大功率软开关X光机高压直流电源

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重庆大学

硕士学位论文

大功率软开关X光机高压直流电源

姓名：张正茂

申请学位级别：硕士

专业：电气工程

指导教师：唐治德

20120523

中文摘要

摘要

随着现代医学的发展，医用Ｘ光机为人类某些疾病的诊断和治疗提供了有力的技术支持和保障，应用的范围也越来越广。现有的Ｘ光机频率较低，，整个Ｘ光机体积较大，Ｘ射线效率低，无用的软射线剂量多，使得成像质量较差，而且Ｘ光机高压电源输出电压的上升时间长，使得医生和患者受到的Ｘ射线伤害增加。所以，人们对Ｘ光机的要求越来越高。

Ｘ光机高压电源是Ｘ光机重要组成部分，其频率的大小与电压的可调性决定了Ｘ光机成像质量与疾病诊断范围。本文就Ｘ光机高压电源的频率和电压可调性，分别从相关的理论分析及系统仿真模型，结合具体的实验平台，深入研究影响Ｘ光机成像质量的因素以及其改进效果，并通过实验对理论仿真结果进行验证。

论文首先阐述了ｘ光机高压电源的结构和工作原理，在分析影响ｘ光机成像质量的因素基础之上，将两相交错并联ＢｏｏｓｔＰＦＣ和全桥ＬＬＣ谐振变换器应用于医用Ｘ光机高压电源中。

分析了两相交错ＢｏｏｓｔＰＦＣ工作原理，介绍其优点，并对电路参数进行了设计。选择两相交错ＰＦＣ控制芯片ＵＣＣ２８０７０，对芯片的外围电路和控制器进行设计，解决了大功率ＰＦＣ设计困难。

在逆变部分采用全桥ＬＬＣ谐振变换器，一方面通过改变开关频率调节输出电压；另一方面使开关管实现软开关，减小开关损耗。分析了ＬＬＣ谐振变换器工作原理和软开关实现的条件，推导并建立了基波等效模型。推导了谐振网络参数的设计公式，并对参数进行优化分析。解决了高频下开关损耗大的问题，以及利用谐振电路升压，减少了变压器的匝比，使得变压器设计、制作相对简单。

在高压部分，考虑到高压变压器的分布参数，对变压器参数进行了设计，并对高压变压器的绝缘和制作工艺进行了设计，减少了分布电容的影响。

由于ｘ射线管的非线性特性，利用Ｓａｂｅｒ仿真软件建立其等效模型并对整个高压电源系统进行仿真验证，使得仿真更加逼近实际工况。同时，搭建实验电路，对整机电路进行了实验验证。仿真和实验结果表明，本方案的Ｘ光机高压电源开关频率高，开关损耗小，输出电压上升时间和纹波都较小。

关键词：Ｘ光机电源，功率因数校正，ＬＬＣ谐振变换器，脉冲频率控制，倍压整流

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

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ｓｗｉｔｃｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

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ｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｄｊｕｓｔｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ，Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄｔｏｍａｋｅｔｈｅｓｗｉｔｃｈｔｌｌｂｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｓｗｉｔｃｈ，ｒｅｄｕｃｉｎｇｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｓｗｉｔｃｈｉｎｇｌｏｓｓ．ＡｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＬＬＣｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅａｎｄｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｈａｎｎｏｎｉｃａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

ＬＬＣｒｅｓｏｎａｎｃｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｓｏｌｖｅｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｌｏｓｓ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｉｚｅ，ｍａｋｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＩＩＩ

重庆大学硕士学位论文

ｄｅｓｉｇｎｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｉｍｐｌｅ．

１１１ｔｈｅｈｉ曲ｖｏｌｔａｇｅｐａｒｔ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇ．Ｔｈｅｈｉ曲ｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ?

Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＸｒａｙｔｕｂｅ，ｕｓｉｎｇＳａｂｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｔｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇａｃｔｕａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｂｕｉｌｄｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＸ－ｒａｙｍａｃｈｉｎｅｈｉ曲ｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｈｉｇｈ，ａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｄｊｕｓｔｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｗｉｔｈｉｎ４０ｋＶ——１２０ｋＶ．ＴｈｅＸ．ｒａｙｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅａｑｕｉｃｋｒｉｓｅａｎｄｌｏｗｒｉｐｐｌｅｏｆｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｘ—ｒａｙｍａｃｈｉｎｅｓｕｐｐｌｙ，Ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ＬＬＣｒｅｓｏｎａｎｃｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，

Ｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＶｏｌｔａｇｅｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒＩＶ

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