CN111026218B - 一种微型的多路浮地负高压电源 - Google Patents

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Abstract

本发明属于行星岩石成分分析仪、电子枪、高压电源技术领域，具体涉及一种微型的多路浮地负高压电源，其包括：低压控制电路(1000)和高压模块(2000)；其中，低压控制电路(1000)和高压模块(2000)分别对应的安装在各自的PCB板上，二者之间通过软信号线实现电连接；所述高压模块(2000)灌封在高压绝缘胶里，进而再安装在PCB板上。

Description

一种微型的多路浮地负高压电源
技术领域
本发明属于行星岩石成分分析仪、电子枪、高压电源技术领域，具体涉及一种微型的多路浮地负高压电源。
背景技术
随着科学技术的不断进步，深空探测成为可能。其中，行星岩石或土壤里可能保存有生命印迹的重要线索，它是研究行星起源或者行星历史的重要信息，因此，行星岩石或土壤化学成分分析至关重要。
目前，行星岩石或土壤成分分析仪包括：alpha、质子、X射线谱仪(Alpha、Proton、X-ray Spectrometer，APXS)和基于X射线管的新型岩石成分分析仪(PlanetaryInstrument for X-ray Lithochemistry，PIXL)两种。其中，针对APXS，APXS利用alpha放射源开展岩石化学成分分析，尽管该技术在月壤、火星和彗星探测上一直被采用，有着体积小、重量轻、激活不需要消耗电源等优点。但是，APXS对Si原子序数以上的元素的区分能量较弱，对Fe以上的元素基本没有探测能量；另外，APXS完成一次样品测量的时间过长，大概10个小时以上。而针对PIXL，基于X射线主动激活方式的PIXL完全弥补了APXS的技术缺陷，对中等序数以上的元素(Na以上)有很好的分辨能力。不仅如此，可通过改变X射线管的阳极靶材来匹配任何元素的探测灵敏度。
高压电源作为PIXL的关键部件，它的高压输出功率、纹波等指标将直接影响探测到的行星岩石或土壤成分的元素种类和响应速度；其功耗、体积等指标将直接影响被加载飞行器的资源分配。因此，配套的高压电源需要满足行星岩石或土壤成分元素种类探测，同时适应资源有限的空间应用。
但是，现有的高压电源的体积都较大，输出电流都在mA级(μA级电流已经能够满足应用需求)，无法满足空间应用的低功耗、小体积的要求。同时，为了避免阳极接正高压产生的隐患，采用阳极接地，阴极接负高压的供电方式。故克服现有高压电源的缺陷，研制微型、低功耗的浮地负高压电源至关重要。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的高压电源存在上述缺陷，本发明提出了一种微型的多路浮地负高压电源，具体适用空间资源约束的微型多路浮地负高压电源系统，解决传统的APXS技术对中等原子序数以上的元素分辨能力差的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种微型的多路浮地负高压电源，其包括：低压控制电路和高压模块；其中，低压控制电路和高压模块分别对应的安装在各自的PCB板上，二者之间通过软信号线实现电连接；所述高压模块灌封在高压绝缘胶里，进而再安装在PCB板上。
作为上述技术方案的改进之一，所述多路浮地负高压电源为两路浮地负高压电源或三路浮地负高压电源。
作为上述技术方案的改进之一，所述高压模块包括：负高压电源和浮地高压拓扑；负高压电源和浮地高压拓扑之间电连接；
所述负高压电源，用于将HV_PRI A、HV_PRI B和HV_PRI C三个低压输入信号通过谐振升压变压器和C-W倍压整流后，输出负高压至浮地高压拓扑；
所述浮地高压拓扑，用于通过高压隔离变压器，在高压隔离变压器的次级端产生负高压，进而输出两路浮地高压，并加载在X射线管的两端。
作为上述技术方案的改进之一，所述低压控制电路包括：高压控制电路和电流控制电路；
所述高压控制电路，用于控制负高压电源最终的电压值；
所述电流控制电路，用于控制X射线管电流：
还用于将FIL_Enable输入信号输入至电流控制电路，输出FIL_Drive输出信号，并将其输入至浮地高压拓扑，完成对浮地高压的开启和关闭；
高压控制电路和负高压电源之间电连接，且二者形成可调负高压电源；电流控制电路和浮地高压拓扑之间电连接，且二者形成多浮地负高压电源。
