基于高頻逆變技術(shù)用于X光機研究設計與解決方案

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