用于x射线发生器的逆变驱动电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于X射线发生器的逆变驱动电路，由逆变电路和四个结构相同的驱动模块构成，每一驱动模块都由三部分组成：变压器，为脉冲发生器、高速光电耦合器、功率放大电路提供电源，同时提供一个中心轴头S作为零点参考值，确保每一个场效应管的栅极与源极之间具有稳定的电压，变压器还起到电气隔离的作用，保证了整个系统的稳定；光耦电路，对脉冲发生器和逆变电路进行光电隔离，光耦电路使驱动波形上的畸变无法对脉冲发生器造成影响，从而保证逆变电路和控制电路互不干扰并稳定工作；功率放大电路，为使场效应管开关更加迅速，在保持电压不变的情况下增加逆变驱动电路上的瞬间驱动电流，从而对逆变电路的场效应管上的极间电容进行快速充放电。
【专利说明】用于X射线发生器的逆变驱动电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种逆变电路，尤其涉及一种用于X射线发生器的逆变驱动电路。
【背景技术】
[0002]驱动电路是控制电路和主电路的接口，驱动电路的作用是将控制电路输出信号隔离并放大以驱动功率器件，驱动电路需要有很高的快速性，同时又与整个X射线发生器的可靠性、效率等密切相关。因此，驱动电路不仅能够提供一定的驱动功率，而且需要具有较高的抗干扰和隔离噪声的能力。
[0003]便携式X射线发生器是一种体型小巧，以电池为供电电源的轻型化可移动的X射线发生装置。在X射线发生器中，直流电源经过逆变电路逆变后，进入升压变压器进行第一级的升压，升压变压器次边与倍压板连接进行第二次升压，电压经过这两级的升压电路后得到所需的高压。在X射线发生器正常工作过程中，倍压板由高压二极管和高压电容构成，在特性上显容性。根据电路原理可知，相同容值的电容，在不同的端电压下存储的能量符合以下关系，
[0004]J=CU2/2(I)
[0005]由公式(I)可知，同一电容容值，不同端电压，电容存储能量与端电压的平方成正t匕。根据上述关系可知，升压变压器次边与倍压板连接，在X射线发生装置曝光初始阶段，倍压板上的电容在瞬间要存储的能量为J=CU2/2，而电压U为升压变压器次边电压。所以，在曝光初始的前几个毫秒内需要很大的能量来满足倍压板上高压电容的储能需要。由理想变压器可知，原边电流I1和次边电流12之间的关系为
[0006]IfnX I2(2)
[0007]Ii=U2AJ1(3)
[0008]由(2)、(3)式可知
[0009]I1=I2X U2AJ1(4)
[0010]U2、U1为理想变压器的次边电压和原边电压。
[0011]升压变压器的匝比n=U2/Uj@对较大，所以在X射线发生装置曝光初始阶段，在逆变电路和升压变压器的原边上产生了很大的电流冲击，而瞬间的大的电流冲击对逆变电路的稳定性构成了很大的威胁，同时造成升压变压器运行环境恶化，甚至使升压变压器出现磁饱和。如何在大的电流冲击下维持逆变电路稳定运行，这对逆变驱动电路提出了更高的要求。因为逆变驱动电路的优劣，直接决定了逆变电路运行质量的好坏。
[0012]目前驱动电路一般采用变压器隔离驱动或高压集成电路驱动两种方式。变压器隔离驱动，结构简单、成本低，隔离电压能达到很高，传输延时小，驱动频率高，但是占空比发生变化时，驱动脉冲幅值也相应发生变化，占空比超过50%时，其驱动脉冲幅值可能会超出场效应管门极驱动电压安全范围，这时采用变压器隔离驱动就不合适了。而高压集成电路驱动，它采用高速光耦合器作为隔离传输信号器件，隔离后的驱动电源采用“电荷泵”的方式，但是该驱动成本高，外围电路复杂，可靠性也存在一定问题。
【发明内容】
[0013]本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于X射线发生器的逆变驱动电路，这种用于X射线发生器的逆变驱动电路的外围电路更加简化，而且有效降低了外围电路与驱动电路之间的相互干扰，避免驱动电压随着占空比的变化而幅值发生改变，提高了稳定性和可靠性。采用的技术方案如下:
[0014]用于X射线发生器的逆变驱动电路，包括逆变电路和驱动电路，逆变电路包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4，场效应管Ql的源极与场效应管Q3的漏极电连接，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极电连接，其特征是:所述驱动电路包括第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块；第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块均包括变压器、脉冲发生器、高速光电耦合器和功率放大电路，变压器具有两个输入端L1、L2、正输出端M、负输出端N和中心轴头S，脉冲发生器、高速光电I禹合器、功率放大电路的电源输入端分别与变压器的正输出端M、负输出端N电连接，高速光电耦合器的接地端通过接地电阻RlOO接地，高速光电耦合器的信号输入端与脉冲发生器的信号输出端电连接，高速光电耦合器的信号输出端与功率放大电路的信号输入端电连接；第一驱动模块的功率放大电路的信号输出端G与所述场效应管Ql的栅极电连接，第一驱动模块的变压器的中心轴头S与场效应管Ql的源极电连接；第二驱动模块的功率放大电路的信号输出端G与所述场效应管Q2的栅极电连接，第二驱动模块的变压器的中心轴头S与场效应管Q2的源极电连接；第三驱动模块的功率放大电路的信号输出端G与所述场效应管Q3的栅极电连接，第三驱动模块的变压器的中心轴头S与场效应管Q3的源极电连接；第四驱动模块的功率放大电路的信号输出端G与所述场效应管Q4的栅极电连接，第四驱动模块的变压器的中心轴头S与场效应管Q4的源极电连接。
