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1、沈阳师范大学硕士学位论文基于高频逆变技术的X光机电源系统设计姓名：刘艳玲申请学位级别：硕士专业：粒子物理与原子核物理指导教师：丁言镁20100301基于高频逆变技术的 X 光机电源系统设计 I 基于高频逆变技术的 X 光机电源系统设计 中 文 摘 要 1895 年，伦琴发现了 X 射线。到了 21 世纪，X 射线与人们的生产生活联系更加紧密，信息技术高度发展，公共安全、食品卫生、工业检测等领域对于 X 射线分析技术的依赖程度逐渐增强，同时，作为现代医疗诊断的重要手段，X 射线分析技术的应用也越来越广泛。 传统的 X 光机普遍采用工频技术， 使得 X 光机整机的体积和质量大、 效率低、 能耗高，
2、输出 X 射线的稳定性、重复性差，导致成像质量低。本文以高频逆变技术和单片机控制技术为基础， 设计了一款用于 X 光机的电源系统， 包括灯丝电源、 高压直流电源和辅助电源。该电源以 TL494 控制芯片为核心， 主变换器采用半桥式， 控制及保护部分采用单片机技术。 本文绪论部分阐述了课题的背景及论文的主要研究工作。第二部分详细介绍了电源系统设计的理论基础，首先给出了 X 光机电源系统的整体结构和工作流程，其次，详细介绍了电路拓扑结构的选择、PWM 脉冲发生电路、场效应管的选择和高频变压器的相关理论。 第三部分主要介绍灯丝电源、高压直流电源和辅助电源的设计。灯丝电源的设计包括灯丝电源主电路的设计
3、和功率开关管的尖峰吸收回路；高压直流电源部分主要包括：倍压整流电路的工作原理，控制系统的实现，包括调压系统、稳压系统和保护电路。辅助电源部分介绍了以可控硅技术为核心的辅助电源设计。 文中最后对设计结果进行了分析说明，指出了在设计中的成功和不足之处，为以后的研究工作奠定了理论基础。 关键词：关键词：X 光机，高频逆变，TL494，可控硅 基于高频逆变技术的 X 光机电源系统设计 II Design of X-Ray Power Supply System Based on the High Frequency Inverter Technology Abstract In 1895, Roent
4、gen discovered X-ray. In the 21st century, X-ray is widely used in industry and the daily life. With the development of information technology, the public safety, food hygiene and industrial fields rely on X-ray analysis technology increasingly, and at the same time, it plays an important role in mo
5、dern medical diagnosis and will be used more and more widely. The traditional X-ray machine is always based on low-frequency technology. This has a lot of shortcomings such as bulky physical size, heavy, low efficiency and high energy consumption and so on. This leads the output X-ray to unstable an
6、d cannot be satisfying. In this paper, a kind of power supply system used in X-ray machine is designed based on the high frequency inverter technology which contains high- voltage DC power supply, filament power supply and auxiliary power supply. The power supply is with TL494 as the core of this sy
7、stem and half bridge power conversion. The part of control and protection part are based on single-chip microcomputer technology. The introduction part describes the background of the subject and the main research work. The second part introduces the theoretical basis of this power supply system des
8、ign in detail. At first, the whole structure diagram and general work process is given. Secondly, the selection of circuit topology and MOSFET, PWM formation and control circuit, and high-frequency transformer theory are described. The third part mainly introduces the filament power supply, the high
