無損探傷機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及主電路的設(shè)計(jì)Design of Driving Circuit and Main Circuit ofNondestructive Inspection摘 要近年來，X射線探傷已成為一種行之有效不可缺少的探傷方法，其探傷效率高，能滿足多種多樣的探傷要求，應(yīng)用于幾乎所有的工業(yè)部門。本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用晶閘管整流和逆變技術(shù)設(shè)計(jì)了X射線探傷機(jī)的主電路及其驅(qū)動(dòng)電路。論文第一章闡述了X射線無損探傷研究的背景與意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和論文的主要工作。第二章介紹了X射線的產(chǎn)生與探傷的成像方法以及X射線探傷機(jī)的種類、特點(diǎn)和基本結(jié)構(gòu)。第三章描述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，在該思路指導(dǎo)下，建立了系統(tǒng)的總體框架，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的工作流程；其中著重闡述了X射線探傷機(jī)主電路及其驅(qū)動(dòng)電路各個(gè)功能模塊的作用和工作原理，以及其硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。第四章主要對整流功能模塊的輸出電壓曲線進(jìn)行分析，并介紹了系統(tǒng)常見典型問題的解決方法。最后對本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程做了總結(jié)。關(guān)鍵詞：無損探傷；X射線；晶閘管；IGBTABSTRACTIn recent years, X-ray testing has become a proven indispensable testing method, testing its high efficiency, to meet a wide variety of testing requirements for almost all the industrial sectors. The main circuit and driving circuit of X-ray detector are designed by use of the SCR and the use of inverter technology. In chapter 1, research background and significance and research status of the X-ray nondestructive testing and the main thesis work are given. In chapter 2, the selection of X-ray detection and imaging methods are discussed. Types and characteristics and the basic structure of X-ray detection machine are introduced. The design ideas are described in Chapter 3. Based on that train of thoughts, the system general framework, the work flow of the supervision system is constructed .The role and work principle of functional module of main circuit and driving circuit of the X-ray detection machine as well as its hardware design and implementation are focuses on describing. The output voltage curve of the main rectifier module is analyzed, and the solutions for the typical problems of the system are introduced. Finally, the design process of the system is summed up.Key Words：nondestructive inspection；X-ray； thyristors；IGBT 目 錄1 緒論11.1無損探傷研究的背景與意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3本文的主要工作22 X射線探傷機(jī)的基本原理及結(jié)構(gòu)分析32.1X射線的產(chǎn)生與探傷的成像方法32.1.1X射線的產(chǎn)生42.1.2X射線探傷的成像方法42.2X射線探傷機(jī)的種類52.2.1移動(dòng)式X射線機(jī)52.2.2攜帶式X射線機(jī)52.3X射線探傷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)62.3.1高壓功能模塊62.3.2冷卻功能模塊62.3.3保護(hù)功能模塊62.3.4控制功能模塊62.3.5人機(jī)界面功能模塊63 X射線探傷機(jī)主電路及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)93.1X射線探傷機(jī)的總體設(shè)計(jì)93.1.1系統(tǒng)總體框架93.1.2 X射線探傷機(jī)工作流程設(shè)計(jì)103.2基于晶閘管的主電路及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)113.2.1主電路設(shè)計(jì)113.2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)143.2.3電路板設(shè)計(jì)與制作203.3基于IGBT的主電路及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)243.3.1IGBT的選擇253.3.2主電路設(shè)計(jì)273.3.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)284 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析304.1整流輸出曲線分析304.2典型問題的解決32結(jié) 論33參考文獻(xiàn)34附錄1： 基于晶閘管的主電路原理圖35附錄2： 基于晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路原理圖36附錄3： 基于IGBT的X射線探傷機(jī)電路原理圖37附錄4： 基于晶閘管的主電路板實(shí)物圖38附錄5： 基于晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖39致 謝40英文資料及中文翻譯 381 緒論1.1無損探傷研究的背景與意義在各種無損檢測方法中，射線探傷是應(yīng)用最廣泛、最成熟，最有效的方法之一。射線探傷的基本原理是：X射線、射線、中子射線等，在真空中沿直線前進(jìn)，能貫穿物體。射線在貫穿物體的過程中，由于與物質(zhì)相互作用，強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)一種射線貫穿于不同厚度、不同材質(zhì)的材料時(shí)，強(qiáng)度減小的程度不同。而工件中的缺陷，總是引起工件厚度或材質(zhì)的局部改變。因此，顯示或測量穿透射線的強(qiáng)度及其分布，即可發(fā)現(xiàn)和判別缺陷。