作为上述技术方案的改进之一，所述可调负高压电源包括：高压控制电路和负高压电源；
其中，所述高压控制电路包括：电压跟随器、第一PID控制器、PWM谐振拓扑和高压监测；
所述负高压电源包括：谐振升压变压器、C-W倍压整流和分压电阻器；
电压跟随器分别与第一PID控制器和高压监测电连接，第一PID控制器与PWM谐振拓扑电连接，PWM谐振拓扑与谐振升压变压器电连接，谐振升压变压器与C-W倍压整流电连接，C-W倍压整流与分压电阻器电连接，分压电阻器与电压跟随器电连接，形成闭合式连接结构；
所述可调负高压电源产生直流高压HV，并通过分压电阻器的阻值比进行分压，得到HV_Feedback反馈信号，并将其输入至电压跟随器，对HV_Feedback反馈信号进行校正，并输出校正后的反馈信号，再将其分成两路，分别作为第一PID控制器和高压监测各自的输入信号；其中一路校正后的反馈信号输入至第一PID控制器，第一PID控制器将其与HV_Control输入信号进行比较，得到HV_Error差分输出信号；HV_Error输出信号输入至PWM谐振拓扑后，有HV_PRI A、HV_PRI B、HV_PRI C三个输出信号；上述三个信号作为谐振升压变压器的输入信号，经过谐振升压变压器的升压后，得到幅值范围0～2kV可变的正弦交流信号；该交流信号输入到C-W倍压整流中，经过倍压，最终得到HV高压，并将其输入至分压电阻器，将HV高压按照阻值比进行分压，得到HV负高压和HV_Feedback输出信号；另一路校正后的反馈信号输入至高压监测，实时监测HV负高压和故障。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一PID控制器包括：比例模块、积分模块和微分模块；
所述比例模块，将经过电压跟随器校正后的反馈信号和HV_Control进行比较，最终得到HV_Error差分输出信号，将其作为PWM谐振拓扑的输入信号，用于控制该模块输出的HV_Error差分输出信号的脉冲宽度；
所述积分模块，用于消除HV_Control输入信号和HV_Feedback输入信号之间的稳态误差，从而提高控制精度；
所述微分模块，用于改善校正后的反馈信号带来的瞬时响应以及控制环过冲，增强稳定性。
作为上述技术方案的改进之一，所述多浮地负高压电源包括：电流控制电路和浮地高压拓扑，用于产生多路浮地负高压，并加载在X射线管的两端；
所述电流控制电路包括：采样反馈、第二PID控制器、PAM拓扑、功率放大和电流监测；
采样反馈分别与第二PID控制器和电流监测电连接，第二PID控制器与PAM拓扑电连接，PAM拓扑与功率放大电连接；
所述浮地高压拓扑包括：高压隔离变压器、X射线管和反馈电阻；
功率放大与高压隔离变压器连接，高压隔离变压器与X射线管电连接，X射线管分别与采样反馈和反馈电阻电连接。
作为上述技术方案的改进之一，所述第二PID控制器包括：比例模块、积分模块和微分模块；
所述比例模块，将经过采样反馈校正后的反馈信号和CUR_Control进行比较，最终得到CUR_Error差分输出信号，将其作为PAM拓扑的输入信号，用于控制该模块输出的CUR_Error差分输出信号的脉冲宽度；
所述积分模块，用于消除CUR_Control输入信号和CUR_Feedback输入信号之间的稳态误差，从而提高控制精度；
所述微分模块，用于改善校正后的反馈信号带来的瞬时响应以及控制环过冲，增强稳定性。
作为上述技术方案的改进之一，所述多路浮地负高压电源还包括：栅极高压控制电路和栅极浮地高压；
其中，栅极高压控制电路设置在低压控制电路内；栅极浮地高压设置在高压模块内；
所述栅极高压控制电路，用于控制栅极高压的幅值大小；
所述栅极浮地高压，用于根据输入的直流高压HV，产生栅极浮地高压，并将其输出。
作为上述技术方案的改进之一，所述高压绝缘胶包括：室温硫化硅橡胶、高温硫化硅橡胶、环氧树脂或高压绝缘硅脂。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的电源产生的浮地负高压，采用的接电方式，使得X射线管的阳极接地，避免了高压触电的危险；另外，本发明的电源中的低压控制电路和高压模块物理上分隔，减小了高压对低压控制电路的串扰；本发明的电源微功耗、小体积，更利于空间应用或便携式应用，能工作在空间等环境复杂恶劣的条件下。
附图说明
