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基于高频逆变技术的X射线机设计 辐射检测技术在无损检测技术和医院诊断领域具有重要应用，因此人们不断讨论X射线产生的相关技术，如如何降低设备尺寸和提高高压直流电源X射线的稳定性和可靠性，X射线的质量与其所需的灯丝电流和阳极电压之间的关系等。本文从高压的角度出发-变频技术，光机主要部分的设计，阳极电流、阳极高压和灯丝加热之间控制的实现方法。 其主要特点是合理利用高频变压器的寄生参数设计谐振变换器。 灯丝加热采用高频交流电压信号。 X光机有阳极高压、阳极电流、曝光时间三个物理量需要掌握。 阳极高压计算辐射量，三者共同决定辐射剂量。 为了完成对以上三个物理量的掌握，拟采用图1所示的拓扑结构。其中，阳极高压部分由全桥逆变电路和倍压整流电路产生； 灯丝加热电路采用推挽技术产生的高频交流加热； 曝光时间由单片机控制。 1.1 阳极高压产生及控制 阳极高压产生部分电路需要解决两个关键问题： (1) 高压变压器问题。 由于升压变压器次级绕组与初级绕组的变比较大，初级侧的等效漏感，分布电容等参数比较大，高压变压器的绕法缠绕不容忽视。 传统的次级线圈绕组，来回绕制的层数较多，上下层之间存在分布电容，使电流通过每个周期，造成高损耗，影响逆变器的运行。

目前工程上采用分槽绕制的方法，可以减小分布电容的影响。 本次设计采用了一种新的方法，就是用双面电路板印制次级绕组，中间开孔，然后将相同的电路板串联起来，组成UU型铁氧体功率磁芯。 这种方法的优点是层间能可靠绝缘，类似于槽绕法，分布电容小且有定值，有利于工程制造调试和降低成本。 (2)高压设备元器件的集成、绝缘和散热问题。 这种设计不同于传统的方法。 升压变压器、倍压整流电路板、X等几部分安装在一起，采用变压器油绝缘散热。 这样可以解决电压互感器、倍压二极管和电容器的绕组间的升压绝缘问题，同时解决球管阳极的散热问题，便于绝缘的施工和维护工艺，也可以用普通导线连接全桥变换器和升压变压器，取代昂贵笨重的专用高压电缆全桥逆变，减少体积和成本。 高频逆变器技术产生高频交流电源升压变压器。 硬开关电路可以用来产生方波电压，高频谐振变换器也可以用来产生近似正弦波的电压。 由于方波脉冲中含有丰富的高次谐波，这些高次谐波可能与后续的倍压电路形成谐振，谐振电压叠加在直流分量上形成比估计的电压高，容易引起放电和点火； 后者输出近似正弦波，高次谐波频率单一，可合理设计参数，避免后续电路发生谐振。 因此，从合理利用升压变压器寄生参数等方面提高逆变器效率的讨论较多。

本设计也合理利用了升压变压器的这些参数，如图1所示，电源变换采用零电压开关准谐振全桥变换器的主电路拓扑结构，实际上是一个串-并联混合谐振转换器。 谐振电容（图中未标注）采用原边次级绕组的等效分布电容； 谐振电感Lr包括高频变压器的漏感； 串联谐振电容Cr是MOSFET管的输出电容和外接电容，具有串联谐振变换器和并联谐振变换器各自的优点，适用于X管等动态范围较大的负载。 它是阳极高压控制电路。 其核心芯片为零电压开关谐振控制器MC34067，采用恒定关断时间，改变频率全桥逆变，通过改变占空比来实现稳定的输出电压。 其中，R1、C1拟谐振频率； U0为阳极电压反馈信号； 输出信号A、B信号通过驱动电路分别连接到图1中的S1/S4、S2/S3。 1.2 灯丝加热电路及掌握灯丝加热电路的功能有两种方式发射电子，直流电压加热和交流电压加热。 射线管的阳极电流（又称管电流）与灯丝加热电压和阳极高压两个因素有关，但主要由灯丝加热电压决定。 由于空间电荷的存在，阳极电流与阳极高压有关。 当阳极高压发生变化时，管内加速电场强度发生变化，阳极收集电子的强度随之变化，导致阳极电流发生变化。 为了保证线材机的阳极电流在整个辐照过程中保持稳定，在设计电路时必须采用相应的控制方法。

