不同醫(yī)用X射線高頻高壓發(fā)生器高壓逆變電路的比較

王曉明

中山市中醫(yī)院設(shè)備科 （廣東中山 528401）

X射線機(jī)是我國各級醫(yī)療衛(wèi)生部門中使用最為普遍的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，然而其關(guān)鍵部件高頻高壓發(fā)生器國內(nèi)還不能普及生產(chǎn)，主要依賴進(jìn)口。近年來，國產(chǎn)大功率高頻X射線機(jī)研究開始起步，已經(jīng)取得了一些研究成果[1]。由于X射線高頻高壓發(fā)生器具有高質(zhì)量的X線輸出，以及效率高、體積小、重量輕、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸替代工頻X射線發(fā)生器，成為現(xiàn)代X射線機(jī)和X-CT設(shè)備的關(guān)鍵核心部件之一[2]。通過對各大公司的高頻高壓發(fā)生器核心技術(shù)－高壓逆變電路進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并比較其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有利于了解產(chǎn)品的特點(diǎn)和性能。本研究對幾種不同醫(yī)用X射線高頻高壓發(fā)生器的高壓逆變電路進(jìn)行分析比較，現(xiàn)報道如下。

1 研究基礎(chǔ)

選取中山市中醫(yī)院GE公司X射線機(jī)2臺，Siemens公司的2臺，Philips公司的2臺，以及島津、東芝等公司的2臺作為研究對象，比較不同高壓逆變電路的特點(diǎn)。

2 研究方法

2.1 理論分析

首先對高壓逆變電路進(jìn)行理論分析，理解和掌握全橋串聯(lián)諧振逆變電路的各種工作方式及其性能和特點(diǎn)。一般而言變換器有3種工作方式：（1）當(dāng)工作頻率＜1/2的諧振頻率（resonant frequency，F(xiàn)r）時，變換器為電流斷續(xù)工作方式，此時開關(guān)管工作在零電流開關(guān)條件下；（2）當(dāng)工作頻率＞1/2的Fr，且低于Fr時，變換器為電流連續(xù)工作方式，諧振回路呈容性，開關(guān)管為零電流（zero current switch，ZCS）關(guān)斷，但為硬開通；（3）當(dāng)工作頻率＞Fr時，變換器為電流連續(xù)工作方式，諧振回路呈感性，此時開關(guān)管為零電壓（zero voltage switch，ZVS）開通，但為硬關(guān)斷[3]。

2.2 具體線路分析

參照以上的理論分析，對Siemens、Philips、GE、Shimadzu、Toshiba等各大公司的X射線機(jī)的電路原理進(jìn)行分析，判斷各自的高壓逆變電路的工作方式，分析其高壓控制的實(shí)現(xiàn)方法?；赯CS的串聯(lián)諧振逆變電路和基于ZVS的串聯(lián)諧振逆變電路的PFM控制方式不同?；赯CS的串聯(lián)諧振逆變電路的生產(chǎn)廠家較多，有日本的Shimadzu公司、Toshiba公司，歐洲的Siemens公司和Philips公司，還有美國的Quantum公司、GE公司等。而加拿大的CPI公司和美國的EMD公司采用的是ZVS的并聯(lián)諧振逆變電路。目前ZCS的串聯(lián)諧振逆變電路方式的控制頻率最高達(dá)到40 kHz，F(xiàn)r為80 kHz，而采用ZVS的CPI公司，其最高控制頻率達(dá)到250 kHz[4]。

在以上分析的基礎(chǔ)上，利用示波器對各大公司（Siemens、Philips、GE、Shimadzu及Toshiba）的典型高頻高壓發(fā)生器的高壓逆變電路的電流波形、電壓波形、管電壓（kV）波形、管電流（mA）、逆變工作頻率、逆變Fr等進(jìn)行測量和記錄。除了在額定輸出功率條件下進(jìn)行測試外，需要對低功率、中功率、高功率等各種條件進(jìn)行測試和記錄。

在以上波形測試的基礎(chǔ)上，對記錄的波形進(jìn)行比較分析，從實(shí)際測試結(jié)果判斷各大公司（Siemens、Philips、GE、Shimadzu及Toshiba）高頻高壓發(fā)生器的性能和特點(diǎn)。從而可以為臨床操作、設(shè)備的維護(hù)維修保養(yǎng)、設(shè)備的采購以及國內(nèi)X射線機(jī)設(shè)備廠商的研究開發(fā)提供參考。