例如，用強(qiáng)度均勻的射線照射工件，穿透射線使膠片感光，再經(jīng)暗室處理得到射線照相底片。出于底片的黑度分布依賴于各部位接受的射線量，而透過射線的強(qiáng)度取決于工件的材料、厚度和缺陷狀況，通過對射線底片的觀察，便可以發(fā)現(xiàn)缺陷并判斷缺陷的大小、性質(zhì)及分布情況，這就是常用的射線照相法探傷。X射線是德國著名物理學(xué)家W.K.倫琴(WKRontgen)在研究陰極射線管時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)的。1895年11月8日倫琴在一個(gè)嵌有兩個(gè)板形電極的低真空玻璃管的兩極間加上幾萬伏電壓，偶然發(fā)現(xiàn)一種用肉眼看不到的“光線”，它能使放在旁邊的涂有鉑氰化鋇的紙板發(fā)出可見的熒光，并且在涂有鉑氰化鋇的紙板上發(fā)現(xiàn)了倫琴的手部骨骼影像。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)它能穿透許多物質(zhì)，諸如衣服、紙板，甚至頁數(shù)很多的書本，并能使膠片感光，X射線就這樣被發(fā)現(xiàn)了。新光線發(fā)現(xiàn)不久，馬上就有人想把這種新光線用到實(shí)際中去。例如，在倫琴發(fā)現(xiàn)新光線的消息傳到美國的第四天，就有一位醫(yī)生利用新光線來檢查受槍傷的病人看有沒有槍彈留在他的身體里。由于當(dāng)時(shí)對這種新光線的性質(zhì)不甚了解，便借用數(shù)學(xué)上未知數(shù)“X”來代表，故稱之為X射線。后來，人們?yōu)榱思o(jì)念倫琴的偉大發(fā)現(xiàn)，又稱為倫琴射線。X射線探傷是最早應(yīng)用的幾種探傷方法之一。時(shí)至今日，射線探傷已發(fā)展成為應(yīng)用多種射線和多種顯示方法的探傷技術(shù)。對射線探傷設(shè)備大多已做到系列化，能滿足多種多樣的探傷要求，探傷的效率也顯著提高了。射線探傷的結(jié)果己被列為許多重要產(chǎn)品和零部件的質(zhì)量判斷依據(jù)，射線探傷已成為一種行之有效不可缺少的探傷方法，應(yīng)用于幾乎所有的工業(yè)部門。在過去的十幾年里，這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量的研究成果，對社會(huì)生活產(chǎn)生了深刻的影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自X射線發(fā)現(xiàn)后，法國的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了放射線性。二十世紀(jì)三十年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了中子。自此以后，各種加速器、核反應(yīng)堆相繼建成。對射線性質(zhì)的深入研究和工藝技術(shù)科學(xué)的飛躍發(fā)展，給射線探傷應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，X射線已開始用于戰(zhàn)地醫(yī)療診斷。第二次世界大戰(zhàn)之前的三十年代，由于軍事工業(yè)的迫切需要，無損探傷逐漸形成一項(xiàng)專門的技術(shù)學(xué)科。X射線探傷是最早應(yīng)用的幾種探傷方法之一。時(shí)至今日，X射線探傷實(shí)時(shí)成像數(shù)字圖象處理技術(shù)(XRTIP)，成為國際上無損探傷領(lǐng)域廣泛并深入研究的重要課題之一。美國、丹麥、日本等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家都有各具特色的(XRTIP)系統(tǒng)。其中美國VARIAN公司的ER-110.ER-120系統(tǒng)，德國SEIFERT公司的實(shí)時(shí)圖象處理器OPS-3型PHILJPS公司的MU系列產(chǎn)品,貝麥ANDREX公司的TRUVTSON150等產(chǎn)品都曾打入中國市場，有的己被國內(nèi)一些廠家使用。在我國自八十代中期就有一些大學(xué)和研究單位，開始了此項(xiàng)研究。有的已通過鑒定，有的己投入使用。但大都是在需要完善和將要定型階段。相信用不了多久,工業(yè)XRTIP系統(tǒng)也同醫(yī)學(xué)T-V成像一樣，很快就會(huì)普及并發(fā)展起來。其中，應(yīng)用逆變電源技術(shù)的工業(yè)X射線探傷機(jī)，早在1969年比利時(shí)波濤公司己經(jīng)研制成功。隨后西方發(fā)達(dá)國家紛紛引進(jìn)逆變電源技術(shù)，并應(yīng)用于工業(yè)X射線探傷機(jī)。我國也于80年代初引進(jìn)日本理學(xué)X射線探傷機(jī)后，仿制了逆變氣絕緣X射線探傷機(jī)，并基本上一直沿用此設(shè)計(jì)原理至今，但所選用的關(guān)鍵逆變器件一直是SCR，沒有進(jìn)行元器件更新。當(dāng)時(shí)電路設(shè)計(jì)是基于原有的電力電子技術(shù)和元器件開發(fā)的，多數(shù)采用瓊斯電路作逆變電路。1.3本文的主要工作本文第一章主要闡述了X射線無損探傷研究的背景與意義，以及對國內(nèi)外的現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和分析。第二章首先闡述了X射線的產(chǎn)生與探傷的成像方法，然后介紹了X射線探傷機(jī)的種類、特點(diǎn)和基本結(jié)構(gòu)。第三章首先描述了X射線無損探傷機(jī)的總體設(shè)計(jì)；然后分析主電路及其驅(qū)動(dòng)電路各功能模塊的工作原理，具體包括整流功能模塊、逆變功能模塊、零點(diǎn)檢測功能模塊、半控橋觸發(fā)功能模塊、逆變器觸發(fā)功能模塊、電壓反饋功能模塊、電流反饋功能模塊、溫度檢測功能模塊、電壓等級選擇功能模塊、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊和電源功能模塊；最后闡述了采用IGBT對探傷機(jī)的主電路進(jìn)行改進(jìn)，以及設(shè)計(jì)了其驅(qū)動(dòng)電路，使X射線機(jī)功耗更低，工作更可靠穩(wěn)定，系統(tǒng)性能更優(yōu)。第四章主要對整流功能模塊的輸出電壓曲線進(jìn)行分析，并介紹了系統(tǒng)常見典型問題的解決方法。2 X射線探傷機(jī)的基本原理及結(jié)構(gòu)分析工業(yè)上廣泛應(yīng)用射線照相來發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部存在的缺陷，分析其形成的原因和規(guī)律，評價(jià)這些缺陷對工件使用性能的影響，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)或工藝，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，避免惡性事故的發(fā)生。射線探傷是利用射線對材料具有一定的穿透能力，及其在穿透材料過程中，不同物質(zhì)和不同物體結(jié)構(gòu)對射線衰減程度各不相同。從而使缺陷在照相軟片或電視熒光屏上形成影像，借以判斷工件內(nèi)部的缺陷和完整性，射線檢測原理如圖2-1所示：圖2-1 射線檢測原理圖1.輻射源； 2.射線； 3.被檢測的工件；4.膠片暗袋； 5.工件輻射源照射工件，X射線膠片放在工件的底面，由于有缺陷的材料與沒缺陷的材料吸收射線不同，所以工件的缺陷顯影在底片上，借助于缺陷的圖像，可以判斷工件的質(zhì)量。2.1X射線的產(chǎn)生與探傷的成像方法X射線具有電磁波的共性，同時(shí)也具有不同于可見光和無線電波等其他電磁輻射的特性，以下對X射線的產(chǎn)生和使用X射線探傷的成像方法作簡單介紹。