體內(nèi)碎石機(jī)高壓儲能電容快速充電電源的設(shè)計(jì)

李洪義，荊海霞，宋新海

（西安外事學(xué)院，西安 710077）

0 引言

膽結(jié)石在我國是一種多發(fā)病，輕者會造成患者疼痛、發(fā)炎等各種不適，重者則可能造成肝臟及腎臟的致死性衰竭，嚴(yán)重危害人類的健康，長期以來是我國外科手術(shù)的重點(diǎn)之一[1-2]。

隨著內(nèi)窺鏡技術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，體內(nèi)碎石技術(shù)成為膽結(jié)石手術(shù)新的發(fā)展方向[3-5]。體內(nèi)碎石機(jī)采用在液體中低能量、高電壓脈沖放電激發(fā)空化效應(yīng)的原理，將高壓電脈沖放電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電脈沖，通過特定的放電電極，經(jīng)內(nèi)窺鏡的引導(dǎo)，在注有生理鹽水的結(jié)石表面進(jìn)行1～2 mm近距離瞬間放電釋放能量，達(dá)到將人體內(nèi)膽結(jié)石碎石的目的[6]。

體內(nèi)碎石機(jī)使用時(shí)，由于需要在人體內(nèi)進(jìn)行高壓電脈沖放電，為保證患者安全，必須限制高壓電脈沖放電所輸出的能量，導(dǎo)致每個(gè)高壓電脈沖放電能量較小，單個(gè)釋放高壓電脈沖碎石時(shí)碎石效果差，完成碎石手術(shù)需要耗費(fèi)較長的時(shí)間，不適應(yīng)臨床使用。筆者經(jīng)查閱文獻(xiàn)[7]和計(jì)算機(jī)仿真研究發(fā)現(xiàn)，快速連續(xù)釋放多個(gè)高壓電脈沖可使放電激發(fā)的空化效應(yīng)相互疊加，從而有效提高碎石效果，縮短手術(shù)時(shí)間。而高壓電脈沖是由碎石機(jī)儲能電容儲存的電能產(chǎn)生，欲連續(xù)輸出高壓電脈沖，必須在2次放電期間將儲能電容充滿電。因此，在體內(nèi)碎石機(jī)的研制中，如何設(shè)計(jì)碎石機(jī)高壓充電電源，實(shí)現(xiàn)儲能電容快速充電成為關(guān)鍵。本文基于級聯(lián)整流方式設(shè)計(jì)了一種高壓儲能電容快速充電電源，電源內(nèi)阻小、輸出電流較大，可實(shí)現(xiàn)碎石機(jī)儲能電容快速充電的目的。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 體內(nèi)碎石機(jī)對充電電源的要求

利用計(jì)算機(jī)仿真研究高壓電脈沖釋放頻率對碎石效果的影響，結(jié)果顯示，高壓電脈沖釋放頻率為數(shù)百到1 000 Hz時(shí)，碎石效果最好。按最高頻率1 000 Hz計(jì)算，其周期為1 ms，故要求碎石機(jī)儲能電容充電時(shí)間不大于1 ms。

1.2 傳統(tǒng)高壓整流電路及特點(diǎn)

傳統(tǒng)高壓整流電路一般采用串聯(lián)倍壓整流電路，現(xiàn)以3倍壓整流電路（如圖1所示）為例加以說明[8-9]。

圖1 3倍壓整流電路圖

在該電路中，濾波電容按每隔一接點(diǎn)的方式接入，分布在整流二極管兩側(cè)，呈疊層串聯(lián)形式，因此，該電路中所有的整流二極管和濾波電容均為串聯(lián)連接。

設(shè)該整流電路輸入交流電電壓為u，則

式中，Um表示電壓振幅值。

由該電路工作原理可知，當(dāng)整流電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電容C1兩端電壓為Um，其余電容兩端電壓均為2Um。若從電路A、B兩點(diǎn)輸出，則整流后輸出的直流電壓為3Um，若從電路C、D2點(diǎn)輸出，則整流后輸出的直流電壓為2Um。欲獲得更高的直流高壓輸出，可在該電路后面繼續(xù)串聯(lián)接入整流二極管和濾波電容，在電路不同的點(diǎn)即可獲得N（奇數(shù)）倍壓的輸出電壓或M（偶數(shù)）倍壓的輸出電壓。

在該電路中，所有整流二極管的反向電壓均為2Um。在選取二極管時(shí)，需注意其最大反向電壓參數(shù)應(yīng)為2Um的2～3倍，以保證二極管安全可靠地工作。

