基于X射线仪器的高压电源设计研究

基于X射线仪器的高压电源设计研究摘要：文章先分析了高压电源和灯丝电源结构，包括电源整体结构、高压电源结构以及灯丝电源结构，随后介绍了基于X射线仪器的高压电源设计，包括设计结构、基准电路设计、控制电路设计、保护电路设计、高压发生电路设计等，希望能给相关人士提供有效参考。

关键词：X射线仪器；高压电源；设计思路引言：X射线仪器相关设计中，高压稳定电源是保障得到稳定X射线的重要因素，综合考虑多样化晶体材料处于衍射成像阶段所需射线强度存在明显差异，为此对于高压电源不但需要具备良好稳定性，还需要保证射线管电流以及管电压的线性可调节。

基于X射线相关衍射原理针对晶体材料结构开展定量分析和定性分析，这也是晶体材料研究中的重要方法。

一、高压电源和灯丝电源结构分析（一）电源整体结构为保障X射线强度和质量，需要电源系统具备稳定输出的可调灯丝电源，为进一步保障整个仪器设备的智能性和安全性，需要加强电源保护。

X射线仪器相关高压电源系统主要包括控制保护系统、灯丝电路以及高压发生电路等部分构成。

其中灯丝电路内的X射线加热管内阴极灯丝，处于高温状态下，灯丝会产生一定量自由电子，电子处于高压发生电路所形成的高直流电压影响下朝着阳极进行高速运行，对阳极靶面进行轰击从而形成X射线。

对应控制系统基于PLC控制，配置比例积分电路以及高压信号隔离采集电路能够针对整个电源系统实现有效保护和稳压、预热操作。

预热系统在针对灯丝供电的对应电流参数变化进行实时监控背景下，合理控制高压延时启闭，改善高压开关电源所存在的冷启动问题，降低快速退高压背景下严重损伤高压设备和X射线管的问题。

稳压系统可以借助比例计分电路促进灯丝电流以及高压实现稳定输出，和隔离采样电路相关采样信号实施对比分析进行准确判断，激发电源系统中的欠电流、欠电压、过电流以及过电压相关保护功能。

其中的安全保护系统在针对五路模拟信号以及三路传输数字信号实施综合采集处理背景下，联系屏幕传输参数以及基础程序，确保在错误操作下维持高压电源稳定运行，自动切断各路输出，控制故障隐患。

（二）高压电源结构此次研究中的高压电源主要基于高频逆变技术获得直流高压，高压辅助电源能够对220v的市电进一步转化为可调节直流电，围绕TL494为核心，相关脉冲振荡电路自动开启可控硅，控制整体关断、导通操作，同时把直流电实施逆变转化，从而变成高频交流电，通过逆变所得高频交流电经变压器转化输出较高交流电，支持有效隔离，最后通过倍压整流电路获得直流高压，将相关参数直接传输出去。

逆变电路方面，借助专用电子设备对直流电源进行有效处理，将其转化成交流电压的操作便是逆变，实施逆变电路是逆变器或逆变电路，也是整个开关电源中的核心电路。

逆变电路可以进一步分成非隔离式以及隔离式，开关电源中主要隔离式电路涵盖全桥式、推挽式、单端正反激式等。

各类电路的运行模式以及运行优缺点存在较大差异。

可控硅元件整体耐压值可以达到数千伏，相关导通电流能够达到数百安，因此广泛应用于大功率转换电路内。

传统模式下的可控硅对应逆变电路主要通过换向电容对可控硅整体启闭进行灵活控制。

其中可控硅逆变电路主要分为两种类型，分别是单向串联以及单向并联形式的逆变电路。

简单可控硅对应并联电路整体操作效率较低，同时会形成较大损耗。

处于轻载和空载状态下，容易产生启动难题，换向阶段电容器拥有较高瞬时电流，容易对可控硅以及电容器造成较大损伤。

可控硅逆变串联电路内的负载以及换向电容呈现出串联模式，主要结合换向电感以及电容器相关谐振特征，为此电压输出波形和正弦波十分接近，但因为LC谐振电路和负载呈现出串联状态，对应负载变化会直接影响整个电路运行，为此单纯适用于负载变动较低状况。