2.1.1X射線的產(chǎn)生X射線是由韌致輻射而產(chǎn)生的，當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)的電子被物質(zhì)阻止時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)的速度急劇減小，電子原有的一部分或全部動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電磁波射出去,此即韌致輻射。X射線發(fā)生的示意圖如圖2-2所示：圖2-2 X射線發(fā)生示意圖1.高壓發(fā)生器； 2.陰極； 3.陽極；4.燈絲加熱電源； 5.管殼； 6.電子束X射線發(fā)生的原理是由變壓器等組成的高壓發(fā)生器產(chǎn)生高電位差，加到X射線的兩端，陽極的電位高于陰極的電位。通常，將作為陰極的燈絲予以加熱，使得燈絲上有電子溢出。接通高壓之后，在電場的作用下，溢出的電子飛向陽極，同時(shí)電子被電場加速。為了避免電子在渡越由陰極到陽極的空間時(shí)與空氣分子發(fā)生碰撞，管內(nèi)被抽成很高的真空。高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊到陽極靶上，發(fā)生韌致輻射，產(chǎn)生X射線。2.1.2X射線探傷的成像方法射線探傷的成像方法很多，其中應(yīng)用最廣泛的是射線照相法、熒光屏成像法、工業(yè)射線電視法、射線劑量率測量法等。所有顯示方法，均是利用射線與顯示物質(zhì)相互作用的某種后果，而這種后果又與射線的劑量或劑量率有相應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到射線探傷的目的。2.1.2.1 射線照相法射線照相法是由射線源輻射的射線，貫穿于距射線源合適距離的被探傷工件。在工件遠(yuǎn)離射線源的一側(cè),放置裝有X射線膠片的暗盒。由于貫穿工件后有無缺陷部位的射線強(qiáng)度不同，X射線膠片將不同程度地被感光，感光的膠片經(jīng)暗室處理得到射線照相底片，利用射線照相底片黑度變化而顯現(xiàn)的圖像，來發(fā)現(xiàn)和判別缺陷。2.1.2.2 熒光屏成像法這是大家熟悉的一種射線顯示方法，它廣泛地用于人體醫(yī)療透視檢查中。熒光屏成像法是利用射線與熒光物質(zhì)相互作用產(chǎn)生熒光的現(xiàn)象呈現(xiàn)圖像的。選擇熒光亮度高，發(fā)出的熒光物質(zhì)，加工成粉末，均勻涂布到透明材料做的支撐層上，即成熒光屏。熒光屏成像法原理是射線輻射的射線貫穿工件照射到熒光屏上，由于存在缺陷而引起射線強(qiáng)度的差異，進(jìn)而引起熒光屏各部位熒光亮度的差異。因此，呈現(xiàn)出工件的透視圖像。不過，與射線照相底片比較熒光屏呈黑度分布正好相反。2.1.2.3工業(yè)射線實(shí)時(shí)成像法工業(yè)X射線實(shí)時(shí)成像法是將貫穿工件后射線強(qiáng)度分布變?yōu)殡娨晥D像顯示缺陷。它能把射線增強(qiáng)數(shù)千倍，探傷時(shí)可以用肉眼直接觀察工件內(nèi)部缺陷。轉(zhuǎn)動(dòng)工件,可以從各個(gè)側(cè)面觀察工件的透視圖像。它也能用于鑄造、焊接工藝連續(xù)觀察。檢查的速度快、成本低，便于自動(dòng)探傷和遠(yuǎn)距操作與觀察。2.2X射線探傷機(jī)的種類目前，國內(nèi)外所生產(chǎn)和使用的工業(yè)X射線探傷機(jī)的種類、形式、規(guī)格繁多，按結(jié)構(gòu)可分為兩大類，移動(dòng)式X射線機(jī)和攜帶式X射線機(jī)。2.2.1移動(dòng)式X射線機(jī)移動(dòng)式X射線機(jī)是一種體積較大、重量較重的探傷機(jī)，安裝在移動(dòng)小車上，用于固定或半固定場合使用的X射線機(jī)。它的高壓發(fā)生部分（一般是兩個(gè)對稱的高壓發(fā)生器）和X射線管是分開的，它們之間用高壓電纜連接，為了提高工作效率，一般采用強(qiáng)制油循環(huán)冷卻。2.2.2攜帶式X射線機(jī)攜帶式X射線機(jī)是一種體積小、重量輕、便于攜帶、適用于高空和野外作業(yè)的X射線機(jī)。它采用結(jié)構(gòu)簡單的半波自整流線路，X射線管和高壓發(fā)生部分共同裝在射線機(jī)頭內(nèi)，控制箱通過一根多芯的低壓電纜將其連接在一起。本設(shè)計(jì)中的X射線探傷機(jī)是屬于攜帶式X射線機(jī)，控制器為立式便攜機(jī)箱結(jié)構(gòu)，有一個(gè)把手便于攜帶，在儀器斜放時(shí)把手可以固定作為支撐?？刂凭€路板通過扁平電纜插頭座與顯示電路板及主回路連接，整個(gè)儀器的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于檢查、維修和更換部件。2.3X射線探傷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一般X射線探傷機(jī)的結(jié)構(gòu)由五個(gè)功能模塊組成：高壓功能模塊、冷卻功能模塊、保護(hù)功能模塊、控制功能模塊和人機(jī)界面功能模塊，下面分別對各模塊作簡單介紹。2.3.1高壓功能模塊X射線探傷機(jī)的高壓部分包括X射線機(jī)、高壓發(fā)生器（高壓變壓器、燈絲變壓器、高壓整流管和高壓電容）及高壓電纜等。2.3.2冷卻功能模塊冷卻是保證X射線機(jī)能否長期使用的關(guān)鍵，冷卻效果的好壞直接影響X射線管的壽命和連續(xù)使用時(shí)間。X射線管會(huì)因陽極過熱而發(fā)生損壞，冷卻得不好還會(huì)發(fā)生高壓變壓器過熱，絕緣性能變壞，耐壓強(qiáng)度降低而擊穿的事件。所以X射線管陽極在實(shí)際制造時(shí)，都采取各種措施保證冷卻效率。2.3.3保護(hù)功能模塊X射線探傷機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)主要有以下部分組成：每一個(gè)獨(dú)立電路的短路過流保護(hù)、X射線管陽極的冷卻保護(hù)、X射線管的過載保護(hù)（過流或過壓）、零位保護(hù)、接地保護(hù)和其他保護(hù)等。2.3.4控制功能模塊控制功能模塊是指X射線管外部工作條件的總控制部分，主要包括管電壓的調(diào)節(jié)、管電流的調(diào)節(jié)以及過電流、過電壓保護(hù)等。2.3.5人機(jī)界面功能模塊人機(jī)界面常使用鍵盤、旋鈕、LED顯示和LCD顯示，X射線探傷機(jī)一般通過控制臺上的開關(guān)、按鈕或它們的組合進(jìn)行操作，操作實(shí)現(xiàn)的功能由控制臺上的文字和操作手冊給出。本設(shè)計(jì)的X射線探傷機(jī)前面板主要是系統(tǒng)人機(jī)界面，由LED顯示器、發(fā)光二極管和按鍵組成；側(cè)面板是配電和電纜連接面板，主要由電源開關(guān)、電源線插座、連接X射線發(fā)生器電纜插座、20A保險(xiǎn)絲管座、2A保險(xiǎn)絲管座和接地端子組成。前面板和側(cè)面板分別如圖2-3、圖2-4所示。 圖2-3 前面板圖其中，前面板中的LED顯示器、發(fā)光二極管狀態(tài)說明如下所述：（1）數(shù)碼顯示器（共8位）a、狀態(tài)：3位，顯示當(dāng)前工作狀態(tài)或故障代碼；b、千伏：3位，顯示機(jī)器工作KV值或預(yù)置KV值；c、時(shí)間：2位，顯示機(jī)器工作時(shí)間或預(yù)置時(shí)間。（2）發(fā)光二極管指示燈（共七個(gè)）a、電源燈：機(jī)器通電時(shí)亮；b、預(yù)置燈：機(jī)器處于預(yù)置參數(shù)時(shí)亮；c、準(zhǔn)備燈：機(jī)器準(zhǔn)備完畢時(shí)亮；d、訓(xùn)機(jī)燈：訓(xùn)機(jī)時(shí)亮；e、工作燈：訓(xùn)機(jī)或曝光時(shí)周期性閃亮；f、休息燈：訓(xùn)機(jī)或工作休息時(shí)亮；g、故障燈：機(jī)器發(fā)生故障保護(hù)時(shí)亮。圖2-4 側(cè)面板圖 1.電源開關(guān)； 2.電源線插座； 3.連接X射線發(fā)生器電纜插座； 4.20A保險(xiǎn)絲管座； 5.2A保險(xiǎn)絲管座； 6.