高電壓技術(shù)在X光機(jī)電源系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究

楊 威，李安慶

(安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信工程系，安徽 合肥 230061)

在疾病診斷過程中，X光機(jī)是主要的成像設(shè)備之一，最早應(yīng)用在無創(chuàng)傷性的內(nèi)臟檢查方面. 隨著科技的不斷進(jìn)步和醫(yī)療水平的不斷發(fā)展，對(duì)高精度、高穩(wěn)定性、高質(zhì)量的醫(yī)用X光機(jī)的需求不斷增大. 在實(shí)際的臨床應(yīng)用中，X射線成像必須以減少對(duì)患者的傷害，盡可能用最少的劑量來獲得最高的圖像質(zhì)量為前提，因此X光機(jī)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究在臨床應(yīng)用方面就極為重要[1-3]. 電源系統(tǒng)輸出電壓值的高低極大地影響人體組織與X射線之間相互作用之后的成像質(zhì)量[4]. 傳統(tǒng)的X射線高壓型發(fā)生器存在著許多明顯的不足，如成像質(zhì)量差、頻率較低、體積大、穩(wěn)定性差等. 為了使X光管在臨床中滿足操作要求，對(duì)現(xiàn)有的X光機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)制作了頻率更高、體積更小、耐壓更強(qiáng)、便于現(xiàn)場操作的新型電源.

1 電源整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)高壓電源輸出功率的特性以及X光管的電流特性(X射線管高壓直流電源輸出電壓頻率高、紋波小、穩(wěn)定度高、安全可靠的要求)，采用高頻高壓開關(guān)變換技術(shù)的方案. 該高壓電源電路主要包括全橋逆變電路、高頻變壓器升壓電路、倍壓整流升壓電路以及內(nèi)部閉環(huán)反饋電路等幾部分組成[5]. 電源整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示. 電源的工作過程為：外界直流24 V電壓經(jīng)供電電源與軟起動(dòng)電路加到變壓器一次側(cè)，高壓控制電路UC3525AN通過MOSFET通斷使一次側(cè)直流變?yōu)榻涣? 再經(jīng)過升壓變壓器升壓，二次側(cè)可得到大約5 kV類似正弦波. 在此為了防止高壓輸出端口外界短路和關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓，增加了電阻負(fù)載來限制輸出功率和尖峰電壓吸收回路. 變壓器的二次側(cè)通過7級(jí)倍壓整流電路，可以輸出理論空載電壓為65 kV的高壓，但是因?yàn)榇嬖趽p耗所以不能達(dá)到那么高，控制參數(shù)使輸出電壓在最大為50 kV高壓直流. 采用電阻直接采樣的方式，將采樣電壓通過反饋電路反饋給UC3525AN來控制輸出的PWM波形占空比，從而得到設(shè)定的電壓值(4～50 kV可調(diào)節(jié))，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制.

圖1 電源整體結(jié)構(gòu)框圖

2 基本電路

2.1 UC3525AN高壓驅(qū)動(dòng)電路

UC3525AN是單片集成電路，包含一個(gè)5 V精度為1%的精密基準(zhǔn)電壓源、脈寬調(diào)制器、欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)電路、死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路等[6]. 與單片機(jī)、DSP等微處理器相比，使用UC3525AN可以降低成本而且輸出電壓穩(wěn)定性更高. 與SG3526及其他芯片相比，該芯片內(nèi)的軟起動(dòng)電路能夠避免開機(jī)瞬間的電流沖擊，造成功率開關(guān)管的損壞. 同時(shí)該芯片在單端模式下輸出最大脈沖占空比為50%.

高壓電源的驅(qū)動(dòng)電路由芯片UC3525AN發(fā)出的PWM波控制MOSFET的通斷來控制高壓升壓變壓器的輸出功率. 高壓升壓變壓器驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示. 在電路中振蕩器的頻率選擇20 kHz. 外部繼電器通過切換+15 V和-15 V，達(dá)到控制UC3525AN的開通與關(guān)斷. CT與RT振蕩產(chǎn)生的基波與高壓反饋電壓Vref做比較，產(chǎn)生的PWM波形通過Q3輸出，控制MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷達(dá)到控制高壓變壓器的開通與關(guān)斷，進(jìn)而控制升壓變壓器輸出功率. 當(dāng)反饋值小于給定的高壓值時(shí)，Q3輸出的PWM方波占空比會(huì)增大，增大變壓器的輸出功率，進(jìn)而升高輸出高壓；反之當(dāng)反饋值大于給定的高壓值，Q3輸出的PWM方波占空比會(huì)減小，減小變壓器的輸出功率，進(jìn)而降低輸出高壓，從而使電壓調(diào)整到設(shè)定電壓.

