CN102891601A - 一种低纹波高效率小型x光管高压电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X光管高压电源，其特征在于包括推挽逆变电路，高频变压器和低纹波倍压整流电路。

Description

一种低纹波高效率小型X光管高压电源

技术领域

本发明涉及一种应用于医疗、科教、工业领域。如医疗诊病、无损检测、公共交通、安全检查等方面的各种类型Ｘ光机仪器设备中的Ｘ射线管专用高压电源。具体而言，涉及一种X光管高压。

背景技术

X射线的穿透作用、电离作用、荧光作用使其在医学诊断、工业无损检测、安全检测等领域得到广泛应用，他为我国的地质、冶金，钢材、材料、化工等学科的发展起到重要的的作用。近年来，伴随新型半导体材料、电子技术的迅速发展以及X射线分析新方法不断地研究应用，X射线被用在新型尖端领域，成为现代科学研究中的现场元素分析、物质成分分析、晶体的点阵结构分析、能量色散X射线荧光分析等更加可靠，更加方便的分析和检查手段，使得其在环境监测、地质勘探、材料分析、工业生产过程质量监控以及生物医学和科学研究中起到重要作用。

传统的X射线源普遍采用工频高压型发生器，使得X射线源的体积大、重量大、效率低、能耗高、射线稳定性差、成像质量低、移动性差。目前，国内已有一些科研单位和公司已开始自主研制小型X光管，普遍存在控制精度低，实时响应慢，检测手段落后、发生故障不能自我保护的特点，与国外产品相比还有一定的技术差距。国内的微型X射线直流高压电源基本都还是以进口为主。但引进的国外同类产品成本高，维修困难。工业技术的迅速发展，对高质量、高可靠性、高稳定性、高效率、便携式X射线机需求猛增。设计一款输出纹波小、便携式、高稳定性、直流高压X射线机电源具在很大的商业价值。

从上世纪八十年代到现在，大功率的高压直流电源基本上都是采用可控硅工频相控电源，如图1所示。

工频交流电通过相控调压，然后经高压变压器升压，最后整流后得到直流高压。它的主要缺点是：

(1)工作频率为工频50Hz，体积大，重量重；

(2)输出电压纹波大；

(3)输出电压平均值低

(4)变换效率低；

(5)动态性能差。

工频高压电源的这些缺点限制了它在一些高压场合的进一步应用。而高频高压直流电源克服了前者的缺点，已成为高压大功率电源的发展趋势。

迷你X射线直流高压电源的设计重在X射线源的纹波小、便携性、低功耗，以利于便携式携带工作。高稳定高压电源是获得稳定X射线的关键因素，以及考虑到X射线在使用过程中需要的射线强度不同，所以在微型化的基础上对高压电源要求有很高的稳定性。

发明内容

迷你X射线直流高压电源主要由高压控制器、直流推挽逆变电路、高频变压器、负倍压电路、隔离反馈电路组成。与目前国内X射线源相比，采用低压直流逆变，降低了由电网电压带来的纹波，使高压输出更加稳定。逆变电路采用推挽高频逆变，不仅提高了变压器的效率，同时减小变压器的匝数比、体积和重量以利于便携式工作。

本发明的目的在于提供了一种小型X射线直流高压电源。

所述电源包括推挽逆变电路，高频变压器和低纹波负倍压电流的独特电路结构，并采用微型高压绝缘封装。

优选地，本发明的电源还包括高压控制器，隔离电路，电压反馈。

优选地，本发明的电源还包括低压直流电源。

如图2所示，示出了本发明的整体电路框图。

高压电路拓扑结构：

本发明考虑到低功耗及便携性的要求，高压电源采用隔离推挽式开关变换器，双向励磁不仅提高了磁滞回线的利用率，以及减小变压器的匝数比、体积和重量，同时避免了磁心单向饱和带来的功率开关损耗，且适合低输入电压和小功率电源。

功率驱动电路：

选用MOSFET管驱动，可以减小开关损耗，由高压控制器输出两路相位相差180度，占空比小于50的两路方波驱动MOSFET管，避免了两个MOSFET管共态导通的情况。并且用两个稳压二极管钳位栅极电压，防止过高的尖峰电压损坏MOSFET管。为减小导通电阻的压降，采用多个器件并联。

高频变压器：

高压电源的高频化可以使电源系统小型化，系统动态反应速度加快，电源装置效率高，并能有效抑制环境噪声污染。所以我们采用高频变压器。为了防止铁芯瞬态饱和，从而产生很大的浪涌电流，我们增加了软启动环节，启动时减小功率管的导通脉冲宽度，然后逐渐增大磁感应强度到稳态值。为减小变压器绕组的漏感，采用瘦高型变压器，增加绕组高度，减小绕组厚度。为了消除由分布电容和自感电压造成的高频自由振荡，我们增加了吸收电路。

超低纹波的电容倍压电路设计：

由于受变压器工艺的限制，很难做到如此高变比的变压器，以及高变比的复杂的分布参数，使前级逆变电路设计困难，所以采用升压变压器和倍压整流电路进行两级升压。倍压整流电路适合用在高压但电流不大的系统，并可以有效降低元器件的耐压值，而且能够减小高频逆变器谐振纹波，整流输出平稳的电压，如图3所示，为本发明改进后的无需滤波电路即可获得超低纹波的电容负倍压电路的连接示意图。