接地端子 3 X射線探傷機(jī)主電路及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1X射線探傷機(jī)的總體設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框架本系統(tǒng)由操縱臺、X射線發(fā)生器和低壓連接電纜三部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1.1.1操作臺結(jié)構(gòu)簡介操作臺面板上有LED顯示器、控制按鈕、信號指示燈等。側(cè)面插座盤有電源插座、連接電纜插座、斷路器、報(bào)警揚(yáng)聲器、熔斷器和接地端子。操作臺內(nèi)部有整流電路、電源變壓器、濾波電感、濾波電容及逆變器等組成。根據(jù)各部分電路的功能特點(diǎn)，本系統(tǒng)分主電路電路部分、驅(qū)動(dòng)電路部分和面板電路部分三大模塊。其中，主電路部分主要由整流功能模塊、逆變功能模塊組成；驅(qū)動(dòng)電路部分主要由零點(diǎn)檢測功能模塊、半控橋觸發(fā)功能模塊、逆變器觸發(fā)功能模塊、電壓反饋功能模塊、電流反饋功能模塊、溫度檢測功能模塊、電壓等級選擇功能模塊、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊和電源功能模塊組成。3.1.1.2 X射線發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡介X射線發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，高壓變壓器和X射線管安裝在同一個(gè)管桶內(nèi)，其外殼用鋁板加工而成，采用六氟化硫氣體絕緣，供電頻率為125300Hz，為便于X射線管散熱采用了陽極接地方式，在陽極靶伸出的端部安裝一個(gè)多葉片的鋁散熱器，再用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫冷卻，加強(qiáng)了散熱效果。在發(fā)生器內(nèi)在鋪設(shè)了一層防輻射的鉛板，并用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在發(fā)生器內(nèi)壁上。另外，在管桶內(nèi)鐵心和外部散熱器上各裝有一個(gè)溫度繼電器，用來防止溫度過高而損壞機(jī)器。圖3-2 X射線發(fā)生器3.1.2 X射線探傷機(jī)工作流程設(shè)計(jì)X射線探傷機(jī)工作流程：220V交流電經(jīng)晶閘管橋式整流后，由LC組成的濾波器濾為平滑直流電，再送晶閘管逆變器逆變，將直流電斬截成單向矩形脈沖波，作為升壓變壓器一次繞組的供電電源，經(jīng)變壓器升壓后為X射線發(fā)生器提供高壓。濾波后的直流電壓與給定電壓在電壓調(diào)節(jié)單元中進(jìn)行比較，控制晶閘管導(dǎo)通角，使輸出電壓與設(shè)定電壓相等，且保持較高的穩(wěn)定度。當(dāng)輸出電壓高于最高點(diǎn)壓5%時(shí)，控制電路中的過電壓保護(hù)動(dòng)作，使逆變器停止工作，即切斷高壓。X射線探傷機(jī)原理框圖如圖3-3所示： 圖3-3 X射線探傷機(jī)原理框圖3.2基于晶閘管的主電路及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 本部分是采用晶閘管為核心，設(shè)計(jì)了X射線機(jī)的逆變功能模塊和整流功能模塊，并針對主電路的觸發(fā)要求合理設(shè)計(jì)了其驅(qū)動(dòng)電路。為了保證探傷機(jī)的工作性能，因此在主電路和驅(qū)動(dòng)電路中加入必要保護(hù)環(huán)節(jié)。以下是主電路和驅(qū)動(dòng)電路的具體設(shè)計(jì)。3.2.1主電路設(shè)計(jì)主電路部分主要由整流功能模塊、逆變功能模塊、航空頭功能模塊組成。下面分別對各功能模塊的功能及工作原理進(jìn)行描述。3.2.1.1整流功能模塊整流功能模塊采用了單相橋式整流電路調(diào)壓。整流電路把220V交流電整流，再進(jìn)行LC濾波，輸出一個(gè)較平滑的直流電作為逆變電路的輸入電壓，并送到電壓反饋電路的輸入端。整流功能模塊如圖3-4所示：圖3-4 整流功能模塊原理圖在電路中，兩個(gè)橋臂上的晶閘管VT1、VT2的陰極通常式連接在一起（共陰極），此時(shí)他們的門極電位接近，故采用脈沖變壓器隔離時(shí)，二次繞組間絕緣要求較低，不會(huì)因絕緣損壞造成短路。此外，在整流后加上濾波電感和負(fù)載，這樣感性負(fù)載的特點(diǎn)是電流的變化落后于電壓的變化，這就有可能在電源正半周結(jié)束時(shí)，陽極電流仍大于維持電流，使晶閘管久久不能關(guān)斷，破壞了整個(gè)電路正常工作，稱這種現(xiàn)象為晶閘管“失控”，必須嚴(yán)加防止。為此，在輸出端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，為感性負(fù)載提供了一個(gè)放電回路，避免了感性負(fù)載持續(xù)電流流過晶閘管，保證晶閘管正常工作。必須注意，續(xù)流二極管的極性不能接錯(cuò)，否則會(huì)造成短路事故。3.2.1.2逆變功能模塊本功能模塊采用副晶閘管和換向電容及換向電感的強(qiáng)迫換向方式，由于晶閘管在直流電壓下觸發(fā)導(dǎo)通后,其控制極已失去控制能力，不能自行關(guān)斷，因而采取了這種專門的措施。逆變功能模塊原理圖如圖3-5所示:圖3-5 逆變功能模塊原理圖在電路圖中SCR3、SCR4分別為主、副晶閘管，L2為換向變壓器（電感），C31、C32、C33、C34為換向電容，D4為反饋二極管（削尖峰），AR3、D5為逆峰吸收回路，C7、C8、R7和R8分別為主、副晶閘管過壓吸收保護(hù)元件，AR2、AR3為壓敏電阻。工作原理簡述如下：在接通低壓電源未接通高壓電源之前，電流調(diào)節(jié)單元輸出的連續(xù)觸發(fā)脈沖使副晶閘管SCR3導(dǎo)通，電流經(jīng)高壓變壓器一次側(cè) C31、C32、C33、C34L2，迅速向C31、C32、C33、C34充電，當(dāng)充電流小于SCR4的維持電流時(shí)，SCR4自行關(guān)斷。換向電容兩端電壓等于VCC時(shí)，下正上負(fù)，為強(qiáng)迫副晶閘管關(guān)斷準(zhǔn)備。接通高壓后，觸發(fā)脈沖使主晶閘管SCR3導(dǎo)通，一方面負(fù)載電流經(jīng)SCR3 L2，流經(jīng)電源負(fù)極；另一方面，C31、C32、C33、C34上電壓（下正上負(fù)）經(jīng)SCR3強(qiáng)迫SCR4關(guān)斷。同時(shí)，C31、C32、C33、C34、L2（1、2）經(jīng)SCR3、D3串聯(lián)諧振，使電容放電后再充電為上正下負(fù)，反偏振蕩停止。當(dāng)下一次SCR4導(dǎo)通時(shí)，就把C31、C32、C33、C34跨接在SCR3的兩端，使SCR3受反壓而迫使其關(guān)斷。C31、C32、C33、C34剩余電荷經(jīng)SCR4、L2（2、3）、D4串聯(lián)諧振，使電容電壓上負(fù)下正而停止，電源繼續(xù)向電容充電，開始下一個(gè)過程。C31、C32、C33、C34、L2、D4所組成串聯(lián)諧振電路，可節(jié)約電能，并加速下正上負(fù)電壓的建立過程，使逆變器在頻率較高時(shí)也能正常工作。3.2.1.3航空頭管腳分配航空頭是操作臺與X射線管的連接口，航空頭的質(zhì)量和連接的可靠性直接影響到X射線機(jī)工作的穩(wěn)定性和X射線管的壽命。航空頭管腳功能如表3-1所示，管腳分布如圖3-6所示。