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用于X射线发电机
基于DSP 控制的谐振开关高压电源
Shyh-Shin Liang and Ying-Yu Tzou,IEEE Menber
Power Electronics and Motor Control Lab,
Dept.of Electrical and Control Engineering,National Chiao Tung University,Taiwan
摘要
这篇文章介绍了用于X射线管高功率高压电源的设计和应用。新的数字控制计划正在发展中，全数字控制的谐振dc-dc变流器正在解决非线性特性的X射线管。单芯片DSP控制器，德州仪器的TMS320F240正在应用于数字控制方案的实现。所开发的功率转换器模块可以串联或并联连接到产生高电压、高电流的X射线管或是磁铁电源应用中。对于数字控制的模块化电源的实际现实问题已被讨论。DSP控制的8KW谐振开关dc-dc变换器模块正在被实施。实验结果显示应用DSP控制复杂电源系统有很好的可行性和优点。
关键词：X射线发生器，谐振变换器，全桥谐振dc-dc变流器，DSP控制器，鲁棒性能
1.引入
应用于X射线发生器的高能量密度电源的发展源于近年来药用设备的重要问题。图1显示一个X射线发电机的系统方框图。
图1 X射线发生器的系统结构框图
设计X射线发生器的挑战主要在三个方面：一个高功率密度电源转换器、一个高效率高压变压器和强大的数字控制器。
X射线发生器电源需要在很短的时间间隔内提供高电压和高能量。电源的动态响应必须满足X射线发生器的严格要求。它的输出电压在短时间内必须达到稳定状态，通常在10ms左右，用以避免噪声或是在各种负载情况下的X射线图像缺陷。软开关计数的发展可以应用于高功率密度的大功率电源的设计。
X射线发生器需要在短时间内提供非常高的电压，意味着短时间内有非常高的能量传输，通常从20KW到150KW。电源高功率和更小体积的需要只能依赖于高功率密度电源转换技术的发展。
结合串联、并联谐振变换器优点的串并联谐振变换器或是LLC谐振变换器的提出，在高功率密度变流器的设计找到了宽广的应用。LLC变换器的输出电压可以通过调整开关频率或它的有效占空比来改变。当开关频率大于谐振频率，设备的开关损耗可能会实际上减少。当操作在可变频率已被研究，LLC变换器的动态特征。为了提高可变频率控制的谐振变换器的效率，它需要找到最佳操作点以最小化循环谐振能量。
移相PWM变换器已经发现了很多在高功率密度电源的设计应用，由于他的零电压开关和简单的控制特性。该变换器拓扑允许所有开关设备运用寄生电路实现ZVS去实现谐振开关。
开关设备上部和下部死区时间的合适判断对于保障ZVS操作是非常重要的。
本文提提出了一种数字移相控制方案，为LLC谐振变换器找到它最佳频率。这个控制方案提供了最佳效率的优势、快速控制性能和数字信号实现的易用性。DSP控制的谐振LCC dc-dc 变换器，它使用高压变压器的漏感和绕组杂散电容作为谐振元件，加入高压电缆电容作为平滑滤波器。一个基于DSP移相控制方案正在应用于全桥LLC谐振变换器的一个恒定频率的操作控制。
- DSP控制的X射线发生器
X射线设备的扫描测量依赖于人体对X射线的吸收。X射线发射器的高压是扫描致密体和低压稀疏体。我们需要提供一个通过X射线管最短持续上升时间的稳定高压直流来避免X射线图像的缺陷。所以，X射线发生器的电源需要在很短的时间间隔内产生高压。X射线管的阴极被独立电流调节加热器控制，当温度变化时，X射线管呈现不同的电阻值。X射线管的等效电阻范围从几百豪欧姆到几百欧姆。为了稳定输出电压，我们需要设计复杂的控制方案去加强它的动态性能。
传统上，一个功率变换器的调节电路是通过模拟电路技术来实现的。其主要原因是成本和带宽的要求。所以模拟控制器适用于小尺寸的能量变换器。然而，模拟控制技术也有它的局限在复杂的电路设计中，较低的可靠性，不灵活和较高的制造成本。
随着微电子和超大规模集成电路技术的进步，高性能微处理器和数字信号处理器可以有效地用来实现尖端控制方案。尽管DSP原本发展用于通讯和信号处理领域的，现在越来越多的用作一个控制处理器，因为快的数值运算能力。由于它快的运算速度，DSP取代了很多基于ROM软件的复杂控制硬件。尖端DSP已经达到400MIPS的性能，而成本只需几十美元。在复杂电力电子系统中高性能DSP的运用，已经在复杂控制算法和PWM开关方案的合成中找到巨大的潜力。在本文中，德州仪器的TMS320F240单芯片DSP已经被用来实现所有提出的控制方案对于移向LLC谐振变换器。
- LLC谐振变换器
图2显示X射线发生器的移相ZVS-PWM串并联LLC dc-dc 变换器主电源电路。
图2 X射线发生器的移相ZVS-PWM串并联LLC dc-dc 变换器主电源电路
图3 显示用于X射线发生器的高压谐振开关电源的数字控制方案结构框图。单芯片DSP控制器，德州仪器的TMS320F240，应用于数字信号控制方案的实现。
图3 LLC谐振变换器的DSP 控制方案
由于X射线发生器的高度非线性，LLC谐振变换器的前馈电压补偿多闭环控制策略正在研究中。
B. X射线发生器的等效电路
高压变压器在给X射线管提供高压上发挥重要作用。因为高的匝数比，范围从400到1000，于是在线圈层中存在重要漏感和绕组电容。图4 显示LLC谐振变换器的电路原理和变压器、输出滤波器和X射线管的等效电路，其中代表次级线圈的绕线电容，代表等效漏感，代表谐振电容。
图4 串并联LLC dc-dc 变换器
C. 移相PWM控制
LLC谐振变换器的操作频率大于它的谐振频能够通过零电压开关减少开关损耗。图5 显示操作频率低于或高于它的谐振频率时，LLC谐振变换器的典型波形。从图中可以看到，当开关频率高于谐振频率时，主电源开关维持零电压开关。
图5 LLC变换器的电压和电流的波形 （a）和 （b）
LLC谐振变换器输出电压的控制可以通过调节双极性PWM到50%的占空率的开关频率或调节移相PWM调制方案的相位变换。互换相程之间的相位移可以通过可编程数字逻辑电路容易实现。
LLC谐振变换器的非线性特点，当操作在移向相控制的各种负载的情况下，使得反馈控制器的设计变得复杂。为了使谐振元件得到去耦合的高阶动态性能，流过电感电流的电流环路被关闭了，就如图3所示。在被提出的控制方案中，直流链接电压也被测量，是为了给线性电压变化提供前馈补偿。
