基于高頻逆變技術(shù)的X光機設計

X射線(xiàn)檢測技術(shù)在無(wú)損檢測技術(shù)和醫院診斷領(lǐng)域有著(zhù)重要的應用，因此人們不斷研究X射線(xiàn)產(chǎn)生的相關(guān)技術(shù)，比如如何減小設備的體積，提高高壓直流電源的穩定性和可靠性，X射線(xiàn)的品質(zhì)與其所需的燈絲電流及陽(yáng)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光機主要部分的設計，以及陽(yáng)極電流與陽(yáng)極高壓及燈絲加熱之間實(shí)現控制的方法。其主要特點(diǎn)是合理利用高頻變壓器的寄生參數來(lái)設計諧振變換器。燈絲加熱采用高頻交流電壓信號。

1 系統電路組成

X射線(xiàn)機有陽(yáng)極高壓、陽(yáng)極電流以及曝光時(shí)間三個(gè)物理量需要控制。陽(yáng)極高壓決定X射線(xiàn)的質(zhì)，而陽(yáng)極電流的大小決定X射線(xiàn)的量，三者共同決定放射劑量的大小。為了完成上述三個(gè)物理量的控制，決定采用如圖1所示的拓撲結構。其中，陽(yáng)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(shí)間由單片機控制。

1.1 陽(yáng)極高壓產(chǎn)生及控制電路

陽(yáng)極高壓產(chǎn)生部分需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

(1)高壓變壓器的問(wèn)題

因為升壓變壓器的次級繞組與初級繞組間變比大，在初級側的等效漏感、分布電容等參數較大，不能忽視高壓變壓器繞組的繞制方法問(wèn)題。按照常規的次級線(xiàn)圈繞組分層來(lái)回繞制很多層，上下層間存在分布電容，這樣每個(gè)周期內都有電流通過(guò)，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(kāi)孔，然后相同的電路板疊加串聯(lián)起來(lái)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(lèi)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試和減少成本。

(2)高壓器件部件的集成、絕緣和散熱問(wèn)題

本設計區別于傳統做法，將升壓變壓器、倍壓整流電路板、X球管等幾個(gè)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(shí)解決球管陽(yáng)極的散熱，便于絕緣工藝施工與維護，還可以用普通電線(xiàn)連接全橋變換器與升壓變壓器，取代價(jià)格昂貴、笨重的專(zhuān)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(kāi)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成諧振Ⅲ，諧振電壓疊加在直流成分上形成比預計更高的電壓，易產(chǎn)生放電打火現象；而后者輸出近似正弦波，高次諧波頻率單一，可以合理設計參數，規避在后級電路產(chǎn)生諧振。所以在合理利用升壓變壓器的寄生參數方面，提高逆變器的效率有較多研究。本設計中也合理利用了升壓變壓器的這些參數，如圖1中功率變換采用零電壓開(kāi)關(guān)準諧振全橋變換器的主電路拓撲結構，它實(shí)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(méi)有標出) 采用次級繞組在初級側的等效分布電容；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(diǎn)，適應X球管這樣的大動(dòng)態(tài)范圍負載。

圖2為陽(yáng)極高壓控制電路。其核心芯片為零電壓開(kāi)關(guān)諧振型控制器MC34067，它采用恒關(guān)斷時(shí)間而改變頻率來(lái)達到改變占空比的方式穩定輸出電壓。其中，R1和C1決定諧振頻率；U0為陽(yáng)極電壓反饋信號；輸出信號A，B信號經(jīng)驅動(dòng)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(xiàn)球管的燈絲發(fā)射特性曲線(xiàn)。從圖中可知，X射線(xiàn)管的陽(yáng)極電流(又稱(chēng)為管電流)與兩個(gè)因素有關(guān)：燈絲加熱電壓和陽(yáng)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(yáng)極電流與陽(yáng)極高壓有關(guān)，因陽(yáng)極高壓改變時(shí)，管內加速電場(chǎng)強度變化，陽(yáng)極收集電子的能力發(fā)生相應的變化，從而導致陽(yáng)極電流改變。為了保證 x線(xiàn)機陽(yáng)極電流在整個(gè)輻照過(guò)程中一直穩定不變，在設計電路時(shí)就必須采用相應的控制方法。工頻供電X射線(xiàn)機中，多數設備是采用線(xiàn)性補償或電壓補償來(lái)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(xiàn)機的陽(yáng)極電流控制。

