CN104703374A - 一种大功率x荧光高压电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率X荧光高压电源，属于射线辐射设施技术领域。该电源主要包括构成阳极电路的串联主电源整流模块、主全桥逆变模块和变压器升压整流模块，以及构成阴极电路的串联灯丝电源整流模块和灯丝控制及逆变模块，和主控制模块；还包括上电延时保护模块，用以将主控制模块开机信号放大后，计数延时预定时长后，输出开启中间继电器，为主全桥逆变模块供电；所述主控制模块用以根据输出电压与控制电压的比较结果，输出相应的PFM信号控制主全桥逆变模块的输出，实现变压器升压整流模块输出电压的闭环控制。采用本发明后，可以有效避免启动冲击，输出稳定，从而大大延长X射线管的使用寿命。

Description

一种大功率X荧光高压电源

技术领域

本发明涉及一种专用高压电源，尤其是一种大功率X荧光高压电源，属于射线辐射设施技术领域。

背景技术

据申请人了解，20世纪80年代以前，X射线荧光电源一般为50Hz-60Hz的工频电源。这种电源通过一级或两级自耦变压器进行升压，再通过全波整流滤波为X射线管提供高压。不仅其整机体积庞大、笨重，而且纹波大、效率低，功率越大发热越严重。80年代以后，出现了使用开关电源技术的X射线荧光电源，这种电源工作频率可达到20KHz，通常采用脉宽调制技术（PWM）。此类电源体积比工频电源减小很多，效率也有很大的提升，对电网污染小，但是由于开关损耗大，无法提供大功率输出。

检索发现，公开号为CN102300382的中国专利文献公开了一种微焦点X光管的高压电源,包括主控制板、高频逆变控制板、升压整流模块、灯丝电路、开关电源、高频高压变压器及聚焦电路,所述聚焦电路通过所述开关电源与所述灯丝电路连接,所述聚焦电路、开关电源分别与所述高频逆变控制板连接,所述聚焦电路与所述主控制板连接,所述高频逆变控制板与所述高频高压变压器连接,通过所述高频高压变压器将所述高频逆变控制板的直流输入转换为交流输出,所述高频高压变压器一端接地,另一端接入所述升压整流模块做高压输入,所述升压整流模块一端接地,一端与所述主控制板连接。虽然该发明在一定程度上可降低成本,提高兼容性，但技术方案主要应用于微聚焦X射线管，虽然最高电压可以达到90kv，但是最大管电流只有0.4mA，连续工作时间短，不能满足长时间大功率X射线管的需求。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种可以避免启动冲击，从而延长使用寿命，并且输出稳定的大功率X荧光高压电源。

为了达到以上目的，本发明的大功率X荧光高压电源主要包括构成阳极电路的串联主电源整流模块、主全桥逆变模块和变压器升压整流模块，以及构成阴极（灯丝）电路的串联灯丝电源整流模块和灯丝控制及逆变模块，和主控制模块；

还包括上电延时保护模块，所述上电延时保护模块主要由受控于主控制模块开机信号的放大电路、计数延时电路、输出积分电路以及中间继电器构成，所述中间继电器的通断触点位于所述主电源整流模块和主全桥逆变模块之间；用以将主控制模块开机信号放大后，计数延时预定时长后，输出开启中间继电器，为主全桥逆变模块供电；

所述变压器升压整流模块具有接至主控制模块对应端口的输出电压采样端，所述主控制模块的控制输出端分别接所述主全桥逆变模块的各桥臂通断控制器件的受控端，用以根据输出电压与控制电压的比较结果，输出相应的PFM信号控制主全桥逆变模块的输出，实现变压器升压整流模块输出电压的闭环控制。

由于本发明合理采用上电延时保护模块使需要一段时间完全对大容量电容充电，主电源整流模块在完成蓄能准备后才启动后续电路，因此即使功率较大，也可有效抑制对后级电路的冲击，避免造成损坏。同时，对阳极输出电压的闭环控制保证了输出电压的平稳精准。因此，采用本发明后，可以有效避免启动冲击，输出稳定，从而大大延长X射线管的使用寿命。