3.建模和分析
在分析和设计高性能电源转换器系统中， 建模和仿真是非常重要的元素。 它们提供给设计工程师工作电路及其动态特性更深入的视野。LLC谐振变换器是一个高阶、非线性、离散动态系统。LLC谐振变换器的控制需要它的数学模型的知识。
当工作到一个指定的工作点上，数据采集建模技术可以用来得出LLC变换器的小信号模型。这个建模技术具有适应不同变换器运行模型的灵活性，但得到的波形是失真的，并且它还有一个缺点是数学的复杂性。
稳态特性分析
在决定最佳运行点以及环路补偿电路控制参数，LLC谐振变换器稳态特性的研究是非常重要的。归一化电压增益可以被看做频率比率函数、输出滤波器的品质因数、LLC谐振变换器的电容比率。图6和图7 显示了LLC谐振变换器的归一化直流电压增益。更详细的研究可以在[19]中找到。可以看出，频率在谐振频率附近时，变换器有更高电压增益灵敏度。LLC谐振变换器运行在它的谐振频率附近时非常理想的，可以得到一个合适的输出滤波器品质因数。
图6 LLC变换器的归一化电压增益
图7 LLC归一化电压增益
图8 显示LLC变换器的归一化输入阻抗。在一个指定的电容比率时，我们可以调整输出滤波器的品质因数来实现最小输入阻抗。它意味着LLC谐振变换器的电压的最大利用。图8 显示谐振电流的相差和归一化频率比率。对于器件在各种负载情况下保持零电压开关，输出电流和PWM 逆变桥电压之间的相位差是非常重要的。在最大负载情况系最小相差的研究，可以显示在零电压开关维持下的最坏的情况。
图8 归一化 （a）输入电阻 （b）LLC变换器的相角
图9 电压增益关于Q和频率的函数
4.仿真和实验结果
为了控制LLC谐振dc-dc 变换器，全数字化控制方案正在研发中。数字电流环控制器已被用于电感电流的调节，数字电压模型控制器被用于输出电压调节。LLC谐振变换器的开关频率是100KHZ，电流环控制器的采样频率是20KHZ，电压控制环的采样频率是10KHZ。图10显示实验测得的，在8KW额定负载情况下，谐振电流典型稳态波形。
图10 谐振器件电压电流的实验结果
图11显示在不同的设置下，输出电压的实验结果。可以看出，输出电压可以被控制在60到100KV几乎在一样的上升时间（1ms）。测量实验结果显示的快速的瞬态响应表明LLC谐振变换器的动态性能在很好的控制中。X射线发生器的稳定并且快速的高压直流响应控制已被实现了。
图11 不同阶跃响应下输出电压实验结果
5.结论
本文提出了DSP控制移相PWM dc-dc 变换器的设计和实施，并应用于X射线发生器。运行在恒定频率并且用高压变压器控制相位移的LLC变换器已经被用来为X射线发生器产生高压。LLC谐振变换器的稳态特性已经被研究。多环数字控制方案已被用来控制LLC谐振变换器的相移。单芯片DSP控制器被用来实现提出的控制方案。仿真和实验结果显示了DSP控制技术在高效率高功率转换器中应用的可行性和优越性。
参考文献
1. Y. Cheron, H. Foch, J. Salesses, 'Study of resonant converter using power transistors in a 25-kW X-rays tube power supply', pp.295-306
2. H. Hino, T. Hatakeyama, T. Kawase, M. Nakaoka, 'High-frequency parallel resonant converter for X-ray generator utilizing parasitic circuit constants of high voltage-transformer and cables', IEEE INTELEC Canf Rec., vol. 2, pp.20.511-518, 1989
3. J. Takahashi, H. Takano, M. Nakaoka, 'A state-of-the-art 50kW. 10kHz soft-switching assisted PWM DC-DC converter for X-ray power. generator', pp.165-170
4. F. C. Lee, 'High-frequency quasi-resonant converter technologies', pp.377-390
5. P. R. K. Chetty, 'Resonant power supplies their history and status', IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine, vol. 7, no.4, pp.23-29, April, 1992
6. A. K. S. Bhat, S. B. Dewan, 'Analysis and design of a high-frequency resonant converter using LCC-type commutation', IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 2, no.4, pp.291-300, Oct., 1987
7. A. J. Forsyth, Y. K. E. Ho, 'Dynamic characteristics and closed-loop perfonnance of the series-parallel resonant converter', vol. 143, no.5, pp.345-353
8. Y. J. Kim, Y. Maruyama, M. Nakaoka, 'Practical evaluations of resonant pole-assisted ZVS-PWM DC/DC converter with series capacitor-connected transformer parasitic parallel reso
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