图1是本发明的一种微型的多路浮地负高压电源的另一个具体实施例的三路浮地负高压电源的结构示意图；
图2是本发明的一种微型的多路浮地负高压电源的一个具体实施例的两路浮地负高压电源当前环境的结构示意图；
图3是本发明的一种微型的多路浮地负高压电源的可调负高压电源原理的结构示意图；
图4是本发明的一种微型的多路浮地负高压电源的高压控制电路的PWM谐振拓扑原理图的结构示意图；
图5是本发明的一种微型的多路浮地负高压电源的高压控制电路的PWM谐振拓扑中的电容C13的充放电过程及变压器初级端子绕组的波形图；
图6是本发明的一种微型的多路浮地负高压电源的电流控制电路和浮地负高压拓扑的原理结构示意图；
图7是本发明的一种微型的多路浮地负高压电源的浮地负高压拓扑中的隔离变压器级联关系的示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
应用于新型行星岩石土壤成分分析仪中的X射线源包括：X射线管和高压电源两部分。其中，X射线管的阴极产生的电子在阴极和阳极之间形成的强电场作用下被加速，高速运动的电子最终在阳极靶上通过韧致辐射产生X射线。
首先，为了避免阳极接正高压的安全隐患，选用阴极接负高压，阳极接地的形式，故需要设计负高压电源。
其次，阴极有多种产生电子的方式，例如热电子发射、场致电子发射。不同的阴极电子发射原理需要不同的供电方式：
(1)热电子阴极需要保证阴极丝两电极之间的电势差在10伏特以内，从而使阴极丝发热，在温度达到一定条件后产生电子；
(2)场致电子发射只有一个栅极，需要保证栅极与阴极的电势差在100伏特左右，在电场力的作用下将电子牵引出来。
最后，在X射线管的阴极和阳极之间有可能增加一个控制电极，用于约束出射X射线的焦斑尺寸，提高仪器的分辨率，因此，还需增加一路电势差。
综上，上述三种情况中的电势差都是以阴极负高压作为基准“地”，故称为浮地高压。
本发明提供了一种微型的多路浮地负高压电源，可用于带控制电极的热阴极X射线管。
如图2所示，为了满足空间应用的需要，进一步减小体积和功耗，本发明提供了一种微型的多路浮地负高压电源，可作为仅由热阴极和阳极组成的简单X射线管的供电电源，该电源中仅保留了必须的控制信号的低压控制电路1000和高压模块2000两个模块。
其中，所述浮地负高压电源包括：低压控制电路1000和高压模块2000；其中，低压控制电路1000和高压模块2000分别对应的安装在各自的PCB板上，即物理上的隔离；二者之间通过软信号线实现电连接，避免裸露在空间中的高压会击穿空气而放电，严重干扰电路的稳定性的问题。
其中，所述高压模块2000灌封在高压绝缘胶里，进而再安装在PCB板上；其中，所述高压绝缘胶包括：室温硫化硅橡胶、高温硫化硅橡胶、环氧树脂和高压绝缘硅脂。
通常情况下，未进行绝缘灌封的高压超过5kV时就有可能出现放电现象。因此，本发明中的高压模块2000最终会灌封在高压绝缘胶里，如室温硫化硅橡胶、高温硫化硅橡胶、环氧树脂、高压绝缘硅脂等；为了保证良好的导热性，可在硅橡胶里加入少量氮化硼。而灌封厚度与高压值有关，通常的环氧树脂介电强度为20kV/cm左右。
如图2所示，所述低压控制电路1000包括：高压控制电路100和电流控制电路200；所述高压模块2000包括：负高压电源300和浮地高压拓扑400；负高压电源300和浮地高压拓扑400之间电连接；
其中，高压控制电路100和负高压电源300之间电连接，且二者形成可调负高压电源；电流控制电路200和浮地高压拓扑400之间电连接，且二者形成多路浮地负高压电源。在本实施例中，如图2所示，所述多路浮地负高压电源为两路浮地负高压电源。
如图2所示，所述POWER输入信号，用于给整个高压电源供电；
所述高压控制电路100，用于控制负高压电源300最终的电压值；
高压控制电路100包括HV_Enable输入信号、HV_Control输入信号和HV_Feedback输入信号，HV_PRI A输出信号、HV_PRI B输出信号、HV_PRI C输出信号和HV_Monitor输出信号。
其中，所述HV_Enable输入信号输入至高压控制电路100，输出三个信号，分别是HV_PRI A输出信号、HV_PRI B输出信号、HV_PRI C输出信号，并将其输入至负高压电源300，用于控制负高压电源300的开启和关闭：
