基于諧振推挽電路的X射線管燈絲電源設(shè)計(jì)

湯代斌 朱衛(wèi)民 洪乃剛

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000;2.馬鞍山恒瑞測(cè)量設(shè)備有限公司，安徽 馬鞍山 243000;3.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243000)

X射線在物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷和厚度測(cè)量等方面的應(yīng)用日益廣泛。X射線管是將電能轉(zhuǎn)換為X射線能的關(guān)鍵部件，因而提高X射線管的使用壽命具有重要的意義，高性能的燈絲電源可延長(zhǎng)X射線管壽命。特別是管高壓采用正負(fù)電源供電的X射線管燈絲電源的設(shè)計(jì)必須考慮燈絲電源與管高壓電源部分的電氣隔離與絕緣。本文針對(duì)以上情況，介紹一種基于諧振推挽電路結(jié)構(gòu)的X射線管燈絲電源的設(shè)計(jì)。

1 X射線管的結(jié)構(gòu)和燈絲供電方式

目前使用的X射線管一般為熱電子X(jué)射線管，主要由陽(yáng)極靶、陰極燈絲、玻璃外殼3部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它在真空管中利用加熱陰極燈絲發(fā)射的熱電子作為電子源，在兩極間高壓電場(chǎng)作用下形成高速電子流轟擊對(duì)面的陽(yáng)極鎢靶而產(chǎn)生出X射線。因此X射線管工作時(shí)，給燈絲加熱需要燈絲電源供電，同時(shí)X射線管的陽(yáng)極與陰極間的管高壓需要直流高壓電源供電。管高壓有單電源和正負(fù)電源2種供電方式，管高壓采用單電源供電時(shí)，燈絲加熱一般采用直流供電方式，如圖1所示，燈絲位于地電位端，對(duì)管高壓和燈絲電流的控制較為簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)。往往將管高壓電源和燈絲電源合在一起并采用一套控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管高壓和燈絲電流的閉環(huán)控制。但采用這種供電方式時(shí)，管高壓電源內(nèi)部高電位端電壓高，對(duì)器件的耐壓和高電位端與電源盒體之間的絕緣要求較高，高壓電源的體積不易減小，因此采用單電源供電時(shí)，高壓電源的輸出電壓難以提高。

圖1 管高壓采用單電源供電示意圖

采用正負(fù)電源對(duì)高壓供電時(shí)，容易得到較高的輸出電壓，同時(shí)電源內(nèi)部高電位端電壓低，輸出電壓相同時(shí)僅為單電源供電電壓的一半，有利于降低器件的耐壓強(qiáng)度，減小高壓電源的體積，但燈絲電源處在負(fù)高壓電位端，只能采用交流形式對(duì)燈絲供電，并要求在高壓電源負(fù)高壓電位端與燈絲電源間插入變壓器和電容來(lái)現(xiàn)實(shí)對(duì)高壓隔離，如圖2所示，因而變壓器的二次側(cè)線圈電感及變壓器的漏感和電容等構(gòu)成了串聯(lián)LC諧振電路。

圖2 管高壓采用正負(fù)電源供電示意圖

2 主電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路拓?fù)?/h3>

由以上分析可知，管高壓采用正負(fù)電源供電時(shí)，燈絲供電電路與負(fù)高壓電源之間采用變壓器和串聯(lián)電容進(jìn)行隔離，由此可采用串聯(lián)諧振推挽變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線管燈絲供電，其主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，電路中的功率開(kāi)關(guān)管Q1和Q2接在帶有中心抽頭的變壓器一次側(cè)線圈兩端，此電路可以看成完全對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)單端正激變換器組合而成。Cs1和Cs2為包括MOSFET漏源極結(jié)電容在內(nèi)的并聯(lián)電容。Lr為包括漏感在內(nèi)的變壓器的二次側(cè)電感，Cr為串聯(lián)諧振電容。

圖3 串聯(lián)諧振推挽變換電路

2.2 主電路工作模態(tài)分析

串聯(lián)諧振推挽變換電路工作頻率在接近LC網(wǎng)絡(luò)固有諧振頻率時(shí)，電路有4種工作模態(tài)，電路工作波形如圖4所示。其等效電路分別如圖5中的(a)、(b)、(c)和(d)所示。

模態(tài)1(t0～t1):t0時(shí)刻之前，功率管Q1漏源極并接的電容Cs1已放電到零，t0時(shí)刻Q1導(dǎo)通，則Q1為零電壓導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)流過(guò)電流i1，變壓器勵(lì)磁電流線性增長(zhǎng)，變壓器二次側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)發(fā)生諧振，一次側(cè)向二次側(cè)傳輸能量。此模態(tài)中Cs1電壓為零，Cs2電壓箝位在2Uin。當(dāng)LC電流諧振到零時(shí)，折算到一次側(cè)的電流亦為零，若此時(shí)關(guān)斷Q1，則Q1為零電流關(guān)斷。

圖4 電路工作波形

模態(tài)2(t1～t3):t1時(shí)關(guān)斷功率管Q1，此時(shí)Q2亦處于關(guān)斷狀態(tài)，變壓器勵(lì)磁電流對(duì)Q1、Q2漏源極并接的電容Cs1、Cs2進(jìn)行充放電，由于變壓器勵(lì)磁電流足夠大，且功率管并接的電容值比較小，充電時(shí)間比較短，故可認(rèn)為充放電時(shí)勵(lì)磁電流大小不變，電容電壓為線性變化，Cs1電壓由零增加到2Uin，Cs2電壓由2Uin減小到零，Q2的反并二極管自然導(dǎo)通。

