控制技术的X射线管电源的研究

基于UC移相控制技术的X射线管电源的研究第1页/共30页安徽工业大学1.1本课题研究背景近年来，X射线检测装置在工业产品质量检验、医学、工业用X射线测厚仪、无损检测等领域都有非常重要的应用，而且其具有安装方便、重量轻、可靠性高、故障率低等许多优点。但由于高压直流电源技术的滞后阻碍了X射线检测装置的发展，所以如何解决高压直流电源技术在X射线检测装置中的应用成为人们越来越关心的问题。本课题就是为了解决这一问题，提出了基于UC3875移相控制技术的X射线管电源的研究。1本课题的研究理论基础第2页/共30页安徽工业大学1.2X射线管概况如图1所示，X射线管主要由阴极、阳极和玻璃管三部分组成，阳极和阴极封装在高真空度的玻璃壳内。图1.1X射线的产生原理第3页/共30页安徽工业大学1.3传统高压直流电源图1.2传统高压直流电源缺点：所用设备、组件的电压较高，体积、重量和占地面积大。电压质量差，纹波系数比较大。解决办法：电路的高频化。提高工作频率就可以减少变压器绕组的匝数以及减小铁芯的尺寸，从而使得变压器小型化。第4页/共30页安徽工业大学1.4全桥逆变整流电路图1.3全桥逆变整流电路

存在的问题：在提高开关频率的同时，开关损耗以及电磁干扰都相应的增大了，电路效率严重下降。解决的方法：软开关技术。它利用以谐振为主的辅助换流手段，可以解决开关损耗和开关噪声问题，从而使得开关频率可以大幅度提高。第5页/共30页安徽工业大学2本课题的主要工作2.1系统框图图2.1系统框图第6页/共30页安徽工业大学2.2移相全桥型零电压开关PWM电路

图2.2移相全桥型零电压开关PWM电路

第7页/共30页安徽工业大学2.2移相全桥型零电压开关PWM电路

图2.3模态1（t0~t1）

第8页/共30页安徽工业大学2.2移相全桥型零电压开关PWM电路

图2.4模态2（t1~t2）

第9页/共30页安徽工业大学2.2移相全桥型零电压开关PWM电路

图2.5模态3（t2~t3）

第10页/共30页安徽工业大学2.2移相全桥型零电压开关PWM电路

图2.6模态4（t3~t4）

第11页/共30页安徽工业大学2.2移相全桥型零电压开关PWM电路

图2.7模态5（t4~t5）

第12页/共30页安徽工业大学2.3UC3875的介绍和外围电路的设计

图2.8UC3875外围电路图芯片振荡频率由估算公式确定：设计的电路工作频率为10kHz左右。

第13页/共30页第14页/共30页安徽工业大学2.4UC3875单板实物图和输出的PWM波形

图2.8UC3875单板实物图和输出PWM波形第15页/共30页安徽工业大学2.5EXB841外围驱动电路设计图

当高电平驱动信号输入时，通过内部光耦电路，使互补输出电路的上管导通，忽略饱和压降，3脚输出电压接近15V，使IGBT导通。当低电平信号输入时，当3脚输出-5V的低电平时，使IGBT关断。图2.9基于EXB841驱动电路图第16页/共30页安徽工业大学2.6驱动电路实物图和驱动波形

图2.9驱动电路实物图和驱动波形

第17页/共30页安徽工业大学2.7逆变电路测试与分析

由上图可以看出，经过移相全桥逆变之后，只有在对角的两个开关管同时开通，电路才能完成能量的传递。通过改变驱动脉冲的“重叠”部分，即可改变逆变电路输出的波形，从而经过高压升压整流电路调节输出电压的大小。

图2.10全桥逆变电路输出的波形

第18页/共30页安徽工业大学2.8倍压整流电路分析

图2.11六倍压整流电路

第19页/共30页安徽工业大学2.9双向六倍压整流电路

逆变输出的交变电压经过1：30的高频升压变压器先升压，得到峰值约为8.0kV左右的交流电压，然后经过两个6倍压整流电路进一步升压，最后输出80kV左右的直流负高压。图2.12双向六倍压整流电路

第20页/共30页2.10

高压电源电路的设计图2.13X射线管阴阳极供电高压电源电路图安徽工业大学第21页/共30页安徽工业大学2.11

高压直流电压的输出采用10000：1比例的高压碳棒或者电阻分压电路测量输出电压。经检测输出的高压直流电压约为80kV，稳定度在100V之内。满足高压直流电源设计要求。

图2.13输出的直流电压和电阻分压电路第22页/共30页2.12灯丝电源的设计本课题是利用脉冲给灯丝供电，此脉冲是由全桥逆变输出得到，逆变桥的开关管是由SG3525控制器来提供驱动信号。图2.14灯丝电源电路和输出的灯丝电源波形安徽工业大学第23页/共30页安徽工业大学电压反馈电路的设计电流保护电路的设计

2.13高压直流电源闭环反馈网络MAX471

第24页/共30页安徽工业大学2.14灯丝电源闭环反馈网络设计

电流调理电路

电流反馈电路

第25页/共30页安徽工业大学电流保护电路

第26页/共30页安徽工业大学3总结与展望3.1总结本文主要针对X射线管的具体特性，在比较研究了相关理论的基础上，设计了一台电源用于X射线管的具体方案，通过实验调试得到了相应的实验结果。试验结果都满足设计指标，达到设计要求。（1）采用UC3875作为控制的移相式零电压PWM软开关电源，具有高频、能耗小、体积小等优点，同时电源工作波形纹波小，谐波少，减少了输出电压的脉动分量，抑制了开关尖峰嗓声，且运行可靠。（2）将高频技术运用在高压电源的设计中，进一步减小了高压电源的体积；（3）利用正负双向倍压整流电路大大减小了直流高压输出的纹波；第27页/共30页安徽工业大学3.2展望（1）高压直流电源的高电压绝缘技术与结构工艺技术。由于本电源的电压等级比较高，所以在具体试验过程中的绝缘问题会遇到些麻烦，安全及其稳定性能都需要进一步加强。（2）集成控制器UC3875控制电路和快速保护电路的技术。基于UC387