如图4所示，采用改进后的倍压整流电路，不需要增加大的滤波电容及滤波电路即可获得极低的纹波，该纹波逐渐减小直至为零。

倍压整流电路计算公式：

电压跌落：ΔU=(4N³+3N²+2N)I/6fC

输出电压：U=2N*Up-ΔU

输出电压纹波：N(N+1)I/4fC

电压反馈和电压调节电路：

高稳定高压电源是获得稳定X射线的关键因素，以所以电源应具有自我调节能力，控制电路由稳定输出功能。反馈电压采用“分压电阻隔离法”，电阻分压后隔离采样，反馈信号转换，然后信号进行数控减法后，输入高压控制器的误差放大器中，进而控制逆变输出电压。为了避免功率电流干扰控制在输入侧并联瞬态二极管，进行电路保护。

本发明的有益效果在于：本发明的小型X光管高压电源，采用直流高频逆变，电源装置小巧、轻便、便携、效率高，并能有效抑制环境噪声污染。避免了由电网带来谐波干扰，低纹波负倍压电路，进一步减小纹波，输出稳定的高X光。整个系统实现了低功耗、高效率、便携性、高压输出稳定性高、分析采样时间段、高压数控精度高、操作简便、智能化、低光谱污染、高X光输出、分析采样时间短等特点，满足了工业技术的迅速发展，对高质量、高可靠性、高稳定性、高效率、便携式X射线机的需求，在X光机在技术上、成本上拥有更强的市场竞争力，所以本发明有很好的实际用途和市场前景。

附图说明

图1是工频高压电源总结构图，其中11－交流输入，12－EMI滤波器，13－有源功率因数校正，14－全桥逆变升压倍压整流电路，15－高压输出，16－辅助电源，17－控制电路，18－高压采样；

图2是本发明高压电源整体电路框图，其中21－低压直流电源，22－高压控制器，23－推挽逆变电路，24－高频变压器，25－低纹波倍压整流电路，26－负高压输出，27－隔离电路，28－电压反馈；

图3是本发明超低纹波的电容负倍压电路的连接示意图；

图4是本发实施例的效果图。

具体实施方式

本发明根据下述实施例和附图做进一步的描述，本领域技术人员可以明了的是，下述实施例以及附图对本发明仅仅起到说明的作用。在不背离本发明精神的前提下，对本发明所做的任意改进和替代均在本发明保护的范围之内。

根据图2可知，低压直流电源将外界输入的不稳定波动电压稳定输出在固定值上，为后级的电路提供稳定参考点。高压控制器将根据后级电压反馈回来的模拟电压大小实时调节输出PWM波调制信号的占空比，当电压反馈回来的模拟电压量减小，则高压控制器输出的PWM调制信号的占空比将变大，最终变大的占空比调制信号会引起负高压输出绝对值的变大，从而稳定负高压的输出值。高压控制器输出的PWMT调制信号不具备驱动高频变压器的能力，因此需要经过专门设计的推挽逆变电路增强驱动能力，获得较大的电流输出能力，使得高频变压器模块中的功率器件获得边沿陡峭的方波信号，从而降低高频变压器驱动功率器件的开关损耗，降低了整机的功耗。高频变压器被功率器件控制导通与截断而获得高频电场能量，该电场能量通过磁场耦合的方式将能量传递到变压器的次级，由于该变压器为升压变压器，因此次级可以得到更高的电压，该电压仍然不能满足本发明的高压要求，需要进一步由低纹波倍压整流电路升压才能得到更高的电压，当由于外界负载波动原因将导致负高压输出上升或者下降时，通过隔离电路将影响电压反馈电路的输出从而引起高压控制器输出调制信号的占空比变化，最后补偿负高压的变化，时限负高压的稳定输出。

根据图3可知，当变压器初级线圈为正半周信号时，变压器的次级线圈的同名端耦合到磁场能量，且为正半周信号其有效值为U1，此时图3中上部分的电容被充电，电容左边电平为√U1，右边电平为0.7V，图3中左边第一个二极管导通。当变压器初级线圈为负半周信号时，变压器的次级线圈的同名端耦合到磁场能量，且为负半周信号，由于电容两端电压不能突变，故上测电容左边电压为-√U1，右边电压为-2√U1，图3左起第一个二极管截止，左起第二个二极管导通，因此图3中下侧左起第一个电容的两端电压为-2√U1，因此实现了二倍压，依此类推只需两个电容两个二极管即可实现二倍压，串联多级倍压整流电路可得到n倍压的升压。

Claims (4)

1.一种小型X光管高压电源，其特征在于包括推挽逆变电路，高频变压器和低纹波倍压整流电路。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于还包括高压控制器，隔离反馈电路和电压反馈。

3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于还包括低压直流电源。

4.根据权利要求1所述的电源，其特征在于所述电源采用高压绝缘封装。

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