專利名稱：一種低紋波高效率小型x光管高壓電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于醫(yī)療、科教、工業(yè)領(lǐng)域。如醫(yī)療診病、無損檢測、公共交通、安全檢查等方面的各種類型X光機(jī)儀器設(shè)備中的X射線管專用高壓電源。具體而言，涉及一種X光管高壓。
背景技術(shù)：
X射線的穿透作用、電離作用、熒光作用使其在醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)無損檢測、安全檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，他為我國的地質(zhì)、冶金，鋼材、材料、化工等學(xué)科的發(fā)展起到重要的的作用。近年來，伴隨新型半導(dǎo)體材料、電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及X射線分析新方法不斷地研
究應(yīng)用，X射線被用在新型尖端領(lǐng)域，成為現(xiàn)代科學(xué)研究中的現(xiàn)場元素分析、物質(zhì)成分分析、晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析、能量色散X射線熒光分析等更加可靠，更加方便的分析和檢查手段，使得其在環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘探、材料分析、工業(yè)生產(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)控以及生物醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究中起到重要作用。傳統(tǒng)的X射線源普遍采用工頻高壓型發(fā)生器，使得X射線源的體積大、重量大、效率低、能耗高、射線穩(wěn)定性差、成像質(zhì)量低、移動性差。目前，國內(nèi)已有一些科研單位和公司已開始自主研制小型X光管，普遍存在控制精度低，實(shí)時響應(yīng)慢，檢測手段落后、發(fā)生故障不能自我保護(hù)的特點(diǎn)，與國外產(chǎn)品相比還有一定的技術(shù)差距。國內(nèi)的微型X射線直流高壓電源基本都還是以進(jìn)口為主。但引進(jìn)的國外同類產(chǎn)品成本高，維修困難。工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對高質(zhì)量、高可靠性、高穩(wěn)定性、高效率、便攜式X射線機(jī)需求猛增。設(shè)計(jì)一款輸出紋波小、便攜式、高穩(wěn)定性、直流高壓X射線機(jī)電源具在很大的商業(yè)價值。從上世紀(jì)八十年代到現(xiàn)在，大功率的高壓直流電源基本上都是采用可控硅工頻相控電源，如圖I所示。工頻交流電通過相控調(diào)壓，然后經(jīng)高壓變壓器升壓，最后整流后得到直流高壓。它的主要缺點(diǎn)是(I)工作頻率為工頻50Hz，體積大，重量重；(2)輸出電壓紋波大；(3)輸出電壓平均值低(4)變換效率低；(5)動態(tài)性能差。 工頻高壓電源的這些缺點(diǎn)限制了它在一些高壓場合的進(jìn)一步應(yīng)用。而高頻高壓直流電源克服了前者的缺點(diǎn)，已成為高壓大功率電源的發(fā)展趨勢。迷你X射線直流高壓電源的設(shè)計(jì)重在X射線源的紋波小、便攜性、低功耗，以利于便攜式攜帶工作。高穩(wěn)定高壓電源是獲得穩(wěn)定X射線的關(guān)鍵因素，以及考慮到X射線在使用過程中需要的射線強(qiáng)度不同，所以在微型化的基礎(chǔ)上對高壓電源要求有很高的穩(wěn)定性
發(fā)明內(nèi)容
迷你X射線直流高壓電源主要由高壓控制器、直流推挽逆變電路、高頻變壓器、負(fù)倍壓電路、隔離反饋電路組成。與目前國內(nèi)X射線源相比，采用低壓直流逆變，降低了由電網(wǎng)電壓帶來的紋波，使高壓輸出更加穩(wěn)定。逆變電路采用推挽高頻逆變，不僅提高了變壓器的效率，同時減小變壓器的匝數(shù)比、體積和重量以利于便攜式工作。本發(fā)明的目的在于提供了一種小型X射線直流高壓電源。所述電源包括推挽逆變電路，高頻變壓器和低紋波負(fù)倍壓電流的獨(dú)特電路結(jié)構(gòu)，并采用微型高壓絕緣封裝。優(yōu)選地，本發(fā)明的電源還包括高壓控制器，隔離電路，電壓反饋。優(yōu)選地，本發(fā)明的電源還包括低壓直流電源。如圖2所示，示出了本發(fā)明的整體電路框圖。
