CPI高頻高壓發(fā)生器燈絲電路解析

陶繼雙，周奇，劉盛雄

重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054

CPI高頻高壓發(fā)生器燈絲電路解析

陶繼雙，周奇，劉盛雄

重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054

為研發(fā)具有更高穩(wěn)定性、可靠性及準確性的高頻高壓X射線機燈絲電路，并使相關(guān)醫(yī)療人員深入理解和徹底掌握燈絲電路原理。本文針對目前廣泛應(yīng)用的indico 100系列高頻高壓發(fā)生器，分析其燈絲加熱電路的具體工作原理，詳細剖析反饋電路中真有效值轉(zhuǎn)換原理，并測量了燈絲加熱電流等相關(guān)數(shù)據(jù)及波形。測試結(jié)果顯示燈絲電路基本實現(xiàn)了實際燈絲電流等于預(yù)設(shè)燈絲電流的設(shè)計要求，且整機測試中燈絲電路響應(yīng)迅速，完全能滿足實際應(yīng)用要求。本文通過對燈絲電路的深入剖析，為研發(fā)更高性能燈絲電路提供了重要參考，并提高了相關(guān)工作人員的維修效率和準確性。

高頻高壓發(fā)生器；燈絲電流；PI控制；燈絲電路

引言

醫(yī)用高頻高壓X射線機廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和治療的臨床實踐中，X射線機高壓電源（高頻高壓發(fā)生器）主要由控制系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)、燈絲電源及高壓油箱4大部分組成；燈絲的作用是發(fā)射電子，由燈絲電源系統(tǒng)對其加熱，使燈絲中產(chǎn)生大量激發(fā)電子，然后在強電場作用下加速并撞擊陽極靶面，以產(chǎn)生X射線[1-3]。如果燈絲加熱不穩(wěn)定，將直接影響激發(fā)電子數(shù)量的穩(wěn)定性，并最終影響整臺X射線機的性能。因此，燈絲是X射線機中最重要的部分之一。Indico 100系列高頻高壓發(fā)生器為加拿大CPI公司研發(fā)，主要用于X射線攝影和胃腸設(shè)備，其性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，為眾多廠家的X射線相關(guān)設(shè)備所使用，國內(nèi)諸多醫(yī)院都采購有該系列的攝影設(shè)備[4]。因此，解析Indico 100系列高頻高壓發(fā)生器相關(guān)電路在高頻高壓發(fā)生器中具有廣泛的代表性；另外，Indico 100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路工作穩(wěn)定，其控制方式和反饋方法在類似設(shè)備電路中具有重要參考意義。如一般電路中PI閉環(huán)調(diào)控方法，非標準正弦電流有效值的準確采樣，以及按要求輸出特定電流有效值等。最后，透徹理解燈絲電路原理有利于醫(yī)院及公司相關(guān)技術(shù)人員對設(shè)備的維修和故障排除。

1 燈絲電路設(shè)計原理

燈絲電路的一般設(shè)計原理為：首先根據(jù)控制臺設(shè)定的管電流，主控制器輸出相應(yīng)的燈絲電流預(yù)設(shè)值所對應(yīng)的電壓值（通常采用電壓值1 V表示燈絲電流預(yù)設(shè)值為1 A）；然后采用PID閉環(huán)控制方式，對實際反饋的燈絲電流或管電流與預(yù)設(shè)燈絲電流或管電流的差值進行放大，其輸出值用于控制PWM/PFM逆變電路，使最終實際值等于預(yù)設(shè)值。考慮到燈絲加熱的均勻性與安全性，燈絲電源常采用50 kHz以下的交流供電，因為交流供電具有簡單、經(jīng)濟、加熱均勻且能對油箱內(nèi)高壓進行隔離的優(yōu)點，但高頻交流信號引起的干擾需要抑制。另外，由于燈絲額定工作電壓較低，一般在3～15 V，且燈絲材料多為金屬鎢，若長時間工作在高溫大電流下，鎢蒸發(fā)加快，燈絲壽命大大縮短，因此在實際電路設(shè)計中應(yīng)盡量減小燈絲在大電流下的工作時間，在非曝光狀態(tài)下燈絲應(yīng)工作在2.5 A預(yù)熱狀態(tài)，以延長燈絲壽命[5-6]。

2 燈絲電路構(gòu)成

Indico 100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路主要由以下基本模塊電路組成，見圖1。PI控制器先根據(jù)預(yù)設(shè)燈絲電流與實際燈絲電流反饋值的差值調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動器輸出特定脈寬，以控制逆變輸出量；逆變輸出然后經(jīng)燈絲焦點選擇電路后直接驅(qū)動燈絲負載；實際燈絲電流反饋值與特定參考值進行比較，判斷當前燈絲電流是否低于最低電流值。

圖1 燈絲電路結(jié)構(gòu)框圖

3 電路分析

3.1 電源電路

燈絲電路電源由±35 V和±12 V共4路電源構(gòu)成，均由輔助電源板（AUXILIARY BOARD）產(chǎn)生。逆變電源為±35 V，±12 V為其它電路電源。