3 研究過程

3.1 發(fā)生器的控制原理

發(fā)生器主回路主要由高壓逆變回路，燈絲驅(qū)動回路和旋轉(zhuǎn)陽極驅(qū)動回路以及相關(guān)的配合電路組成，見圖1。

以數(shù)字減影X線（digital radiography，DR）拍片機(jī)發(fā)生器為例，外部380 V交流三相電壓進(jìn)入發(fā)生器，首先經(jīng)過三相全橋整流電路，產(chǎn)生脈動直流經(jīng)過濾波回路后約為550 V的平滑直流，550 V直流加載在諧振回路，產(chǎn)生高頻的交流送入油箱經(jīng)過高頻變壓器升壓為高頻高壓交流，在油箱內(nèi)經(jīng)過倍壓整流，濾波后成為高壓直流，由高壓電纜輸入至球管陰陽兩極，為燈絲產(chǎn)生的電子云提供加速電場。其中高壓驅(qū)動回路見圖2[5]。

圖1 發(fā)生器主回路

圖2 高壓驅(qū)動回路

3.2 諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

20世紀(jì)80年代，大功率的高壓發(fā)生器基本采用可控硅工頻相控結(jié)合升壓變壓器，其主要缺點(diǎn)為：工作頻率為50 Hz，體積大，重量重；輸出電壓紋波大，交換效率低，動態(tài)性差。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和開關(guān)器件的發(fā)展，高壓開關(guān)電源技術(shù)不斷進(jìn)步。突出的表現(xiàn)是電源的頻率和功率在不斷地提高，大功率高壓發(fā)生器在產(chǎn)品上已很成熟，更高功率的高壓開關(guān)電源也有很快的發(fā)展。其主要優(yōu)點(diǎn)是工作時高頻變壓器體積小、重量輕、輸出電壓紋波小、變換效率高以及動態(tài)性能好。

高壓變壓器具有較大的寄生參數(shù)，如果將它直接應(yīng)用在脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）變換器中，則漏感的存在會產(chǎn)生較高的電壓尖峰，容易損壞功率器件。分布電容的存在會使變換器有較大的環(huán)流，降低了變換器的效率。因此PWM變換器并不適合應(yīng)用在高壓大功率場合。而諧振變換器可以利用電路中的寄生參數(shù)，使高壓變壓器的漏感和分布電容參與主電路的諧振工作，因此它適合作為高壓直流電源的主電路。同時諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS或ZCS而減小開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率，減小變換器的體積。在諧振變換器拓?fù)渲谐Ｒ姷挠?種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即串聯(lián)諧振變換器（series resonant converter，SRC）、并聯(lián)諧振變換器（parallel resonant converter，PRC）和串并聯(lián)諧振變換器（series-parallel resonant converter，SPRC；又稱作LCC諧振變換器）。串聯(lián)諧振變換器主要結(jié)構(gòu)見圖3。

3.3 3種諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較

SRC存在一些缺點(diǎn)，較小的頻率變化可以引起功率的明顯變化，因此可操控的區(qū)域狹窄。為了提高曝光參數(shù)控制精度和控制范圍，逆變器的頻率控制會結(jié)合可調(diào)中間電壓控制以滿足全范圍曝光參數(shù)，見圖4。

圖3 串聯(lián)諧振變換器主要結(jié)構(gòu)（SRC）

圖4 串聯(lián)諧振頻率范圍曲線

PRC的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載可被開路。由于在輸出端采用濾波電感，對濾波電容的脈動電流要求小，適用于低輸出電壓、大輸出電流的場合。采用變頻控制工作在連續(xù)電流工作模式（continuous current mode，CCM）時，在空載情況下可以控制輸出電壓。它的缺點(diǎn)是輕載時輸入側(cè)環(huán)流大、變換效率低；需加入隔直電容防止變壓器直流磁化。

SPRC又稱作LCC諧振變換器。諧振變換器由于結(jié)合了SRC和PRC各自的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了它們的缺點(diǎn)而受到了廣泛的關(guān)注。它可以利用高壓變壓器中漏感和分布電容作為諧振元件，從而減少了元件的數(shù)量，減小了變換器的體積[6]。

