【導(dǎo)讀】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。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。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，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)。最后對(duì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程做了總結(jié)。無損探傷研究的背景與意義·······················································1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀·················································&#18

　　

【正文】 計(jì) 20 電路板設(shè)計(jì)與制作 對(duì)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。 的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)步驟 簡(jiǎn)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 2021 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)過程管理 (PDM)于一體?？赏暾麑?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(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(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，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 ，天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 具體流程 如 圖 316 所示 : 原 理 圖（ S C H ）網(wǎng) 絡(luò) 表（ N E T ）印 刷 板（ P B C ） 圖 316 普通電路板設(shè)計(jì)三步驟 具體過程如下 : ，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 ； Protel Advance Rote 99Protel 高級(jí)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 ； 。 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(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)全盤的考慮設(shè)計(jì)。 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 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。 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。 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。 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。 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) *.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 ，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(gè)元件的具體參數(shù)，所以焊接的過程還是相對(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 31 318 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 見附錄 附錄 附錄 4 和附錄 5所示 。 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 317 主電路 PCB圖 圖 318 驅(qū)動(dòng)電路 PCB圖 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 圖 319 主電路 3D仿真圖 圖 320 驅(qū)動(dòng)電路 3D仿真圖 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(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，受反饋影天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 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)。 的 選擇 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(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(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。 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(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)，天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 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： 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 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(duì)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(cè)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(hào) ； 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 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(cè) 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。 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(zhǎng)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(hào)如圖 319所示： CGE 圖 321 FGA25N120ANTD圖形符號(hào) 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(dǎo)通損耗； 低開關(guān)損耗 (Eoff,typ= @ IC = 25A 和 TC=25176。C )以減少系統(tǒng)功耗； 內(nèi)置 FRD (快速恢復(fù)二極管 )以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和減少元件數(shù)。 主電路設(shè)計(jì) 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 322 所示： 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(duì) 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(duì) 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(jí)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。 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天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 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(jiǎn)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)