工频供电的X光机大多采用线性补偿或电压补偿来抵消或抑制空间电荷的影响。 这些方法不适用于高频逆变X光机的阳极电流控制。 本设计采用推挽电路将15 DC变换为17kHz高频方波信号，经变压器降压后隔离接在灯丝两端。 输出电压的有效值由两个互补驱动信号的占空比D决定。 芯片为TL494。 基于TL494设计的X光机阳极电流控制原理如图4所示。 原理描述如下。 阳极电流反馈信号Ia与设定电流Iref进行比较误差放大后，首先进行限流保护。 振幅的大小由灯丝推挽电路的保护电流决定，然后送入脉宽调制集成电路。 TL494PWM比较器； 如果误差信号增大，与振荡三角波信号比较后，输出方波信号的占空比变小，使通过灯丝的电流变小，进一步减小阳极电流。 至于阳极高压对阳极电流的影响，它巧妙地利用了TL494的死区时间控制端，即输出灯丝驱动信号的占空比最大值随输出电压的变化而变化。 这是一种非线性补偿方法。 光机控制电路采用单片机，其任务包括设置阳极高压、电流、曝光时间、保护电路、高压和灯丝运行使时序控制等。这里特别需要强调高压发生电路的控制时序和灯丝的加热。 和其他真空管器件一样，灯丝的加热需要一定的时间预热，以稳定电子的发射，高频逆变器和倍压电路结合产生高压电路型。 其特性类似于电压源，不同于传统工业用频率升压变压器，其内阻小； 如果高压反馈电路的采样位置和主控闭环电路的设计不是很合适，灯丝不工作或容易造成高压部分空载或轻载工作这样，全桥变换器的功率开关器件工作在极低的占空比下，高压输出高次谐波很多，EMI严重，容易产生尖峰。 两者的工作时序要协调好，高压部分工作在灯丝加热开始前，高压部分在灯丝加热关闭前闭合，即灯丝加热的工作时序宽度必须覆盖阳极高压工作时序。

测试与结论 基于以上思路和电路设计样机，阳极高压部分的设计要求是输出范围为50～90kV，电流为4～20mA。 测试分为以下几个部分： (1) 检测产生高压的部分。 测试项目包括输出高压在电网波动（220±10%）下的稳定性和调整，高压输出上升沿时间，开关机时是否有输出电压过冲，可靠性保护电路等相关问题。 电气安全。 检查管发生部分的安装绝缘处理。 所有高压线路及球管均采用优质聚四氟乙烯安装固定，并灌注变压器油，真空状态密封，防止气泡进入油中影响绝缘水平。 (3) 灯丝加热电路测试。 主要是测试推挽变压器和保护电路，防止输出17kHz通讯发热信号因漏感导致幅值过大烧坏灯丝。 根据所选灯泡的情况，确定灯丝加热的预热时间比高压发生部分的启动信号早2-3s，关闭时间比高压结束信号晚1正常工作时灯泡的高压输出信号和阳极电流波形的样本。 上图为阳极电流Ia7.2mA，下图为阳极高压Va68kV。 从波形可以看出整个阳极高压稳定，高压逆变器的效率在89%左右。 是阳极高压与阳极电流的关系曲线。 从图中可以看出，阳极电流基本不变，说明上述灯丝加热控制电路特别有效。 光机装置的高压发生电路和灯丝加热电路利用非线性控制技术实现了对阳极电流的精确控制，并说明了控制的时序关系。 该装置体积小、重量轻、效率高。