因为X射线仪器在电源可靠性和稳定性等方面具有较高要求，此次研究中主要应用全新形式的可控硅逆变电路，通过控制器来传输脉冲信号，在脉冲信号处于低电平状态下，对应可控硅未经导通条件下，主要是以储能充电为主，如果脉冲信号处于高电平条件下，相关可控硅会进一步触发导通，针对初级线圈放电，实施反充电，反充电经可控硅并联二极管实施放电，该种条件下可控硅两端为负压状态，直接关断，以上属于完整的振荡周期。

整个电路结构较为简单，且便于维修，改善原有的电路运行弊端，能够进一步优化电源效率。

脉冲振荡电路方面，选择电压驱动式脉宽调集成控制系统，对应工作频率处于10KHZ到300KHZ之间，对应控制器拥有较高灵敏度和强大的调节功能，应用范围较广。

此次研究中借助TL494控制器实现脉冲输出功能，经调节电位器对相关阻值进行灵活调整，能够进一步对频率和脉宽波动进行有效调节，脉冲信号可以进一步触发可控硅实现逆变操作。

高频变压器方面，变压器主要包括线圈和磁芯两部分构成，在实际运行中基于电磁感应原理，相关交流电经初级线圈，磁芯内形成磁通，促进次级线圈感应电流和电压。

因为实际运行中，相关变压器整体电磁较为复杂，为此在对电磁关系进行分析中，可以将变压器看作理想变压器，即不计次级线圈以及初级线圈内阻，无需考虑线圈发热影响，可以直接忽略功率损耗以及磁通量相关条件，各种能量从初次传输至次级。

高频变压器作为高压电源内的重要部分，普遍发挥着变流、变压、电感储能、隔离电路等功能。

由此需要重点关注变压器的参数设计以及选型，不但会对电源性能产生不良影响，还会损伤可控硅。

磁性材料包含软硬之分，开关电源主要是在低磁场环境内运行，为此在对高频变压器筛选各种磁性材料中，普遍会选择各种软质磁性材料。

此次研究中主要选择锰锌铁氧体充当磁芯材料，具备较高电阻率，能够对涡流形成进行合理一致，相关化学特性较为稳定，成本低廉，不会出现生锈问题。

磁芯结构主要设计为U型结构，通过聚四氟乙烯缠绕后进一步实施绕线处理，避免过高电压和磁芯间形成放电问题。

整流电路方面，倍压整流电路也被称作是倍压器，包括整流器以及滤波等部分构成，通过AC输入，针对并联电容器实施放电，同时于串联电容器内不断累加电压，于输出端获得超出输入电压两倍或多倍直流高压。

从理论层面分析，倍压器对应升压上限可以扩展至无限大，但实际上会被二极管压降所影响，无限扩大倍压级数，反而会降低输入电压，为此需要对倍压级数进行合理设置。

倍压电路会影响整个电源性能，不同倍压电路优缺点和运行方式各不相同。

比如CW倍压电路整体结构相对简单，但在倍压等级持续增加条件下，相关波纹系数持续扩大。

马克思倍压电路主要优势是在电路内无需设置变压器，只需利用开关管启闭便能形成高压，主要缺陷是电路内涵盖多种开关管，为此需要搭配具有较高可靠性和稳定性的驱动电路，提升整个电路复杂程度。

信克尔倍压电路主要优势是运行原理较为简单，主要缺陷是在倍压等级持续扩大条件下，需要进一步提高电容器的整体耐压水平。

平衡式的倍电压电路相关运行原理类似于CW倍压电路，对应变压器副边是双绕组，为此其能够控制波纹，避免电压形成较大跌落。

主要缺陷是电路内元件数量较多，整个电路系统相对复杂，变压器次级输出绕组需要保持全面对称，从而影响电路系统波纹优化。

此次研究中主要应用逆对称、半臂式倍压电路，相关电路结构类似于CW电路，处于变压器相同峰值条件下，因为额外增设电容和二极管，可以有效增强半级传输电压，从而扩大X射线仪器整体运行频率。