本发明的细化设计包括：

进一步，所述上电延时保护模块包括主要由第一运放及其外围器件构成的放大电路、计数延时芯片及其外围器件构成的计数延时电路，以及主要由第二运放及其外围器件构成的输出积分电路，所述主控制模块开机信号接放大电路中第一运放的负输入端，作为放大电路输出的第一运放输出端接计数延时芯片的计数输入脚，所述计数延时芯片的控制输出脚接输出积分电路第二运放的正输入端，所述第二运放的输出端接中间继电器线圈，所述中间继电器的通断触点位于主电源整流模块和主全桥逆变模块之间。

更进一步，所述主全桥逆变模块的各桥臂分别采用一只IGBT管作为通断控制器件，所述主控制模块中CPU的控制输出端分别接各桥臂IGBT管的受控端。

再进一步，所述主控制电路以主控CPU芯片为核心器件，源自辅助电源的输出电压设定值信号和变压器升压整流模块反馈端的反馈电压信号分别经过控制放大电路和反馈放大电路后，经比较电路输入主控CPU芯片，所述主控CPU芯片的控制输出端通过隔离驱动芯片分别接主全桥逆变模块各桥臂的对应IGBT管受控端。

还进一步，所述灯丝控制及逆变模块主要由控制电路和半桥逆变电路构成，所述控制电路以控制芯片为核心器件，灯丝电流输出设定值信号经第三运放及其外围件构成的放大电路接控制芯片的控制输入脚，所述控制芯片的PWM控制输出脚分别接半桥逆变电路两桥臂上的MOSFET管的受控端，两MOSFET管的输出端通过耦合变压器T与X射线管的灯丝耦合。

又进一步，所述耦合变压器还设有电流反馈线圈，所述反馈线圈通过相应的反馈放大电路接所述控制芯片的反馈输入端，构成输出电流闭环控制电路。

附图说明

    下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的电路框图。

图2为图1中的上电延时保护模块电路原理图。

图3为图1中主全桥逆变模块电路原理图。

图4为图1中主控制模块电路原理图。

图5为图1中灯丝控制及逆变模块电路原理图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的大功率X荧光高压电源如图1所示，主要包括构成阳极电路的串联主电源整流模块、主全桥逆变模块和变压器升压整流模块，以及构成阴极（灯丝）电路的串联灯丝电源整流模块和灯丝控制及逆变模块，还有主控制模块和上电延时保护模块。接受主控制模块开机信号的上电延时保护模块控制主电源整流模块的输出。变压器升压整流模块具有接至主控制模块对应端口的输出电压采样端，进而通过主控制模块对控制主全桥逆变模块进行PFM调控，以实现闭环控制输出电压。

上电延时保护模块如图2所示，包括主要由U302B运放及其外围器件构成的放大电路、型号为cd4060的计数延时芯片U301，以及主要由运放U303及其外围器件构成的输出积分电路，主控制模块开机信号WKS接放大电路中运放的负输入端，作为放大电路输出的该运放输出端通过R315、VD309接计数延时芯片U301的计数输入脚REST，计数延时芯片U301的控制输出脚Q14接输出积分电路运放U303的正输入端，该运放的输出端接中间继电器RJ301线圈，该中间继电器的通断触点位于主电源整流模块和主全桥逆变模块之间。

本实施例的X荧光高压电源由于功率较大，主电源整流模块的初级整流滤波采用几组大容量并联电容，开机后的蓄能需要一段时间。上电后如果直接工作，对后级电路冲击很大，容易造成损坏。而借助上电延时模块，开机后主电源整流模块开始从电网吸收能量并对滤波电容进行储能。开机工作信号经过放大后进入计数延时芯片为主的延时电路，经过大约10S的延时后再开启中间继电器为后级至X射线管阳极进行供电。这样，彻底避免了大功率直接启动对后级电路冲击导致的损坏，延长了使用寿命。