[0015]上述变压器一般包括初级线圈、次级线圈和铁芯，在初级线圈两端的引出线作为两个输入端L1、L2，在次级线圈两端的引出线分别作为正输出端M、负输出端N，在次级线圈中间的引出线作为中心轴头S，变压器属于现有技术，在这里不再详述。
[0016]上述功率放大电路在保持电压不变的情况下将输入的电流信号进行放大并输出，功率放大电路属于现有技术，在这里不再详述。
[0017]本逆变驱动电路由逆变电路和结构相同的第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块组成，每一驱动模块分别逆变电路的任一场效应管(即是驱动逆变电路任一桥臂的上半桥臂或者下半桥臂)，四个驱动模块相互独立，互不干扰。每一驱动模块都由三部分组成:第一部分为变压器，是逆变驱动电路的电源部分，变压器为脉冲发生器、高速光电稱合器、功率放大电路提供±15V的电源电压，同时提供一个中心轴头S作为零点参考值，±15V是相对于零点参考值来说的，确保每一个场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)的栅极与源极之间具有稳定的15V电压，变压器还起到电气隔离的作用，即隔离外围电路对逆变驱动电路的干扰，同时又隔离逆变驱动电路在工作中对外围电路的扰动，保证了整个系统的稳定；第二部分为光耦电路，对脉冲发生器和逆变电路进行光电隔离，逆变电路的场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)在开关的过程中由于其寄生电感和电容的存在必然产生相应的电压或电流干扰脉动，造成驱动波形畸变，光耦电路使驱动波形上的畸变无法对脉冲发生器造成影响，从而保证逆变电路和控制电路互不干扰并稳定工作；第三部分为功率放大电路，为使场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)开关更加迅速，在保持电压不变的情况下增加逆变驱动电路上的瞬间驱动电流，从而对逆变电路的场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)上的极间电容进行快速充放电。
[0018]随着场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)开关频率的增加，场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)的开关损耗随之增加。在逆变电路稳定运行时，场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)的功率损耗大部分是在场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)开关过程中造成的，所以提高场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)的开关速度对于降低场效应管损耗至关重要。本逆变驱动电路的设计思路是在保证逆变电路稳定运行的同时，满足场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)能够迅速实现开通或关断，即驱动电路的输出瞬时功率要足够大，同时还满足驱动电路、逆变电路与控制电路之间的隔离，使二者之间相互的干扰降低到最小。为了降低场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)开关损耗，本逆变驱动电路设计从两个方面入手:首先，驱动电路的输出部分为功率放大电路，在保持驱动电压不变的情况下，驱动输出电流瞬时可以达到最大值，该电流可以充分满足逆变电路场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)开关需要，缩短场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)极间电容的充电时间，提高场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)开关速度；其次，驱动电路提供±15V的驱动电压，±15V分别加在场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)的栅极与源极之间，-15V驱动电压的设置能够缩短场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)关断时间和提闻关断可罪性。
[0019]从上面分析可见，本逆变驱动电路既具有电气隔离的优点，又使用了高速光电耦合器使控制信号与驱动信号进行光电隔离，从而有效降低了外围电路与驱动电路之间的相互干扰；由于变压器中心轴头S的设置，从而满足宽电压输入，± 15V恒定输出，驱动电压恒定为±15V，避免驱动电压随着占空比的变化而幅值发生改变；逆变驱动电路使用同一个电压源，这样能够有效简化外围电路，增加电路可靠性。
