【導讀】高，能滿足多種多樣的探傷要求，應用于幾乎所有的工業(yè)部門。晶閘管整流和逆變技術設計了X射線探傷機的主電路及其驅動電路。第二章介紹了X射線的產生與探傷的成像方法以及X射線探傷機。的種類、特點和基本結構。第三章描述了系統(tǒng)的總體設計思路，在該思路指導下，主電路及其驅動電路各個功能模塊的作用和工作原理，以及其硬件設計和實現(xiàn)。最后對本系統(tǒng)的設計過程做了總結。無損探傷研究的背景與意義·······················································1. 國內外研究現(xiàn)狀·····································································2. 本文的主要工作················&#

　　

【正文】 計系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)和文檔參數(shù)； ； ，在電路板中會出現(xiàn)元件封裝連接關系組成的一些凌亂的圖案，需要人工或自動將元件放置到適當?shù)奈恢茫? ，包括設定導線間距、導線拐角、導線形式 、導線寬度等； Protel Advance Rote 99Protel 高級無網 格布線器進行自動布線。 Protle 自動布線功能很強，一般都可以 100%的布通，不滿意的方面再進行人工修改； 。 PCB 元件布局的基本原則 一個性能優(yōu)良的系統(tǒng)，除了選擇高質量的元器件，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構設計也是決定系統(tǒng)能否可靠工作的一個關鍵問題，對于同一種組件和參數(shù)的電路，由于組件布局設計和電氣連接方向的不同會產生不同的結果，其結果可能存在很大的詫異。所以合理的 PCB 布局是一個關鍵的環(huán)節(jié)，應當從機械結構、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環(huán)節(jié)，合理布局的原則主要有一下幾個原則： 一塊 PCB板不論大小，都能完成一定的功能，是一個特定的系統(tǒng)，因此再設計PCB 時一定要注意布局的整體效果，有一個全盤的考慮設計。 22 電路中的期間有很大的相關性和獨立性，在設計過程中，特別要考慮這些因素。在本系統(tǒng)中，元件布局時就將功能相關的元件放在一起，便于系統(tǒng)的調試。 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)約了布線的時間，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時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。 PCB 設計是一項科學性和實踐性很強的工作，也是一門帶有藝術性的設計。一個產品的成功既要注重內在質量的可靠性，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，不要因為一個小小的元件封裝問題給后來的工作帶來麻煩。 元器 件的布局要有利于電路板和芯片的散熱。本系統(tǒng)在設計時，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 首先要導出適合生產廠家的 PCB 文件。對于支持 PROTEL99SE 格式的加工廠家，將這個文件導出為一個 PCB 格式的 *. PCB 文件，注意導出時不要打開該件，而是在文件夾中直接將該文件導出。對于支持 PROTEL99 格式的加工廠家，可將文件另存為 PCB 格式的二進制文件，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文件導出為一個 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 (做一般板子時厚度為 ，特大型板可用 2mm，射頻用微帶板等一般在 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，只要認真仔細一點就可以。注意要先焊接“矮”器件，再焊接“高”器件。焊接場效應管時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，以免損壞場效應管。 主電路和驅動電路的 PCB 圖如圖 31 318 所示。 3D 仿真圖分別如圖 31320 所示。主電路、驅動電路的整機原理圖和實物圖見附錄 附錄 附錄 4 和附錄 5所示。 23 圖 317 主電路 PCB圖 圖 318 驅動電路 PCB圖 24 圖 319 主電路 3D仿真圖 圖 320 驅動電路 3D仿真圖 基于 IGBT 的主電路及其驅動電路的設計 考慮到以晶閘管為核心的逆變電路，在換向時電感產生較大的噪聲和干擾，由于受回路時間常數(shù)及晶閘管關斷時間限制，因而效率不高，且 完成逆變需要兩組相關觸發(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，因而對元器件質量要求相當高，一旦負載發(fā)生短路，受反饋影 25 響，往往使控制部分又產生新的故障點?？刂齐娐酚捎谄潆娐窂碗s，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 射線機使用中較易出現(xiàn)故障，晶閘管極易擊穿，嚴重時會直接影響 X 射線管的安全及使用壽命。在電路設計上，又不易高度集成化、模塊化，且很難實現(xiàn)微機智能化、控制模糊化，難以簡化電路設計、減少使用器件，達到減輕重量、縮小體積、易于攜帶的目的。