模態(tài)3(t3～t4):該模態(tài)類(lèi)似模態(tài)1，Q2零電壓導(dǎo)通，向二次側(cè)傳輸能量，Cs1電壓箝位為2Uin。當(dāng)二次側(cè)LC電流諧振到零時(shí)，折算到一次側(cè)的電流亦為零，若此時(shí)關(guān)斷Q2，則Q2為零電流關(guān)斷。

模態(tài)(t4～t6):該模態(tài)類(lèi)似模態(tài)2。

2.3 控制原理

推挽諧振變換器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，其二次側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)的固有諧振頻率為一固定值，要實(shí)現(xiàn)電路的零電流關(guān)斷，必須使電路功率開(kāi)關(guān)管的工作時(shí)間大于諧振周期，從而在半個(gè)工作周期內(nèi)，諧振網(wǎng)絡(luò)完成半個(gè)周期的諧振，二次側(cè)電流減小到零，通過(guò)變壓器折射到一次側(cè)的電流亦為零，此時(shí)關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)即為零電流關(guān)斷。因而對(duì)輸出電流的控制應(yīng)采用變頻調(diào)制的方法。變頻控制有2種控制策略，即固定導(dǎo)通時(shí)間和固定關(guān)斷時(shí)間的方法。

圖5 電路工作模態(tài)

3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路采用能夠產(chǎn)生兩路相位相差180°驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制集成電路SG3526，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，SG3526內(nèi)部集成了振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、限流比較器、欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比，并且其輸出為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力。

圖6 SG3526內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于燈絲處于負(fù)高壓電位端，難以對(duì)燈絲電流進(jìn)行檢測(cè)，因而只能以X射線管的管電流作為反饋量實(shí)現(xiàn)對(duì)燈絲電流的控制，SG3526引腳9的電位在頻率變化過(guò)程中幾乎不變，即保持在3.6 V左右，設(shè)計(jì)燈絲電流控制電路(圖7)工作原理如下:由高壓電源輸出的管電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后輸出一個(gè)電壓信號(hào)Ua;Ua與電流給定信號(hào)Ub進(jìn)行加法運(yùn)算，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生－3.2～0 V的電壓Uc。Uc反相后產(chǎn)生0～3.2 V的電壓信號(hào)Ud。SG3526引腳9固定輸出的3.6 V電壓與Ud的電壓差加在振蕩電阻R13上，改變Ud大小即改變流過(guò)R13的電流，從而改變SG3526振蕩電容C9的振蕩頻率，改變SG3526的輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率。當(dāng)管電流大于電流給定時(shí)，PI調(diào)節(jié)器使Ud電壓升高，SG3526引腳9電流變小，其輸出頻率降低，燈絲電流有效值變小;反之，當(dāng)管電流小于電流給定值時(shí)，SG3526輸出頻率增大，燈絲電流有效值變大，即實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)的控制。通過(guò)調(diào)節(jié)RP2改變電流給定值可以改變燈絲電流，從而實(shí)現(xiàn)燈絲電流的調(diào)節(jié)。

R16、R17和RP1電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成占空比調(diào)節(jié)電路，通過(guò)調(diào)節(jié)RP1可以改變占空比的大小，同時(shí)用電阻R21限制最大占空比。為防止輸出電流過(guò)大，燒毀燈絲，在主電路功率開(kāi)關(guān)管源極和輸入電源地之間放置電流采樣電阻，并將電流采樣信號(hào)經(jīng)RC濾波后送到SG3526的7腳，即內(nèi)部電流比較器的同相端，當(dāng)SG3526的6腳與7腳之間的電壓超過(guò)100 mV時(shí)，封鎖輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，從而關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管，停止功率輸出。

圖7 控制電路原理圖

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性與可行性，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，主要參數(shù)如下:變壓器的一次側(cè)與二次側(cè)匝數(shù)Np∶Np∶Ns=15∶15∶8;開(kāi)關(guān)頻率 fs=6.8 kHz;諧振電容Cr=680 nF;諧振電感Lr=830 μH。

圖8 主電路實(shí)驗(yàn)波形

圖8(a)為功率開(kāi)關(guān)管DS間電壓和驅(qū)動(dòng)電壓波形，圖8(b)為負(fù)載R取10 Ω，直流輸入24 V條件下測(cè)量得到的輸出電壓uo波形和功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形，從波形圖可知，功率開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通和零電流關(guān)斷，與理論分析吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于諧振推挽電路結(jié)構(gòu)的X射線管燈絲電源，在開(kāi)關(guān)頻率等于或小于諧振頻率時(shí)，主電路功率開(kāi)關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓導(dǎo)通和零電流關(guān)斷，提高了電源效率。應(yīng)用脈沖寬度調(diào)制集成電路SG3526的變頻控制方式，可有效控制燈絲電流，并實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，極大地提高了燈絲電源的性能。

［1］袁義生，龔昌.一種諧振型推挽式直流變換器［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32(10):83-87，93.

［2］楊正龍，王慧貞.一種推挽正激變換器［J］.電力電子技術(shù)，2002，36(1):36-39.

［3］谷英梅，朱節(jié)清，樂(lè)安全.用于放射性應(yīng)用儀表的低能小功率 X 射線源［J］.核技術(shù)，1990，13(8):478-480.

［4］謝小高，張明軍，錢(qián)照明.一種具有自限流功能的LLC諧振變流器拓?fù)洌跩］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(1):64-67.

［5］劉軍，徐法義，馬波.基于SG3526的開(kāi)關(guān)電源控制電路分析與改進(jìn)［J］.電視技術(shù)，2006(4):65-67.