9、-voltage DC power supply and the auxiliary one. The design of main circuit and absorption circuit of MOSFET are introduced in filament power supply part. High-voltage DC power supply mainly includes: the working principle of multiplier stages circuit and control system which includes regulating syst
10、em, voltage-stable system and the protection circuit. Auxiliary power part introduces the design based on SCR technology. At last, we discuss the successful section and the shortcomings of the X-ray power supply in the conclusion part of this paper, and hope it will provide a foundation for the futu
11、re work in the research field. 基于高频逆变技术的 X 光机电源系统设计 III Key Words: X-ray machine, high frequency inverter, TL494, SCRKey Words: X-ray machine, high frequency inverter, TL494, SCR基于高频逆变技术的 X 光机电源系统设计 1 第一章 引言 一、课题的研究背景 1895 年，德国物理学家伦琴开始进行阴极射线的研究，在研究气体放电现象时，发现了一种人眼看不见、但是可以穿透物体的射线，为了表明这是一种新的射线，伦琴采用表示未知
12、数的 X 来命名。在 1901 年，伦琴获得诺贝尔物理学奖。 同年， 爱迪生研究了材料在 X 光照射下发出荧光的能力， 发现钨酸钙最为明显。 在 1896年，爱迪生发明了荧光观察管，后来被用于医用 X 光的检验。 1906 年物理学家贝克勒耳发现 X 射线能够被气体散射，并且每一种元素有其特征 X谱线，他因此获得了 1917 年的诺贝尔物理学奖。 科学在不断发展，到了 20 世纪 90 年代，哈佛大学建立了 Chandra X 射线天文台，用来观测宇宙中强烈的天文现象中产生的 X 射线， 从 X 射线观测到的宇宙是不稳定的， 它向人们展示了恒星如何被黑洞绞碎，星系间的碰撞，超新星和中子星等等。
13、 到了 21 世纪， X 射线与人们的生产生活联系更加紧密， 信息技术高度发展， 公共安全、食品卫生、工业检测等领域对于 X 射线分析技术的依赖程度逐渐增强。同时，作为现代医疗诊断的重要手段，X 射线分析装置的应用也越来越广泛。 在国际交流日益频繁的同时，恐怖主义也越来越猖獗，各大火车站，机场的安检系统，X 光机作为首选，能够穿透普通障碍物，从而检测包裹及一些普通容器中的物品，同时也具备将其识别的能力。 综上，X 光机在医学、宇宙科学、工业无损检测、食品安全等基础学科的研究中具有不可替代的重要作用。 一台性能优良的 X 光机必须配备稳定的电源系统， 本文即对 X 光机的电源系统进行研究论述。
14、二、X 光机电源系统概述 一台完整的 X 射线分析系统大致分为两部分，一部分是以 X 射线管、高压直流电源和灯丝电源构成的 X 光裸机；一部分是以计算机为核心的图像采集和分析处理设备。X 射线管主要由阴极、阳极、外罩玻璃管组成。如图 1.1 所示： 灯丝电源给阴极灯丝单独供电，当加热到一定温度时，灯丝中的自由电子可以摆脱原子核的束缚而发射出来，加在射线管的阳极和阴极灯丝之间的高达数万伏的高压，形成强基于高频逆变技术的 X 光机电源系统设计 2 大的高压电场，电子在高压电场的加速下，形成高能电子束去撞击阳极板。在这一过程中，大约有 1%的能量转化为 X 射线，而 99%的能量转换为阳极热量。 （
15、一）国外的研究历史及现状 通常情况下，X 光机的电源系统包括高压直流电源和灯丝电源，灯丝电源加热灯丝，使灯丝中的自由电子摆脱原子核的束缚而发射出来，高压直流电源提供一个强大的高压电场，被加速的电子流撞击阳极靶，产生 X 射线。 在国外，从 70 年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后逆变为 3kHz 左右的中频， 然后升压。 美国 GE 公司生产的 AMX-2 移动式 X 射线机把蓄电池供给的直流电逆变成 500Hz 的中频方波送入高压发生器，从而减小体积和重量。 进入 80 年代，高压开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关组件，将电源的开关频率提高到
16、20kHz 以上，并将干式变压器技术成功地应用于高压直流电源中，取消了高压变压器油箱，使系统的体积进一步减小。 近十年来，随着电力电子技术和开关器件的发展，高压开关电源技术不断成熟。突出的表现是频率在不断提高：如 PHILIPS 公司 30kW 以下移动式 X 光机的 X 线发生装置频率达 30kHz 以上；德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达 40kHz。98 年以后，通用电气公司和瓦瑞安公司都研制成功 100kHz 的 X 射线发生器。另外，高压开关电源的功率也在不断地提高，1030kW 的大功率高压开关电源的技术己经很成熟，更高功率的高压开关电源也有很快的发展，如：俄罗斯已经研制成功用于雷达发射机的 140kW 高压开关电源；美国 EVE 公司生产的用于脉冲功率技术中的 300kW 大功率恒流充电电源等等。 可以看出，高压开关电源的发展的主要趋势是：频率不断提高，功率不断增加。 U灯丝电流X-Ray 阴极灯丝阳极图 1.1 X 射线管的结构图 基于高频逆变技术的 X 光机电源系统设计 3 （二）国内的研究历史及现状 我国自 80 年代初开始对高频化的高压大功率开关
