X射线衍射仪3kW高频高压电源设计
2009-03-25
作者：郑宝华1，3，程德福1，修连存2
摘 要： 提出了一种适用于X射线衍射仪的高频高压电源的设计方法。该电源系统采用高频技术，克服了传统工频电源设备笨重、体积大、效率低等缺陷；采用脉宽调制技术（PWM）对系统进行控制和保护，使信号稳定；采用功率因数校正" title="功率因数校正" target="_blank">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" title="功率因数校正">功率因数校正" 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关键词： X射线衍射仪；脉宽调制；功率因数校正；工频；高频电源
X射线衍射仪是我国23种大型精密仪器之一，它为我国的化工、冶金、钢铁、地质、材料等学科的发展起到了重要的作用。高压电源是X射线衍射仪的重要组成部分之一，直接影响着仪器的性能。X射线衍射仪高压电源分为工频高压电源和高频高压电源两种形式。工频高压电源采用工频技术，由于其体积大、设备笨重且不稳定等因素已基本趋于淘汰[1]。
近几年来，由于电子技术的发展，高频高压电源在X射线衍射仪中得到了越来越广泛的应用。在国外，X射线衍射仪几乎都使用了高频高压电源。而且，最大功率可以做到18kW。在国内，X射线衍射仪仍然使用工频电源，没有研制出高频高压电源。因此，X射线衍射仪3kW高频高压电源的研制填补了国内空白，具有很强的实用价值。该大功率高频高压电源可以广泛地应用在各种衍射仪中，具有良好的经济效益和社会效益,同时在技术上缩短了与国际上的差距，对提高我国仪器技术水平具有深远意义。
1 高频高压电源的工作原理
本电源电路主要分为主电路、高压发生电路和控制保护电路三个部分。基本结构如图1所示。220V/50Hz的交流输入电源经滤波、整流得到直流电源。由于刚上电时滤波电容使电源短路，因此增加一个延时保护电路，上电时回路经过小电阻限流，待滤波电容充电完成后，打开可控硅使电阻短路，从而实现对电路的保护。整流后的输出须进行功率因数校正，功率因数校正电路使电源输入电流实现正弦化，并保持与输入电压同相，使功率因数接近于1。功率因数校正电路输出400V高压加到高压驱动电路上，最后通过高压发生器输出60kV的高压[2]。高压发生电路就是将驱动电路的信号通过变频升压处理，得到所需的高频高压电源。控制保护电路包括电压控制保护电路和灯丝电流控制保护电路。电压控制保护电路从高压发生器输出电路中做电压采样，将其反馈信息输入到控制电路，通过反馈信息来调节控制电路输出的脉冲宽度，从而调节输出电压，使输出电压保持稳定，减小纹波。灯丝电流控制保护电路的工作原理也是一样，从高压发生器输出电路中做电流采样，将其反馈信息输入到控制电路，控制使其电流保持稳定，从而使灯丝亮度保持稳定。另外，在电路中还输出所需要的+36V、+15V、±12V和+5V辅助电压。
2 电源主电路的设计
电源的主电路部分包括：整流滤波电路、延时保护电路和功率因数校正电路三部分。电源主电路负责将220V的市电经整流滤波电路及延时保护电路变成直流，经功率因数校正电路输出约400V的直流电压，电源主电路的设计直接影响着高频高压电源的稳定性和效率[3]。
2.1 整流滤波电路的设计
电网提供的交流电为220V或380V(本设计中采用220V/50Hz），而各种电子设备所需要的电压是幅值不同的直流电压，因此，首先要对电网电压进行整流滤波处理。
本设计中应用的整流电路为桥式整流电路，滤波电路采用电容滤波。整流电路由4只整流二极管D1～D4组成，接成电桥形式。
输出波形参数估计
整流输出电压平均值：
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。
整流后，对电流进行电容滤波，由于用来滤波的电容值有限，对整流输出的电流只部分滤波，滤波后的电流还有较大的波动性，功率因数也比较低。具有较大波动性的输出电流须经后面的功率因数校正电路进行功率因数校正，使功率因数接近于1来提高电源的整体效率。
2.2 延时保护电路的设计
由于滤波电路中的滤波电容的存在，使开机时造成电源瞬间短路。因此，整流电路中串连一个20?赘电阻，在开机时由电阻向滤波电容充电，充电完成后，由延时电路驱动使可控硅导通，短路掉20Ω电阻使电源进入正常工作状态。电路构成如图2所示。
