低紋波微型X射線管高壓電源的研制

曾國(guó)強(qiáng)，劉璽堯，羅 群，譚承君，葛良全，黃 銳，李 強(qiáng)，吳 剛

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川成都 610059）

低紋波微型X射線管高壓電源的研制

曾國(guó)強(qiáng)，劉璽堯，羅 群，譚承君，葛良全，黃 銳，李 強(qiáng)，吳 剛

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川成都 610059）

國(guó)內(nèi)研發(fā)的X射線高壓電源體積普遍較大，不適合微型X射線管的要求。針對(duì)微型X射線管的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種低紋波、小體積高壓電源，其輸出電壓在0～－40kV范圍內(nèi)可調(diào)。電源的逆變電路采用羅耶諧振電路，并引入U(xiǎn)CC2973控制芯片以提高其效率。在電源的升壓部分設(shè)計(jì)了高頻變壓器、雙向倍壓整流電路，以進(jìn)行兩級(jí)升壓。通過(guò)電阻分壓后取樣反饋的方式進(jìn)行穩(wěn)壓。電路工作在線性狀態(tài)，無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲。測(cè)試結(jié)果表明，電源的輸出電壓紋波低于0.3%、穩(wěn)定度優(yōu)于0.12%／10h，可滿足微型X射線管的需求。

微型X射線管；高壓電源；羅耶諧振；倍壓整流電路

Key words：micro X－ray tube；high voltage power supply；resonant Royer；voltage doubling rectifying circuit

1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，人們便開(kāi)始對(duì)X射線的產(chǎn)生、測(cè)量及其應(yīng)用進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)1個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，X射線在各行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，如利用X射線強(qiáng)度與材料厚度相關(guān)的特性，從而測(cè)定材料的厚度；采用X射線透視物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；X熒光分析儀根據(jù)各元素特征X射線的強(qiáng)度，得到材料的元素組成并獲得各元素的含量信息等［13］。而高壓電源作為X射線管的重要核心組件，亦得到了廣泛的關(guān)注。

現(xiàn)有X射線管高壓電源主要的實(shí)現(xiàn)方式包括半橋逆變、反激變換、正激變換、全橋逆變等。半橋逆變電源利用率較低，不適宜用于工作電壓較低的場(chǎng)合；反激變換電源的紋波較大，電壓電流輸出特性較差；正激變換電源在控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓較高，且其體積較大；全橋逆變電源由于器件較多、功率損耗會(huì)隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加，通常僅應(yīng)用于中、大功率的場(chǎng)合［3－6］。

微型X射線管一般用于野外作業(yè)，且是直流電源供電，所以對(duì)高壓電源有特殊的要求，如紋波低、功耗小、穩(wěn)定性好、體積小、重量輕等。國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的X射線管高壓電源主要針對(duì)大功率X射線機(jī)，體積較大，不符合微型X射線管的要求。本文欲設(shè)計(jì)采用諧振電路、電路自激振蕩、不需要額外振蕩源的電源，相對(duì)于通常的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)電路更簡(jiǎn)單，且無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲。為提高電路效率，該電源引入U(xiǎn)CC2973控制芯片對(duì)諧振電流進(jìn)行控制。

1 電源系統(tǒng)工作原理

該電源系統(tǒng)由10V直流電源供電，輸出電壓最高可達(dá)－40kV。圖1為電源的主電路示意圖。輸入電壓由VBAT提供，電源核心諧振電路將VBAT所輸入的直流電轉(zhuǎn)換為高頻的類正弦波至變壓器T1的初級(jí)，然后通過(guò)T1進(jìn)行第1級(jí)升壓，電壓經(jīng)T1次級(jí)輸出后，再通過(guò)倍壓整流電路進(jìn)行第2級(jí)升壓到需要的直流負(fù)高壓。在取樣反饋回路中，取樣電壓經(jīng)放大器的隔離反向，再與控制電壓相比較后反饋電壓至芯片UCC2973，芯片OUT腳輸出PWM波控制MOS管的導(dǎo)通程度，進(jìn)一步控制諧振電路所產(chǎn)生的類正弦波的電壓，穩(wěn)定高壓的輸出。

圖1 電源主電路示意圖Fig.1 Main circuit schematic of power supply

2 電源主電路設(shè)計(jì)