具体地，当信号值为零时，整个高压控制电路100不工作，HV_PRI A输出信号、HV_PRI B输出信号、HV_PRI C输出信号三个输出信号值均为零，则无负高压输出；当输入信号值为正时，高压控制电路100正常工作，有负高压输出。
所述HV_Control输入信号输入至高压控制电路100，输出三个信号，分别是HV_PRIA输出信号、HV_PRI B输出信号、HV_PRI C输出信号，并将其输入至负高压电源300，用于控制负高压电源300的电压值；
其中，HV_PRI A、HV_PRI B、HV_PRI C三个输出信号随着HV_Control输入信号的增加而增加，随着HV_Control输入信号的减小而减小，从而引起负高压的增高或降低。
所述负高压电源300，用于将HV_PRI A、HV_PRI B、HV_PRI C三个低压输入信号通过谐振升压变压器310和C-W倍压整流320后，输出负高压至浮地高压拓扑400；
所述负高压电源300提供HV输出信号，并将其输入到浮地高压拓扑400，输出FL_HV(+)输出信号和FL_HV(-)输出信号，用于给X射线管的阴极灯丝提供能量；
所述负高压电源300提供HV_Feedback输出信号，并将其输入至高压控制电路100，输出HV_Monitor输出信号，用于监测高压电源是否正常工作。
所述HV_GND为高压地信号，用于给整个电路提供一个参考“地”。
所述电流控制电路200，用于控制X射线管电流：
将FIL_Enable输入信号输入至电流控制电路200，输出FIL_Drive输出信号，并将其输入至浮地高压拓扑400，完成对浮地高压的开启和关闭；
将CUR_Control输入信号输入至电流控制电路200，输出幅值可调的FIL_Drive输出信号，并将其输入至浮地高压拓扑400，用于控制FL_HV(+)和FL_HV(-)两输出信号间的交流幅值大小；电流控制电路200提供的CUR_Control输入信号的幅值越大，其FIL_Drive输出信号的幅值越大，提供给浮地高压拓扑400的FIL_Drive输入信号的幅值越大，则其两个输出信号FL_HV(+)和FL_HV(-)间的电势差越大，X射线管阴极灯丝的功耗越大，产生的电子数越多，在高压电场作用下向阳极运动的电子越多，即X射线管的管电流越大；反之，X射线管的管电流越小。
所述HV_GND为高压地信号，用于给整个电路提供一个参考“地”。
所述浮地高压拓扑400，用于通过高压隔离变压器410，在高压隔离变压器410的次级端产生负高压，进而输出两路浮地高压，并加载在X射线管的两端，即通过高压隔离变压器410，“抬高”高压隔离变压器410次级的基准电压，提供两路浮地高压，并加载在X射线管的两端；
浮地高压拓扑400将CUR_Feedback输入信号输入至电流控制电路200，输出CUR_Monitor输出信号，用于监测X射线管的管电流的大小；
其中，如图3所示，所述可调负高压电源包括：高压控制电路100和负高压电源300；
其中，所述高压控制电路100包括：电压跟随器110、第一PID控制器120、PWM谐振拓扑130和高压监测140；
所述负高压电源300包括：谐振升压变压器310、C-W倍压整流320和分压电阻器330；
电压跟随器110分别与第一PID控制器120和高压监测140电连接，第一PID控制器120与PWM谐振拓扑130电连接，PWM谐振拓扑130与谐振升压变压器310电连接，谐振升压变压器310与C-W倍压整流320电连接，C-W倍压整流320与分压电阻器330电连接，分压电阻器330与电压跟随器110电连接，形成闭合式连接结构。
所述可调负高压电源产生直流高压HV，并通过分压电阻器330的阻值比进行分压，得到HV_Feedback反馈信号，并将其输入至电压跟随器110，电压跟随器110不改变HV_Feedback反馈信号的值，仅起到阻抗匹配的作用，对HV_Feedback反馈信号进行校正，并输出校正后的反馈信号，再将其分成两路，分别作为第一PID控制器120(即比例积分微分控制器)和高压监测140各自的输入信号。其中一路校正后的反馈信号输入至第一PID控制器120，第一PID控制器120将其与HV_Control输入信号进行比较，得到HV_Error差分输出信号；HV_Error差分输出信号输入PWM谐振拓扑130后，有HV_PRI A、HV_PRI B、HV_PRI C三个输出信号；这三个信号作为谐振升压变压器310的输入信号，经过谐振升压变压器310的升压后，得到幅值范围0～2kV可变的正弦交流信号；该交流信号输入到C-W倍压整流320中，经过倍压，最终得到HV高压输出信号输入至分压电阻器330，将HV高压按照阻值比进行分压，得到HV负高压和HV_Feedback输出信号；另一路校正后的反馈信号输入至高压监测140，输出HV_Monitor输出信号，实时监测HV负高压和故障。