保护电路中延时控制由555定时器构成，555定时器内部包含了两个比较器和一个基本RS触发器，输出带有缓冲器，完全满足开机延时保护控制的要求。定时器的TR(2脚)接地，TH(6脚)由RC充电回路控制。开机瞬间电容C1短路，TH高电平使得输出OUT(3脚)为低电平，随着C1的充电使TH电平逐步下降，当降至2/3VCC时(延时约3～5s)内部触发器翻转，使得输出由低电平变为高电平，触发可控硅导通，将20Ω限流电阻短路，电源进入正常工作状态。延时电路原理图如图3所示。
延时时间的估算：
2.3 功率因数校正电路设计
功率因数PF是指交流输入有功功率P与输入视在功率S的比值，即：
式中，I1为输入基波电流有效值；Irms为输入电流有效值；U1为输入电压有效值；γ为输入电流失真系数；cosφ为基波电压和基波电流之间的相移因数。所以功率因数可以定义为输入电流失真系数(γ)与相移因数(cosφ)的乘积。
功率因数校正方法可分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源功率因数校正结构简单，便于实现，但校正后的功率因数不高。有源功率因数校正是在桥式整流器与输出电容滤波之间加入一个功率变换器，以将输入电流校正成为与输入电压同相位且不失真的正弦波，从而使功率因数接近1。
本设计应用了有源校正（APFC）技术，有源功率因数校正适用于中大功率电源(1 000W～3 000W)且适应宽输入电压（90V～270V），磁性元件小，省略了庞大的原输入级滤波器。在电源输入级插进了功率因数校正网络，通过适当的控制电路不断调节输入电流波形，使其逼近正弦波，并与输入的电网电压保持同相。
高功率因数校正电路设计的基本工作原理方框图见图4。由储能电感L、高频大功率开关三极管S、单向二极管D和滤波电容C共同组成Boost（即升压式）变换器电路。其中开关管S受恒定高频（40kHz或50kHz）脉宽调制（PWM）开关信号的控制。
从图4可以看出，输入电压经R1、R2分压器采样和检测后加到乘法器输入端；输入电流经检测后也加到乘法器输入端；另外输出电压VB经R3、R4分压取样和检测后，又与参考电压比较，输出误差信号也加到乘法器。乘法器是功率因数控制器的关键环节。在较大动态范围内，乘法器的传输曲线呈线性。当正弦波交流输入电压从零升至峰值电压时，乘法器输出电压控制电流取样比较器的门限电平，而比较器又受高频三角波(40kHz或50kHz)信号调制，从而产生受控脉宽调制PWM信号脉冲加到MOSFET栅极。这样就能快速调节控制MOSFET主开关S的导通时间，使它及时跟随电网输入电压的变化，从而让PFC前置变换器的负载对于交流电网呈现电阻性。经各路反馈信号的控制，最终使流过电感L中感性电流的峰值包络线总是紧跟单向正弦波形的交流输入电压波而变化，于是在电气设备电源的输入端就可以得到一个与输入电压几乎完全同频同相的平滑正弦波电流，实现系统的高功率因数值（达0.99）。
美国TI公司生产的APFC专用集成电路UC3854是一种工作于平均电流的升压型（boost）APFC电路。它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的APFC电路。UC3854为电源提供有源功率因数校正，它还按正弦的电网电压来牵制非正弦的电流变化。该器件能最佳地利用供电电流失真减到最小，执行所有的控制功能。UC3854包括一个电压放大器、一个模拟乘法器/驱动器、一个电流放大器和一个恒频脉宽调制器(PWM)。UC3854还包括一个功率MOSFET兼容的栅极驱动器、7.5V参考电压、电网预置器、负载变化比较器、低电源检测器和过流比较器。
本设计中采用了UC3854芯片。经测试功率因数值PF≥0.99，低频谐波失真THD≤10%，电源效率高达90%以上，输出电压VB稳定（升至400V左右）。
3 控制保护电路的设计
控制保护电路是电源中不可缺少的电路，它使电源输出更加稳定，而且在异常情况下，使电源电路免受损坏，增强了电路的自我保护能力。控制保护电路设计的好坏是决定电源工作性能优良与否的重要因素。
