【正文】 B3J P 1 ( 3 )J P 3 （ 1 ）J P 3 （ 5 ）J P 3 （ 3 ） 圖 38 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。 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。 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 。 電路如圖 310所示： W31KR 2 933KR 3 033KR 2 01 .5 KR 2 833KC 3 10 .1 u+ 1 2 V+ 1 2 V756284I C 3BL M 3 5 8 NR 1 61 .5 KR 1 71 .5 KC 2 93 3 0 0P12 34G 0 4 ( 1 )1234G 0 4 ( 2 )( 3 )( 5 )( 6 )( 4 )( 1 )( 2 )( 7 )( 8 )J P 1 （ 13 ）A DC 0 8 0 9 ( I N 7 )J P 3 （ 15 ）J P 3 （ 15 ） 圖 310 電壓 反饋 功能模塊 原理圖 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 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 R28R30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。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。 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。一旦 X 射線發(fā)生 過流和欠流，控制 電路將會發(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。 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。 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天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 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 。 電路如圖 312 所示： D7C 1 81 0 0 u / 1 6 VC 1 70 . 1 uC 1 60 . 1 uR73 . 3 KR6 1K+ 5 VJ P 2 （ 7 ）J P 2 （ 6 ）J P 2 （ 3 ）A D C 0 8 0 9 ( I N 5 )12 34G 0 1J P 2 ( 7 )J P 2 ( 3 )J P 2 ( 6 )J P 1 （ 15 ） 圖 312 溫度檢測 功能模塊 原理圖 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。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?輸出 200 伏，開關(guān) 1和 開關(guān) 2同時(shí)向下?lián)?為輸出 250 伏，開關(guān) 1 和 開關(guān) 2 同時(shí)向上撥 為輸出 300 伏。電壓等級選擇電路 如圖 313 所示 。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。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。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)。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。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?？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。 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。 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。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。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。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 高級無網(wǎng)格布線器進(jìn)行自動(dòng)布線 。 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 會產(chǎn)生不 同 的結(jié)果，其結(jié)果可能存在很大的詫異。 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)。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。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。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。 元器件的布局要有利于電路板和芯片的散熱。 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 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。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 )。 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。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。 3D 仿真圖分別如圖 31320 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。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)會直接影響 X 射線管的安全及使用壽命。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)。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(yīng)晶體管的相應(yīng)命名方法。 IGBT 是將功率 MOSFET 和 GTR 集成在一個(gè)芯片上的復(fù)合器件。這兩類器件的缺點(diǎn)限制了它們的發(fā)展。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)。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。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。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。而對于 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。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。 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，器件就會遭到損壞。 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，這樣的電流突變會因線路電感而在IGBT 兩端產(chǎn)生換向過電壓。 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。 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 ； 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。 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。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。 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 )以減少系統(tǒng)功耗； 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)。并送到電壓反饋電路的輸入端 。 AR1 為壓敏電阻 ，用于電路過壓時(shí)對 IGBT 過壓保護(hù) 。 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。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。因此，選用了電路結(jié)構(gòu)