表3-1航空頭管腳功能表管腳號顏色定義功能1黃色220V(N)2懸空3綠色升壓變壓器初級4黃色220V(L)5紅色升壓變壓器初級6灰色溫度反饋7懸空8白色電流反饋9黑色地圖3-6 航空頭管腳分布圖3.2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路部分主要由零點(diǎn)檢測功能模塊、半控橋觸發(fā)功能模塊、逆變器觸發(fā)功能模塊、電壓反饋功能模塊、電流反饋功能模塊、溫度檢測功能模塊、電壓等級選擇功能模塊、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊和電源功能模塊組成。下面分別對各功能模塊的功能及工作原理進(jìn)行描述。3.2.2.1零點(diǎn)檢測功能模塊零點(diǎn)檢測電路的作用是保證半控橋觸發(fā)功能模塊與整流功能模塊工作時(shí)能達(dá)到同步。零點(diǎn)檢測電路如圖3-7所示：圖3-7 零點(diǎn)檢測功能模塊原理圖電路工作原理是：220V交流電壓經(jīng)電源變壓器降壓后送到零點(diǎn)檢測電路的兩個(gè)輸入端，經(jīng)C13、C14濾波和D5、D6限幅后送到電壓比較器的反相輸入端。每當(dāng)輸入電壓的波形從負(fù)到正（過零點(diǎn)）時(shí)，電壓比較器的輸出端將會(huì)輸出一次低電平到單片機(jī)的外部中斷端，單片機(jī)就以該時(shí)刻為給觸發(fā)電路輸出脈沖的基準(zhǔn)點(diǎn)，使整流功能模塊與其觸發(fā)電路能夠時(shí)刻保持同步。3.2.2.2半控整流觸發(fā)功能模塊半控橋觸發(fā)電路主要作用是對整流功能模塊輸出的直流電壓進(jìn)行調(diào)整和控制。根據(jù)不同的曝光要求選擇其輸出電壓。半控橋觸發(fā)電路如圖3-8所示：圖3-8 半控橋觸發(fā)功能模塊原理圖半控橋觸發(fā)功能模塊中，74HC123與其外圍電路組成脈寬可調(diào)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，來自單片機(jī)的頻率信號送到74HC123的9腳，由74HC123的5腳產(chǎn)生矩形脈沖，經(jīng)C24和R27微分電路微分后，產(chǎn)生正負(fù)尖脈沖送T3的基極并放大后送到脈沖變壓器B3分別觸發(fā)整流功能模塊中的兩個(gè)晶閘管。通過改變單片機(jī)的輸出脈沖的相位將能改變主晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而可改變整流功能模塊輸出的直流電壓。3.2.2.3逆變器觸發(fā)功能模塊逆變器觸發(fā)功能模塊主要功能是為逆變功能模塊中的主、副晶閘管門極提供觸發(fā)信號，使逆變功能模塊穩(wěn)定工作在設(shè)定頻率上。逆變器觸發(fā)功能模塊如圖3-9所示：圖3-9 逆變器功能模塊原理圖逆變器功能模塊中，74HC123接成脈寬可調(diào)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，來自單片機(jī)的頻率信號送到74HC123的1腳，由74HC123的4和13腳產(chǎn)生相位相反的兩列矩形脈沖，經(jīng)C22、R23，C23和R25微分電路微分后，產(chǎn)生正負(fù)尖脈沖送T1、T2的基極并放大后送到脈沖變壓器B1、B2分別觸發(fā)副和主晶閘管。W1可調(diào)節(jié)脈沖，脈沖決定主晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而可改變電流的大小。3.2.2.4電壓反饋功能模塊電壓反饋功能模塊的主要功能就是在電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中自動(dòng)調(diào)節(jié)整流功能模塊的輸出電壓，當(dāng)整流功能模塊的輸出電壓升高或降低一定數(shù)值時(shí)，此時(shí)通過電壓反饋電路反饋到控制電路中進(jìn)行輸出電壓調(diào)整。電路如圖3-10所示：圖3-10 電壓反饋功能模塊原理圖電壓反饋功能模塊主要由LM358及外圍元件組成，其工作原理是：整流功能模塊整流后的直流電壓送到電壓反饋電路的輸入端，由R28-R30限流，光電耦合器G04隔離變換信號后送到LM358同相輸入端，進(jìn)行放大后經(jīng)R20和W3分壓取樣后送至控制電路對整流功能模塊的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。并通過反饋電壓的數(shù)值判斷輸出是否過壓和欠壓。一旦由于失控或者故障使電壓超過設(shè)定值時(shí)，控制電路將會(huì)發(fā)出控制信號切斷高壓，使脈沖變壓B3停止工作達(dá)到保護(hù)目的。其中，電位器W3的作用是調(diào)節(jié)反饋電壓的取樣值。3.2.2.5電流反饋功能模塊電流反饋功能模塊的主要功能就是在電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)中自調(diào)節(jié)控制管電流，當(dāng)升高管電壓時(shí)，盡管X射線管電壓幅值增加，但通過降低頻率，而管燈絲電壓的平均值沒有增加，管電流毫安值基本保持在小范圍內(nèi)變化。電路如圖3-11所示：圖3-11 電流反饋功能模塊原理圖電流反饋功能模塊工作原理是：X射線管的工作電流通過航空頭的第8腳反饋到電流反饋功能模塊的輸入端，經(jīng)降壓、濾波和光電耦合器隔離變換信號后送到LM358進(jìn)行放大，LM358輸出電壓經(jīng)R20和W3分壓取樣后送至控制電路，判斷X射線管工作電流是否過流和欠流。一旦X射線發(fā)生過流和欠流，控制電路將會(huì)發(fā)出控制信號切斷高壓，使脈沖變壓B3停止工作達(dá)到保護(hù)目的。其中，電位器W2的作用是調(diào)節(jié)反饋電壓的取樣值。3.2.2.6溫度檢測功能模塊X射線管溫度檢測功能模塊主要功能就是實(shí)時(shí)檢測X射線管的工作溫度。防止X射線管因過熱而損壞。其工作原理是：X射線管工作時(shí)的溫度信號通過航空頭的第6腳反饋到溫度檢測功能模塊輸入端，溫度電壓信號經(jīng)光電耦合器隔離變換信號后送至控制電路，并通過反饋電壓的數(shù)值判斷X射線管是否超過設(shè)定的溫度值。若超過設(shè)定的溫度控制電路將發(fā)出控制信號切斷高壓，使脈沖變壓B3停止工作達(dá)到保護(hù)光管的目的。電路如圖3-12所示：圖3-12 溫度檢測功能模塊原理圖3.2.2.7電壓等級選擇功能模塊電壓等級選擇功能模塊的作用是給控制電路的單片機(jī)一個(gè)選擇的信號，最終決定以使用者可選擇的輸出高壓范圍。輸出電壓范圍的選擇通過改變一個(gè)雙位數(shù)碼開關(guān)的檔位來實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼開關(guān)撥向的改變能代表四種狀態(tài)，其中的三種狀態(tài)分別代表三個(gè)輸出電壓的范圍：開關(guān)1向上撥、開關(guān)2向下?lián)艽磔敵?00伏，開關(guān)1和開關(guān)2同時(shí)向下?lián)転檩敵?50伏，開關(guān)1和開關(guān)2同時(shí)向上撥為輸出300伏。數(shù)碼開關(guān)各種狀態(tài)的含義如表3-2所示。電壓等級選擇電路如圖3-13所示。表3-2 電壓等級選擇開關(guān)的含義開關(guān)1狀態(tài)開關(guān)2狀態(tài)輸出電壓范圍（KV）上撥下?lián)?00200下?lián)芟聯(lián)?50250上撥上撥170300圖3-13 電壓等級選擇功能模塊原理圖3.2.2.8揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊的功能是在系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)（如過壓、過流、欠壓、欠流等）驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。電路中主要由三極管8550把控制電路傳送過來的報(bào)警信號進(jìn)行功率放大，最后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。