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高壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本發(fā)明考慮到低功耗及便攜性的要求，高壓電源采用隔離推挽式開關(guān)變換器，雙向勵磁不僅提高了磁滯回線的利用率，以及減小變壓器的匝數(shù)比、體積和重量，同時避免了磁心單向飽和帶來的功率開關(guān)損耗，且適合低輸入電壓和小功率電源。功率驅(qū)動電路選用MOSFET管驅(qū)動，可以減小開關(guān)損耗，由高壓控制器輸出兩路相位相差180度，占空比小于50的兩路方波驅(qū)動MOSFET管，避免了兩個MOSFET管共態(tài)導(dǎo)通的情況。并且用兩個穩(wěn)壓二極管鉗位柵極電壓，防止過高的尖峰電壓損壞MOSFET管。為減小導(dǎo)通電阻的壓降，采用多個器件并聯(lián)。高頻變壓器高壓電源的高頻化可以使電源系統(tǒng)小型化，系統(tǒng)動態(tài)反應(yīng)速度加快，電源裝置效率高，并能有效抑制環(huán)境噪聲污染。所以我們采用高頻變壓器。為了防止鐵芯瞬態(tài)飽和，從而產(chǎn)生很大的浪涌電流，我們增加了軟啟動環(huán)節(jié)，啟動時減小功率管的導(dǎo)通脈沖寬度，然后逐漸增大磁感應(yīng)強(qiáng)度到穩(wěn)態(tài)值。為減小變壓器繞組的漏感，采用瘦高型變壓器，增加繞組高度，減小繞組厚度。為了消除由分布電容和自感電壓造成的高頻自由振蕩，我們增加了吸收電路。超低紋波的電容倍壓電路設(shè)計(jì)由于受變壓器工藝的限制，很難做到如此高變比的變壓器，以及高變比的復(fù)雜的分布參數(shù)，使前級逆變電路設(shè)計(jì)困難，所以采用升壓變壓器和倍壓整流電路進(jìn)行兩級升壓。倍壓整流電路適合用在高壓但電流不大的系統(tǒng)，并可以有效降低元器件的耐壓值，而且能夠減小高頻逆變器諧振紋波，整流輸出平穩(wěn)的電壓，如圖3所示，為本發(fā)明改進(jìn)后的無需濾波電路即可獲得超低紋波的電容負(fù)倍壓電路的連接示意圖。如圖4所示，采用改進(jìn)后的倍壓整流電路，不需要增加大的濾波電容及濾波電路即可獲得極低的紋波，該紋波逐漸減小直至為零。倍壓整流電路計(jì)算公式電壓跌落ΔU= (4N3+3N2+2N) I/6fC輸出電壓U=2N*Up_Δ U輸出電壓紋波N(N+l)I/4fC電壓反饋和電壓調(diào)節(jié)電路
高穩(wěn)定高壓電源是獲得穩(wěn)定X射線的關(guān)鍵因素，以所以電源應(yīng)具有自我調(diào)節(jié)能力，控制電路由穩(wěn)定輸出功能。反饋電壓采用“分壓電阻隔離法”，電阻分壓后隔離采樣，反饋信號轉(zhuǎn)換，然后信號進(jìn)行數(shù)控減法后，輸入高壓控制器的誤差放大器中，進(jìn)而控制逆變輸出電壓。為了避免功率電流干擾控制在輸入側(cè)并聯(lián)瞬態(tài)二極管，進(jìn)行電路保護(hù)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的小型X光管高壓電源，采用直流高頻逆變，電源裝置小巧、輕便、便攜、效率高，并能有效抑制環(huán)境噪聲污染。避免了由電網(wǎng)帶來諧波干擾，低紋波負(fù)倍壓電路，進(jìn)一步減小紋波，輸出穩(wěn)定的高X光。整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低功耗、高效率、便攜性、高壓輸出穩(wěn)定性高、分析采樣時間段、高壓數(shù)控精度高、操作簡便、智能化、低光譜污染、高X光輸出、分析采樣時間短等特點(diǎn)，滿足了工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對高質(zhì)量、高可靠性、高穩(wěn)定性、高效率、便攜式X射線機(jī)的需求,在X光機(jī)在技術(shù)上、成本上擁有更強(qiáng)的市場競爭力，所以本發(fā)明有很好的實(shí)際用途和市場前景。