3.2 燈絲預(yù)加熱電路

預(yù)加熱電路為PI閉環(huán)控制提供燈絲加熱電流預(yù)設(shè)值，在非曝光時，預(yù)加熱電流設(shè)置為2.5 A（對應(yīng)電壓2.5 V）。燈絲電流預(yù)設(shè)值由主控CPU根據(jù)控制臺設(shè)定管電流值、實際管電流反饋值以及燈絲電流發(fā)射曲線綜合計算后輸出；其先經(jīng)反相電路取反（放大倍數(shù)1:1），再通過最大燈絲電流保護電路將預(yù)設(shè)值限制在規(guī)定范圍內(nèi)。根據(jù)不同跳線方式，可選擇5.5 A或6.5 A最大燈絲電流預(yù)設(shè)值。電路簡圖，見圖2。

圖2 燈絲預(yù)加熱電路原理簡圖

3.3 PI控制器

比例加積分（PI）控制器根據(jù)燈絲電流參考值與實際反饋值之間的差值進行調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)系統(tǒng)快速響應(yīng)并穩(wěn)定輸出所需燈絲電流值[7-8]。PI控制器中引入“積分項”可使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后輸出無穩(wěn)態(tài)誤差，電路簡圖，見圖3。輸出函數(shù)，見式(1)。

圖3 燈絲電流PI控制器原理簡圖

由于設(shè)定值VREF與反饋值VFDBK符號相反，電路中實際上是求差。根據(jù)R85與R77相等，帶入數(shù)值得到最后傳遞函數(shù)，見式(2)。

式中比例項系數(shù)Kp為0.332，積分常數(shù)TI為0.001095，約1.1 ms。

3.4 逆變輸出電路

燈絲逆變電路采用PWM控制全橋LC諧振方式，PWM控制器選用高級穩(wěn)壓集成PWM芯片UC3524[9]，其最高振蕩頻率為300 kHz，電壓穩(wěn)定度1%，線性穩(wěn)定度10 mV，最高輸出占空比為45%，輸入電壓范圍12～28 V。逆變輸出電路簡圖，見圖4。

圖4 燈絲逆變輸出原理簡圖

RT與CT決定振蕩頻率，其中RT為2.87 K，CT為4.2 nF，根據(jù)振蕩頻率計算公式f=1.18/RTCT，振蕩頻率約為96 kHz，實際半橋驅(qū)動脈沖頻率為振蕩頻率的一半，即48 kHz。為防止在上電開始階段UC3524輸出脈寬過大，電路采用了軟啟動方式使UC3524輸入電壓緩慢上升。工作時，全橋電路兩橋臂分別僅有一個開關(guān)管導(dǎo)通，且同一時刻斜對角兩開關(guān)管同時導(dǎo)通或截止，為避免同一橋臂出現(xiàn)直通，電源短路，兩路輸入脈沖之間至少存在0.5～5 μs的死區(qū)。5 V設(shè)定值下（表示燈絲電流預(yù)設(shè)值為5 A）的逆變輸出波形，見圖5，經(jīng)過C22及L1組成的LC諧振回路[10-13]，燈絲電流變?yōu)闇收也?，且電流越大越明顯。5 V設(shè)定值下的實際燈絲電流波形，見圖6，為采用泰克公司電流探頭A622 100 mV/A檔測量得到。T1為1∶200電流互感器，對實際燈絲電流采樣，K1為燈絲大小焦點選擇繼電器。

圖5 5 V參考電流AB端逆變輸出波形

圖6 5 V參考電流下燈絲電流波形

3.5 燈絲電流反饋電路

由于燈絲電流為交流，為準確測量其有效值大小，電路采用了真有效值的測量方法。其測量原理是根據(jù)有效值的基本定義，見式(3)，即周期信號有效值等于其瞬時值在一個周期內(nèi)的方均根值。

此外，根據(jù)模擬電路中PN結(jié)的伏安特性，見式（4）。

其中Ie為發(fā)射結(jié)電流，Is為PN結(jié)反向飽和電流，Vbe為PN結(jié)正向壓降，Q為電子電荷電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度值。室溫下，Vbe和Ie之間呈對數(shù)關(guān)系，見式(5)。

因此可利用PN伏安特性及運放電路實現(xiàn)模擬電路中對數(shù)、反對數(shù)、求和及求均值等計算?；趯?shù)-反對數(shù)式真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換原理的反饋電路示意圖，見圖7，詳細原理參考相關(guān)研究[14]。

圖7 燈絲電流反饋電路原理示意圖

實際燈絲電流經(jīng)1:200電流互感器采樣，全波整流，最后通過68.1 ?電阻轉(zhuǎn)換為電壓Uin，Uin同時經(jīng)過兩個對數(shù)運算電路，其結(jié)果與有效值輸出Uo_rms的對數(shù)運算結(jié)果求差得Uo，再經(jīng)反對數(shù)運算及低通濾波便得到有效值Uo_rms。具體推導(dǎo)關(guān)系，見式(6)。