2.1 核心諧振電路

核心諧振電路由推挽級(jí)與降壓調(diào)制級(jí)兩部分組成（圖2）。推挽級(jí)采用羅耶諧振電路，它由2個(gè)三極管、1個(gè)基極電阻、1個(gè)諧振電容及3個(gè)繞組的變壓器組成。由于三極管Q1、Q2的性能不可能完全一致，所以在上電瞬間，電壓輸入端VBAT向三極管基極注入的電流不可能絕對(duì)平衡，變壓器的輔助繞組提供按諧振頻率變化的高頻電壓驅(qū)動(dòng)兩個(gè)三極管的基極，使之輪流導(dǎo)通與截止，而諧振電容C1使電路按特定的頻率進(jìn)行簡(jiǎn)諧振蕩。振蕩頻率f、變壓器線圈初級(jí)電感L與諧振電容C的關(guān)系為：

圖2 諧振電路Fig.2 Circuit of resonance

由于諧振時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電流，所以選用的諧振三極管為峰值電流為10A、耐壓值為100V的ZTX853。在通常情況下，羅耶諧振電路的振蕩頻率在40～80kHz之間效率最高，而設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)所選用的電感為44μH，為了保證電路的效率，根據(jù)式（1），電容選用速度快、損耗低的德國(guó)WIMA 0.1μF電容。

羅耶諧振處于線性的工作狀態(tài)，效率不高。因此，諧振電路引入芯片UCC2973以提高效率。芯片一般主要用于便攜式電器，功耗低、效率高及可對(duì)諧振電流進(jìn)行精確控制。在導(dǎo)通期間，芯片內(nèi)部的振蕩頻率約為100kHz（諧振頻率的2倍）。芯片內(nèi)部有一1.5V的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)反饋電壓與基準(zhǔn)電壓比較后，輸出電壓控制OUT引腳輸出脈沖信號(hào)。

降壓調(diào)制級(jí)包含電感L1、MOS管Q3及二極管D1，它為推挽級(jí)提供電流，受OUT的輸出脈沖控制。改變OUT的脈沖寬度，即可調(diào)整變壓器的輸出電壓。由于諧振回路上的電壓為正弦波，降壓調(diào)制級(jí)在L1上端的BUCK點(diǎn)總輸出電壓是一相對(duì)于輸入電壓VBAT的全波整流電壓，其波形如圖3所示。

圖3 BUCK點(diǎn)電壓波形Fig.3 Waveform of point BUCK

當(dāng)OUT輸出高電平使Q3導(dǎo)通時(shí)，BUCK點(diǎn)電壓VBUCK加于L1兩端，電感電流增加。而當(dāng)OUT輸出低電平，Q3截止，L1上的電壓為VBAT－VBUCK＋VD1。所以，加到電感上的伏秒值（由V＝Ldi／dt可得VΔt＝LΔi，VΔt稱為伏秒值）在每次開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)必須改變極性，以保持電流是恒定的［7］。設(shè)t1為Q3導(dǎo)通的時(shí)間，T為開(kāi)關(guān)周期，根據(jù)伏秒值相等的原則，建立導(dǎo)通模式中通斷時(shí)間之間的關(guān)系，則：

根據(jù)VBUCK＝Ldi／dt，計(jì)算出L≈149μH，因此，選擇150μH／3A的電感。為減少損耗，選用導(dǎo)通電阻為0.35Ω的N型MOS管IRF7603做降壓調(diào)制器的開(kāi)關(guān)管。二極管選用正向壓降很小的肖特基二極管。

有周圍神經(jīng) 病變對(duì)象 SDNN、SDNANN、SDNN、PANN50、RMSSD、QTd與無(wú)病變的對(duì)象差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表1。有有周圍神經(jīng)病變56例對(duì)象存在心臟自主神經(jīng)失調(diào)癥狀發(fā)生率42.9%（24/56），高于無(wú)周圍神經(jīng)病變對(duì)象4.2%（2/48），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2.2 倍壓整流電路

由于高匝數(shù)比的高頻變壓器對(duì)工藝要求較高，因此采用倍壓整流電路進(jìn)行后續(xù)升壓。與傳統(tǒng)倍壓整流電路不同，該倍壓整流電路采用正負(fù)雙向倍壓整流的方案。如圖4所示，將高壓變壓器置在2個(gè)倍壓整流電路之間，組成正負(fù)的雙向倍壓整流電路，若使正向倍壓整流電路接地，則負(fù)向倍壓整流電路輸出的電壓相當(dāng)于2個(gè)倍壓整流電路串聯(lián)所得的高壓。電路中正負(fù)脈動(dòng)值相互抵消，因此系統(tǒng)輸出紋波大幅減小。同時(shí)，正負(fù)雙向倍壓整流電路提高了電源的穩(wěn)定度和效率，增強(qiáng)了帶負(fù)載能力［2］。