電路如圖3-14所示：圖3-14 揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊原理圖3.2.2.9電源功能模塊電源穩(wěn)壓功能模塊主要由兩個(gè)通道組成，其電路圖如圖3-15所示：圖3-15 電源功能模塊原理圖電源功能模塊中，通道一是對變壓器二次測的交流電壓進(jìn)行整流濾波，再由L7812和L7805穩(wěn)壓出5V電壓傳送至控制電路的AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0809電壓基準(zhǔn)端，作為AD轉(zhuǎn)換得參考電壓。通道二是對變壓器二次測的交流電壓進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓后對各芯片進(jìn)行供電。3.2.3電路板設(shè)計(jì)與制作對于研發(fā)高電壓精密儀器來說，確定了硬件和軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，繪制電路原理圖和制作PCB控制電路板就成為必要的步驟了。高質(zhì)量的印制線路板能保證所設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的各項(xiàng)指標(biāo)是系統(tǒng)功能分析和調(diào)試設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)，因此需要再設(shè)計(jì)印制線路板時(shí)精心安排，合理布局，使設(shè)計(jì)出來的線路板穩(wěn)定可靠運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)。本系統(tǒng)的電路原理圖的繪制和PCB圖的設(shè)計(jì)，是通過強(qiáng)大的電路板設(shè)計(jì)軟件Protel99SE來完成的。下面介紹一下設(shè)計(jì)印制電路辦的過程和在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題。3.2.3.1PCB的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)步驟簡介本系統(tǒng)主電路及驅(qū)動(dòng)電路原理圖和PCB的設(shè)計(jì)均使用工具軟件Protel99SE來完成。在眾多的電子線路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中，Protel99SE是這類軟件的杰出代表。Protel99SE是Protel公司2000年推出的基于Windows平臺的第六代產(chǎn)品，集強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力、復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性分析及設(shè)計(jì)過程管理(PDM)于一體。可完整實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品從電學(xué)概念設(shè)計(jì)到生成物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全過程，以及中間的所有分析、仿真和驗(yàn)證。Prote199SE 較以前版本新增加的三項(xiàng)技術(shù)SmarTDoc,SmartTeam 和Smart Tool。這些技術(shù)把產(chǎn)品開發(fā)的三個(gè)方面有機(jī)的結(jié)合在一起，即設(shè)計(jì)人員、設(shè)計(jì)文件和建立文件的工具三者合為一體。Prote1 99SE 軟件包主要包含了以下幾個(gè)模塊:原理圖設(shè)計(jì)軟件Protel Advanced Schematic 99SE、電路板設(shè)計(jì)軟件Protel Advanced PCB 99SE、用于PCB 自動(dòng)布線的Protel Advanced Route 99SE、用于可編程邏輯器件Protel Advanced PLD 99SE、用于電路仿真的Advanced SM199和信號完整性分析的Advanced Integrity99，可謂功能齊全。電路設(shè)計(jì)的最終目的是為了獲得裝配原理圖合PCB圖，而原理圖是為了設(shè)計(jì)PCB圖服務(wù)的。Prote199SE的印制電路板編輯器為用戶提供了一條快捷的設(shè)計(jì)印刷電路板的途徑，PCB編輯器通過它的交互性編輯環(huán)境達(dá)到了手動(dòng)設(shè)計(jì)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。通過對功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)法則的設(shè)置，可以有效的控制印制電路板的設(shè)計(jì)過程。對于特別復(fù)雜的、電腦難以自動(dòng)完成的布線工作，可以手動(dòng)完成。本課題的印制電路板的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與手工設(shè)計(jì)這兩種方法的綜合。概括的說，對于普通電路板的設(shè)計(jì)主要分為原理圖、網(wǎng)絡(luò)表和印刷板三個(gè)部分，具體流程如圖3-16所示:圖3-16 普通電路板設(shè)計(jì)三步驟具體過程如下:1.繪制電路板之前，要先定義電路板屬性，包括：定義電路板層數(shù)、電路板的外 形尺寸和形狀等；2.定義好線路板的屬性后，啟動(dòng)電路板編輯進(jìn)入電路板編輯環(huán)境。在此環(huán)境下，可 以根據(jù)個(gè)人的環(huán)境和喜好設(shè)置電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)和文檔參數(shù)；3.加載網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝；4.加載網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝后，在電路板中會(huì)出現(xiàn)元件封裝連接關(guān)系組成的一些凌亂的圖案，需要人工或自動(dòng)將元件放置到適當(dāng)?shù)奈恢茫?.在自動(dòng)布線前需要對布線規(guī)則進(jìn)行設(shè)定，包括設(shè)定導(dǎo)線間距、導(dǎo)線拐角、導(dǎo)線形式 、導(dǎo)線寬度等；6.設(shè)定好規(guī)格之后用Protel Advance Rote 99-Protel高級無網(wǎng)格布線器進(jìn)行自動(dòng)布線。Protle自動(dòng)布線功能很強(qiáng)，一般都可以100%的布通，不滿意的方面再進(jìn)行人工修改；7.將設(shè)計(jì)結(jié)果輸出以便加工。3.2.3.2 PCB元件布局的基本原則一個(gè)性能優(yōu)良的系統(tǒng)，除了選擇高質(zhì)量的元器件，合理的電路之外，印制線路板的組件布局和電器連接方向的正確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是決定系統(tǒng)能否可靠工作的一個(gè)關(guān)鍵問題，對于同一種組件和參數(shù)的電路，由于組件布局設(shè)計(jì)和電氣連接方向的不同會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，其結(jié)果可能存在很大的詫異。所以合理的PCB布局是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、電磁干擾、將來布線的方便性、美觀性等方面綜合考慮。PCB板元件布局的好壞將直接影響布線的效果和系統(tǒng)的可靠性，而期間的合理布局是布局中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，合理布局的原則主要有一下幾個(gè)原則：1.