一种医用X射线机高频高压发生器的设计

一种医用X射线机高频高压发生器的设计 2010年第52卷第l期光电技术ELECTRO—OPTICSTECHNOLOGY 一 种医用X射线机高频高压发生器的设计 李强 南京华东电子集团医疗装备有限责任公司南京210028 摘要为了解决医用X射线机在工频条件下输出有用射线率低,X射线管电压纹波 系数大及高压变压器体积 设计一种基于30kHz2E作频率上的高频高压发生器,该系统采用大重量重等问题, 大功率场效应管(IGBT)进行 "交.直一交"逆变模式,产生高频脉冲电压,通过闭环回路的反馈信号在固定频率下 调整脉宽实现对高压变压器 的高压回路和初级回路的控制. 高压,倍压整流,IGBT,逆变电源 关键词x射线机, 医用x射线机在医院,体检中心等医疗机构的应 用已经相当普及,虽然工频x射线机存在输出有 用射线率低,x射线管电压纹波系数大及高压变 压器体积大重量重等固有问题,但却占据了大部 分市场份额;随着人们对x射线的进一一步认识了 解,患者自身保护意识的加强,对降低无用低能 射线对人体的伤害,提高有用射线的利用率;医 生对诊断准确率的需求,对降低高压纹波系数, 提高x射线图像的品质;工程师对降低x射线机 机械设计难度,对减少高压变压器等部件的重 量,增强其在各种x射线机载体上配置的灵活性 等要求越来越强.为了解决上述问题,我们采用 大功率IGBT器件,将经过整流滤波后的直流电 逆变产生30kHz的高频脉冲电压,再将高频脉冲 电压送到高压变压器初级,通过闭环回路的反馈 信号在固定频率下调整脉宽实现对高压变压器的 高压回路和初级回路的精确控制. 1,系统结构图 该系统有两大模块部分组成:逆变电源模 块(包含整流滤波单元,桥式逆变单元,控制单 元等),高压模块(高压变压单元,整流倍压单 元,取样返馈单元),系统结构图见图(1). …一一,一一一一…一 图l系统结构图 2,系统模块设计 2.1逆变电源模块 逆变电源模块是用于驱动和控制X射线管高 压模块的装置,它通过闭环回路的反馈信号控制 高压回路和初级回路.高压回路的控制是依据取 自高压模块的反馈信号,在30kHz的固定频率下 调整脉宽实现的,脉宽的占空比大输出的高压就 高,反之脉宽的占空比小输出的高压就低.逆变 电源模块的主电路图见图(2). 图2逆变电源主电路 2.2.1整流滤波单元 220Vac交流电通过由二极管DI,D2,D3, D4组成的硅桥进行整流.电容C1,C2起稳压滤 波作用.熔断器F1为逆变器提供过电流保护. 2.2.2桥式逆变单元 场效应管IGBT受控制单元的逻辑控制,在 30kHz的固定频率下交替分组工作.开始时,场 效应管01,04导通工作,脉冲电压接通至高压 26光电技术第52卷第1期 变压器(TI)的初级(A,B),在高压变压器 的次级将得到升高的高压.当场效应管Q1, Q4截止时,场效应管Q2,Q3I作;当场效应管 Q2,Q3截止时,场效应管Q1,Q4I作. 与场效应管IGBT相连的RC滤波电路对 IGBT形成过压保护.其中:场效应管Q1受电阻 R3和电容C3的保护,场效应管Q2受电阻R4和电 容C4的保护,场效应管Q3受电阻R5和电容C5的 保护,场效应管Q4受电阻R6和电容C6的保护. 电感Ll和电容C7的作用是使逆变后的矩形 脉冲电压波形圆滑过渡,这样加载到高压回路的 的波形为类似于正弦波的方波,有利于高压变压 器的稳定工作,降低高压变压器的自身损耗.考 虑到在逆变主回路中容易产生高次谐波,故增加 电容C8来吸收连接电缆中的高次谐波等杂波. 2.2.3控制单元 控制单元产生逆变单元所需的全部控制信 号.它们主要有: (1)场效应管IGBT的触发信号:它是一个 30kHz频率的锯齿波发生电路产生,驱动IGBT的 逻辑信号由光耦OC1,OC2,OC3及OC4隔离, 并且相互独立.