3.4 SPRC的分析研究

SPRC根據(jù)并聯(lián)諧振原件的不同，可分為并聯(lián)電感型LLC諧振變換器和并聯(lián)電容型LCC諧振變換器。以西門子和GE的發(fā)生器為例，主要以并聯(lián)電感型LLC諧振變換器為主，主要通過并聯(lián)電感提升諧振范圍；以CPI為代表的發(fā)生器，主要以并聯(lián)電容型LCC諧振變換器為主，主要通過并聯(lián)電容提升諧振范圍。

3.4.1 兩種SPRC的回路介紹

并聯(lián)電感型LLC諧振變換器的電路圖及曲線，見圖5。

圖5 并聯(lián)電感型LLC電路及曲線

并聯(lián)電容型LCC諧振變換器的模型分析及電路，見圖6[7]。

等效電流傳遞函數(shù)：H(s)=1/(1+Cp/Cs+s2Lr+SLr+1/SCsR)

電壓傳輸比：M=Vout/Vin=1/(1+A-K2+jQV）

其中：A=Cp/Cs；K為高壓變壓器原副邊匝比；Q為品質(zhì)因數(shù)

圖6 并聯(lián)電容型LCC模型及電路

3.4.2 兩種SPRC比較

并聯(lián)電感型LLC諧振變換器工作在當(dāng)開關(guān)工作頻率低于Fr時，將會工作在零電流工作狀態(tài)，當(dāng)工作在直流增益曲線率為正的區(qū)域時，負(fù)載為容性，變換處于零電流工作模式。當(dāng)工作在＜Fr，工作方式是斷流工作模式（discontinuous conduction mode，DCM）。

主流的并聯(lián)電容型LCC諧振變換器主要工作在Fr的右側(cè)，即增益為負(fù)區(qū)域。采用金氧半場效晶體管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）為開關(guān)控制器，工作區(qū)處于諧振點(diǎn)的右半部分。這是由于這種變換對零電壓開關(guān)有好處。實(shí)際上遵循這樣一個規(guī)律：當(dāng)工作在直流增益曲線斜率為負(fù)的區(qū)域時，負(fù)載成感性，變換處于零電壓開關(guān)工作模式。LCC諧振變換器工作在Fr右側(cè)為主，工作方式是CCM[8]。開關(guān)工作曲線見圖7。

圖7 開關(guān)工作曲線

利用示波器對不同開關(guān)頻率關(guān)系下的并聯(lián)諧振變換器工作過程進(jìn)行測量和記錄，并統(tǒng)計制作諧振回路激勵電壓與諧振電流的諧振電流響應(yīng)波形，見圖8。

圖8 諧振電流響應(yīng)波形

對以上制作的諧振電流響應(yīng)波形進(jìn)行比較分析，可以得出以下結(jié)論。（1）當(dāng)驅(qū)動頻率（start frequency，F(xiàn)s）＜0.5 Fr時，器件開通時，由于諧振電感的存在，電流緩慢地上升屬于零電流開通（zero current turn on）。諧振回路在半個開關(guān)周期內(nèi)會完成一個完整的諧振響應(yīng)。在電流響應(yīng)的正半波起通流作用的是全控器件本身，而在電流負(fù)半波時，起通流作用的是器件的反并聯(lián)二極管。在此期間器件可以實(shí)現(xiàn)零電流、零電壓的關(guān)斷（zero current and zero voltage turn off）。主器件和二極管都關(guān)斷之后諧振回路將停止工作，這種形式的工作模式稱為LCC的斷續(xù)電流模式，器件整體上呈現(xiàn) ZCS軟開關(guān)。（2）當(dāng)0.5r＜Fs ＜Fr時，由于電感的存在，器件開通時會有較高的電流，屬于硬開通，且開通損耗較大。而器件關(guān)斷時，位于反并聯(lián)二極管通流階段，因此可以實(shí)現(xiàn)零電流、零電壓的關(guān)斷（zero current and zero voltage turn off）。這種狀態(tài)下的電流波形是連續(xù)的，近似為正弦。但是諧振電流超前激勵電壓，諧振回路整體呈容性。在器件開通初始階段，電流在同側(cè)器件的反并聯(lián)二極管中流過，開通瞬間諧振換流和反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)同時發(fā)生，容易引起直流母線的上下直通。為了諧振變換器的可靠運(yùn)行，應(yīng)盡量避免連續(xù)電流容性狀態(tài)的工作模式。（3）當(dāng)Fs＞Fr時，在器件開通的初始時刻，電流在自身的反并聯(lián)二極管中流過，因此開通時是零電流、零電壓開通（zero current and zero voltage turn on）。隨著諧振響應(yīng)的繼續(xù)電流從負(fù)半波到正半波，并在正半波期間關(guān)斷，由于器件電容的存在，器件端電壓緩慢上升，從而實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷（zero voltage turn off）。這種狀態(tài)下電流波形同樣是連續(xù)且近似正弦的。但是諧振電流滯后激勵電壓，諧振回路整體呈感性，器件可以實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)[9]。