所述第一PID控制器120，将经过电压跟随器110校正后的反馈信号和HV_Control进行比较，最终得到HV_Error差分输出信号；
所述第一PID控制器120包括：比例模块、积分模块和微分模块；
所述比例模块，将经过电压跟随器110校正后的反馈信号和HV_Control进行比较，最终得到HV_Error差分输出信号，将其作为PWM谐振拓扑130的输入信号，用于控制该模块输出的HV_Error差分输出信号的脉冲宽度。
其中，1)差值输出信号最终用于控制高压幅值，故为了实现高精度控制，则实现相应功能的电阻应具有严格的容差和绝佳的温度稳定性；
2)需合理设置比例系数，通常为10左右。这是因为：比例系数太小，则调节的力度不够，系统输出变化缓慢，所需总时间较长；比例系数过大，则调节力度太强，动态性能变差，甚至影响整个控制环的稳定性。
所述积分模块，用于消除HV_Control输入信号和HV_Feedback输出信号之间的稳态误差，从而提高控制精度。
所述微分模块，用于改善校正后的反馈信号带来的瞬时响应以及控制环过冲，增强稳定性。其中，所述微分模块包括电连接的电容和电阻；
因此，该第一PID控制器能够提高整个系统的高精度、稳定性和快瞬时响应。
所述高压监测140根据输入的校正后的反馈信号，输出HV_Monitor输出信号，且该HV_Monitor输出信号与HV高压输出呈比例，该HV_Monitor输出信号与HV_Control输入信号进行比较，可监测实际高压值与预期高压值之间的差值，及早发现故障。若HV_Monitor输出信号和HV_Control输入信号两信号的电压值相等，则高压电源正常工作；若HV_Monitor输出信号和HV_Control输入信号两信号的电压值不相等，则可判断高压电源未正常工作。
所述PWM谐振拓扑130，用于根据第一PID控制器120的输出信号HV_Error差分输出信号，对PWM谐振拓扑130进行脉冲宽度调制，获得调制脉冲信号；其中，输出的调制脉冲信号的脉冲宽度是与第一PID控制器120输出的HV_Error差分输出信号呈正相关的，具体的参照图4的详细描述。
所述PWM谐振拓扑130包括：HV_Enable输入信号、HV_Error差分输出信号、电阻R11、电阻R12、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电容C39、零电压开关谐振转换器U4、开关管Q3、电阻R14、电阻R16、电阻R17、电感L1、二极管D1、功率开关管Q1、功率开关管Q2、电压信号V1、电压信号V3、电压信号V2、电阻R13、HV_PRI A输出信号、HV_PRI B输出信号、HV_PRI C输出信号；
如图4所示，U4是一款零电压开关谐振转换器，集成了电流反馈推挽式零电压开关控制和脉冲宽度调制(PWM)功能；HV_Error差分输出信号作为PWM谐振拓扑130的输入，并经过R11、R12和C9连通U4的放大器的反向输入端U4-11脚和补偿端U4-9脚。U4-6脚、U4-7脚两输出Aout和Bout为频率相同、占空比为50％、相位相差180°的方波；U4-4脚对应的输出Cout的方波占空比D从0～100％可调，U4-4脚与U4-11脚的输入幅值呈正比，同时U4-11脚的频率是Aout和Bout两路方波的两倍。U4-4脚、U4-6脚和U4-7脚所连接的三路输出方波的幅值相同，由V_V电源幅值决定；方波Cout的频率由谐振电感LR(谐振变压器初级电感、等效的变压器次级侧电感)与谐振电容CR(C13、等效的次级侧电容)共同决定。