本設計用推挽電路將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端，輸出電壓的有效值大小受兩個(gè)互補驅動(dòng)信號的占空比D決定，控制芯片為T(mén)L494。圖4為基于TL494設計的X射線(xiàn)機陽(yáng)極電流控制原理。其原理描述如下，陽(yáng)極電流反饋信號Ia與設定電流Iref比較進(jìn)行誤差放大后，再第一次限幅保護，其幅度的大小由燈絲推挽電路保護電流決定，然后再送入脈寬調制集成電路TL494的PWM比較器；若誤差信號增大，它與振蕩三角波信號比較后，輸出的方波信號占空比變小，這樣會(huì )使通過(guò)燈絲的電流變小，進(jìn)一步降低了陽(yáng)極電流。至于陽(yáng)極高壓對陽(yáng)極電流的影響，它巧妙地利用了TL494的死區時(shí)間控制端，即用輸出電壓的大小改變輸出燈絲驅動(dòng)信號占空比的最大值。這是一種非線(xiàn)性補償方法。

2 整機控制電路

X光機的整機控制電路采用單片機，任務(wù)包括設定陽(yáng)極高壓、電流、曝光時(shí)間、保護電路、高壓與燈絲工作的使能時(shí)序控制等。這里特別需要強調高壓產(chǎn)生電路與燈絲加熱的控制時(shí)序問(wèn)題。與其他真空電子管設備一樣，燈絲加熱需要一定時(shí)間預熱才能穩定發(fā)射電子，而高頻逆變器與倍壓電路相結合產(chǎn)生高壓這種電路類(lèi)型，它的特性類(lèi)似于電壓源，與傳統的工頻升壓變壓器相比較而言，其內阻??；如果高壓反饋電路的取樣位置與控制閉環(huán)回路的設計不是很恰當，且燈絲沒(méi)有工作或輕載工作時(shí)容易造成高壓部分空載或輕載工作，這樣全橋變換器的功率開(kāi)關(guān)器件工作在極低占空比下，高壓輸出還有高次諧波分量多， EMI嚴重，容易產(chǎn)生尖脈沖在X球管內產(chǎn)生打火，損壞球管。所以?xún)烧叩墓ぷ鲿r(shí)序要配合好，高壓部分工作前要先啟動(dòng)燈絲加熱，高壓部分關(guān)閉也先于燈絲加熱關(guān)閉，即燈絲加熱工作時(shí)序寬度要覆蓋陽(yáng)極高壓工作時(shí)序。

3 實(shí)驗與結論

根據上述思路和電路設計了樣機，陽(yáng)極高壓部分的設計要求是輸出范圍為50～90 kV，電流為4～20 mA。實(shí)驗分下面幾個(gè)部分進(jìn)行：

(1)檢測高壓產(chǎn)生部分。檢測項目包括輸出高壓在電網(wǎng)波動(dòng)情況下(220 V土10%)的穩定性與調整情況、高壓輸出上升沿的時(shí)間、開(kāi)關(guān)機時(shí)有沒(méi)有輸出電壓過(guò)沖現象、保護電路的可靠性以及其他有關(guān)的電氣安全。

(2)對X球管產(chǎn)生部分的安裝絕緣處理檢查。所有的高壓電路與球管采用優(yōu)質(zhì)特氟龍安裝固定，并在真空狀態(tài)下灌注變壓器油、密封，防止氣泡融入油中影響絕緣等級。

(3)燈絲加熱電路的實(shí)驗。主要是對推挽變壓器和保護電路進(jìn)行測試，防止輸出的17 kHz交流加熱信號中因漏感造成有過(guò)高的幅度燒壞燈絲。根據所選用X球管的情況，確定燈絲加熱的預熱時(shí)間比高壓產(chǎn)生部分的啟動(dòng)信號早2～3 s，而關(guān)閉時(shí)間比高壓結束信號遲1 s。圖5為X球管在正常工作時(shí)高壓輸出信號和陽(yáng)極電流的采樣波形。上面的波形為陽(yáng)極電流Ia7.2 mA，下面的波形為陽(yáng)極高壓Va68 kV。從波形可看出，整個(gè)陽(yáng)極高壓穩定，高壓逆變器部分效率約為89%。圖6為陽(yáng)極高壓與陽(yáng)極電流的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖中可以看出，陽(yáng)極電流基本上不變，說(shuō)明上面提到的燈絲加熱控制電路非常有效。

4 結 語(yǔ)

本文使用高頻逆變技術(shù)設計了X光機的高壓產(chǎn)生電路與燈絲加熱電路，使用非線(xiàn)性控制技術(shù)實(shí)現了陽(yáng)極電流的精確控制，并對控制時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了說(shuō)明。該裝置體積小，重量輕，效率高。