因此 ， X 射線探傷機在原系統(tǒng)的基礎上，采用 IGBT 模塊對逆變電路進行改進。 的選擇 IGBT 本質上是一個場效應晶閘管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個 P型層。根據(jù)國際電工委員會 IEC/TC（ CO） 1339 文件建議，其各部分名稱基本上沿用場效應晶體管的相應命名方法。 IGBT 既具有功率 MOSFET 的高速開關及電壓驅動特性，又具有雙極型晶體管的低飽和電壓特性極易實現(xiàn)較大電流的能力，是近年來電力電子領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 集成在一個芯片上的復合器件。功率 MOSFET 是單機型電壓驅動器件，它具有工作速度低、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好以及驅動電路簡單等特點，但它的導通電阻較大，電流容量也較低；而 GTO 是雙極性電流驅動器件，其阻斷電壓高，載流能力強，但工作速度較慢，驅動電流大，控制電路較復雜。這兩類器件的缺點限制了它們的發(fā)展。目前出現(xiàn)了許多新型復合器件，如 MOS 雙極復合晶體管等。這些新型電力電子復合器件集合了單極型和雙極型器件各自的優(yōu)點。 IGBT 是少子器件，它不但具有非常好的導通特性，而且也具有功率 MOSFET 的許多特性，如容易驅動、安全工作區(qū)寬峰值電流、堅固耐用等 。一般來講， IGBT 的開關速度低于功率 MOSFET，但是 IR 公司新系列 IGBT 的開關特性非常接近功率MOSFET，而且導通特性也不受工作電壓的影響。由于 IGBT 內部不存在反向二極管，應用中可以靈活選用外接恢復二極管。這個特性是優(yōu)點還是缺點，應根據(jù)工作頻率、二極管的價格和電流容量等參數(shù)來衡量。 IGBT 驅動電路的形式和特點 IGBT 是電壓驅動型器件，根據(jù)電路隔離方式， IGBT 驅動器可分為兩大類，一類用光電耦合器，另一類用脈沖變壓器，兩者均可實現(xiàn)信號傳輸及電路隔離。在設計電路中具體選用那種驅動器 ，這就要求設計者在清楚地了解各種驅動器的特點的基礎上，根據(jù)實際需要進行正確選擇，已達到較好的效果。通常，對于變頻器等輸出和輸入有直接聯(lián)系的設備，由于逆變器對地直接短路的危險性比較大，而且 IGBT關斷的等待時間比較長，故采用光耦隔離式驅動器比較合適。而對于 X射線探傷機， 26 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 就不會受到過流威脅。 IGBT 逆變電路的特點 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 MOS 管復合而成，且有電壓控制、輸入阻抗大、驅動功率小等特點 (MOS管的特性 )，加之其本身是晶體管器件，開關損耗小、通斷快 (IGBT 的特性 )，因而能使整機工作效率提高，且噪聲極小。 IGBT 逆變電路的另外一個顯著特點是控制電路簡單、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，因而整機重量大為減輕，并大大改善了 X射線機整體性能、可靠性和智能性。 IGBT 的保護電路簡介 電力電子裝置故障可分為結構性故障和參數(shù)性故障。結構性故障主要 表現(xiàn)為由于功率器件的損壞造成主電路結構改變；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重偏移正常特性。 IGBT 的保護電路主要是針對結構性故障而言。 電力電子器件都有各自的電壓、電流、溫度等額定值，都有一定的安全運行區(qū)，若超出了安全運行區(qū)工作，器件就會遭到損壞。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，驅動電路設計良好外，采用合理的過電壓保護、過電流保護、 du/dt 保護和 di/dr 保護也是必要的。 在 IGBT 的使用過程中，導致器損壞的原因主要有兩個方面： 1． IGBT 在高頻下工作，當其關 斷時，正向電流迅速降低，而線路電感電流不能突變，于是在 IGBT 集－射極間感應出較高的電壓值；當 IGBT 導通時，寄生電容通過 IGBT 放電，從而產生較大的浪涌電流；由于 IGBT 反并聯(lián)的續(xù)留二極管在換向結束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載離子恢復，而當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在IGBT 兩端產生換向過電壓。這些因素都會造成芯片過熱，最終導致 IGBT 損壞。 2．由于負載短路引起流過 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，主要包括 IGBT 過電流保護、 IGBT 過電壓保護和 IGBT過熱保護等。 1） IGBT 過電流保護一般是檢測逆變橋輸入直流母線上的電流，當該電流值超過設定值時，封鎖 IGBT 的驅動信號； 27 2） IGBT 過壓保護一般采用 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 過熱保護是利用溫度傳感器檢測 IGBT 的散熱器溫度，當超過允許溫度時使主電路停止工 作。 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優(yōu)化的開關和導通損耗性能權衡，能為 逆變 應用提高系統(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 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行無故障運作。 