主全桥逆变模块如图3所示，各桥臂分别采用一只IGBT管作为通断控制器件，主控制模块中CPU（MC33067）的控制输出端分别接各桥臂IGBT管的受控端。IGBT的驱动脉冲由主控制模块产生，逆变后的开关电压通过谐振电路经变压器升压整流后最终为X射线管提供直流高压。具体而言，第一时刻控制IGBT A、IGBT C同时导通，初级整流后的电流流过谐振电路和变压器的初级，能量通过变压器变压后传递到次级再能过整流滤波为负载提供能量。经过一段导通时间后，再同时关闭IGBT A、IGBT C，此后由谐振电路产生的谐振电流流过变压器的初级线圈，为负载提供能量。当谐振电流变化为零时，同时开通IGBT B、IGBT D，初级整流电流反向流过谐振电路和变压器的初级，继续为变压器提供能量，经过升压整流滤波后为X射线管提供直流高压。经过一段导通时间后同时关闭IGBT B、IGBT D。此后继续由谐振电路为负载提供能量，直到谐振电流为零，进入下一个IGBT的开关周期。这样重复开关过程，把初级直流电压变为直流高压为负载提供能量。其输出电压为60KV，最大输出电流为100MA。

主控制电路如图4所示，以作为高性能谐振控制器的MC33067 主控CPU芯片为核心器件，C14和R16构成的RC电路用来设置控制该芯片单触发脉冲的频率。源自辅助电源的输出电压设定值信号和变压器升压整流模块反馈端的反馈电压信号分别经过U201及其外围器件构成的控制放大电路和U210、U209、U208及其外围器件构成的反馈放大电路后，经U202、U203及其外围器件构成的比较电路，输入主控CPU芯片的3脚，主控CPU芯片的控制输出端OUTA和OUTB通过隔离驱动芯片(A3120)分别接主全桥逆变模块各桥臂的对应IGBT管受控端。

工作时，高压电阻分压取样后把反馈电压到运放U202正向输入端，控制电压通过运放U201后被送入U202的反向输入端。控制电压和反馈电压相减后经过比较器U203加到主控CPU芯片MC33067的3脚，与变频振荡器、单发脉冲定时器共同作用产生一定频率的驱动脉冲信号，经过隔离放大后驱动IGBT的通断以产生所需的输出电压。当输出电压偏离控制电压设定值后，其变化被迅速反馈到U202的同向输入端，进而引起MC33067的3脚电压的变化，进而迅速引起驱动脉冲频率的变化，使输出的直流高压稳定在所需的设定值。二极管VD204和二极管VD205用来对3脚进行电压的钳位，防止驱动脉冲过大或过小从而损坏开关电路。本实施电源的频率变化范围被设定在40KHZ到100KHZ之间，整流器的输出频率在80KHZ到200KHZ之间。由于该输出电压一直处于控制电压和反馈电压相减后的闭环比较控制状态下，因此可以保证始终稳定精确。

灯丝控制及逆变模块电路如5所示，主要由控制电路和半桥逆变电路构成，控制电路以控制芯片SG3525为核心器件，灯丝电流输出设定值信号经运放U101及其外围件构成的放大电路接控制芯片的控制输入脚2，控制芯片的PWM控制输出脚14、11分别接半桥逆变电路两桥臂上的MOSFET管V101、V102的受控端，两MOSFET管V101、V102将灯丝电源整流模块输入的直流电压转换成交流电压通过耦合变压器T与X射线管的灯丝耦合，该耦合变压器还设有电流反馈线圈，该反馈线圈通过运放U107及其外围器件构成的反馈放大电路接控制芯片的反馈输入1脚，构成输出电流闭环控制电路，因此可以当输出电流变化时，迅速把此变化传递到SG3525的1脚，进而根据输出电流的变化增加或减小，相应调整驱动脉冲的脉宽，使输出电流回归到设定值。因此，采用本实施例的X射线管阴极工作十分稳定可靠。

变压器升压整流模块和灯丝电源整流模块与现有技术相同，故不详述，其中变压器升压整流模块含有通过串联谐振电路耦合的高频变压器，升压后由高压二极管进行整流、高频滤波电容滤波，产生直流高压，并具有接至主控制模块对应端口的输出电压采样端。