[0020]作为本实用新型的优选方案，所述第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块都还包括RC电路，RC电路包括电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、电阻R200和电阻R300，电容Cl、电容C2的容量大于电容C3、电容C4的容量；电容Cl、电容C3、电阻R200的两端分别与所述正输出端M和中心轴头S电连接；电容C2、电容C4、电阻R300的两端分别与所述负输出端N和中心轴头S电连接。RC电路设置在正输出端M、负输出端N(±15V)与中心轴头S之间，用于吸收场效应管在开关过程中寄生电感和寄生电容上产生的电压或电流扰动，同时确保正输出端、负输出端维持±15V的稳定电压,为场效应管开通时提供驱动电流支持和抑制门极寄生电感产生的电压扰动；其中，RC电路中的容量较大的电容Cl、C2为场效应管开通提供补偿电流，缩短了场效应管开通时间，减小了场效应管开通损耗；由X射线发生器的工作特点决定，在曝光初期高压发生器主电路上有很大的电流冲击，RC电路中的容量较大的电容Cl、C2起到虑去低频波的作用，能够很好的减缓电流冲击对逆变电路运行时的影响，并保持逆变电路稳定运行；RC电路中容量较小的电容C3、C4起到过滤高频波的作用，进一步并保持逆变电路稳定运行；逆变驱动电路共分为四路，每一路均相互独立，互不干扰，并且，每一路都有的门极均链接有RC电路，进一步确保场效应管稳定高效的开通，极大地降低逆变驱动电路同一桥臂上下场效应管同时开通所造成的短路事故。
[0021]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点:
[0022]本逆变驱动电路既具有电气隔离的优点，又使用了高速光电耦合器使控制信号与驱动信号进行光电隔离，从而有效降低了外围电路与驱动电路之间的相互干扰；由于变压器中心轴头S的设置,从而满足宽电压输入，±15V恒定输出，驱动电压恒定为±15V,避免驱动电压随着占空比的变化而幅值发生改变；逆变驱动电路使用同一个电压源，这样能够有效简化外围电路，增加电路可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本实用新型优选实施方式的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和本实用新型的优选实施方式做进一步的说明。
[0025]如图1所示，这种用于X射线发生器的逆变驱动电路，包括逆变电路I和驱动电路2，逆变电路I包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4，场效应管Ql的源极与场效应管Q3的漏极电连接，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极电连接；驱动电路2包括第一驱动模块201、第二驱动模块202、第三驱动模块203和第四驱动模块204 ;第一驱动模块201、第二驱动模块202、第三驱动模块203和第四驱动模块204均包括变压器2011、脉冲发生器2012、高速光电耦合器2013、功率放大电路2014和RC电路2015，变压器2011具有两个输入端L1、L2、正输出端M、负输出端N和中心轴头S，脉冲发生器2012、高速光电耦合器2013、功率放大电路2014的电源输入端分别与变压器2011的正输出端M、负输出端N电连接，高速光电耦合器的接地端通过接地电阻RlOO接地，高速光电耦合器2013的信号输入端与脉冲发生器2012的信号输出端电连接，高速光电I禹合器2013的信号输出端与功率放大电路2014的信号输入端电连接；第一驱动模块201的功率放大电路2014的信号输出端G与场效应管Ql的栅极电连接，第一驱动模块201的变压器2011的中心轴头S与场效应管Ql的源极电连接；第二驱动模块202的功率放大电路2014的信号输出端G与场效应管Q2的栅极电连接，第二驱动模块202的变压器2011的中心轴头S与场效应管Q2的源极电连接；第三驱动模块203的功率放大电路2014的信号输出端G3与场效应管Q3的栅极电连接，第三驱动模块203的变压器2011的中心轴头S与场效应管Q3的源极电连接；第四驱动模块204的功率放大电路2014的信号输出端G与场效应管Q4的栅极电连接，第四驱动模块204的变压器2011的中心轴头S与场效应管Q4的源极电连接；RC电路2015包括电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、电阻R200和电阻R300，电容Cl、电容C2的容量大于电容C3、电容C4的容量；电容Cl、电容C3、电阻R200的两端分别与正输出端M和中心轴头S电连接；电容C2、电容C4、电阻R300的两端分别与负输出端N和中心轴头S电连接。
[0026]这种用于X射线发生器的逆变驱动电路在应用时，负载3 (X射线发生器)的一端连接在场效应管Ql的源极与场效应管Q3的栅极之间，负载3 (X射线发生器)的一端连接在场效应管Q2的源极与场效应管Q4的栅极之间。
[0027]上述变压器2011 —般包括初级线圈、次级线圈和铁芯，在初级线圈两端的引出线作为两个输入端L1、L2，在次级线圈两端的引出线分别作为正输出端M、负输出端N，在次级线圈中间的引出线作为中心轴头S。
[0028]上述功率放大电路2014在保持电压不变的情况下将输入的电流信号进行放大并输出。
[0029]本实用新型的实现原理和技术效果如下:
[0030]本逆变驱动电路由逆变电路和结构相同的第一驱动模块201、第二驱动模块202、第三驱动模块203和第四驱动模块204组成，每一驱动模块分别逆变电路的任一场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)(即是驱动逆变电路任一桥臂的上半桥臂或者下半桥臂)，四个驱动模块相互独立，互不干扰。每一驱动模块都由三部分组成:第一部分为变压器2011，是逆变驱动电路的电源部分，变压器2011为脉冲发生器2012、高速光电耦合器2013、功率放大电路2014提供±15V的电源电压，同时提供一个中心轴头S作为零点参考值，±15V是相对于零点参考值来说的，确保每一个场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)的栅极与源极之间具有稳定的15V电压，变压器2011还起到电气隔离的作用，即隔离外围电路对逆变驱动电路的干扰，同时又隔离逆变驱动电路在工作中对外围电路的扰动，保证了整个系统的稳定；第二部分为光耦电路，对脉冲发生器2012和逆变电路I进行光电隔离，逆变电路I的场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)在开关的过程中由于其寄生电感和电容的存在必然产生相应的电压或电流干扰脉动，造成驱动波形畸变，光耦电路使驱动波形上的畸变无法对脉冲发生器2012造成影响，从而保证逆变电路I和控制电路互不干扰并稳定工作；第三部分为功率放大电路，为使场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)开关更加迅速，在保持电压不变的情况下增加逆变驱动电路上的瞬间驱动电流，从而对逆变电路的场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)上的极间电容进行快速充放电。
[0031]另外，RC电路2015设置在正输出端M、负输出端N ( ± 15V)与中心轴头S之间，用于吸收场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)在开关过程中寄生电感和寄生电容上产生的电压或电流扰动，同时确保正输出端、负输出端维持土 15V的稳定电压，为场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)开通时提供驱动电流支持和抑制门极寄生电感产生的电压扰动；其中，RC电路2015中的容量较大的电容Cl、C2为场效应管开通提供补偿电流，缩短了场效应管开通时间，减小了场效应管开通损耗；由X射线发生器的工作特点决定，在曝光初期高压发生器主电路上有很大的电流冲击，RC电路2015中的容量较大的电容C1、C2起到虑去低频波的作用，能够很好的减缓电流冲击对逆变电路I运行时的影响，并保持逆变电路I稳定运行；RC电路2015中容量较小的电容C3、C4起到过滤高频波的作用，进一步并保持逆变电路I稳定运行；逆变驱动电路共分为四路，每一路均相互独立，互不干扰，并且，每一路都有的门极均链接有RC电路2015，进一步确保场效应管(Ql、Q2、Q3、Q4)稳定高效的开通，极大地降低逆变驱动电路同一桥臂上下场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)同时开通所造成的短路事故。
[0032]此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.用于X射线发生器的逆变驱动电路，包括逆变电路和驱动电路，逆变电路包括场效应管Ql、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4，场效应管Ql的源极与场效应管Q3的漏极电连接，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极电连接，其特征是:所述驱动电路包括第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块；第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块均包括变压器、脉冲发生器、高速光电耦合器和功率放大电路，变压器具有两个输入端L1、L2、正输出端M、负输出端N和中心轴头S，脉冲发生器、高速光电I禹合器、功率放大电路的电源输入端分别与变压器的正输出端M、负输出端N电连接，高速光电耦合器的接地端通过接地电阻RlOO接地，高速光电耦合器的信号输入端与脉冲发生器的信号输出端电连接，高速光电耦合器的信号输出端与功率放大电路的信号输入端电连接；第一驱动模块的功率放大电路的信号输出端G与所述场效应管Ql的栅极电连接，第一驱动模块的变压器的中心轴头S与场效应管Ql的源极电连接；第二驱动模块的功率放大电路的信号输出端G与所述场效应管Q2的栅极电连接，第二驱动模块的变压器的中心轴头S与场效应管Q2的源极电连接；第三驱动模块的功率放大电路的信号输出端G与所述场效应管Q3的栅极电连接，第三驱动模块的变压器的中心轴头S与场效应管Q3的源极电连接；第四驱动模块的功率放大电路的信号输出端G与所述场效应管Q4的栅极电连接，第四驱动模块的变压器的中心轴头S与场效应管Q4的源极电连接。
2.如权利要求1所述的用于X射线发生器的逆变驱动电路，其特征是:所述第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和第四驱动模块都还包括RC电路，RC电路包括电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、电阻R200和电阻R300，电容Cl、电容C2的容量大于电容C3、电容C4的容量；电容Cl、电容C3、电阻R200的两端分别与所述正输出端M和中心轴头S电连接；电容C2、电容C4、电阻R300的两端分别与所述负输出端N和中心轴头S电连接。
【文档编号】H02M1/092GK204216775SQ201420690700
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】李德来, 郭超, 吕晓玲, 陈思国 申请人:汕头市超声仪器研究所有限公司