基于X射線成像系統(tǒng)的脈寬可調(diào)脈沖高壓電源研究

長(zhǎng)春理工大學(xué) 鮑 亮

1 前言

自1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線以來(lái)，利用X射線成像檢測(cè)已有一百余年歷史。第二次世界大戰(zhàn)后，許多新技術(shù)的發(fā)明，特別是計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了射線成像檢測(cè)的高速發(fā)展[1]。

從開(kāi)始的X射線膠片、X射線熒光屏，上世紀(jì)80年代的計(jì)算機(jī)X射線成像(CR)，到目前技術(shù)成熟并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用的直接數(shù)字化X射線成像(DR)，X射線圖像探測(cè)取得了巨大的進(jìn)步。近幾十年的數(shù)字化技術(shù)、新材料和大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)X 射線圖像探測(cè)的進(jìn)步帶來(lái)了前所未有的推動(dòng)作用。X射線成像在醫(yī)療診斷，無(wú)損檢測(cè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。

在工業(yè)檢測(cè)方面，對(duì)于密度高、體積比較大的被檢物體，需要高能量的穿透，連續(xù)型X射線源由于輻射劑量大、功率和體積大，從而使使用嚴(yán)重受限，而利用脈沖高壓電源可以很容易驅(qū)動(dòng)X射線管發(fā)射出高能量射線，同時(shí)具有較低的累積輻射劑量率；在醫(yī)療診斷方面，運(yùn)用脈沖高壓電源的X射線成像系統(tǒng)可以大大減少單位時(shí)間內(nèi)的輻射劑量，最大程度上減少對(duì)人類身體的傷害；脈沖高壓電源實(shí)現(xiàn)電壓和脈沖寬度可調(diào)，能夠在一個(gè)脈沖周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)X射線能量和劑量的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)成像性能得到保證。相比傳統(tǒng)高壓電源，可以降低設(shè)備的功耗和體積，實(shí)現(xiàn)便攜化。

2 電源設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)的脈沖X射線成像系統(tǒng)的發(fā)展相比于國(guó)外產(chǎn)品有很大的差距，尤其是脈寬可調(diào)脈沖高壓電源完全依賴于外國(guó)進(jìn)口。所以，對(duì)X射線成像系統(tǒng)中的脈沖高壓電源開(kāi)展研究具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

本文的脈沖高壓電源，要實(shí)現(xiàn)脈沖可調(diào)及穩(wěn)壓，需要以下幾個(gè)部分：

高效率高壓變換器研究；

兩級(jí)控制穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)；

高壓脈沖形成裝置研究。

圖1 X射線實(shí)時(shí)成像裝置

圖1所示為X射線實(shí)時(shí)成像裝置，我們可以看出，由X光管、CCD相機(jī)、PC終端組成的成像系統(tǒng)和高壓電源組成。對(duì)脈沖高壓電源驅(qū)動(dòng)X射線管時(shí)的電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)透視成像實(shí)驗(yàn)，初步研究脈沖高度、寬度與成像質(zhì)量之間的關(guān)系，為下一步脈沖高壓電源的脈沖寬度可調(diào)奠定基礎(chǔ)。

2.1 高效率高壓變換器研究

諧振式變換器不同于一般的振蕩電路和PWM開(kāi)關(guān)變換電路，它利用LC電路諧振工作時(shí)電流或電壓周期性的過(guò)零狀態(tài)，降低開(kāi)關(guān)損耗。常用的LC諧振變換電路主要有SRC（Series Resonance Circuit）、PRC（Parallel Resonance Circuit）、SPRC（Series-Parallel Resonance Circuit，又稱LLC）三種電路形式，SRC和PRC兩種變換電路在實(shí)際中應(yīng)用較多，而LLC因其電路參數(shù)調(diào)校困難，在實(shí)際中應(yīng)用較少。

圖2 典型的半橋式串聯(lián)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 串聯(lián)諧振電路的直流特性曲線

圖2所示為典型的半橋式串聯(lián)諧振變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)其工作于諧振頻率fr時(shí)，串聯(lián)回路阻抗最小，增益最高。從圖3所示可以看出，串聯(lián)諧振電路存在輕載調(diào)整率高、很高的諧振能量及高輸入電壓時(shí)較大的關(guān)斷電流，失諧時(shí)開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力急劇增大而損壞。

圖4 典型的半橋式并聯(lián)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 并聯(lián)諧振電路的直流特性曲線

圖4所示為典型半橋式并聯(lián)諧振變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與串聯(lián)諧振電路相比，其輕載時(shí)的頻率變化不大即可維持輸出穩(wěn)定。當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，回路中具有很高的循環(huán)能量，同時(shí)高輸入電壓時(shí)關(guān)斷電流較大引起關(guān)斷損耗增加。

串聯(lián)諧振變換和并聯(lián)諧振變換電路工作于輕載或者失諧狀態(tài)時(shí)，都會(huì)使諧振回路內(nèi)部循環(huán)能量急劇增加，開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)損耗增大，極易造成器件損壞。為此可以將串聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振電路組合成雙諧振網(wǎng)絡(luò)的LLC諧振電路，圖6所示為半橋式LLC諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖6 半橋式LLC諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于LLC諧振電路，存在兩個(gè)諧振頻率，如式(2-1)所示：

