适用于XRD的12 kW高频高压电源系统研究

郑宝华, 程德福, 修连存

(1.吉林大学仪器科学与电器工程学院，吉林长春130026；2.吉林化工学院，吉林吉林132022；3.南京地质矿产研究所,江苏南京210016)

X射线衍射仪高压电源是仪器重要组成部分，其指标直接影响仪器测量数据的稳定性及人身安全。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，工频高压电源由于体积大、笨重、不稳定，已基本被淘汰[1]。近年来，由于电子技术的发展，高频高压电源开始在X射线衍射仪中广泛应用，特别是在国外，X射线衍射仪高压电源几乎已经不再使用工频电源了，而且最大功率可以做到18 kW。在国内，X射线衍射仪高压电源仍然在使用工频电源，还没有研制出较大功率的高频高压电源。我们在成功研制3 kW高频高压电源的基础上，又研制出了12 kW高频高压电源，大幅度提高了电源功率的同时，在技术上也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

高频高压电源共分六大模块，它们是电源整流模块、高压控制模块、电流控制模块、高压驱动模块、高压发生模块和电源保护模块。六个模块既相互关联，又各自一体。由于该电源功率高，需要的部件大多是大功率，绝缘散热也是设计的一项重要内容[2]。图1为设计原理图，图中列出了各个模块以及相互关系。

图112 kW高频高压电源原理框图

380 V/50 Hz的交流输入电源经电网滤波、整流得到直流电压。由于刚上电时滤波电容使输入短路，导致电路损坏，需经过数秒的延时对电容充电，对电路进行保护。然后经过功率因数校正电路输出400 V电压，再把400 V电压加到高压驱动电路上，最后通过高压发生器输出-60 kV的高压。功率因数校正电路是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。高压发生电路就是将驱动电路的信号通过变频升压处理，得到所需的高压。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，在电路中还输出电路中所需要的辅助电压有：＋36、＋15、±12、＋5 V。

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[3]。电源主电路负责将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，电路输出为约400 V的直流电压。

（1）整流滤波

电网提供的交流电为220 V或380 V（本设计中采用380 V/50 Hz），考虑电源功率比较大，本设计中采用桥式整流、电容滤波。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，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，来提高电源的整体效率。

（2）延时保护

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，需要进行延时保护。整流电路中串联一个约20Ω电阻，在开机时延时电路控制可控硅截至，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。延时电路采用555定时器完成，延时时间约为4 s。

（3）功率因数校正电路

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整流器与滤波器之间插入一个功率变换器，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，从而提高功率因数。本设计采用有源校正（APFC）。有源功率因数校正适用于中大功率电源（1～18 kW）且适应宽输入电压，磁性元件小，省略了庞大的原输入级滤波器。

高功率因数校正电路设计的基本工作原理方框图见图2。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（40 kHz或50 kHz） 脉宽调制（PWM）开关信号的控制。使它及时跟随电网输入电压的变化，实现系统的高功率因数值（达0.99）。

图2 功率因数校正电路工作原理方框图

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≤8%～10%，电源效率可达90%以上，输出电压VB稳定（升至400 V左右）。

3 高压发生器电路的设计

（1）驱动电路

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[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。本设计的驱动电路主要构成如图3所示。

图3 驱动电路示意图

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，但是它是半控型器件，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。

（2）升压电路

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，在升压变压器输出后采用了倍压电路二次升压，如图4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），并且不需要再增加滤波电容[5]。而且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[6]。

图4 倍压电路

4 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，控制保护电路主要是通过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。

图5 控制与保护电路原理图

高频高压变压器开关电源的控制方式，最常用的是脉冲宽度调制(PWM)方式[7]。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）除工频电压经整流后的纹波电压外，在开关电源输出端300 Hz以下的纹波电压很低，因此可选用较小的滤波电容；（3）具有内在的均流能力；（4）具有快速的负载动态响应。

5 测试结果

测量条件：X射线衍射仪真空小于10-5Pa，高压开机半小时：

（1）电压、电流稳定度测试

将电压采样和电流采样信号用导线引出，连接万用表，电压调到40 kV，电流调到70 mA，每1～2 min测量一次，共测量30个点（40 m in），记录数据。得到结论为电压稳定度0.011%，电流稳定度为0.016%。

（2）电压、电流调节测试

电压可在0～45 kV范围调节，电流可在0～150 mA范围调节，工作正常。

（3）断水保护测试

电压调至20 kV，电流调至10 mA，当断开水连接信号时启动保护测试，电压和电流自动归零。

（4）功率保护测试

功率设置到1、2 kW，调节高压和电流，当升到超过功率时，电压和电流自动归零。

（5）样品测量

所用试样SiO2标样，电压40 kV，电流70mA，起始角15°，终止角80°，测试步长0.02°，每步积分时间0.1 s。测试谱图如图6所示。

图6 测试谱图

6 结论

完成了X射线衍射仪大功率高压电源的设计，提高了高压电源的稳定度，减轻了质量，缩小了体积，增加了电源转换效率。采用PWM脉冲调宽技术，使负载在发生变化时迅速恢复到所设定的电压，增强了电压稳定度，提高了电压精度。采用40 kHz高频脉冲，减小了纹波。采用变压器驱动加倍压电路，提高了转换效率，降低了次级电压。采用全波倍频整流，降低了元器件电容的耐压要求，缩小了元器件体积。高灵敏度保护，避免对仪器转靶伤害。

[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] 张占松,蔡宜三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 陈坚.电力电子学[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4] 俞海珍,冯浩.电磁兼容技术及其在PCB设计中的应用[J].电子机械工程，2004，20：2.

[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）：19-21.

[6] CARLOS A，MUNO Z,BARBI I.A new high-power-factor three phase ac-dc converter:Analysis，design，and experimentation[J].IEEE Transactions On Power Electronics,1999,14(2):1.

[7] AHMAD S U,KOHLID R.Design and analysis of pulse-w idth modulated closed-loop DC drive torsional system using parameter plane technique[J].Electric Machines And Power Systems,1999,27(8):8.