本设计的控制与保护电路示意图如图5所示。控制保护电路主要通过TL494来控制电路的脉冲宽度，实现过压保护、过流保护和水流保护，最终输出高频脉冲。
高频高压变压器开关电源的最常用控制方式是脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)式。PWM集成控制器通常分为电压型控制器和电流型控制器两种。电压型控制器只有电压反馈控制，可满足稳定输出电压的要求，电流型控制器增加了电流反馈控制，除了稳定输出电压外，还有以下优点：
(1)开关管的电流达到给定值时，开关管自动关断；
(2)除工频输入电压经整流后的纹波电压，在开关电源输出端300Hz以下的纹波电压很低，因此可减小输出滤波电容的容量；
(3)关电源并联工作时，PWM开关控制器具有内在的均流能力；
(4)快速负载动态响应。
4 高压发生器电路的设计
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能优良的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施通常就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现[4]。
驱动电路的基本任务就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求导通或关断。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光隔离或磁隔离，光隔离一般采用光耦合器。本设计的驱动电路结构如图6所示。
按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类。晶闸管虽然属于电流驱动型器件，但它还是半控型器件，晶闸管的驱动电路常称为触发电路。GTO和GTR属于电流驱动型器件，电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。
一般的高压电源均采用变压器升压，变压器升压容易使电源设备体积变大。为了使设备小型化，本设计在升压变压器输出后采用了倍压电路二次升压，如图7所示。这样，可以尽量减小变压器的体积，提高效率。倍压整流不仅可以将交流电转换成直流电(整流)，而且不需要再增加滤波电容[5]。它能够在一定的电压之下，得到高出若干倍的直流电压(倍压)。只要倍压电路中使用电容的总体积不是很大，就可以减小整个电源设备的体积。
5 测试结果
(1)指标测试
将高压电源安装在日本理学D/MAX-RA型X射线衍射仪上，抽真空至10－4Pa，打开高压电源，电压调到40kV,电流调到70mA，稳定1h，每隔30min测量1次输出电压和电流，测量8h。高压电源稳定性如表1所示。
(2)实测样品
选择准样品SiO2，测量条件：电压40kV，电流100mA，测试谱图如图8所示。实际测量表明，3kW高频高压电源的研制符合X射线衍射仪规范要求，电源指标远远超过工频高压电源，研制是成功的。
本课题是科技部“X射线衍射仪高压部件升级改造”项目的子项目。通过对X射线衍射仪工作原理和运行注意事项的研究，确定了本课题——X射线衍射仪高频高压电源的工作参数，设计出一种适用于X射线衍射仪的高频高压电源，以替代传统的工频高压电源，为X射线衍射仪提供一种重量更轻、体积更小、效率更高、安全性更好的高频高压电源。经过近几年的研究和反复实验，完成了电源的总体设计，通过实验调试，电源已正常工作，填补了X射线衍射仪的高频电源的国内空白。
参考文献
[1] 刘粤惠，刘平安.X射线衍射分析原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] 刘胜利，严仰光.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.
[3] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
[4] 俞海珍，冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].计算机工程与科学，2004，26(4)：80-82.
[5] 周凌宏，贺志强.便携式高频X线机的研制[J].医疗卫生装备，2004(7)：16-17.