圖I是工頻高壓電源總結(jié)構(gòu)圖，其中11 —交流輸入，12 - EMI濾波器，13 —有源功率因數(shù)校正，14 一全橋逆變升壓倍壓整流電路，15 一高壓輸出，16 —輔助電源，17 一控制電路，18 —聞壓米樣；圖2是本發(fā)明高壓電源整體電路框圖，其中21—低壓直流電源，22 —高壓控制器，23 一推挽逆變電路，24 一高頻變壓器，25 一低紋波倍壓整流電路，26 一負(fù)高壓輸出，27 —隔 離電路，28 —電壓反饋；圖3是本發(fā)明超低紋波的電容負(fù)倍壓電路的連接示意圖；圖4是本發(fā)實(shí)施例的效果圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明根據(jù)下述實(shí)施例和附圖做進(jìn)一步的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以明了的是，下述實(shí)施例以及附圖對本發(fā)明僅僅起到說明的作用。在不背離本發(fā)明精神的前提下，對本發(fā)明所做的任意改進(jìn)和替代均在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。根據(jù)圖2可知，低壓直流電源將外界輸入的不穩(wěn)定波動電壓穩(wěn)定輸出在固定值上，為后級的電路提供穩(wěn)定參考點(diǎn)。高壓控制器將根據(jù)后級電壓反饋回來的模擬電壓大小實(shí)時調(diào)節(jié)輸出PWM波調(diào)制信號的占空比，當(dāng)電壓反饋回來的模擬電壓量減小，則高壓控制器輸出的PWM調(diào)制信號的占空比將變大，最終變大的占空比調(diào)制信號會引起負(fù)高壓輸出絕對值的變大，從而穩(wěn)定負(fù)高壓的輸出值。高壓控制器輸出的PWMT調(diào)制信號不具備驅(qū)動高頻變壓器的能力，因此需要經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的推挽逆變電路增強(qiáng)驅(qū)動能力，獲得較大的電流輸出能力，使得高頻變壓器模塊中的功率器件獲得邊沿陡峭的方波信號，從而降低高頻變壓器驅(qū)動功率器件的開關(guān)損耗，降低了整機(jī)的功耗。高頻變壓器被功率器件控制導(dǎo)通與截?cái)喽@得高頻電場能量，該電場能量通過磁場耦合的方式將能量傳遞到變壓器的次級，由于該變壓器為升壓變壓器，因此次級可以得到更高的電壓，該電壓仍然不能滿足本發(fā)明的高壓要求，需要進(jìn)一步由低紋波倍壓整流電路升壓才能得到更高的電壓，當(dāng)由于外界負(fù)載波動原因?qū)?dǎo)致負(fù)高壓輸出上升或者下降時，通過隔離電路將影響電壓反饋電路的輸出從而引起高壓控制器輸出調(diào)制信號的占空比變化，最后補(bǔ)償負(fù)高壓的變化，時限負(fù)高壓的穩(wěn)定輸出。根據(jù)圖3可知，當(dāng)變壓器初級線圈為正半周信號時，變壓器的次級線圈的同名端耦合到磁場能量，且為正半周信號其有效值為U1，此時圖3中上部分的電容被充電，電容左邊電平為V U1，右邊電平為O. 7V，圖3中左邊第一個二極管導(dǎo)通。當(dāng)變壓器初級線圈為負(fù) 半周信號時，變壓器的次級線圈的同名端耦合到磁場能量，且為負(fù)半周信號，由于電容兩端電壓不能突變，故上測電容左邊電壓為-V Ul，右邊電壓為-2 V U1，圖3左起第一個二極管截止，左起第二個二極管導(dǎo)通，因此圖3中下側(cè)左起第一個電容的兩端電壓為-2 V U1，因此實(shí)現(xiàn)了二倍壓，依此類推只需兩個電容兩個二極管即可實(shí)現(xiàn)二倍壓，串聯(lián)多級倍壓整流電路可得到η倍壓的升壓。
權(quán)利要求
1.一種小型X光管高壓電源，其特征在于包括推挽逆變電路，高頻變壓器和低紋波倍壓整流電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電源，其特征在于還包括高壓控制器，隔離反饋電路和電壓反饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電源，其特征在于還包括低壓直流電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電源，其特征在于所述電源采用高壓絕緣封裝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種X光管高壓電源，其特征在于包括推挽逆變電路，高頻變壓器和低紋波倍壓整流電路。
文檔編號H02M3/28GK102891601SQ20121033742
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者葛良全, 曾國強(qiáng), 張慶賢, 李晨, 賴萬昌, 王廣西, 楊強(qiáng) 申請人:成都理工大學(xué)