負(fù)載輸出電流越大，電容量就需要越大，否則不能提供足夠的輸出電流。但電容充電時(shí)間和電壓上升時(shí)間均隨電容呈正比增加，因此，需選擇適中電容值。同時(shí)，考慮到體積的因素，電路選用1812封裝耐壓4kV、電容4.7nF的陶瓷電容，二極管選用耐壓8kV、響應(yīng)時(shí)間50ns的高壓二極管。

圖4 雙向倍壓整流電路Fig.4 Bidirectional voltage doubling rectifying circuit

設(shè)倍壓整流電路的級(jí)數(shù)為n，負(fù)載電流為I，每個(gè)電容的容量為C，交流電源的頻率為F，則電壓跌落的幅度UL為：

由于需輸入－40kV的高壓，因此，在考慮電壓跌落的情況下，根據(jù)式（3）計(jì)算出至少需16級(jí)倍壓［8］。

2.3 反饋與控制電路

由于高壓變壓器分布參數(shù)、倍壓整流電路電容充放電等因素的影響，輸出直流高壓不太穩(wěn)定，因此采用取樣反饋的方式進(jìn)一步穩(wěn)定輸出高壓［9］。反饋電路如圖5所示，其采用電壓反轉(zhuǎn)芯片LMC7660，提供負(fù)電壓VEE，使運(yùn)算放大器工作在雙電源供電狀態(tài)。其中，U2采用含有兩個(gè)雙通道、精密、低功耗、FET輸入運(yùn)算放大器AD822，U3采用高精度運(yùn)算放大器OPA277。經(jīng)過(guò)倍壓整流電路輸出的高壓－HV通過(guò)分壓電阻分壓后，由A點(diǎn)進(jìn)入雙電源供電的AD822，經(jīng)跟隨、反向后輸出至B點(diǎn)，B點(diǎn)的電壓與外部調(diào)整端ADJ通過(guò)式（4）所輸入的電壓相比較，輸出電壓經(jīng)過(guò)1個(gè)RC濾波后到UCC2973的FB引腳，改變UCC2973的OUT腳輸出，進(jìn)而調(diào)整高壓的輸出。調(diào)整端電壓VADJ與高壓V－HV的關(guān)系為：

3 性能測(cè)試

3.1 絕緣材料選擇

圖5 反饋電路Fig.5 Feedback circuit

本工作直接選用數(shù)字高壓表測(cè)量輸出的高壓。但在直接測(cè)量過(guò)程中，數(shù)字高壓表測(cè)量的表頭裸露在外，會(huì)擊穿空氣而放電，故需通過(guò)電阻將高壓分壓后測(cè)量。由于數(shù)字高壓表頭的等效阻抗為1GΩ，所以電路中選擇3個(gè)電阻為5GΩ、耐壓為30kV的高壓電阻與高壓表串聯(lián)，達(dá)到16∶1的分壓，從而將測(cè)量端的電壓降至2.5kV。當(dāng)電源不帶其他負(fù)載時(shí)，測(cè)得輸出－40kV電壓的靜態(tài)功耗為1.15W。

3.2 實(shí)際輸出電壓的測(cè)量

當(dāng)電源輸出電流為50μA時(shí)，將輸出電壓調(diào)為－40kV，對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。用示波器測(cè)得UCC2973的OUT引腳輸出波形（CH2）與變壓器初級(jí)波形（CH1）如圖6所示。每隔30min對(duì)高壓數(shù)字表進(jìn)行讀數(shù)，測(cè)量結(jié)果示于圖7，由圖7可看出，電壓穩(wěn)定度優(yōu)于0.12%／10h。

圖6 OUT引腳輸出波形與變壓器初級(jí)波形Fig.6 Waveform of transformer primary and pin OUT output

圖7 電源電壓輸出穩(wěn)定度測(cè)量Fig.7 Stability measurementof output voltage

3.3 紋波電壓的測(cè)量

時(shí)域紋波通常用紋波振幅的峰－峰值來(lái)描述，因此具備參數(shù)測(cè)量功能的數(shù)字示波器是觀測(cè)紋波的理想工具［11］。設(shè)計(jì)中利用電容隔直通交的特性，在高壓的輸出端串聯(lián)多個(gè)高壓電容，經(jīng)高壓電容隔離直流電壓后，用示波器觀察紋波電壓的大小。通過(guò)調(diào)整端電壓的改變，測(cè)試出不同輸出電壓時(shí)紋波電壓的大小，結(jié)果列于表1。

表1 紋波電壓的測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement result of ripple voltage