工作时SetkV信号与KVT信号的 进行比较,比较后产生COMPWM控制命令,并 对场效应管IGBT的触发信号脉宽进行的精细调 整,实现对IGBT的进行控制.其中SetkV信号是 预置x射线管两端的高压的值,KVT信号是从 x射线管高压模块读取kv+和kV_反馈信号经运算 后形成信号. (2)Stop~断保护信号:逆变电源的安全 保护措施是通过Stop信号实现中断x射线的发 射.例如:高压初级的过流保护时,从变压器 TA1上测到的电流值高于预定值,电路送出 Stop信号:高压输出低于最小kV时,给出x射线 命令4ms后没有接NkV反馈信号,逆变电源将中 止工作;以及KV不平衡,次级过压(?110%) 时,kV+$1kV-信号将与一个预定电压值进行比 较,当kV+和kV_反馈信号相关值的高于预定值 时,电路送出Stop信号,所有操作将被中止等. 2.2高压模块 高压模块是由高压变压器(T1),整流倍 压电路,高压取样反馈电路等组成,高压部分电 路图见图(三).其中高压变压器将逆变电源产 生的30kHz的方波提升到30000V(2个)左右的 经高压硅堆D1,D2,D3,D4和高压电容 高压, C1,C2,C3,C4组成的倍压整流电路形成一个 可达120000V(+60000V和一60000V两个电压,它 们的公共端接地)的直流高压;该直流高压加载 到X射线管的两端(阳极,阴极)形成产生X射 线的高压电场,用于加速灯丝阴极的热电子撞击 阳极靶面,产生x射线. R1,R2为取样电阻,用于读取x射线管高压 模块的kV+$~kV-反馈信号,kv+和kV-反馈信号 经运算后形成KVT信号,并实现对场效应管 IGBT的触发信号脉宽进行的调整,达到SetKv预 置电压和高压回路输出高压的闭环反馈控制. 图3高压部分电路图 3,结果 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 通过样机(功率为3kW)制作验证发现(但 由于涉及到关键工艺,数据等,故相关测验数 据,图 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 及器件的使用参数等不能一一列出), 图(四)为x射线管电压kV和管电流mAd的输出 信号波形图: (1)纹波系数:样机高压输出波形几乎为 一 水平直线,相比传统的工频50HzX射线机的正 弦波全波整流后的波形来看,纹波系数非常之 小,可以做到小于1,2%以内;高压上升时间可 以控制在1~2ms以内,极大的减少了低能有害射 线的产生,降低了软射线对人体的伤害. (2)高压控制的精度,成像的稳定性重复 性也有大幅度提高,高压控制的精度从原来的小 于等于?10%提高到现在的?2%,图象亮度稳定 第52卷第1期一种医用X射线机高频高压发生器的设计27 精度从原来3dB提高到不大于ldB,改善了诊断 图像的质量,方便医生进行医学诊断,降低了医 生的误诊率. (3)高压变压器:体积为同功率工频机的 1/2;重量为同功率工频机的1/3;绕组匝数大约 为同功率工频机的1/5.由于高压变压器体积的 大幅度减小,油箱的尺寸可以相应减少,变压器 油的使用量也大大节省. kV l 图4输出信号波形 总之,通过此次设计试验,需要解决的相 关问题度得到了完美解决,达到了预期设计的目 的,但由于试验仅仅是在3kW的机型上做的实 ,其它不同规格,验功率,用途的机型还需要作 进一步实验和研究探讨. 参考文献 [11t晓庆.医用x射线机工程师手册.中国医 药科技出版社,2009. [2】袁寿财.IGBT场效应半导体功率器件导 论.科学出版社,2008.