本实施例的大功率X荧光高压电源体积小、效率高，输出稳定。工作时，输入电压为220V交流，开机上电后先经过约10S的延时控制，对主滤波电容充电。然后由主控CPU芯片发出两路PFM控制脉冲信号，经过隔离后驱动IGBT进行全桥逆变，通过串联谐振电路进入高频变压器，升压后再经过高压二极管进行整流，高频滤波电容进行滤波，从而产生直流高压。同时，对高压输出进行采样与设定高压比较后反馈给主控CPU芯片，通过闭环控制使输出高压稳定在设定值。灯丝电源为相对独立电源，由控制芯片发出两路PWM脉冲信号驱动MOSFET管进行半桥逆变，经变压器变压后给X射线管的灯丝提供电源，从而产生X射线。

本实施例的电源功率可以达到6KW，最大电流可以达到150mA，应用于X射线荧光领域，可使被分析样品在X射线照射下发出的二次X射线，除具有上述优点外，还具有大功率小体积，高功率密度、高频化、高效率以及低噪声的特点。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种大功率X荧光高压电源，主要包括构成阳极电路的串联主电源整流模块、主全桥逆变模块和变压器升压整流模块，以及构成阴极电路的串联灯丝电源整流模块和灯丝控制及逆变模块，和主控制模块；

其特征在于：还包括上电延时保护模块，所述上电延时保护模块主要由受控于主控制模块开机信号的放大电路、计数延时电路、输出积分电路以及中间继电器构成，所述中间继电器的通断触点位于所述主电源整流模块和主全桥逆变模块之间；用以将主控制模块开机信号放大后，计数延时预定时长后，输出开启中间继电器，为主全桥逆变模块供电；

所述变压器升压整流模块具有接至主控制模块对应端口的输出电压采样端，所述主控制模块的控制输出端分别接所述主全桥逆变模块的各桥臂通断控制器件的受控端，用以根据输出电压与控制电压的比较结果，输出相应的PFM信号控制主全桥逆变模块的输出，实现变压器升压整流模块输出电压的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的大功率X荧光高压电源，其特征在于：所述上电延时保护模块包括主要由第一运放及其外围器件构成的放大电路、计数延时芯片及其外围器件构成的计数延时电路，以及主要由第二运放及其外围器件构成的输出积分电路，所述主控制模块开机信号接放大电路中第一运放的负输入端，作为放大电路输出的第一运放输出端接计数延时芯片的计数输入脚，所述计数延时芯片的控制输出脚接输出积分电路第二运放的正输入端，所述第二运放的输出端接中间继电器线圈，所述中间继电器的通断触点位于主电源整流模块和主全桥逆变模块之间。

3.根据权利要求1或2所述的大功率X荧光高压电源，其特征在于：所述主全桥逆变模块的各桥臂分别采用一只IGBT管作为通断控制器件，所述主控制模块中CPU的控制输出端分别接各桥臂IGBT管的受控端。

4.根据权利要求3所述的大功率X荧光高压电源，其特征在于：所述主控制电路以主控CPU芯片为核心器件，源自辅助电源的输出电压设定值信号和变压器升压整流模块反馈端的反馈电压信号分别经过控制放大电路和反馈放大电路后，经比较电路输入主控CPU芯片，所述主控CPU芯片的控制输出端通过隔离驱动芯片分别接主全桥逆变模块各桥臂的对应IGBT管受控端。

5.根据权利要求4所述的大功率X荧光高压电源，其特征在于：所述灯丝控制及逆变模块主要由控制电路和半桥逆变电路构成，所述控制电路以控制芯片为核心器件，灯丝电流输出设定值信号经第三运放及其外围件构成的放大电路接控制芯片的控制输入脚，所述控制芯片的PWM控制输出脚分别接半桥逆变电路两桥臂上的MOSFET管的受控端，两MOSFET管的输出端通过耦合变压器T与X射线管的灯丝耦合。

6.根据权利要求5所述的大功率X荧光高压电源，其特征在于：所述耦合变压器还设有电流反馈线圈，所述反馈线圈通过相应的反馈放大电路接所述控制芯片的反馈输入端，构成输出电流闭环控制电路。