圖2 高壓升壓變壓器驅(qū)動(dòng)電路圖

2.2 供電電源與軟啟動(dòng)電路

為了減少在電源快關(guān)瞬間大電流對(duì)電容的沖擊，設(shè)計(jì)了帶有繼電器保護(hù)的軟啟動(dòng)電路[7]. 外界直流電源直接供電+24 V. 電源24 V經(jīng)過FU保險(xiǎn)絲給后面的器件供電. INTLK為鎖存，當(dāng)INTLK懸空時(shí)繼電器K1不工作，繼電器K1的3腳沒有切換到4腳給后面器件供電；當(dāng)INTLK通過一個(gè)470 Ω電阻接地時(shí)繼電器K1工作，繼電器K1的3腳切換到4腳給后面器件供電. 所以可以通過控制INTLK懸空與接地來控制繼電器，從而控制電源供電. 當(dāng)繼電器K1工作，+24 V電源供電，與此同時(shí)K1的5腳接到6腳使6腳電平為-15 V，解除UC3525AN的鎖定. 此時(shí)的3腳與4腳相連接為+24 V電壓，此電壓一路通過壓敏電阻RT1給C1充電，使0～24 V電壓慢慢抬高；另一路通過R1給C2充電，當(dāng)C2電壓達(dá)到+12 V時(shí)繼電器K2工作，K2的第3腳與第4腳相連接，讓+24 V直接與0～24 V連接，給高壓升壓變壓器供電. 從而完成了對(duì)供電電源的控制與電壓的軟啟動(dòng). 供電電源與軟啟動(dòng)電路如圖3所示.

圖3 供電電源與軟起動(dòng)電路圖

2.3 變換電路

變換電路由高頻變壓器和MOSFET構(gòu)成. 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，開關(guān)電路在變壓器一次側(cè)通過周期性通關(guān)產(chǎn)生的周期性變化的電流，在變壓器的二次側(cè)會(huì)產(chǎn)生與一次側(cè)周期相同的感應(yīng)電動(dòng)勢，從而達(dá)到了直—交的升壓變換[8]. 因此MOSFET和高頻變壓器的選擇最為重要.

(1)MOSFET選擇

在高壓電源電路中,影響電源的可靠性的關(guān)鍵器件為MOSFET晶體管. MOSFET晶體管是一種依靠多數(shù)載流子工作的單級(jí)型晶體管且不存在二次擊穿的問題，因此MOSFET晶體管具有較大的安全工作區(qū)間，同時(shí)良好的散熱性和較快的關(guān)斷速度，這是作為高壓電源的最關(guān)鍵的選擇條件. 通常MOSFET晶體管的額定電壓必須要大于輸出電壓，額定電流要大于電感電流的峰值. 所以在選擇設(shè)計(jì)高壓電源時(shí)，MOSFET晶體管選擇IRF540N. 耐壓值為100 V，允許通過的最大電流為33 A，導(dǎo)通電阻僅為0.4 Ω，非常的小. IRF540N的開關(guān)速度為7 V/ns，非常快，從而大大減少了損耗.

(2)高頻變壓器

為了使X光機(jī)做到小型化、便攜式方便，高頻變壓器選擇采用錳鋅鐵氧化體作為變壓器的磁芯. 同時(shí)與合金磁性材料相比，鐵氧體的電阻率非常小，從而可以忽略通電時(shí)鐵氧體產(chǎn)生的渦流.

2.4 倍壓電路

倍壓整流電路是利用二極管的單相導(dǎo)電性以及濾波電容的儲(chǔ)能作用,從而可以獲得幾倍于高頻變壓器副邊的直流電壓[9]. 這種電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于小電流和高電壓電路. 本設(shè)計(jì)采用7級(jí)倍壓整流電路，整流電路的最大輸出電壓為50 kV. 7級(jí)倍壓整流電路如圖4所示.

