X光管小型高压电源的研制★

孙亮亮 ，李利品 ，马桥斌 ，樊超

（1 西安石油大学，陕西 西安 710065；2 陕西青年职业学院，陕西 西安 710068）

0 引言

在X射线在各个领域的应用日益广泛，已经从医疗上的应用逐步进入其他领域。安检系统中采用X射线照射携带的行李，通过CT成像技术检测违禁物品；无损检测中采用X射线确定被检物内部是否有裂纹或孔洞；荧光分析可以分析材料的元素组成；在微观领域用X射线做物相分析，研究和测量晶体的晶格结构；在一些文献中还采用X射线测量混合流体的相比例。X射线的应用范围越来越广，应用领域越来越多，对X射线产生方法的研究也在不断发展。安检，工业CT、无损探伤领域所使用的X射线机体积较大，但在石油井下等应用场合，要求X射线机体积小、重量轻、而X射线机的体积主要由其所使用的高压电源决定。

为了得到体积小、重量轻、便于携带、方便现场使用的稳定射线源，需要设计出一种小体积、低功耗、输出稳定的高压电源给X光管提供高压。常用的钨靶光管标称电压为80kV，钼靶光管标称电压为50kV，管电流为几毫安。为了满足常用X光管在现场使用的要求，研制了一种用于X光管的低功耗、小体积、重量轻的高压电源。

1 总体结构

直流高压电源是将交流市电或三相电由工频高压变压器升压变成交流高压电，然后整流滤波得到直流高压电。由于频率低，电源的体积和重量都比较大，转换效率和稳定度差。随着开关电源技术的发展与成熟，采用高频开关变换技术结合高压电源的特点而研制的直流高压电源成为主流。其特点是体积小、重量轻、效率高、功率大、稳定度高、可靠性高。

根据高压电源的使用需要和X光管的管电流特性，提出采用高频开关变换技术的方案。电源电池、控制电路、开关电路、脉冲变压器、倍压整流电路和反馈电路组成，如图1所示，其特点是采用电池供电，减小了体积，使其可以在很多场合使用。电源的工作过程是：由控制电路输出的脉冲信号控制开关电路通断，开关电路通断使脉冲变压器初级的电流发生变化，脉冲变压器升压，变压器升压后得到类正弦波。变压器的次级输出通过倍压整流电路多级倍压，得到需要的高压。为了得到稳定的输出，采用了直接取样的方式，将取样结果反馈给控制电路，控制电路根据取样电压值调整脉冲宽度，改变脉冲方波占空比，使变压器输出电压升高或降低，从而使电源输出稳定的电压。

图1 高压电源的结构框图

2 单元电路

2.1 控制电路

控制电路采用集成芯片SG3524，该芯片由基准电压源、误差放大器、电压比较器、限流比较器、振荡器、关断电路和输出级等组成。该芯片PWM控制电路功能完善，提供推挽和单端两种输出模式，待机电流低，典型值为8mA，具有过电流和过热保护功能，单端模式下输出脉冲占空比为0%～90%。

芯片中集成的误差放大器和限流比较器作为反馈的输入，用来调整输出的脉冲宽度，使电源输出更加稳定。针对所接负载阻值大，输出功率较小的特点，电路选用了单端反激式变换，开关稳压电源的控制电路如图2所示，6脚和7脚的电容和电阻决定了振荡器的振荡频率，14脚输出频率为的脉冲，用来控制开关管的通断。输出端采用电阻分压采样并将采样结果反馈给SG3524误差放大器的反相输入端1脚。在输入电压变低，或是负载加重的情况下，输出电压变低，反馈回1脚的电压也变低。基准电压端16脚经电阻分压后输入误差放大器同相端2脚，1脚和2脚的电压信号进行差分放大后，误差放大器的输出电压变大。在此变化信号的作用下，输出晶体管的导通时间变长，占空比变大，输出电压回升到原来的稳定值。当输入电压增大或是负载变轻，引起输出电压增加时，与前面调整过程相同，通过电压闭环反馈系统，能使输出电压降到原来的稳定值，从而提高了输出电源的稳定性。