串聯(lián)倍壓整流電路由于所有的整流二極管和濾波電容均為串聯(lián)，故電路內(nèi)阻大，輸出電流小，通常為mA級。且輸出電壓愈高，所需要串聯(lián)的級數(shù)愈多，電路內(nèi)阻愈大，輸出電流愈小，只能用于高電壓且小電流的環(huán)境。經(jīng)實(shí)測，采用串聯(lián)9倍壓整流電路輸出2 kV高壓直流電時(shí)，對0.1 μF儲能電容充電時(shí)間為數(shù)十秒，無法實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)釋放高壓電脈沖的設(shè)計(jì)要求。

另一種常用的高壓整流充電電路為高壓逆變恒流充電電路[10-11]。這種電路輸出電壓紋波低、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高，在X射線照相、高功率激光及電磁脈沖等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但與倍壓整流電路相比，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而且在實(shí)際使用中，該電路中的變壓器由于升壓很高，對變壓器高壓側(cè)的分布電容影響較大，使得變壓器的絕緣和發(fā)熱問題尤為嚴(yán)重，若使用在碎石機(jī)中存在安全隱患。

1.3 級聯(lián)整流電路工作原理

體內(nèi)碎石機(jī)高壓儲能電容快速充電電源采用2倍壓整流電路級聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

基本的2倍壓整流電路如圖2所示。設(shè)該整流電路輸入交流電電壓為u，交流電正半周D1導(dǎo)通，對電容C1充電，其電壓為Um；交流電負(fù)半周D2導(dǎo)通，對電容C2充電，其電壓為Um。若從電路A、B2點(diǎn)輸出，則整流后的輸出直流電壓為2Um。

對于電容C1，只在D1導(dǎo)通期間充電，故為半波充電，同理，C2也為半波充電；但對于整個(gè)整流電路而言，總輸出電壓為C1和C2輸出電壓之和，依然是全波整流輸出。

圖2 2倍壓整流電路圖

欲獲得更高的直流高壓輸出，可采用與圖2相同的N個(gè)電路級聯(lián)起來，即可獲得2NUm的輸出電壓。現(xiàn)以4倍壓整流電路為例說明級聯(lián)技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)，電路圖如圖3所示。

圖3 4倍壓級聯(lián)整流電路圖

將2個(gè)2倍壓整流電路頭尾相接，即構(gòu)成4倍壓級聯(lián)整流電路。顯然，當(dāng)從電路A、B2點(diǎn)輸出時(shí)，輸出電壓為4Um。

由于該整流電路采用2倍壓整流電路整體級聯(lián)結(jié)構(gòu)，而不是在2倍壓整流電路中串接整流二極管和電容來提高輸出電壓，所以整流電路的總內(nèi)阻即為單個(gè)2倍壓整流電路的內(nèi)阻，其內(nèi)阻與傳統(tǒng)倍壓整流電路相比大大降低，從而使得輸出電流較大，可對碎石機(jī)儲能電容快速充電。

需要特別指出，級聯(lián)時(shí)，各2倍壓整流電路需使用變壓器不同繞組輸出的交流電作為整流電路的輸入，不能用同一繞組對所有2倍壓整流電路供電，否則電路無法正常工作。

2 碎石機(jī)高壓儲能電容快速充電電源的設(shè)計(jì)

根據(jù)碎石機(jī)設(shè)計(jì)要求，采用級聯(lián)整流技術(shù)設(shè)計(jì)碎石機(jī)高壓儲能電容快速充電電源，電路圖如圖4所示。

圖4 快速充電電源電路圖

2.1 電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

為避免變壓器次級電壓過高，并降低對整流器件技術(shù)指標(biāo)的要求，采用兩級2倍壓整流電路級聯(lián)構(gòu)成電源整流電路。即圖4中A點(diǎn)和C點(diǎn)之間為一級2倍壓整流電路，C點(diǎn)和E點(diǎn)之間為一級2倍壓整流電路。每級電路輸入交流電壓均為350 V，但使用變壓器不同繞組供電。整流后，每一級2倍壓整流電路輸出的直流電壓為兩級電路級聯(lián)后，從其兩端輸出直流電，即從電路圖中的A點(diǎn)和E點(diǎn)輸出，總輸出電壓為每一級電路輸出電壓之和，則充電電源輸出2 kV直流電。