從圖7所示可以看出，當(dāng)電路工作頻率大于其低頻諧振頻率時(shí)，MOSFET工作于ZVS區(qū)域，此時(shí)開(kāi)關(guān)管損耗最低。在輕載情況下，LLC諧振變換器開(kāi)關(guān)頻率變化很小，易于驅(qū)動(dòng)。在空載時(shí)LLC電路也具備零電壓開(kāi)關(guān)能力。由于雙諧振網(wǎng)絡(luò)電路工作模態(tài)比較復(fù)雜，因此電路設(shè)計(jì)和調(diào)校非常困難，為此在實(shí)際中應(yīng)用較少。近年來(lái)隨著電路及電磁仿真軟件的日益成熟，可以實(shí)現(xiàn)包括高頻變壓器、電感等感性負(fù)載電路的精密仿真，使電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的詳細(xì)參數(shù)都可以通過(guò)仿真計(jì)算來(lái)獲得，促進(jìn)了復(fù)雜電路在實(shí)際中的應(yīng)用。

從LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)出發(fā)，計(jì)算其輸入輸出直流特性，并利用仿真軟件對(duì)其直流特性曲線進(jìn)行仿真，確定電路Q值、直流增益、ZVS工作區(qū)間與電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件參數(shù)之間的關(guān)系。

2.2 兩級(jí)控制穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

諧振式高壓變換器不能采用普通開(kāi)關(guān)電源中的PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓的大范圍調(diào)節(jié)及穩(wěn)壓，一般采用直流線性穩(wěn)壓電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，其缺點(diǎn)是工作效率低下，尤其是輸出電壓調(diào)節(jié)范圍較大時(shí)，其工作效率甚至低至20%以下，這極大地限制了諧振式高壓變換器的輸出功率。為此在本文中，設(shè)計(jì)Buck電路與直流線性穩(wěn)壓電源級(jí)聯(lián)工作的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示，Buck電路工作于能量傳輸狀態(tài)，線性穩(wěn)壓電路工作于電流傳輸狀態(tài)，為保證電路工作效率，應(yīng)保持Buck電路工作于線性穩(wěn)壓電路的臨界壓差附近，為此采樣參數(shù)的選取是極為重要的。

圖8 兩級(jí)控制穩(wěn)壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

首先根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)要求，設(shè)計(jì)完整的電路結(jié)構(gòu)，然后利用仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)特性和時(shí)域特性分析，仿真中依據(jù)參數(shù)建立高壓變換電路仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，使其工作于最大效率狀態(tài)，又能兼顧高壓穩(wěn)壓效果。

圖9 傳輸線等效電路

2.3 傳輸線型脈沖高壓發(fā)生器特性研究

傳統(tǒng)脈沖變壓器由于存在較大漏感和線圈分布電容，工作于脈沖狀態(tài)時(shí)極易產(chǎn)生寄生振蕩，導(dǎo)致輸出脈沖波形嚴(yán)重畸變，傳輸線變壓器（TLT）分布電感和分布電容均勻地分布在整個(gè)線段上，不存在LC諧振回路，具有非常好的高頻響應(yīng)能力。

圖10 傳輸線變壓器等效電路

圖9所示為傳輸線等效電路，圖10所示為傳輸線變壓器等效電路。傳輸線電壓、電流傳遞方程如式(2-2)所示：

根據(jù)傳輸線電壓、電流傳遞方程計(jì)算最佳傳輸條件時(shí)的阻抗Z，然后計(jì)算最大輸出功率點(diǎn)POUT和傳輸系數(shù)T，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)傳輸線型脈沖變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建立仿真模型，采用仿真軟件或時(shí)域有限差分FDTD軟件對(duì)傳輸線結(jié)構(gòu)脈沖高壓發(fā)生器脈沖形成過(guò)程進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)原有設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正。

Marx發(fā)生器是一種常用的高壓脈沖發(fā)生裝置，其電路形式如圖11所示，放電間隙決定電路的輸出電壓，調(diào)節(jié)放電間隙，即可以調(diào)整輸出電壓值。傳統(tǒng)的Marx發(fā)生器串聯(lián)電感比較大，高壓脈沖上升時(shí)間慢，脈寬比較寬。圖12為改進(jìn)后帶有銳化電容的Marx發(fā)生器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以等效為一個(gè)分布儲(chǔ)能傳輸線，可以在負(fù)載上獲得更快的脈沖前沿，電路的分布電感、分布電容、放電間隙都能影響其脈沖成型質(zhì)量。

圖11 Marx發(fā)生器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖12 帶有銳化電容的Marx發(fā)生器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用仿真軟件，建立Marx發(fā)生器模型，采用電容器擊穿模型代替Marx發(fā)生器中的放電間隙，通過(guò)瞬態(tài)分析和時(shí)域分析對(duì)Marx發(fā)生器的輸出脈沖特性進(jìn)行仿真，得到其脈沖傳輸特性，通過(guò)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)符合要求的Marx發(fā)生器結(jié)構(gòu)。

并且，在高壓脈沖發(fā)生器中對(duì)儲(chǔ)能電容及放電間隙的調(diào)整實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常不容易，需要設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)及操縱裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)劃采用磁控操縱裝置，通過(guò)放電間隙調(diào)整實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容容量的調(diào)整，同時(shí)該裝置可以用于Marx發(fā)生器中高壓調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)的脈沖X射線成像系統(tǒng)的發(fā)展相比于國(guó)外產(chǎn)品有很大的差距，尤其是脈寬可調(diào)脈沖高壓電源完全依賴于外國(guó)進(jìn)口。所以，對(duì)X射線成像系統(tǒng)中的脈沖高壓電源開(kāi)展研究具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

[1]李偉.高分辨率X射線數(shù)字化成像技術(shù)研究[D].西安：中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,2009.

[2]苗青,王高,李仰軍.X射線成像探測(cè)器發(fā)展進(jìn)展[J].傳感器世界.2015(10)：7-13.