圖4 7級(jí)倍壓整流電路圖

2.5 尖峰電壓吸收電路

變壓器是通過磁路耦合工作的，通過將一次側(cè)線圈將電能轉(zhuǎn)換為磁能然后傳輸?shù)蕉蝹?cè)，再轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸[10]. 尖峰電壓吸收電路如圖5所示. 當(dāng)MOS管開通時(shí)變壓器漏感內(nèi)存儲(chǔ)了一定電能，當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí)這部分電能依然存在，若是沒有回路放電就會(huì)在MOS管關(guān)斷的瞬間產(chǎn)生極高的浪涌電壓，有可能會(huì)擊穿MOS管，甚至?xí)?duì)空氣放電產(chǎn)生火花. 所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮這部分電能的釋放，圖中并聯(lián)在一次側(cè)的R3、C1、VD組成的Snobbery電路，就是專門用于吸收變壓器漏感內(nèi)的能量，減小MOS管關(guān)斷時(shí)候的浪涌電壓，保護(hù)MOS管. 由于MOS管的柵-源存在寄生電容CGS，在柵極有高電平驅(qū)動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生尖峰電流，通過串入小電阻R1可以降低尖峰電流，減小尖峰電流的干擾. 在柵極與源極之間并接的電阻R2是靜態(tài)放電電阻，當(dāng)MOS管斷開時(shí)，保證柵極與源極之間無電壓，防止MOS管誤動(dòng)作，而且R2的接入還能使柵-源一直保持在低電阻狀態(tài)，增加對(duì)外界干擾的抵抗能力.

圖5 尖峰電壓吸收電路圖

3 高壓電源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

加入X光球管進(jìn)行帶負(fù)載測試是最理想的測試方法，但是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件有限，加上產(chǎn)生的X射線對(duì)人體有害，所以采用4只200 MΩ電阻并聯(lián)代替X光球管作為負(fù)載，即負(fù)載電阻為50 MΩ.

3.1 高壓PWM仿真

高壓電路的PWM波是通過帶有高電平鎖定的芯片UC3525AN發(fā)出的. 仿真過程中正弦波模擬實(shí)際電路中的高壓反饋電壓，反饋電壓與UC3525AN的三角形基波做比較. 從波形圖上可以清晰地看到UC3525AN發(fā)出PWM波形的占空比隨著正弦波的幅值降低而減少，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)的反饋電壓Vref是經(jīng)過轉(zhuǎn)換得來的，滿足高壓增大反饋的Vref減少，高壓降低反饋的Vref增大. 仿真的結(jié)果可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電路原理圖是合理的. UC3525AN產(chǎn)生的PWM波形如圖6所示.

圖6 UC3525AN產(chǎn)生的PWM波形圖

3.2 閉環(huán)測試

測試系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)使用閉環(huán)測試. 對(duì)系統(tǒng)的可調(diào)性、穩(wěn)壓性進(jìn)行檢測. 檢測方法為：記錄下可變電阻調(diào)節(jié)的輸入電壓值，反饋電阻反饋的電壓值，并用電表直接測量電阻兩端的實(shí)際電壓數(shù)值. 表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，輸入電壓值與實(shí)際測量值差別不大，紋波系數(shù)在1.5%，電壓精確度在2%，證明電源的控制系統(tǒng)達(dá)到要求，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能.

表1 閉環(huán)測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 性能測試實(shí)驗(yàn)

測試系統(tǒng)在電流與電壓同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)輸出功率的指標(biāo). 測試方法為：記錄下可變電阻調(diào)節(jié)的輸入電壓與電流值，反饋電阻反饋的電壓與電流值，并換算為實(shí)際的電壓與電流，計(jì)算輸出功率. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表2中. 由正常負(fù)載下的電壓和電流關(guān)系可知，電源實(shí)現(xiàn)了輸出電流在0～1 mA之間與電壓在4～50 kV之間連續(xù)可調(diào)；輸出功率達(dá)到50 W，滿足設(shè)計(jì)要求.

表2 性能測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)制作的小功率X光機(jī)的高壓電源實(shí)物如圖7所示. 可以滿足X光機(jī)的供電要求，而且使其工作在額定功率以下. 研制的高壓電源功耗低、體積小、性能穩(wěn)定. 通過多次仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室檢測以及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研制的高壓電源輸出電壓為4～50 kV，紋波系數(shù)在1.5%，電壓精確度在2%. 當(dāng)輸出電壓為50 kV時(shí)，最大輸出功率為50 W. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，具有一定的醫(yī)學(xué)使用價(jià)值.

圖7 小功率X光機(jī)高壓電源實(shí)物圖