由于电容主要是电容经二极管实施直接充电，对应充电电压和输入电压相似，整体压降变化较小，因为半臂逆对称电路容易产生电压跌落现象，为此对于电源开关频率提出更高要求。

（三）灯丝电源结构灯丝电源主要功能是保障管电流的稳定供应，对应加热X射线管相关阴极灯丝，从而促进其形成电子，电子对阳极靶进行轰击形成X射线，随着温度的升高，所形成电子数量相继增加，但因为X射线对应灯丝阻值相对较小，为此灯丝电源主要应用低压高频交变电流。

X射线对应管电流会对X射线发射强度产生较大影响。

相关研究证明，在管电流波动超出5%条件下，对应X射线衍射测量结果误差将会超出15%，为此需要确保稳定的管电流。

X射线管实际运行中的操作电压主要是负高压，因此为保障整个系统以及X射线管不受冲击，可以将悬浮技术应用于灯丝电源中，相关灯丝电源在射线管高压上悬浮。

此次研究中针对灯丝电源主要采取高频逆变技术，通过辅助电源转化市电，变成直流电，随后通过逆变获得交流高压，最后通过降压变压器进行电流转化，满足灯丝要求，开启并点亮灯丝，形成电子。

采样电路能够对灯丝电流进行全面采集，所采集信号通过AD转化后将相关参数传输至PLC系统内，对比设置参数，实现数字化控制[1]。

二、基于X射线仪器的高压电源设计分析（一）设计结构下图为高压电源结构图，对应主控应用8位单片机，相关管电流和管电压电路主要以双通道8位转换器为主，搭配高稳定线性集成稳压器，形成稳定运行的基准电压，支持管电流和管电压的稳定运行。

相关设计技术指标如下，高压输出为10千伏到50千伏，连续运行且可调节。

管电流输出为5毫安到50毫安，支持连续运行可调节。

电压调变率方面，处于相同负载和温度状态下，对应供电电压处于220±10%V范围内，对应输入波动处于±0.03%范围内。

过压、过流和无水保护[2]。

图 1 高压电源结构（二）基准电路设计下图为相关管电流以及管电压的基础电路，设置A/D转换器，属于双通道串行8位电压输出类转换器，外接2.5V的基础电压源，促进管电流以及管电压顺利输出基准电压。

图 2 基准电压电路（三）控制电路设计针对管电流以及电压的稳定运行，合理设计控制电路，可以通过压控振荡器以及电压比较器全面融合形式实施有效控制。

处于整个系统开高压状态下，通过系统键盘对基准正电压以及负取样电压实施合理设计，通过电阻网络对比分析，最终比较数值加运放反相输入端。

运放构成微分、积分以及比例放大器，能够帮助进一步改善稳定性和快速调整两者矛盾。

在差值电压形成较高变化条件下，对应电容短路，即构成电压跟随器，改善剧烈调整现象，能够促进稳定发展。

在电压差值保持稳定运行条件下，电容隔直，等同于开路，构成开环放大器，能够尽量放大某些微小的信号误差，将对应输出参数调节至最佳状态[3]。

（四）保护电路设计针对过流和过压进行保护电路设计中，选择设置双电压比较器，其中一路充当过压比较，另一路充当过流比较。

比较传输信号通过电平转换电路把非TTL电平进一步转化为TTL标准电平。

经过施密特触发器对波形实施全面整形后，传输至主控单片机内，充当系统中的过流和过压相关检测参数。

（五）高压发生电路设计高压发生电路主要以可控硅技术为主，进行全面调压调流，相关管电压控制电路可以结合系统提前预设高压，传输相关脉冲控制信号，负责高压调控的变压器对应绕组两种可控硅导通角，从而对高压变压器对应绕组实施有效控制，灵活调节交流电压。

高压变压器对应传输高压经过高压滤波电容和高压硅共同构成倍压整流电路实施全面滤波整流后，充当X射线管高压，和被控灯丝电压全面叠加，额外增设X射线管灯丝，促进电子束对阳极靶面实施高速轰击，形成X射线。