為降低對電容耐壓值的要求，方便電容選型，降低成本，采用2只電容串聯(lián)構(gòu)成濾波電容；為保障電容串聯(lián)后各電容分壓值均等，防止電容被擊穿，提高電路工作可靠性，在電容兩端并聯(lián)電阻，即電阻R409～R416，構(gòu)成電阻分壓電路，確保電容、電壓均等。增加電阻分壓電路后，將造成電容儲存電荷的泄漏。因此，分壓電阻阻值必須足夠大。電路中分壓電阻取值為1 MΩ，串聯(lián)后總的電阻值為8 MΩ，對于2 kV輸出電壓，其泄放電流為0.25 mA，影響可忽略不計(jì)。還需注意，分壓電阻需采用耐壓值不小于1 kV的高壓電阻。

另外，整流二極管采用1N5408二極管，其最大反向電壓為1 kV，最大整流電流為3 A，可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 安全保護(hù)電路設(shè)計(jì)

安全保護(hù)電路由繼電器和泄放電阻組成，即圖4中繼電器K400和K401、電阻R401～R408。當(dāng)碎石手術(shù)治療結(jié)束或設(shè)備維修時(shí)，可以控制繼電器閉合，電容通過泄放電阻徹底放電，保證人員安全。

3 測試及應(yīng)用

3.1 實(shí)測結(jié)果

通過測量快速充電電源對儲能電容充電時(shí)的電壓波形，即可獲得充電時(shí)間這一參數(shù)?？焖俪潆婋娫磳? μF電容充電，采用1 000∶1電阻分壓電路測量充電電壓，采用RIGOL示波器記錄測量結(jié)果?？焖俪潆婋娫磳?shí)測充電電壓波形如圖5所示。

由圖5可知，50 μs時(shí)，電容電壓即達(dá)到2 kV；100 μs后，電容電壓穩(wěn)定為2 kV。在設(shè)計(jì)要求中，碎石機(jī)儲能電容充電時(shí)間不大于1 ms，顯然，該電源充電時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求。

另外，在對儲能電容充電時(shí)，通過J402插座外接1 kΩ限流電阻，根據(jù)充電電壓可得最大充電電流為2 A。隨著充電的進(jìn)行，充電電流逐漸減小，即該充電電源不能進(jìn)行恒流充電。

圖5 實(shí)測充電電壓波形

3.2 對碎石效果的影響

該電源可對碎石機(jī)儲能電容快速充電，使得碎石機(jī)釋放碎石高壓電脈沖的方式發(fā)生變化。傳統(tǒng)的倍壓整流電路無法快速充電，碎石時(shí)只能采取每次釋放一個(gè)高壓電脈沖，等待儲能電容充滿電后再進(jìn)行下一次放電的方式。在這種方式下，需經(jīng)過數(shù)十次至上百次高壓電脈沖的沖擊才能將結(jié)石擊碎，擊碎一個(gè)結(jié)石的時(shí)間在數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘之間。

采用快速充電電源后，由于可連續(xù)釋放高壓電脈沖，碎石機(jī)采用了全新的高壓電脈沖放電方式。每次激發(fā)放電時(shí)，碎石機(jī)不再釋放一個(gè)高壓電脈沖，而是連續(xù)釋放數(shù)十個(gè)高壓電脈沖，從而使空化效應(yīng)相互疊加。碎石實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，擊碎一個(gè)結(jié)石只需2～5次激發(fā)放電，而每次激發(fā)放電時(shí)間小于1 s。新的釋放高壓電脈沖方式大大地提高了碎石效率，縮短了手術(shù)時(shí)間，且手術(shù)醫(yī)生無需等待碎石機(jī)充電，可專注于手術(shù)操作。

3.3 電源成本

該快速充電電源電路簡單，不但器件選擇方便，而且電源生產(chǎn)成本很低，不超過300元。而根據(jù)市場調(diào)研，市售的同類高壓直流電源售價(jià)達(dá)數(shù)萬元，遠(yuǎn)高于本設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本文提出的快速充電電源設(shè)計(jì)簡單易行、成本低，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，用于碎石機(jī)可連續(xù)輸出低能量高壓脈沖放電，顯著提高了碎石效果和碎石效率。

該電源的設(shè)計(jì)思路和方法也可用于體外碎石機(jī)高壓儲能電容快速充電器的設(shè)計(jì)。但在使用中需要注意，該充電電源不能實(shí)現(xiàn)恒流充電，故不適用于需要恒流充電的設(shè)備。對于有恒流充電需求的場合，可在該電源電路基礎(chǔ)上，采用大功率絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）構(gòu)成恒流源電路，這也是下一步需要完善的地方。