创新型的基于软开关的X射线电源系统_瑞达电器资料网,华玉生活

摘要：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。此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。同时，PFC 模块能使此电源系统适用于国内和国外市场，并且减小对电网的谐波污染。

关键词：软开关；PFC；谐振；倍压；CW电路

Abstract:A new-developed high-voltage power supply designed for an X-ray generator application is introduced, which has a novel topology comprised a PFC module, a Buck circuit, a high-frequency transformer and voltage multiplier. 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.

0 引言

自动X 射线检测（AXI）在无损检测领域，特别是检测和评估微机电系统（MEMS）和微光电子机械系统（MOEMS）设备检测中越来越重要了。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），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。这是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。

由于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。漏感将使输出产生不想要的电压尖峰，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，并且能方便地调节输出电压，这是因为利用了高频变压器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可以十分方便灵活地调压，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，可以充分利用高频变压器的磁性能。电源的控制电路采用基于DSP的实时数字PI 调节器，实现电路的稳态和暂态特性。

1 电源系统介绍

1.1 电路拓扑结构

图1 为此高压直流电源示意图，主要有以下几个模块：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1 中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，以及通信等功能。

图1 高压直流电源示意图

1.2 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，如图2 所示。

(a)调整触发角调压 (b)移相调压

(c0调节Buck 占空比调压
图2 几种调压方式的比较

第一种方法如图2（a）所示，是调节SCR（晶闸管）的触发角调节整流后的直流基压从而实现调压。这种调压的缺点很明显，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，使控制电路实现起来比较麻烦。第二种方法如图2（b）所示，是移相调压，本质上讲就是通过改变逆变输出的基波电压幅值来调压，这种调压有两个缺点：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，损耗也很大，并且高频干扰多。第三种方式如图2（c）所示，是最新研发的电源所采取的调压方式，首先由于PFC使电路的功率因数接近1，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。

1.3 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，而这两者对倍压电路的应用和发展提供了保证。最常见的倍压电路为半波电容二极管倍压电路，如图3所示。倍压电路是基于CW（Cockroft-Walton）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到合适的参考地即可。而要得到负电压，只需把二极管反相即可。以图3为例，倍压的基本原理如下所述：

（1）当Vi负时，C1通过D1 被ID1充电到Vi 的峰值；

（2）当Vi为正时，Vi的峰值加上C1的电压，通过D2 被电流ID2对C2充电，C2电压达到Vi的两倍；

（3）当Vi 再为负时，通过D3 ，C3 被电流ID3充电到两倍Vi峰值；

（4）当Vi 再次为正时，C4 通过D4 被电流ID4 充电到两倍Vi峰值。

图3 半波电容二极管倍压电路

(a0CW 电路 (b)对称CW 电路

(c)反向CW电路 (d)反向对称CW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ΔV和纹波电压δV。如表1 所列，跌落电压驻V和纹波电压δV与输入频率f有直接关系；低的开关管频率将长生较大的跌落电压ΔV和纹波电压δV；相反高的输入频率会减小跌落电压驻V和纹波电压δV。因此引入高频谐振逆变器能改善射线电源的控制特性。

2 串并联谐振电路工作原理和软开关

图1 电路谐振部分的等效电路如图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（fs< 0.5fr）；而CCM 模式则发生在0.5fr < fs< fr。

图5 谐振电路的等效电路

Cr 为外加谐振电容；Lr 为等效变压器漏感；RL为等效负载；Cp为折算到原边的高频变压器副边等效杂散电容。

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（fs < 0.5fr），流过漏感的电流波形如图6（a）所示，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0.5fr < fs< fr 时，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。

(a)电流断续工作模式(CDM冤) (b)电流连续工作模式(CCM)
图6 逆变电路的控制信号和谐振电路的仿真波形

从图6 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。

3 试验和讨论

试验系统的参数如下：

输入电压国AC 220V；

输出电压国DC 0~160kV可调；

输出电流国0~1.2mA可调；

高频高压变压匝比为国22.5颐720；

逆变开关频率国16.7kHz。

而谐振的频率随着外加电容的变化而变化。

试验结果如图7~图9 所示，基本上符合理论分析和仿真的结果。

图7 管电压100 kV/管电流1 mA

(a)当fs=fr 时 (b)当fs=0.9fr 时

(c)当fs=0.53fr时 (d)当fs=0.45fr时
图8 不同谐振频率下变压器原边电压和电流波形

图9 当射线管放电时袁变压器原边电压和电流波形

4 结语

本文介绍的用于产生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。这一创新型的拓扑，由于PFC的引入使得对电网的谐波污染大大减小，同时可以适应在国内外110 V或220 V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，此电源还利用了DSP 实现数字PID 实时控制，使其能良好地工作，并实现了远程通信。

参考文献

[1] Koki Ogura, Enhui Chu, Manabu Ishitobi, et al. Inductor Snubber-Assisted Series Resonant ZCS-PFM High Frequency Inverter Link DC/DC Converter with Voltage Multiplier [A]. IEEE Proceedings of the Power Conversion Conference, Osaka 2002[C]. 2002, 1:110-114.

[2] Yong Ju Kim, Hatakeyama H, Nakaoka M. Comparative Evaluations of Phase-shifted PWM Resonant Inverter-fed DC/DC Converter with High-Voltage High-Frequency Transformer Link [A]. IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems [C]. 1995, 657-664.

[3] Sun Junmine, Konishi H,Ogino Y, et al. Series Resonant High-Voltage ZCS-PFM DC-DC Converter for Medical Power Electronics [A]. in Proceedings IEEE Power Electronics Specialist Conference [C]. 2000,3: 1247 -1252.

[4] Liang Shi-Hsin, Tzou Ying-Yu. DSP Control of a Resonant Swithing High -Voltage Power Supply for X-ray Generators[A]. IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems 2001 [C]. 2001,522-526.

[5] Belgin T俪rkay. Harmonic Filter Design and Power Factor Correction in a Cement Factory [A]. IEEE Porto Power Technology Conference[C]. 2001.

[6]Sun J, Ding X, Nakaoka M, et al. Series Resonant ZCSPFM DG/DC Converter with Multistage Rectified

Voltage Multiplier and Dual-mode PFM Control Scheme for Medical-use High-voltage X-ray Power Generator

[J]. IEE Proceedings Electric Power Applications, 2000,147(6): 527-534.

作者简介

王国昌（1982-），男，北京交通大学硕士研究生，研究方向为X射线电源的研发。

姜学东，副教授，北京交通大学电气工程学院电气工程系主任，国家863 脱硫系统AC/DC 电源系统负责人。