X射线具有荧光、电离和穿透作用,使其无论是在医学诊断、安全检查、工业无损探测,还是在基础科学以及军事研究等领域都得到了广泛的应用。而为了保证在应用时检测结果能够更真实的反应实际情况,要求X射线机在检测过程中要能保持持续稳定、大剂量、大能量及高强度的X射线输出,而高频高压电源作为X射线源系统的核心部件,其输出电流电压质量直接影响着X射线管射出X射线的强度和稳定度。

本文介绍了一种基于调压调频的新型X射线机高压电源。针对160kV高频高压电源系统,逆变单元采用了并联谐振技术实现零电压(ZVS)软开关,减小了由高频带来的开关损耗和变压器寄生参数带来的尖峰电压、尖峰电流,电源的输出级通过倍压电路对变压器输出电压进行倍压整流,减小了变压器变比和输出纹波系数,对于DC/DC谐振逆变器的运行和控制技术,国内外学者进行过很多研究。本文介绍了一种新型的控制策略,通过调节前级Buck电路占空比与调节谐振逆变器开关频率相结合的方式来控制输出电压,这两种控制电压方式的配合,可以增大输出电压的可控范围,同时该方案较其他控制方案简单可靠,便于实现。

1   直流高压电源设计

(1)高压电源结构及工作原理

图1为直流高压电源系统原理图，主要由整流滤波电路、Buck调压电路、并联谐振逆变电路以及倍压整流电路等几部分组成。其工作过程为:220V/50Hz交流市电，经不控整流和滤波电路得到大约300V左右的直流电压；然后通过由PWM控制的Buck调压电路作用，可得到一定范围内大小可调的直流电压；接着可调直流电压经过并联谐振逆变电路的频率调节，得到频率变化和电压可调的高频正弦交流电压；最后通过高频变压器以及多级倍压整流电路，得到可供X射线管使用的可调高压。

图1  直流高压电源原理图

这里重点介绍高压电源的Buck调压电路和谐振逆变调频电路,电源的整流滤波电路、高频变压器以及倍压整流电路就不逐一介绍了。

(2)调压方式

常规的可供X射线高压电源选用的调压方式如图2所示。其中,图2(a)所示为调节晶闸管触发角调压法,它具有谐波污染严重、功率因数低等缺点;图2(b)所示为全桥移相调压法,它在占空比较小的时候,利用率较低;另外整个电路调压范围窄、输出波形易畸变等;图2(c)所示为直流斩波调压法,相对前两者具有调压范围宽、输出波形无失真等优点。

图2  三种常规的调压方式

另一种调压方式是通过调节前级Buck电路占空比和调节谐振逆变器开关频率相结合的方式来控制输出电压的方案。这种调压方式是基于图2(c)直流斩波调压法的基础上改进的,其工作原理为:在大范围调压时,调节Buck电路占空比;在小范围调压时,调节谐振逆变器的开关频率。通过调节Buck电路占空比和调节谐振逆变器开关频率相结合的调压方式,不仅使得电源系统能够快速达到设定的电压值,而且还能减小输出电压纹波,提高了系统的稳定性和安全性。另外,该调压方式能够使高压电源的输出电压分辨率达到1kV,最小输出电压可达10kV。

(3)Buck调压电路

降压变换器是最基本的非隔离式DC/DC变换器之一。其输出电压总是低于输入电压,因此称为降压变换器,其功率级电路如图3所示。

图3  Buck降压变换器图

根据通过电感的电流,变换器可以分为两种工作模式:连续导通模式(CCM)和断续导通模式(DCM)。本文主要讨论连续导通模式下的Buck降压变换器。连续导通模式下的Buck变换器工作状态主要包括电感电流线性上升阶段和电感电流线性下降阶段两部分,其工作波形如图4所示。工作原理:当开关管导通时,二极管两端承受负电压,迫使其关断,Us通过电感对电容C充电,同时电感电流线性增加,此时电感储能;当开关管关断时,由于电感储能作用产生反电动势,将促使二极管导通续流,电感继续为电容和负载提供电压,同时电感电流线性减小。

图4  Buck变换器连续导通模式(CCM)工作波形

(4)谐振逆变调频电路

半桥电路和全桥电路是逆变谐振电路的常用结构。通过对比，本文选用全桥逆变电路。利用高频变压器的寄生参数设计谐振逆变器，实现开关管的软开关技术提高开关频率，同时减小开关损耗。

常用的谐振逆变器包含三种拓扑结构:串联(SRC)、并联(PRC)和串并联(SPRC)。本文将采用并联负载谐振逆变器。

图5(a)、(b)为并联负载谐振逆变器电路原理图和等效图。其中,Ti、Di分别表示MOSFET和二极管,Lr、Cr为高频变压器寄生参数和外加元件的等效谐振电感和电容,UI表示一方波信号,RL表示负载折算到原边的电阻。

图5  并联负载型谐振逆变器图

如果谐振逆变器正好工作在谐振点,则输出的电压电流波形将是同相位的,开关元件在断开和闭合时都处于电流过零点,其工作在零电流开关(ZCS)状态。但是一般情况下很难保证电路稳定地工作在这一点,电流波形与电压波形总有些相位差。这时电路只能工作在感性负载状态,才能保证开关器件的开关损耗较小。

在容性负载条件下，变换器输出电流与电压波形如图6(a)所示。在t1时刻，电流iL从T1到D1是自然环流过程，实现了零电流(ZCS)软开关。但是在t2时刻，T2是硬导通，开关损耗很大，不易实现高频化。

在感性负载条件下,变换器的输出电流和电压波形如图6(b)所示。在t1时刻,T1、T4断开,这时电流iL不为零,电流由T1、T4转向D2、D3,此时T1、T4为硬关断。T1时刻的电路如图7(a)所示,流过T1的电流iS1由最大减到0,T1两端的电压US1由0增至最大,由于snubber电路中电容C1的作用,使US1的上升减缓,如图7(b)所示。由于T4开关动作同T1一样,所以T1、T4的实际关断损耗比硬关断小。在t1、t2时刻,由于电感电流iL的续流作用,使得D2、D3导通续流,此时,T2、T3导通,由于D2、D3的箝位作用,T2、T3实现了零电压(ZVS)导通。（未完）

（御风）