FGA25N120ANTD 圖形符號如圖 319 所示： CGE 圖 321 FGA25N120ANTD圖形符號 FGA25N120ANTD 的其他特性包括： 低飽和電壓 (VCE(sat),typ= @ IC = 25A 和 TC=25176。C) 以限制導通損耗； 低開關損耗 (Eoff,typ= @ IC = 25A 和 TC=25176。C) 以減少系統(tǒng)功耗； 內置 FRD (快速恢復二極管 )以簡化電路設計和減少元件數(shù)。 主電路設計 整流功能模塊 整流功能模塊是把 220V 交流電整流，再進行 LC 濾波，輸出一個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 322 所示： 28 C 3 8 C 3 9C 3 7C 3 51 0 0 0 u / 4 5 0 V 5C 3 6D5D4L1R35 .1 KF U 1V1 V2VDR1 0 0 3 9 1 KC2224KV C CNSA2 （ 1 ）A2 （ 3 ）A2 （ 2 ）J P 5J P 4D3 圖 322 半控整流功 能模塊原理圖 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 323 所示： V T 4CGER6R7D2 C2L1J P 4＋ 12VR8D3R9C3D4D5R 1 0V C CA R 3 圖 323 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， IGBT功能受阻的問題。 AR1 為壓敏電阻 ，用于電路過壓時對 IGBT 過壓保護。 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行輸出電壓的調整。 L1 為高壓變壓器的初級繞組，由 IGBT 斬波后的脈動電壓送到高壓變壓 器進行升壓，最后驅動 X射線管進行探傷。 驅動電路的設計 IGBT 驅動電路設計中，最常用的是分立元件構成的驅動電路和專用的混合集成 29 驅動電路。分立元件構成的驅動電路結構簡單，成本低，適用于低頻小功率驅動；專用的混合集成驅動電路保護功能比較完善、可靠性和性能較高、驅動頻率高、可驅動電流容量較大的 IGBT。 在本設計中， IGBT 工作時的最大電流在 10A 以下，工作頻率在 500Hz 以下，屬于低頻小功率驅動。因此，選用了電路結構簡單，成本較低的分立元件驅動電路。 驅動電路中， 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 324 所示： V T 4CGET S 0 1R1R2R3R4 R6R7V T 3V T 2V T 1D1Z D 2＋ 12V＋ 20VJ P 2R5C1 C2L1J P 1A D C 圖 324 驅動電路原理圖 IGBT 正常開通過程和正常關斷過程為： （ 1）正常開通過程 當控制電路使 TS01 的 1 腳和 2腳有電流流過時，光電耦合器 TS01 就會導通，A 點電位迅速下降至 0V，使 VT1 截止。 VT1 截止使 D 點電位上升至 20V， VT2 導通VT3 截止，通過 VT3 及柵極電阻 R7 向 IGBT 提供電流，使之迅速導通。 （ 2）正常關斷過程 當控制電路使 TS01 的 1 腳和 2腳無電流流過時，光電耦合器 TS01 不通， A點電位上升，使 VT1 導通。 VT1 導通 使 VT2 截止 VT3 導通， IGBT 柵極電荷通過 VT3迅速放電，使 C點電位迅速下降至 0V，使 IGBT 可靠關斷， UCE迅速上升， IGBT 正常關斷。 其中， 5V電壓基準單元由 R ZD2 和 C2 組成。它為驅動 IGBT 提供 5V反偏壓，使 IGBT 更加可靠關斷。 基于 IGBT 的主電路及其驅動電路的整機原理圖見附錄 3所示。 30 4 實驗及結果分析 整流輸出曲線分析 在測試過程中，為了分析系統(tǒng)輸出電壓的線性度，分別對整流功能模塊各典型輸出電壓及其對用的觸發(fā)相位 作了記錄。在電壓等級選擇功能模塊中可改變數(shù)碼開關的狀態(tài)得到整流功能模塊不同的輸出電壓范圍。 200 檔、 250 檔各典型電壓及其觸發(fā)相位如表 41和表 42所示： 表 41 200檔型電壓及其觸發(fā)相位 觸發(fā)時間（單位 :ms） 輸出電壓（單位 :V） 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 表 42 250檔型電壓及其觸發(fā)相位 觸發(fā) 時間（單位 :ms） 輸出電壓（單位 :V） 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 31 為了方便觀察和分析，采用了 MATLAB 對整流功能模塊電壓及其觸發(fā)相位進行曲線擬合， 200 檔電壓及其觸發(fā)相位曲線如圖 41所示， 250 檔電壓及其觸發(fā)相位曲線如圖 42 所示： 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 2006 . 46 . 66 . 877 . 27 . 47 . 67 . 88電壓 ( V )時間(ms) 圖 41 200檔電壓及其觸發(fā)相位曲線圖 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 2506 . 46 . 66 . 877 . 27 . 47 . 67 . 88電壓 ( V )時間(ms) 圖 42 250檔電壓及其觸發(fā)相位曲線圖 32 典型問題的解決 在 X 射線探傷機調試和調試的過程中，曾經遇到一些故障和問題，而且有些問題曾經多