Uo經(jīng)過反對數(shù)運算，其結(jié)果Uos=Uin2/Uo_rms，低通濾波器實現(xiàn)對Uos求均值，得有效值與有效值定義相同，實現(xiàn)了對電流的有效值轉(zhuǎn)換[15-17]。最后調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)，實現(xiàn)燈絲電流預(yù)設(shè)1 A，實際燈絲電流也為1 A的目的。

3.6 燈絲電流過低報錯電路

通常在非曝光狀態(tài)下，燈絲工作在2.5 A預(yù)熱狀態(tài)，使得在需要曝光時燈絲能迅速加熱。報錯電路的比較參考電壓除1.7 V固定電壓外，PI調(diào)節(jié)器輸出也作為比較電壓的一部分，使得在不同燈絲電流下最低加熱電流閾值亦不同，但最低不能小于1.7 A。當燈絲電流低于1.7 A，報錯電路輸出低電平燈絲錯誤信號給CPU，而在燈絲正常工作時輸出為高。電路框圖，見圖8。

圖8 燈絲電流過低檢測電路原理框圖

4 電路測試及結(jié)果

測試條件：逆變電源±30 V DC，其他電源±12 V DC；負載采用24 V/150 W鹵素?zé)簦ㄐ阅芘c實際燈絲非常接近）代替燈絲，輸入不同的燈絲電流預(yù)設(shè)值，測得相關(guān)燈絲參數(shù)，見表1。

由于燈絲冷態(tài)電阻與熱態(tài)電阻差別很大，且燈絲電阻隨燈絲工作溫度的變化而變化。因此，表1中燈絲電流計算值與逆變總輸入電流不一致，但總功率相同。另外，燈絲電流反饋（1 V表示燈絲電流1 A）與實際燈絲電流計算值十分接近，其誤差的產(chǎn)生是由于諧振電流不是標準正弦波，有效值轉(zhuǎn)換時存在一定的誤差。以燈絲電流預(yù)設(shè)值為橫坐標，分別以燈絲電流反饋值、燈絲電流采樣有效值以及實際燈絲電流計算值為縱坐標繪圖，見圖9。從圖中可以看出實際燈絲電流與預(yù)設(shè)燈絲電流值十分接近，誤差在0.4 A以內(nèi)，基本實現(xiàn)了實際燈絲電流值等于預(yù)設(shè)燈絲電流值的設(shè)計要求。燈絲電流反饋值、實際燈絲電流計算值及采樣有效值均與燈絲電流預(yù)設(shè)值呈線性關(guān)系。

對燈絲電路進行整機測試，管電壓設(shè)為56 kV，管電流為50 mA，實際管電壓和管電流采樣波形，見圖10。其中管電壓（圖中下方波形）1 V表示20 kV，管電流（圖中上方波形）1 V表示100 mA，從圖中可以看出管電壓和管電流從0升高到預(yù)設(shè)值的90%僅需約2.5 ms，響應(yīng)時間很快，說明燈絲電路加熱響應(yīng)迅速。管電流在增大瞬間有一個峰值，后立即下降到設(shè)定值，電路工作特性完全符合實際應(yīng)用要求。

表1 CPI燈絲電路測試數(shù)據(jù)表

圖9 燈絲預(yù)設(shè)電流及相關(guān)參數(shù)曲線圖

圖10 56 kV、50 mA檔實際曝光波形

5 結(jié)論及討論

Indico 100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路采用了PI閉環(huán)控制，反饋回路采用真有效值轉(zhuǎn)換電路，能較準確地采樣實際燈絲電流的有效值。但由于逆變輸出采用全橋LC諧振方式，其諧振電流為準正弦信號，致使實際燈絲電流采樣并不十分準確，如若采用標準正弦波驅(qū)動燈絲加熱，則輸出燈絲電流亦為標準正弦波，此時，采用真有效值電路對燈絲電流采樣便可得到十分準確的實際燈絲加熱電流[18]，進一步提高對管電流的精確輸出。

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Analysis of Filament Circuit of CPI High Frequency High Voltage Generator

TAO Jishuang, ZHOU Qi, LIU Shengxiong
College of Pharmacy and Biological Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China

The present study aims to develop high frequency high voltage X-ray machine filament circuit with higher stability,reliability and accuracy, and to make the relevant medical personnel deeply understand and thoroughly grasp the principle of filament circuit. Firstly, the working principle of filament heating circuit of the widely used indico 100 series high frequency high voltage generator was analyzed. Then, a detailed analysis of the feedback path in real effective value conversion principle was performed,and filament current and other related data and waveform was measured. The test results showed that the filament circuit basically realized the design requirements of the actual filament current equal to the preset filament current, and the filament circuit in the whole test reponsed fast, which could fully meet the requirements of practical applications requirements. Through the thorough analysis of the filament circuit, this paper provides an important reference for the development of higher performance filament circuit,and improves the maintenance efficiency and accuracy of the related staff.

high frequency high voltage generator; filament current; PI control; filament circuit

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.008

1674-1633(2017)12-0035-05

2017-06-22

2017-06-30

國家自然科學(xué)基金資助項目（31200709）。

周奇，教授，主要研究方向為醫(yī)療工程技術(shù)與應(yīng)用研究。

通訊作者郵箱：qizhou@cqut.edu.cn

本文編輯 袁雋玲