鄭寶華, 程德福, 修連存

(1.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電器工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130026；2.吉林化工學(xué)院，吉林吉林132022；3.南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,江蘇南京210016)

X射線衍射儀高壓電源是儀器重要組成部分，其指標(biāo)直接影響儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及人身安全。X射線衍射儀高壓電源分為工頻高壓電源和高頻高壓電源兩種，工頻高壓電源由于體積大、笨重、不穩(wěn)定，已基本被淘汰[1]。近年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，高頻高壓電源開始在X射線衍射儀中廣泛應(yīng)用，特別是在國(guó)外，X射線衍射儀高壓電源幾乎已經(jīng)不再使用工頻電源了，而且最大功率可以做到18 kW。在國(guó)內(nèi)，X射線衍射儀高壓電源仍然在使用工頻電源，還沒有研制出較大功率的高頻高壓電源。我們?cè)诔晒ρ兄? kW高頻高壓電源的基礎(chǔ)上，又研制出了12 kW高頻高壓電源，大幅度提高了電源功率的同時(shí)，在技術(shù)上也縮短了與國(guó)際上的差距，對(duì)提高我國(guó)儀器技術(shù)水平具有深遠(yuǎn)意義。

1 高頻高壓電源的工作原理

高頻高壓電源共分六大模塊，它們是電源整流模塊、高壓控制模塊、電流控制模塊、高壓驅(qū)動(dòng)模塊、高壓發(fā)生模塊和電源保護(hù)模塊。六個(gè)模塊既相互關(guān)聯(lián)，又各自一體。由于該電源功率高，需要的部件大多是大功率，絕緣散熱也是設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容[2]。圖1為設(shè)計(jì)原理圖，圖中列出了各個(gè)模塊以及相互關(guān)系。

圖112 kW高頻高壓電源原理框圖

380 V/50 Hz的交流輸入電源經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流得到直流電壓。由于剛上電時(shí)濾波電容使輸入短路，導(dǎo)致電路損壞，需經(jīng)過數(shù)秒的延時(shí)對(duì)電容充電，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。然后經(jīng)過功率因數(shù)校正電路輸出400 V電壓，再把400 V電壓加到高壓驅(qū)動(dòng)電路上，最后通過高壓發(fā)生器輸出-60 kV的高壓。功率因數(shù)校正電路是使電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦化，并保持與輸入電壓同相，使功率因數(shù)接近于1。高壓發(fā)生電路就是將驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)通過變頻升壓處理，得到所需的高壓?？刂票Ｗo(hù)電路包括電壓控制保護(hù)電路和燈絲電流控制保護(hù)電路。電壓控制保護(hù)電路從高壓發(fā)生器輸出電路中做電壓采樣，將其反饋信息輸入到控制電路，通過反饋信息來調(diào)節(jié)控制電路輸出的脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)輸出電壓，使輸出電壓保持穩(wěn)定，減小紋波。燈絲電流控制保護(hù)電路的工作原理也是一樣，從高壓發(fā)生器輸出電路中做電流采樣，將其反饋信息輸入到控制電路，控制使其電流保持穩(wěn)定，從而使燈絲亮度保持穩(wěn)定。另外，在電路中還輸出電路中所需要的輔助電壓有：＋36、＋15、±12、＋5 V。

2 電源主電路的設(shè)計(jì)

電源的主電路部分包括：整流濾波電路、延時(shí)保護(hù)電路和功率因數(shù)校正電路三部分[3]。電源主電路負(fù)責(zé)將市電經(jīng)整流濾波電路及延時(shí)保護(hù)電路變成直流，經(jīng)功率因數(shù)校正，電路輸出為約400 V的直流電壓。

（1）整流濾波

電網(wǎng)提供的交流電為220 V或380 V（本設(shè)計(jì)中采用380 V/50 Hz），考慮電源功率比較大，本設(shè)計(jì)中采用橋式整流、電容濾波。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。

整流后，對(duì)電流進(jìn)行電容濾波。由于用來濾波的電容值有限，濾波后的電流還有較大的波動(dòng)性，功率因數(shù)也比較低。具有較大波動(dòng)性的輸出電流須經(jīng)后面的功率因數(shù)校正，電路進(jìn)行功率因數(shù)校正，來提高電源的整體效率。

（2）延時(shí)保護(hù)

由于濾波電路中的濾波電容的存在，使開機(jī)時(shí)造成電源瞬間短路，因此，需要進(jìn)行延時(shí)保護(hù)。整流電路中串聯(lián)一個(gè)約20Ω電阻，在開機(jī)時(shí)延時(shí)電路控制可控硅截至，由電阻向?yàn)V波電容充電，充電完成后，由延時(shí)電路驅(qū)動(dòng)使可控硅導(dǎo)通，短路掉20Ω電阻使電源進(jìn)入正常工作狀態(tài)。延時(shí)電路采用555定時(shí)器完成，延時(shí)時(shí)間約為4 s。

（3）功率因數(shù)校正電路

功率因數(shù)校正方法可分為無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。無源功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，但校正后的功率因數(shù)不高。有源功率因數(shù)校正是在整流器與濾波器之間插入一個(gè)功率變換器，將輸入電流校正成為與輸入電壓同相位且不失真的正弦波，從而提高功率因數(shù)。本設(shè)計(jì)采用有源校正（APFC）。有源功率因數(shù)校正適用于中大功率電源（1～18 kW）且適應(yīng)寬輸入電壓，磁性元件小，省略了龐大的原輸入級(jí)濾波器。