3.5 發(fā)生器高壓回路控制方式的研究

由圖9可見功率曲線、負(fù)載和控制頻率的變化關(guān)系。因此在發(fā)生器的高壓回路控制中要充分考慮負(fù)載的影響，諧振電流結(jié)合kV采樣對高壓品質(zhì)的影響也至關(guān)重要。

圖9 功率曲線、負(fù)載和控制頻率

醫(yī)用X射線高頻高壓發(fā)生器高壓逆變電路的高壓控制回路系統(tǒng)，是通過兩個閉環(huán)調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)kV輸出控制，外邊的閉環(huán)是kV的比例-積分（proportional plus integral，PI）調(diào)節(jié)，里邊的閉環(huán)是基于諧振電流的串聯(lián)校正調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的結(jié)果是輸出一個直流電平信號[10]。諧振變換電路就是根據(jù)這個直流電平信號確定開關(guān)頻率以驅(qū)動逆變器。根據(jù)不同負(fù)載情況，調(diào)節(jié)逆變輸出諧振電流的幅值，然后通過變壓器倍壓電路產(chǎn)生kV輸出，見圖10。

諧振變換電路的目的是將經(jīng)過前面兩個閉環(huán)調(diào)節(jié)后形成的直流電平轉(zhuǎn)換成驅(qū)動逆變的方波信號。這個直流電平對應(yīng)的物理量是主回路諧振電流的有效值，即電平越高諧振電流有效值應(yīng)越大。諧振電流有效值與逆變開關(guān)速度有關(guān)，每一次逆變保持開或關(guān)的狀態(tài)時間越長諧振電流越大。所以實(shí)現(xiàn)用直流電平控制逆變處于開或關(guān)狀態(tài)的時間非常重要。在這里引入一個電容充電的環(huán)節(jié)將直流電平的高低轉(zhuǎn)換成時間的長短。以此控制諧振電流的有效值，見圖11。

圖10 高壓控制回路系統(tǒng)

圖11 高壓控制回路信號

4 結(jié)論

串并聯(lián)諧振的優(yōu)點(diǎn)：工作范圍更寬，易于用更高的頻率控制高壓，不會出現(xiàn)因串行諧振微小的頻率變化，而引起高壓迅速上升的難以控制的情況，也可采用固定的中間電壓（即直流），從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

SPRC中的LCC實(shí)現(xiàn)ZCS或ZVS的能力，與頻率和負(fù)載狀態(tài)相關(guān)。但是對于實(shí)際半導(dǎo)體器件而言，ZCS或ZVS在降低損耗上所起的作用是不同的。對于MOSFET而言，其結(jié)電容相對較大，硬開通時會引起很高的損耗，因此MOSFET適合于ZVS形式的軟開關(guān)。而絕緣柵雙極型晶體管（insulated-gate-bipolar transistor，IGBT）在關(guān)斷時有電流拖尾現(xiàn)象，二極管在關(guān)斷時有反向恢復(fù)的過程，這兩種器件更適合于ZCS形式的軟開關(guān)。

管電壓調(diào)節(jié)是通過逆變器的驅(qū)動頻率進(jìn)行的?？勺冎绷髂妇€電壓UZ 對于小管電流而言，需要較低的直流母線電壓。這說明網(wǎng)絡(luò)側(cè)晶閘管電橋需要額外的努力，并要求控制直流母線電壓[11]。而串并聯(lián)諧振很好地解決了這個問題：在串聯(lián)諧振頻率處，獲得最大振蕩電流幅度。 在并聯(lián)諧振頻率（parallel resonant frequency，F(xiàn)p）處，獲得最小振蕩電流幅度（理想為零）。該規(guī)定在Fp和Fs之間，即i。工作頻率安全地高于聆聽范圍，即使管電流很小，紋波也很小。當(dāng)然，也有負(fù)面的一點(diǎn)：Fp絕不能低于Fs（必須考慮元件公差，需要調(diào)整）。在管電流較小的情況下，并聯(lián)電路中會出現(xiàn)較大的循環(huán)電流，這主要是由透視引起的發(fā)熱問題。