图2 单端反激式稳压电源控制电路

2.2 变换电路

图3所示的变换电路由脉冲变压器及开关电路组成，Tr为变压器，Q为功率场效应管。开关电路的周期性通断使变压器初级电流周期性变化，变压器磁芯中的磁场周期性变化，在次级产生与初级周期一致的交变感应电动势，完成DC-AC的变换并升压。

图3 变换电路

1)脉冲变压器

脉冲变压器磁芯采用铁氧体，铁氧体是一种非金属磁性材料，其电阻率比金属、合金磁性材料大得多，有较高的介电性能，在高频时具有较高的磁导率，在高频弱电领域用途广泛。在高温场合时，磁芯材料可选用坡膜合金。

定制的脉冲变压器变比低，降低了绝缘的难度，减小了寄生电容，使整个电源的体积减小。变压器工作在18KHz的频率下输出波形规则稳定，没有尖峰电压和电流。

2)开关电路

开关电路中采用IRF740功率场效应管作为开关器件，IRF740漏源级耐压为400V，可通过的漏极电流为10A，最大可到40A，反向恢复时间为370ns，导通电压3V，导通电阻为0.5Ω左右。导通电阻小，耐压高，开关速度快，作为开关元件可降低功耗提高工作效率。

2.3 倍压整流电路

高电压、小电流的高压电源可采用结构简单，成本低廉的电容二极管倍压整流电路。如图4所示，由于二极管的作用流过电容的电流方向如图中箭头方向。在变压器负半周期(下正上负)C2不导通，变压器给C1充电，充电电压约为变压器的峰值UM，在下一个正半周期变压器M和C1给C2充电C2对地电压如(1)式。

在第三个半周期变压器给C1充电、C2和M给C3充电，C3的对地电压可由(2)式计算。

采用这种办法，增加多个二极管和相同数量的电容器，即可以组成多倍压整流电路，在由n个电容和二极管组成的n倍压电路中，电容Cn上的电压值约为电容和二极管的数量n与变压器峰值的乘积，如(3)式。

当n为奇数时，输出电压从上端取出，当n为偶数时，输出电压从下端取出。

图4 多倍压电路原理

HV为n倍压整流电路上第n个电容对地的电压，电源中采用11级倍压电路得到80kV的直流高压。

2.4 反馈电路

倍压电路C1上的电压Uf分压后与控制电路1脚相连，1脚为控制电路的误差放大器的反向输入端，2脚为误差放大器同相输入端，16脚的基准电压经分压后与2脚相连，若电压有变化，1脚和2脚的电压信号进行差分放大后，误差放大器的输出电压也有相应的变化。误差放大器的输出变化使控制电路输出的方波占空比改变，使开关管导通时间减少或者增加，最终调整变压器输出的电压，使高压电源的输出电压保持稳定。

3 性能测试

在实验室对高压电源的性能进行了测试：电源输入15V直流，开光管开关频率为18kHz。

图5，图6分别为测得的控制电路输出的脉冲波形和变压器次级的波形。输出的脉冲方波波形规则，没有出现突跳和尖峰。变压器输出的波形稳定、平滑，没有尖峰电压，电源工作稳定，可靠性高。

图5 输出的脉冲方波

图6 变压器次级波形

变压器输出电压经倍压整流电路可得到直流高压，最常用的钨靶光管80kV直流高压采用11级倍压，接入负载(X光管)后，根据反馈电压调节控制电路输出脉冲方波的占空比，使电源稳定的输出80kV电压。

对80kV直流高压采用电阻分压的方法，得到电源的输出电压。对输出电压为80KV分压到5.0V进行稳定性测试，每隔30min计数，测量结果见表1。由表中数据可以看出电源在两小时内电压没有漂移，稳定性良好。

表1 测量结果

4 结论

本文设计并研制的高压电源可以满足常用钨靶X光管的供电，对各种不同型号的X光管可根据其标称电压来改变倍压电路的倍压级数得到需要的高压，使其工作在额定功率下。如钼靶光管的标称电压为50kV，在控制电路和变换电路不变的前提下，倍压电路采用7级倍压，根据反馈电压调节脉冲方波占空比，便可得到50kV直流高压。

研制的高压电源功耗低、体积小、重量轻、适合作业空间小的应用场合。经多次测试和使用达到的指标：(1)输出方式：直流正高压；(2)输出电压：80kV固定高压；(3)高压2h稳定度小于1‰。

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