高功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)的基本工作原理方框圖見圖2。由儲(chǔ)能電感L、高頻大功率開關(guān)三極管S、單向二極管D和濾波電容C共同組成Boost（即升壓式）變換器電路。其中開關(guān)管S受恒定高頻（40 kHz或50 kHz） 脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)信號(hào)的控制。使它及時(shí)跟隨電網(wǎng)輸入電壓的變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高功率因數(shù)值（達(dá)0.99）。

圖2 功率因數(shù)校正電路工作原理方框圖

設(shè)計(jì)中采用了UC3854芯片。經(jīng)測(cè)試功率因數(shù)值PF≥0.99，低頻諧波失真THD≤8%～10%，電源效率可達(dá)90%以上，輸出電壓VB穩(wěn)定（升至400 V左右）。

3 高壓發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)

（1）驅(qū)動(dòng)電路

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響[4]。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)，對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)，以保證器件按要求導(dǎo)通或關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。一般采用光隔離或磁隔離，光隔離一般采用光耦合器。本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路主要構(gòu)成如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路示意圖

按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩類。晶閘管雖然屬于電流驅(qū)動(dòng)型器件，但是它是半控型器件，晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路常稱為觸發(fā)電路。GTO和GTR屬于電流驅(qū)動(dòng)型器件，電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。

（2）升壓電路

一般的高壓電源均采用變壓器升壓，變壓器升壓容易使電源設(shè)備體積變大。為了使設(shè)備小型化，在升壓變壓器輸出后采用了倍壓電路二次升壓，如圖4所示。這樣，可以盡量減小變壓器的體積，提高效率。倍壓整流不僅可以將交流電轉(zhuǎn)換成直流電（整流），并且不需要再增加濾波電容[5]。而且能夠在一定的電壓之下，得到高出若干倍的直流電壓（倍壓）。只要倍壓電路中使用電容的總體積不是很大，就可以減小整個(gè)電源設(shè)備的體積[6]。

圖4 倍壓電路

4 控制保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

控制保護(hù)電路是電源中不可缺少的電路，它使電源輸出更加穩(wěn)定，而且在異常情況下，使電源電路免受損壞，增強(qiáng)了電路的自我保護(hù)能力?？刂票Ｗo(hù)電路設(shè)計(jì)的好壞是決定電源工作性能優(yōu)良與否的重要因素。

本設(shè)計(jì)的控制與保護(hù)電路示意圖如圖5所示，控制保護(hù)電路主要是通過TL494來控制電路的脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)、過流保護(hù)和水流保護(hù)，最終輸出高頻脈沖。

圖5 控制與保護(hù)電路原理圖

高頻高壓變壓器開關(guān)電源的控制方式，最常用的是脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式[7]。PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿足穩(wěn)定輸出電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋控制，除了穩(wěn)定輸出電壓外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）開關(guān)管的電流達(dá)到給定值時(shí)，開關(guān)管自動(dòng)關(guān)斷；（2）除工頻電壓經(jīng)整流后的紋波電壓外，在開關(guān)電源輸出端300 Hz以下的紋波電壓很低，因此可選用較小的濾波電容；（3）具有內(nèi)在的均流能力；（4）具有快速的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

5 測(cè)試結(jié)果

測(cè)量條件：X射線衍射儀真空小于10-5Pa，高壓開機(jī)半小時(shí)：

（1）電壓、電流穩(wěn)定度測(cè)試

將電壓采樣和電流采樣信號(hào)用導(dǎo)線引出，連接萬用表，電壓調(diào)到40 kV，電流調(diào)到70 mA，每1～2 min測(cè)量一次，共測(cè)量30個(gè)點(diǎn)（40 m in），記錄數(shù)據(jù)。得到結(jié)論為電壓穩(wěn)定度0.011%，電流穩(wěn)定度為0.016%。

（2）電壓、電流調(diào)節(jié)測(cè)試

電壓可在0～45 kV范圍調(diào)節(jié)，電流可在0～150 mA范圍調(diào)節(jié)，工作正常。

（3）斷水保護(hù)測(cè)試

電壓調(diào)至20 kV，電流調(diào)至10 mA，當(dāng)斷開水連接信號(hào)時(shí)啟動(dòng)保護(hù)測(cè)試，電壓和電流自動(dòng)歸零。

（4）功率保護(hù)測(cè)試

功率設(shè)置到1、2 kW，調(diào)節(jié)高壓和電流，當(dāng)升到超過功率時(shí)，電壓和電流自動(dòng)歸零。

（5）樣品測(cè)量

所用試樣SiO2標(biāo)樣，電壓40 kV，電流70mA，起始角15°，終止角80°，測(cè)試步長(zhǎng)0.02°，每步積分時(shí)間0.1 s。測(cè)試譜圖如圖6所示。

圖6 測(cè)試譜圖

6 結(jié)論

完成了X射線衍射儀大功率高壓電源的設(shè)計(jì)，提高了高壓電源的穩(wěn)定度，減輕了質(zhì)量，縮小了體積，增加了電源轉(zhuǎn)換效率。采用PWM脈沖調(diào)寬技術(shù)，使負(fù)載在發(fā)生變化時(shí)迅速恢復(fù)到所設(shè)定的電壓，增強(qiáng)了電壓穩(wěn)定度，提高了電壓精度。采用40 kHz高頻脈沖，減小了紋波。采用變壓器驅(qū)動(dòng)加倍壓電路，提高了轉(zhuǎn)換效率，降低了次級(jí)電壓。采用全波倍頻整流，降低了元器件電容的耐壓要求，縮小了元器件體積。高靈敏度保護(hù)，避免對(duì)儀器轉(zhuǎn)靶傷害。

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