数字控制X射线源高压电源

何录伟

（甘肃天润水业有限责任公司，甘肃兰州730050）

1 引言

X射线源射线输出的稳定性，控制方式的智能化，远程通信的标准化等成为新的X射线源技术指标［1]。随着电力电子技术、计算机控制技术的发展和应用，X射线源高技术指标的实现也变得较为容易［2] -［3]。

X射线源的控制实质上是控制X射线管的管电压和灯丝电流，也就是控制管电压高压电源和灯丝电流电源。管电压高压供电有两种方式：正负电源供电和单电源供电。这两种方式各有优缺点，正负电源供电的优点是源体内部高压电位低，仅为单电源供电的一半，有利于减小体积，降低耐压强度；缺点是灯丝电源处在负高压电位端，灯丝的供电变得复杂，需要交流供电，高压隔离变压器耦合。为此，灯丝电流的稳定性也大打折扣，高压电源也为双路供电，电压闭环控制也为双路。单电源供电的优点是高压为单路供电，逆变电路和电压闭环控制均只需一套，灯丝位于地电位端，易于控制；缺点则是源体内部高电位端电压较高，对耐压有较高要求，体积不易减小。

开关型电源应用于X射线源是技术发展的必然［4]。关键是要满足其对电源的功率、纹波、稳定性等指标要求，文中研制了应用于安检设备的高稳定数控X射线源，其高压电源采用斩波器调压，中频逆变供电，多级倍压整流的结构，灯丝电源采用降压斩波电流恒定方式，采用单片计算机数控和通讯，实现了高性能的X射线源。

2 系统结构

系统结构如图1所示，由数字控制和供电电源组成，供电电源为管电压直流高压电源和灯丝低压稳流电源。数字控制还包括人机界面及控制面板等。

图1 X射线源数字控制系统结构框图

高压电源包括两部分：逆变供电电源和直流高压电源。逆变供电电源电路如图2所示，单相工频交流电压经整流模块（D1-D4）变换为直流，通过C1滤波后成脉动很小的直流电压，采用斩波器调压，将直流变换为电压可调的直流电压，大功率场效应晶体管T1-T4和L、C构成桥式串联谐振逆变器，串连谐振并联输出逆变器将直流逆变为20 kHz左右的幅度连续可调的准正弦中频电压，输出从谐振电容两端并联输出到升压变压器Tr的初级上。

图2 逆变供电直流高压电源原理图

直流高压电源采用三级倍压整流电路，高压升压变压器Tr将中频300 V电压升压为25 kV，经6倍压后空载电压为150 kV，额定负载电压为140 kV，额定负载电流为1 mA。采样电阻为480 MΩ，控制采用闭环模拟PID调节器，通过参数调节整定，高压电压的稳定度可以达到±0.1%/8h。

直流高压电源部分、采样电阻及X射线管等均装配于钢桶内，工艺上对钢桶内部的电位分布、绝缘介质耐压强度、元件安装、散热、射线输出方向和角度等要综合考虑。电绝缘采用液体和固体绝缘介质复用的方法，兼顾了X光管阳极的散热和高压的绝缘，固体绝缘介质可以有效隔断液体绝缘介质中各种杂质（如纤维等）在高电场下形成的“小桥”，提高了介质的电击穿强度。固体绝缘介质材料采用聚四氟乙烯板或环氧板，液体绝缘材料采用工业用变压器绝缘油。X射线源体采用了适当的钢+铅复合屏蔽，使源体表面的辐射剂量当量符合有关的国家安全标准。

灯丝电源为X射线管的灯丝提供加热电流，灯丝表面热电子的发射密度决定了X射线管的管电流，也就决定了X射线的输出强度。电子的发射电流密度是由灯丝的温度决定的。灯丝的温度由灯丝加热功率P即灯丝电流决定。电路采用降压型斩波电路，为了提高电流的稳定度，减小50 Hz纹波的影响，控制电路采用PID调节器控制，将电流的长期稳定度控制在0.01%以内。

数字控制系统采用单片计算机89C52，扩展8K字节的外部RAM，前向通道A/D转换采用高精度12位A/D转换器AD574A，后向通道D/A转换采用高精度12位D/A转换器DAC1232。如图1所示，高压电源的电压、电流经线性光电耦合电路隔离、整理电路调整为0-10 V的电压信号，灯丝电源的电流由霍尔电流传感器转换为0-10 mA的电流，经线性光电耦合电路隔离、整理电路也调整为0-10 V的电压信号，这三路模拟信号通过多路模拟电子开关CC4066分别由AD574转换为数字量。D/A转换输出的模拟电压值用来设定X射线源的X射线能量的大小，既设定高压电源的输出电压，同时也可以通过单片机的控制进行智能化的高压锻炼过程，灯丝电流的输出由电位器设定固定输出。

系统扩展了键盘和LED数码显示，用于系统的调试，参数设定和自动控制，系统出现的过压、过流、短路、电网异常等故障也可以由数码显示，以利于故障的诊断和维修。USB接口与上位计算机通信，电源系统的控制、状态和参数监测、参数设置等均可由上位机来实现。

图3 逆变器输出电压

逆变电源、开关电源的高频谐波对单片机系统的干扰,高压电源击穿打火对系统冲击干扰都对系统有致命的影响，为此系统由单片机系统、控制模拟电路和功率电路三个相对独立的部分构成。单片机系统有关的输入输出模拟量和开关量均通过线性光耦和光耦完全隔离。控制模拟电路与功率电路完全隔离，地与高压电源输出的地相连。另外在低压供电和高压供电的输入端分别加有电源进线滤波器，以消除之间的串扰和耦合。

图4 高压电源起动与关闭时间特性

3 实验结果

X射线源系统进行了实验测试，如图3所示为谐振逆变器输出的电压波形，基本上是正弦波形，能满足系统要求。如图4所示为高压电源的起动和关闭的时间特性，起动时间约为1s，关闭时间为2.5s。可以满足某些特殊设备对X射线开关的动态时间要求，系统也可以长期不间断连续运行。

4 结论

该系统采用高频开关电源和逆变电源技术，设计了X射线源的连续可调高压稳压电源和连续可调灯丝电流稳流电源，并应用单片计算机，实现了X射线源中的两个电源完全数字控制和监视，通过隔离技术，保证了强电和弱电，模拟和数字各部分的完全隔离，消除了系统之间的干扰，实现了系统的长期稳定运行。实验测试给出了结果，该装置功能完善，技术指标达到了高性能X射线源的要求。

［1] 胡鹤宇,游 红.新型数控高压电源的研制［J] .电子工程师，2006,（5）.

［2] LIANG Shyhshin，TZOU Yingyu.IEEE Power Electron Drive Systems Conf,2001,（2）：522-526.

［3] Hino H，Hatakeyama T，Kawase T,etal.IEEE Intelec Conf,1989：1-8.

［4] 李东仓，杨 磊，袁 龙.中频供电高压直流稳压电源［J] .电气传动自动化，2004,26（3）：4-6.