创新型的基于软开关的X射线电源系统

摘要： AXI（自动X射线检测）已经成为检测和评估复杂MEMS（微机电系统）和MOEMS（微光电子机械系统）的基本方法，并且在医疗，考古等领域的也有了广泛的应用，而稳定可靠高效的直流高压电源是AXI的核心组件。一般的高压直流电源为定值输出，它们在X射线管这样的宽负载变化范围下的稳态和暂态响应不能满足AXI的要求。基于AXI的要求本文介绍了一种最新研制的可调高压电源，创新的主电路的拓扑结构由PFC（功率因数校正）模块、BUCK模块、逆变电路、高频变压器和倍压电路组成。电源利用变压器的寄生参数谐振工作，利用软开关技术实现了ZCS低损耗。PFC模块能使此电源系统使用与国内和国外市场并且减小对电网的谐波污染。电源的控制电路采用基于DSP的PI调解器，并基于RS232实现与PC的通信从而实现本地控制和远程管理。 叙词：AXI，软开关，PI调解器，DSP，PFC，谐振，倍压 Abstract： AXI has been becoming the dispensable and essential method for detecting and evaluating features in complex micro-electro-mechanical (MEMS) and micro-opto-electro-mechanical (MOEMS) devices and the high-voltage DC power supply is the very important component. In general, high-voltage DC power supplies are implemented for constant value control schemes but particularly their good transient and steady-state performances can not be achieved under wide load variations involved in an X ray tube. This paper introduces a new-developed high-voltage power supply designed for an X ray generator application, which has a novel topology comprised a PFC module, a BUCK circuit and a series-parallel transformer， multiplier voltage. A constant on-time/fixed frequency control scheme inverter using the parasitic parameter of special-designed high-frequency high-voltage transformer implements ZCS. At the same time introducing the PFC module can greatly cuts down the harmonic current and adapt to various line voltage ratings even the unsteadily voltage. The control system of the power is the digital PID adjuster based on DSP.

1 引言

AXI在无损检测领域，特别是检测和评估MEMS和MOEMS设备以及像CSPs，BGA封装检测已经越来越重要了。因此应用于产生X射线的稳定直流高压电源引起了电力电子领域的极大兴趣。但是由于X射线管的特殊伏安特性（即电压和电流基本是独立调节），另外X射线电源必须提供在不同X射线管电流（以下简称管电流）的情况下的高稳定度且可以大范围调节的电压，因为高电压可以产生高强度的X射线，而相对低的电压产生低强度的X射线以应用于不同的领域。

因此对管电压的控制十分重要，已经有很多文章介绍了关于如何使电源输出电压达到良好的稳态和暂态响应。然而在过去的一些文章中可以看出，由于高频变压器存在的几个严重的问题：很高的变比，麻烦的高压绝缘，特别是漏感和寄生电容的问题会导致巨大的开关损耗和snubber损耗。而漏感将使输出产生不想要的电压尖峰而损害射线管的安全和产生的射线稳定度，而寄生电容将会产生尖峰电流从而使电压的暂态响应变得很糟。

本文介绍了最新研制的基于高频变压器的串并联谐振高压电源，此电源能够实现ZCS（零电流）软开关，并且能方便的调节输出电压而因为利用高频变压器的的寄生参数从而避免了尖峰电压和电流。电源的另一个特点是利用倍压电路代替传统的二极管整流电路，从而减少了高频变压器的变比和寄生参数；尤其是主电路的控制策略——BUCK电路和逆变电路的联合——用BUCK可以十分方便灵活的调压而用定频定宽的逆变电路可以利用高频变压器的寄生参数实现谐振软开关，并且由于不使用调节逆变电路的占空比来调压从而可以充分利用高频变压器的磁性。电源的控制电路采用基于DSP的实时数字PI调解器实现电路的稳态和暂态特性。

2 电源系统介绍

2.1 电路拓扑结构

图1为高压直流电源示意图，主要有几个模块：EMI（抗干扰）模块，PFC模块，BUCK模块，逆变模块，谐振变压器模块，倍压电路模块以及一个谐振补偿电容。谐振补偿电容可以用来调节谐振频率；谐振变压器是特别绕制的；图上高压电缆可以作为平波电容，灯管的灯丝电流由另外一个灯丝电路控制。控制系统是一个基于TMS320LF2407的PI调节器，并且实现过压、过流、过温保护，以及通信功能