基于高頻逆變技術(shù)用于X光機(jī)研究設(shè)計與解決方案

X射線檢測技術(shù)在無損檢測技術(shù)和醫(yī)院診斷領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，因此人們不斷研究X射線產(chǎn)生的相關(guān)技術(shù)，比如如何減小設(shè)備的體積，提高高壓直流電源的穩(wěn)定性和可靠性，X射線的品質(zhì)與其所需的燈絲電流及陽極電壓的相互關(guān)系等。本文從高頻逆變技術(shù)的角度出發(fā)，介紹了X光機(jī)主要部分的設(shè)計，以及陽極電流與陽極高壓及燈絲加熱之間實現(xiàn)控制的方法。其主要特點是合理利用高頻變壓器的寄生參數(shù)來設(shè)計諧振變換器。燈絲加熱采用高頻交流電壓信號。

1 系統(tǒng)電路組成

X射線機(jī)有陽極高壓、陽極電流以及曝光時間三個物理量需要控制。陽極高壓決定X射線的質(zhì)，而陽極電流的大小決定X射線的量，三者共同決定放射劑量的大小。為了完成上述三個物理量的控制，決定采用如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，陽極高壓部分由全橋逆變電路和倍壓整流電路產(chǎn)生；燈絲加熱電路采用推挽技術(shù)產(chǎn)生的高頻交流加熱；曝光時間由單片機(jī)控制。

1.1 陽極高壓產(chǎn)生及控制電路

陽極高壓產(chǎn)生部分需要解決兩個關(guān)鍵問題：

(1)高壓變壓器的問題

因為升壓變壓器的次級繞組與初級繞組間變比大，在初級側(cè)的等效漏感、分布電容等參數(shù)較大，不能忽視高壓變壓器繞組的繞制方法問題。按照常規(guī)的次級線圈繞組分層來回繞制很多層，上下層間存在分布電容，這樣每個周期內(nèi)都有電流通過，產(chǎn)生較高的損耗，影響逆變器的運行。

目前，工程上采用分槽繞制的方法，能減少分布電容的影響。本設(shè)計用了一種新的方法，即采用雙面電路板印制次級繞組，在中間開孔，然后相同的電路板疊加串聯(lián)起來組成，使用UU型鐵氧體功率磁芯。這種方法的好處是層間能可靠的絕緣，類似于分槽繞制，分布電容小且有確定的值，有利于工程制造的調(diào)試和減少成本。

(2)高壓器件部件的集成、絕緣和散熱問題

本設(shè)計區(qū)別于傳統(tǒng)做法，將升壓變壓器、倍壓整流電路板、X球管等幾個部分安裝在一起，采用變壓器油絕緣散熱，這樣可以解決升壓變壓器繞組間、倍壓二極管和電容的絕緣，同時解決球管陽極的散熱，便于絕緣工藝施工與維護(hù)，還可以用普通電線連接全橋變換器與升壓變壓器，取代價格昂貴、笨重的專用高壓電纜，減小了體積與成本。

高頻逆變技術(shù)產(chǎn)生高頻交流供給升壓變壓器，可以采用硬開關(guān)電路產(chǎn)生方波電壓，也可以采用高頻諧振變換器產(chǎn)生近似正弦電壓。因方波脈沖內(nèi)含有豐富的高次諧波，這些高次諧波可能與后級倍壓電路構(gòu)成諧振Ⅲ，諧振電壓疊加在直流成分上形成比預(yù)計更高的電壓，易產(chǎn)生放電打火現(xiàn)象;而后者輸出近似正弦波，高次諧波頻率單一，可以合理設(shè)計參數(shù)，規(guī)避在后級電路產(chǎn)生諧振。所以在合理利用升壓變壓器的寄生參數(shù)方面，提高逆變器的效率有較多研究。本設(shè)計中也合理利用了升壓變壓器的這些參數(shù)，如圖1中功率變換采用零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振全橋變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它實際上是一種串并聯(lián)混合諧振變換器，并聯(lián)諧振電容(圖中沒有標(biāo)出) 采用次級繞組在初級側(cè)的等效分布電容;諧振電感Lr包括了高頻變壓器的漏感;串聯(lián)諧振電容Cr為MOSFET管的輸出電容和外加電容，它具有串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器各自的優(yōu)點，適應(yīng)X球管這樣的大動態(tài)范圍負(fù)載。

圖2為陽極高壓控制電路。其核心芯片為零電壓開關(guān)諧振型控制器MC34067，它采用恒關(guān)斷時間而改變頻率來達(dá)到改變占空比的方式穩(wěn)定輸出電壓。其中， R1和C1決定諧振頻率;U0為陽極電壓反饋信號；輸出信號A，B信號經(jīng)驅(qū)動電路分別接圖1的S1/S4，S2/S3。

1.2 燈絲加熱電路及控制

燈絲加熱電路的功能是發(fā)射電子，有直流電壓和交流電壓加熱兩種方法。圖3為某一型號 X射線球管的燈絲發(fā)射特性曲線。從圖中可知，X射線管的陽極電流(又稱為管電流)與兩個因素有關(guān)：燈絲加熱電壓和陽極高壓，但主要由燈絲加熱電壓決定。由于空間電荷的存在陽極電流與陽極高壓有關(guān)，因陽極高壓改變時，管內(nèi)加速電場強(qiáng)度變化，陽極收集電子的能力發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致陽極電流改變。為了保證 x線機(jī)陽極電流在整個輻照過程中一直穩(wěn)定不變，在設(shè)計電路時就必須采用相應(yīng)的控制方法。工頻供電X射線機(jī)中，多數(shù)設(shè)備是采用線性補償或電壓補償來抵消或抑制空間電荷的影響。這些方法不適合高頻逆變型X射線機(jī)的陽極電流控制。

本設(shè)計用推挽電路將15 V的直流電變換成17 kHz的高頻方波信號經(jīng)變壓器降壓隔離接至燈絲兩