其中，如图5所示，电容C13的充放电过程的波形变化。在零时刻，电流达到最大值，V1和V2电压降为零，V3电压降也为零，并通过控制电路将MOS管Q1断开、MOS管Q2导通。这一时刻，谐振电感LR里储存的能量也达到最大值。在0～1t时间段内，LR储存的能量逐渐转换到CR里，引起CR两端的电压按照正弦方式增加。在1t时刻，LR里存储的能量全部转换到CR里，导致流过LR的电流为零，CR的电势差达到最大值。在1t～2t时间段内，CR中存储的能量逐渐转换回LR，流过LR的电流不断增加，CR两端电势差逐渐减小。在2t时刻，流过LR的电流大小与零时刻流过LR的电流大小相等，方向相反。此时电压V1、V2和V3都变为零，控制电路将Q1打开，Q2关闭。在t2～t4时间段内，LR和CR又一次完成充放电，实现了电压的正弦式变化。
其中，图5中电压值VP的值由下式确定：
Figure BDA0002326339750000101
其中，Vj为电感L1左端的信号大小；D为U4-4输出信号的占空比。
所述谐振升压变压器310，用于将接收的调制脉冲信号进行升压，获得幅值范围0～2kV可变的正弦交流信号；
其中，所述谐振升压变压器310为推挽式变压器，其工作频率需要与PWM谐振拓扑130的谐振频率匹配，大概为50KHz，有利于提高转换效率，变压比为120:1。
所述C-W倍压整流320，用于根据获得的幅值可调的正弦交流信号，形成数倍的直流高压HV；
所述C-W倍压整流320由耐高压电容和耐高压二极管组成，利用电容的储能特性和二极管的单向导通特性，将电容电压累加，从而形成数倍的直流高压HV。
其中，直流高压HV的值U为：
Figure BDA0002326339750000102
其中：Vi为倍压整流的输入幅值；n为倍压电路的级数；I为X射线管电流；f为输入信号的频率；C为倍压电路中的电容容值。
所输出的直流高压HV的纹波Ur为：
Figure BDA0002326339750000103
其中，C-W倍压整流320的电路会有跌落电压，其与倍压级数、X射线管电流、工作频率和电容容值都有关。
在工作频率和电容容值选定的情况下，倍压级数越多，跌落电压越大；需要的X射线管电流越大，跌落电压越大。
因此，需根据X射线管电流的要求，为了实现特定的直流高压HV输出，尽量提高谐振变压器高变压比，减小倍压级数。
所述分压电阻器330，用于根据阻值比，对获得的直流高压HV进行分压，得到HV_Feedback反馈信号，并将其输入至电压跟随器110。
如图6所示，所述多路浮地负高压电源包括：电流控制电路200和浮地高压拓扑400，用于产生浮地负高压，并加载在X射线管的两端，实现了两路浮地负高压的输出和X射线管电流可调；
其中，所述电流控制电路200包括：采样反馈210、第二PID控制器220、PAM拓扑230、功率放大240和电流监测250；采样反馈210分别与第二PID控制器220和电流监测250电连接，PID控制器220与PAM拓扑230电连接，PAM拓扑230与功率放大240电连接；
所述采样反馈210，用于采集浮地负高压的CUR_Feedback反馈信号，不改变CUR_Feedback反馈信号的值，仅起到阻抗匹配的作用，对CUR_Feedback反馈信号进行校正，并输出校正后的反馈信号；该校正后的反馈信号分两路输出，其中一路输入至第二PID控制器210，另一路输入至电流检测250，输出CUR_Monitor信号；
所述PID控制器220，将经过采样反馈210校正后的反馈信号和CUR_Control进行比较，最终得到CUR_Error差分输出信号；
所述第二PID控制器220包括：比例模块、积分模块和微分模块；
所述比例模块，将经过采样反馈220校正后的反馈信号和CUR_Control进行比较，最终得到CUR_Error差分输出信号，将其作为PAM拓扑230的输入信号，用于控制该模块输出的CUR_Error差分输出信号的脉冲宽度；
所述积分模块，用于消除CUR_Control输入信号和CUR_Feedback输入信号之间的稳态误差，从而提高控制精度；
所述微分模块，用于改善校正后的反馈信号带来的瞬时响应以及控制环过冲，增强稳定性。
所述第二PID控制器220与所述第一PID控制器120为相同的PIND控制器。
所述PAM拓扑230，用于根据第二PID控制器220的输出的CUR_Error差分输出信号，对PAM谐振拓扑230进行脉冲幅度调制，获得调制脉冲信号；其中，输出的调制脉冲信号的脉冲宽度是与第二PID控制器220输出的CUR_Error差分输出信号呈正相关的，
所述功率放大240，用于根据输入的脉冲信号，并将其进行放大，提高信号的驱动能量；
为了提高调制脉冲带X射线管的能力，在PAM拓扑230和高压隔离变压器410之间增加了功率放大240，通常功率放大240优选为集成MOS管。