元件分布的整體性一塊PCB板不論大小，都能完成一定的功能，是一個(gè)特定的系統(tǒng)，因此再設(shè)計(jì)PCB時(shí)一定要注意布局的整體效果，有一個(gè)全盤的考慮設(shè)計(jì)。2.元件分布的獨(dú)立性和關(guān)聯(lián)性電路中的期間有很大的相關(guān)性和獨(dú)立性，在設(shè)計(jì)過程中，特別要考慮這些因素。在本系統(tǒng)中，元件布局時(shí)就將功能相關(guān)的元件放在一起，便于系統(tǒng)的調(diào)試。3.布局和布線的相互影響元件的布局對后面的布線有很大的影響，好的布局可以給后面的布線帶來很大的方便，節(jié)約了布線的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)在布線的工程中要不斷的修改元件的布局來保證布線的要求。4.元器件分布和藝術(shù)的美觀性PCB設(shè)計(jì)是一項(xiàng)科學(xué)性和實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，也是一門帶有藝術(shù)性的設(shè)計(jì)。一個(gè)產(chǎn)品的成功既要注重內(nèi)在質(zhì)量的可靠性，也要兼顧整體的美觀性。5.元器件布局的可安裝性和可焊接性元器件布局必須考慮元件的可安裝性和可焊接性，不要因?yàn)橐粋€(gè)小小的元件封裝問題給后來的工作帶來麻煩。6.元器件布局對系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的影響元器件的布局要有利于電路板和芯片的散熱。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，將功率元件放在了電路板的邊上，有利于散熱片的安裝。3.2.3.3 PCB的制作首先要導(dǎo)出適合生產(chǎn)廠家的PCB文件。對于支持PROTEL99SE格式的加工廠家，將這個(gè)文件導(dǎo)出為一個(gè)PCB 4.0格式的*. PCB文件，注意導(dǎo)出時(shí)不要打開該件，而是在文件夾中直接將該文件導(dǎo)出。對于支持PROTEL99格式的加工廠家，可將文件另存為PCB 3.0 格式的二進(jìn)制文件，然后做一次DRC，通過后不存盤退出，再在觀看文檔目錄情況下將這個(gè)文件導(dǎo)出為一個(gè)PCB3.0格式*.PC B文件。接著發(fā)Email或拷盤給加工廠家。通常要注明板子材料和厚度(做一般板子時(shí)厚度為1.6mm，特大型板可用2mm，射頻用微帶板等一般在0.8-1mm左右)。最后要焊接元件到PCB板。PCB板做好之后，就到把它焊接的階段了，由于電路板上注明了每個(gè)元件的具體參數(shù)，所以焊接的過程還是相對很簡單的，只要認(rèn)真仔細(xì)一點(diǎn)就可以。注意要先焊接“矮”器件，再焊接“高”器件。焊接場效應(yīng)管時(shí)注意焊接引腳的順序，最好是燒熱電烙鐵后將電烙鐵的電源切斷后再焊接，以免損壞場效應(yīng)管。主電路和驅(qū)動(dòng)電路的PCB圖如圖3-17、3-18所示。3D仿真圖分別如圖3-19、3-20所示。主電路、驅(qū)動(dòng)電路的整機(jī)原理圖和實(shí)物圖見附錄1、附錄2、附錄4和附錄5所示。圖3-17 主電路PCB圖圖3-18 驅(qū)動(dòng)電路PCB圖圖3-19 主電路3D仿真圖圖3-20 驅(qū)動(dòng)電路3D仿真圖3.3基于IGBT的主電路及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 考慮到以晶閘管為核心的逆變電路，在換向時(shí)電感產(chǎn)生較大的噪聲和干擾，由于受回路時(shí)間常數(shù)及晶閘管關(guān)斷時(shí)間限制，因而效率不高，且完成逆變需要兩組相關(guān)觸發(fā)信號。另外，控制電路采用模擬電路，可靠性不高，主回路與逆變電路僅采用電感起扼流作用，因而對元器件質(zhì)量要求相當(dāng)高，一旦負(fù)載發(fā)生短路，受反饋影響，往往使控制部分又產(chǎn)生新的故障點(diǎn)。控制電路由于其電路復(fù)雜，晶閘管承載能力差、反向耐壓低、性能不穩(wěn)定等諸多因素， X射線機(jī)使用中較易出現(xiàn)故障，晶閘管極易擊穿，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響X射線管的安全及使用壽命。在電路設(shè)計(jì)上，又不易高度集成化、模塊化，且很難實(shí)現(xiàn)微機(jī)智能化、控制模糊化，難以簡化電路設(shè)計(jì)、減少使用器件，達(dá)到減輕重量、縮小體積、易于攜帶的目的。因此，X射線探傷機(jī)在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用IGBT模塊對逆變電路進(jìn)行改進(jìn)。3.3.1IGBT的選擇IGBT本質(zhì)上是一個(gè)場效應(yīng)晶閘管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè)P型層。根據(jù)國際電工委員會(huì)IEC/TC（CO）1339文件建議，其各部分名稱基本上沿用場效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名方法。IGBT既具有功率MOSFET的高速開關(guān)及電壓驅(qū)動(dòng)特性，又具有雙極型晶體管的低飽和電壓特性極易實(shí)現(xiàn)較大電流的能力，是近年來電力電子領(lǐng)域中最令人注目及發(fā)展最快的一種器件。IGBT是將功率MOSFET和GTR集成在一個(gè)芯片上的復(fù)合器件。功率MOSFET是單機(jī)型電壓驅(qū)動(dòng)器件，它具有工作速度低、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好以及驅(qū)動(dòng)電路簡單等特點(diǎn)，但它的導(dǎo)通電阻較大，電流容量也較低；而GTO是雙極性電流驅(qū)動(dòng)器件，其阻斷電壓高，載流能力強(qiáng)，但工作速度較慢，驅(qū)動(dòng)電流大，控制電路較復(fù)雜。這兩類器件的缺點(diǎn)限制了它們的發(fā)展。目前出現(xiàn)了許多新型復(fù)合器件，如MOS雙極復(fù)合晶體管等。這些新型電力電子復(fù)合器件集合了單極型和雙極型器件各自的優(yōu)點(diǎn)。IGBT是少子器件，它不但具有非常好的導(dǎo)通特性，而且也具有功率MOSFET的許多特性，如容易驅(qū)動(dòng)、安全工作區(qū)寬峰值電流、堅(jiān)固耐用等。一般來講，IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSFET，但是IR公司新系列IGBT的開關(guān)特性非常接近功率MOSFET，而且導(dǎo)通特性也不受工作電壓的影響。由于IGBT內(nèi)部不存在反向二極管，應(yīng)用中可以靈活選用外接恢復(fù)二極管。這個(gè)特性是優(yōu)點(diǎn)還是缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)工作頻率、二極管的價(jià)格和電流容量等參數(shù)來衡量。3.3.1.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的形式和特點(diǎn)IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，根據(jù)電路隔離方式，IGBT驅(qū)動(dòng)器可分為兩大類，一類用光電耦合器，另一類用脈沖變壓器，兩者均可實(shí)現(xiàn)信號傳輸及電路隔離。