4 結(jié)論

本文將10V的直流電源升壓至－40kV高壓，達(dá)到了4 000倍升壓。采用線性逆變技術(shù)，使電源具有噪聲小、諧波干擾小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，為了克服線性電源低效率的缺點(diǎn)，加入了芯片UCC2973提升電路的效率。升壓部分采用高頻變壓器與正負(fù)雙向倍壓整流電路進(jìn)行了兩級(jí)升壓，減小了變壓器的變比，使其在工藝和制造上更為簡(jiǎn)單。作為X射線電源系統(tǒng)的主要部分，該電源具有紋波低、體積小、功耗低、穩(wěn)定性高、輸出電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了微型X射線管高壓電源的參數(shù)要求。

［1］ 全林，樊亞軍，屠荊，等.重復(fù)頻率亞納秒硬X射線源研制及應(yīng)用［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2013，47（7）：125－127.

QUAN Lin，F(xiàn)AN Yajun，TU Jing，et al.Development and application of sub－nanosecond pulserepeatable hard X－ray source［J］.Atomic Energy Science and Technology，2013，47（7）：125－127（in Chinese）.

［2］ 王昌，姜學(xué)東，邱瑞昌，等.創(chuàng)新型基于軟開(kāi)關(guān)的X射線電源系統(tǒng)［J］.電力電子技術(shù)，2007，41（4）：58－60.

WANG Chang，JIANG Xuedong，QIU Ruichang，et al.Novel topology of series－parallel resonant ZCS－PWM DC／DC converter for X－ray generator［J］.Power Electronics，2007，41（4）：58－60（inChinese）.

［3］ LIANG Shyhskin，TZOU Yiongyu.The DSP control of a resonant switching high－voltage power supply for X－ray generators［C］∥IEEE Proceedings of the Power Electronics and Drive Systems.Indonesia：IEEE，2001：522－526.

［4］ 沈錦飛.電源變換應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］ 孫澤，王剛.諧振技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2002，5（3）：93－96. SUN Ze，WANG Gang.Resonant technique and its application［J］.Power Supply Technologies and Applications，2002，5（3）：93－96（in Chinese）.

［6］ 李愛(ài)文，張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.

［7］ 陳傳虞，陳家楨.綠色照明：新型集成電路工作原理與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［8］ 戴曉明，李振國(guó).新型高壓開(kāi)關(guān)電源的研制［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2000，34（2）：125－127.

DAI Xiaoming，LI Zhenguo.The development of new high－voltage switching power supply［J］.Atomic Energy Science and Technology，2000，34（2）：125－127（in Chinese）.

［9］ PAPANIKOLAOU N P，TATAKIS E C.Active voltage clamp in flyback converters operating in CCM mode under wide load variation［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（3）：632－640.

［10］LOWKE J J，ALESSANDRO F D.Onset corona fields and electrical breakdown criterion［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2003，36（21）：2 673－2 682.

［11］石峰，趙京偉，舒樂(lè)，等.直流高壓電源紋波的實(shí)驗(yàn)研究［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2006，26（1）：54－59.

SHI Feng，ZHAO Jingwei，SHU Le，et al.The experimental study of the DC high voltage power supply ripple［J］.Nuclear Electronics ＆Detection Technology，2006，26（1）：54－59（in Chinese）.

High Voltage Power Supply Development for Micro X－ray Tube of Low Ripple

ZENG Guo－qiang，LIU Xi－yao，LUO Qun，TAN Cheng－jun，GE Liang－quan，HUANG Rui，LI Qiang，WU Gang
（College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China）

The domestic X－ray high voltage power supply is generally larger，and it isn’t suitable for the requirement of micro X－ray tube.For the characteristics of micro X－ray tube，a miniature high voltage power supply of low ripple was designed in this paper，and its output voltage is adjustable from 0to－40kV.The inverter circuit adopted resonant Royer circuit.In order to improve circuit efficiency，UCC2973was introduced.A high frequency transformer and bidirectional voltage doubling rectifying circuit were designed in boost circuit in order to do the two－stage booster.The way of voltage regulation was voltage feedback after resistive subdivision.With working on the linear condition，it had no switching noise.The testing results show that the output voltage ripple is less than 0.3%and stability is better than 0.12%／10h，and the high voltage power supply meets the requirements of micro X－ray tube.

TL825

A

：1000－6931（2015）02－0366－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0366

2013－11－21；

2014－08－18

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA061803）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41474159）；成都理工大學(xué)中青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（JXGG201408）

曾國(guó)強(qiáng)（1980—），男，福建福鼎人，副教授，博士研究生，從事核電子學(xué)與核信息處理研究