所述浮地高压拓扑400包括：高压隔离变压器410、X射线管和反馈电阻；
功率放大240与高压隔离变压器410连接，高压隔离变压器410与X射线管电连接，X射线管分别与采样反馈210和反馈电阻电连接；
所述高压隔离变压器410，用于根据直流高压HV，产生浮地负高压，并将其加载在X射线管的两端，抬高“地电位”，高压隔离变压器的次级输出端上的FL_HV(+)与FL_HV(-)之间的电势为负高压，实现输出浮地负高压，提供正常工作的电能。
所述X射线管，用于根据加载在X射线管两端的浮地负高压，使X射线管的阴极丝发热产生自由电子，使得阴极丝产生的电子在强电场作用下加速运动到阳极靶；
所述反馈电阻，用于监测流过X射线管或其他相似负载的电流大小；
通常X射线管两端加载的浮地负高压的范围为几万伏到几十万伏，对于几十万伏的负高压，小体积的高压隔离变压器410很难满足50kV以上的绝缘强度，这是因为绝缘强度与变压器的初级端和次级端的间距正相关。
如图7所示，提出了一种隔离变压器级联的方法，用于解决单个高压隔离变压器绝缘强度不够导致的高压放电问题。C30到C53、D2到D26共24只串联的耐高压电容和24只串联的耐高压二极管组成了C-W倍压整流320；
T1到T4共四个隔离变压器级联成一个高压隔离变压器组，即高压隔离变压器410。图7中的级联后的高压隔离变压器410的绝缘强度是单个隔离变压器的绝缘强度的四倍，同时可根据需要选择合适的隔离变压器的级数。
需要说明的是，上述方案中的浮地高压电源最终应用在深空探测中，则所有元器件选型须满足宇航级要求。
如图1所示，所述多路浮地负高压电源还包括：栅极高压控制电路500和栅极浮地高压600；其中，栅极高压控制电路500设置在低压控制电路1000内；栅极浮地高压600设置在高压模块2000内；
所述栅极高压控制电路500，用于控制栅极高压的幅值大小；
所述栅极浮地高压600，用于根据输入的直流高压HV，产生栅极浮地高压，并将其输出；
其中，如图1所示，所述多路浮地负高压电源为三路浮地负高压电源。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种微型的多路浮地负高压电源，其特征在于，其包括：低压控制电路(1000)和高压模块(2000)；其中，低压控制电路(1000)和高压模块(2000)分别对应的安装在各自的PCB板上，二者之间通过软信号线实现电连接；所述高压模块(2000)灌封在高压绝缘胶里，进而再安装在PCB板上；
所述多路浮地负高压电源为两路浮地负高压电源或三路浮地负高压电源；
所述高压模块(2000)包括：负高压电源(300)和浮地高压拓扑(400)；负高压电源(300)和浮地高压拓扑(400)之间电连接；
所述负高压电源(300)，用于将HV_PRI A、HV_PRI B和HV_PRI C三个低压输入信号通过谐振升压变压器(310)和C-W倍压整流(320)后，输出负高压至浮地高压拓扑(400)；
所述浮地高压拓扑(400)，用于通过高压隔离变压器(410)，在高压隔离变压器(410)的次级端产生负高压，进而输出两路浮地高压，并加载在X射线管的两端；
所述低压控制电路(1000)包括：高压控制电路(100)和电流控制电路(200)；
所述高压控制电路(100)，用于控制负高压电源(300)最终的电压值；
所述电流控制电路(200)，用于控制X射线管电流：
还用于将FIL_Enable输入信号输入至电流控制电路(200)，输出FIL_Drive输出信号，并将其输入至浮地高压拓扑(400)，完成对浮地高压的开启和关闭；
高压控制电路(100)和负高压电源(300)之间电连接，且二者形成可调负高压电源；电流控制电路(200)和浮地高压拓扑(400)之间电连接，且二者形成多浮地负高压电源；
所述多路浮地负高压电源还包括：栅极高压控制电路(500)和栅极浮地高压(600)；
其中，栅极高压控制电路(500)设置在低压控制电路(1000)内；栅极浮地高压(600)设置在高压模块(2000)内；
所述栅极高压控制电路(500)，用于控制栅极高压的幅值大小；
所述栅极浮地高压(600)，用于根据输入的直流高压HV，产生栅极浮地高压，并将其输出。
2.根据权利要求1所述的微型的多路浮地负高压电源，其特征在于，所述可调负高压电源包括：高压控制电路(100)和负高压电源(300)；