在設(shè)計(jì)電路中具體選用那種驅(qū)動(dòng)器，這就要求設(shè)計(jì)者在清楚地了解各種驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行正確選擇，已達(dá)到較好的效果。通常，對于變頻器等輸出和輸入有直接聯(lián)系的設(shè)備，由于逆變器對地直接短路的危險(xiǎn)性比較大，而且IGBT關(guān)斷的等待時(shí)間比較長，故采用光耦隔離式驅(qū)動(dòng)器比較合適。而對于X射線探傷機(jī)，由于其采用的IGBT直接對地短路的可能型很小，因此只要能保證不發(fā)生逆變電路的橋臂直通現(xiàn)象，IGBT就不會(huì)受到過流威脅。3.3.1.2 IGBT逆變電路的特點(diǎn)采用IGBT組成的逆變電路只需一只IGBT和一路控制信號，就能完成逆變工作，因IGBT是由大功率晶體管GTR和場效應(yīng)MOS管復(fù)合而成，且有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)(MOS管的特性)，加之其本身是晶體管器件，開關(guān)損耗小、通斷快(IGBT的特性)，因而能使整機(jī)工作效率提高，且噪聲極小。IGBT逆變電路的另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是控制電路簡單、控制功能模塊集成化程度高、功能齊全，與晶閘管逆變電路相比，減少了電感和換向電容，因而整機(jī)重量大為減輕，并大大改善了X射線機(jī)整體性能、可靠性和智能性。3.3.1.3 IGBT的保護(hù)電路簡介電力電子裝置故障可分為結(jié)構(gòu)性故障和參數(shù)性故障。結(jié)構(gòu)性故障主要表現(xiàn)為由于功率器件的損壞造成主電路結(jié)構(gòu)改變；參數(shù)性故障主要表現(xiàn)為元件參數(shù)的偏移所造成的裝置特性嚴(yán)重偏移正常特性。IGBT的保護(hù)電路主要是針對結(jié)構(gòu)性故障而言。電力電子器件都有各自的電壓、電流、溫度等額定值，都有一定的安全運(yùn)行區(qū)，若超出了安全運(yùn)行區(qū)工作，器件就會(huì)遭到損壞。因此，在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合理的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dr保護(hù)也是必要的。在IGBT的使用過程中，導(dǎo)致器損壞的原因主要有兩個(gè)方面：1IGBT在高頻下工作，當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低，而線路電感電流不能突變，于是在IGBT集射極間感應(yīng)出較高的電壓值；當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，寄生電容通過IGBT放電，從而產(chǎn)生較大的浪涌電流；由于IGBT反并聯(lián)的續(xù)留二極管在換向結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載離子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會(huì)因線路電感而在IGBT兩端產(chǎn)生換向過電壓。這些因素都會(huì)造成芯片過熱，最終導(dǎo)致IGBT損壞。2由于負(fù)載短路引起流過IGBT集電極和發(fā)射極的電流異常增大，使柵極附近局部過熱而損壞。因此，對于IGBT的保護(hù)，主要包括IGBT過電流保護(hù)、IGBT過電壓保護(hù)和IGBT過熱保護(hù)等。1）IGBT過電流保護(hù)一般是檢測逆變橋輸入直流母線上的電流，當(dāng)該電流值超過設(shè)定值時(shí)，封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)信號；2）IGBT過壓保護(hù)一般采用RC吸收電路或RCD吸收電路。RC吸收電路接法是吸收電容Cs于電阻RS串聯(lián)后跨接在IGBT的C、E兩端就構(gòu)成了RC吸收電路。RCD吸收電路接法是在RC吸收電路的RS上并聯(lián)一只二極管Ds；3）IGBT過熱保護(hù)是利用溫度傳感器檢測IGBT的散熱器溫度，當(dāng)超過允許溫度時(shí)使主電路停止工作。3.3.1.4 IGBT的選擇FGA25N120ANTD 1200V是一種高性能的IGBT，其為NPT溝道，具有極佳的抗雪崩能力和經(jīng)優(yōu)化的開關(guān)和導(dǎo)通損耗性能權(quán)衡，能為逆變應(yīng)用提高系統(tǒng)可靠性和效率。與上一代器件相比，它的工作溫度可降低達(dá)10，因而能夠延長系統(tǒng)壽命。它能夠耐受最大450mJ的雪崩能量，確保在異常的雪崩模式情況下仍能進(jìn)行無故障運(yùn)作。FGA25N120ANTD圖形符號如圖3-19所示：圖3-21 FGA25N120ANTD圖形符號FGA25N120ANTD的其他特性包括：1、低飽和電壓(VCE(sat),typ=2.0V IC = 25A和TC=25C)以限制導(dǎo)通損耗；2、低開關(guān)損耗(Eoff,typ=0.96mJ IC = 25A和TC=25C)以減少系統(tǒng)功耗；3、內(nèi)置FRD (快速恢復(fù)二極管)以簡化電路設(shè)計(jì)和減少元件數(shù)。3.3.2主電路設(shè)計(jì)3.3.2.1整流功能模塊整流功能模塊是把220V交流電整流，再進(jìn)行LC濾波，輸出一個(gè)較平滑的直流電作為逆變電路的輸入電壓。并送到電壓反饋電路的輸入端。整流功能模塊原理圖如圖3-22所示：圖3-22 半控整流功能模塊原理圖3.3.2.2逆變功能模塊逆變功能模塊主要由IGBT及其外圍元件組成，電路如圖3-23所示：圖3-23 逆變功能模塊原理圖逆變功能模塊中，R9和C3組成RC緩沖電路，對IGBT有過壓保護(hù)的作用，與R3并聯(lián)的二極管D2為緩沖二極管，其使緩沖電阻的阻值增大，避開了開通時(shí)，IGBT功能受阻的問題。AR1為壓敏電阻，用于電路過壓時(shí)對IGBT過壓保護(hù)。R8是取樣電阻，用于把輸出電壓的取樣值反饋到控制電路進(jìn)行輸出電壓的調(diào)整。L1為高壓變壓器的初級繞組，由IGBT斬波后的脈動(dòng)電壓送到高壓變壓器進(jìn)行升壓，最后驅(qū)動(dòng)X射線管進(jìn)行探傷。3.3.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，最常用的是分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路和專用的混合集成驅(qū)動(dòng)電路。分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適用于低頻小功率驅(qū)動(dòng)；專用的混合集成驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)功能比較完善、可靠性和性能較高、驅(qū)動(dòng)頻率高、可驅(qū)動(dòng)電流容量較大的IGBT。在本設(shè)計(jì)中，IGBT工作時(shí)的最大電流在10A以下，工作頻率在500Hz以下，屬于低頻小功率驅(qū)動(dòng)。因此，選用了電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低的分立元件驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路中，TS01起隔離作用，VT1為中間級，VT2和VT3組成推挽輸出級。電路原路圖如圖3-24所示：圖3-24 驅(qū)動(dòng)電路原理圖IGBT正常開通過程和正常關(guān)斷過程為：（1）正常開通過程當(dāng)控制電路使TS01的1腳和2腳有電流流過時(shí)，光電耦合器TS01就會(huì)導(dǎo)通，A點(diǎn)電位迅速下降至0V，使VT1截止。VT1截止使D點(diǎn)電位上升至20V，VT2導(dǎo)通VT3截止，通過VT3及柵極