【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 熱而損壞。其工作原理是：X射線管工作時(shí)的溫度信號(hào)通過(guò)航空頭的第6腳反饋到溫度檢測(cè)功能模塊輸入端，溫度電壓信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離變換信號(hào)后送至控制電路，并通過(guò)反饋電壓的數(shù)值判斷X射線管是否超過(guò)設(shè)定的溫度值。若超過(guò)設(shè)定的溫度控制電路將發(fā)出控制信號(hào)切斷高壓，使脈沖變壓B3停止工作達(dá)到保護(hù)Ｘ光管的目的。電路如圖312所示：圖312 溫度檢測(cè)功能模塊原理圖電壓等級(jí)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(hào)，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(guò)改變一個(gè)雙位數(shù)碼開(kāi)關(guān)的檔位來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)碼開(kāi)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(kāi)關(guān)1向上撥、開(kāi)關(guān)2向下?lián)艽磔敵?00伏，開(kāi)關(guān)1和開(kāi)關(guān)2同時(shí)向下?lián)転檩敵?50伏，開(kāi)關(guān)1和開(kāi)關(guān)2同時(shí)向上撥為輸出300伏。數(shù)碼開(kāi)關(guān)各種狀態(tài)的含義如表32所示。電壓等級(jí)選擇電路如圖313所示。表32 電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)的含義開(kāi)關(guān)1狀態(tài)開(kāi)關(guān)2狀態(tài)輸出電壓范圍（KV）上撥下?lián)?00~200下?lián)芟聯(lián)?50~250上撥上撥170~300圖313 電壓等級(jí)選擇功能模塊原理圖揚(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(guò)壓、過(guò)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(guò)來(lái)的報(bào)警信號(hào)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314所示：圖314 揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊原理圖電源穩(wěn)壓功能模塊主要由兩個(gè)通道組成，其電路圖如圖315所示：圖315 電源功能模塊原理圖電源功能模塊中，通道一是對(duì)變壓器二次測(cè)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(duì)變壓器二次測(cè)的交流電壓進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓后對(duì)各芯片進(jìn)行供電。對(duì)于研發(fā)高電壓精密儀器來(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)強(qiáng)大的電路板設(shè)計(jì)軟件Protel99SE來(lái)完成的。下面介紹一下設(shè)計(jì)印制電路辦的過(guò)程和在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。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(lái)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(lèi)軟件的杰出代表。Protel99SE是Protel公司2000年推出的基于Windows平臺(tái)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(guò)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(guò)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(kāi)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(hào)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(guò)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(guò)對(duì)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(guò)程。對(duì)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(shuō)，對(duì)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316所示:圖316 普通電路板設(shè)計(jì)三步驟具體過(guò)程如下:，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；，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)；；，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?；，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； Advance Rote 99Protel高級(jí)無(wú)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；。 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(wèn)題，對(duì)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(lái)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：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(pán)的考慮設(shè)計(jì)。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(guò)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。元件的布局對(duì)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(lái)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(lái)保證布線的要求。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(mén)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。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(wèn)題給后來(lái)的工作帶來(lái)麻煩。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。 PCB的制作首先要導(dǎo)出適合生產(chǎn)廠家的PCB文件。對(duì)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 *. PCB文件，注意導(dǎo)出時(shí)不要打開(kāi)該件，而是在文件夾中直接將該文件導(dǎo)出。對(duì)于支持PROTEL99格式的加工廠家，可將文件另存為PCB 格式的二進(jìn)制文件，然后做一次DRC，通過(guò)后不存盤(pán)退出，*.PC B文件。接著發(fā)Email或拷盤(pán)給加工廠家。通常要注明板子材料和厚度(，特大型板可用2mm，)。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(guò)程還是相對(duì)很簡(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管。主電路和驅(qū)動(dòng)電路的PCB圖如圖31318所示。3D仿真圖分別如圖31320所示。主電路、驅(qū)動(dòng)電路的整機(jī)原理圖和實(shí)物圖見(jiàn)附錄附錄附錄4和附錄5所示。圖317 主電路PCB圖圖318 驅(qū)動(dòng)電路PCB圖圖319 主電路3D仿真圖圖320 驅(qū)動(dòng)電路3D仿真圖 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(hào)。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(duì)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)?？刂齐娐酚捎谄潆娐窂?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(jiǎn)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(duì)逆變電路進(jìn)行改進(jìn)。IGBT本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)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(guó)際電工委員會(huì)IEC/TC（CO）1339文件建議，其各部分名稱(chēng)基本上沿用場(chǎng)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(kāi)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(lái)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(jiǎn)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(lèi)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(lái)講，IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于功率MOSFET，但是IR公司新系列IGBT的開(kāi)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(lái)衡量。 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(lèi)，一類(lèi)用光電耦合器，另一類(lèi)用脈沖變壓器，兩者均可實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，故采用光耦隔離式驅(qū)動(dòng)器比較合適。而對(duì)于X射線探傷機(jī)，由于其采用的IGBT直接對(duì)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(guò)流威脅。 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(hào)，就能完成逆變工作，因IGBT是由大功率晶體管GTR和場(chǎng)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(kāi)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(jiǎn)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。 IGBT的保護(hù)電路簡(jiǎn)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(duì)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(guò)電壓保護(hù)、過(guò)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(guò)程中，導(dǎo)致器損壞的原因主要有兩個(gè)方面：1．IGBT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(guò)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(guò)，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(guò)電壓。這些因素都會(huì)造成芯片過(guò)熱，最終導(dǎo)致IGBT損壞。2．由于負(fù)載短路引起流過(guò)IGBT集電極和發(fā)射極的電流異常增大，使柵極附近局部過(guò)熱而損壞。因此，對(duì)于IGBT的保護(hù)，主要包括IGBT過(guò)電流保護(hù)、IGBT過(guò)電壓保護(hù)和IGBT過(guò)熱保護(hù)等。1）IGBT過(guò)電流保護(hù)一般是檢測(cè)逆變橋輸入直流母線上的電流，當(dāng)該電流值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；2）IGBT過(guò)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(guò)熱保護(hù)是利用溫度傳感器檢測(cè)IGBT的散熱器溫度，當(dāng)超過(guò)允許溫度時(shí)使主電路停止工作。 IGBT的選擇FGA25N120ANTD 1200V是一種高