其中，所述高压控制电路(100)包括：电压跟随器(110)、第一PID控制器(120)、PWM谐振拓扑(130)和高压监测(140)；
所述负高压电源(300)包括：谐振升压变压器(310)、C-W倍压整流(320)和分压电阻器(330)；
电压跟随器(110)分别与第一PID控制器(120)和高压监测(140)电连接，第一PID控制器(120)与PWM谐振拓扑(130)电连接，PWM谐振拓扑(130)与谐振升压变压器(310)电连接，谐振升压变压器(310)与C-W倍压整流(320)电连接，C-W倍压整流(320)与分压电阻器(330)电连接，分压电阻器(330)与电压跟随器(110)电连接，形成闭合式连接结构；
所述可调负高压电源产生直流高压HV，并通过分压电阻器(330)的阻值比进行分压，得到HV_Feedback反馈信号，并将其输入至电压跟随器(110)，对HV_Feedback反馈信号进行校正，并输出校正后的反馈信号，再将其分成两路，分别作为第一PID控制器(120)和高压监测(140)各自的输入信号；其中一路校正后的反馈信号输入至第一PID控制器(120)，PID控制器(120)将其与HV_Control输入信号进行比较，得到HV_Error差分输出信号；HV_Error输出信号输入至PWM谐振拓扑(130)后，有HV_PRI A、HV_PRI B、HV_PRI C三个输出信号；上述三个信号作为谐振升压变压器(310)的输入信号，经过谐振升压变压器(310)的升压后，得到幅值范围0～2kV可变的正弦交流信号；该交流信号输入到C-W倍压整流(320)中，经过倍压，最终得到HV高压，并将其输入至分压电阻器(330)，将HV高压按照阻值比进行分压，得到HV负高压和HV_Feedback输出信号；另一路校正后的反馈信号输入至高压监测(140)，实时监测HV负高压和故障。
3.根据权利要求2所述的微型的多路浮地负高压电源，其特征在于，所述第一PID控制器(120)包括：比例模块、积分模块和微分模块；
所述比例模块，将经过电压跟随器(110)校正后的反馈信号和HV_Control进行比较，最终得到HV_Error差分输出信号，将其作为PWM谐振拓扑(130)的输入信号，用于控制该模块输出的HV_Error差分输出信号的脉冲宽度；
所述积分模块，用于消除HV_Control输入信号和HV_Feedback输入信号之间的稳态误差，从而提高控制精度；
所述微分模块，用于改善校正后的反馈信号带来的瞬时响应以及控制环过冲，增强稳定性。
4.根据权利要求1所述的微型的多路浮地负高压电源，其特征在于，所述多浮地负高压电源包括：电流控制电路(200)和浮地高压拓扑(400)，用于产生多路浮地负高压，并加载在X射线管的两端；
所述电流控制电路(200)包括：采样反馈(210)、第二PID控制器(220)、PAM拓扑(230)、功率放大(240)和电流监测(250)；
采样反馈(210)分别与第二PID控制器(220)和电流监测(250)电连接，第二PID控制器(220)与PAM拓扑(230)电连接，PAM拓扑(230)与功率放大(240)电连接；
所述浮地高压拓扑(400)包括：高压隔离变压器(410)、X射线管和反馈电阻；
功率放大(240)与高压隔离变压器(410)连接，高压隔离变压器(410)与X射线管电连接，X射线管分别与采样反馈(210)和反馈电阻电连接。
5.根据权利要求4所述的微型的多路浮地负高压电源，其特征在于，所述第二PID控制器(220)包括：比例模块、积分模块和微分模块；
所述比例模块，将经过采样反馈(220)校正后的反馈信号和CUR_Control进行比较，最终得到CUR_Error差分输出信号，将其作为PAM拓扑(230)的输入信号，用于控制该模块输出的CUR_Error差分输出信号的脉冲宽度；
所述积分模块，用于消除CUR_Control输入信号和CUR_Feedback输入信号之间的稳态误差，从而提高控制精度；
所述微分模块，用于改善校正后的反馈信号带来的瞬时响应以及控制环过冲，增强稳定性。
6.根据权利要求1所述的微型的多路浮地负高压电源，其特征在于，所述高压绝缘胶包括：室温硫化硅橡胶、高温硫化硅橡胶、环氧树脂或高压绝缘硅脂。
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