基于高頻逆變技術(shù)的X光機(jī)設(shè)計(jì)

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(jì)，以及陽極電流與陽極高壓及燈絲加熱之間實(shí)現(xiàn)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(shù)來設(shè)計(jì)諧振變換器。燈絲加熱采用高頻交流電壓信號(hào)。

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(shí)間三個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)關(guān)鍵問題：

(1)高壓變壓器的問題

因?yàn)?strong>升壓變壓器的次級(jí)繞組與初級(jí)繞組間變比大，在初級(jí)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(jí)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(gè)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(yùn)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(jì)用了一種新的方法，即采用雙面電路板印制次級(jí)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(jì)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(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(jià)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(jí)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(jì)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(jì)參數(shù)，規(guī)避在后級(jí)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(jì)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(shí)際上是一種串并聯(lián)混合諧振變換器，并聯(lián)諧振電容(圖中沒有標(biāo)出) 采用次級(jí)繞組在初級(jí)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(diǎn)，適應(yīng)X球管這樣的大動(dòng)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(shí)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(hào)；輸出信號(hào)A，B信號(hào)經(jīng)驅(qū)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(hào)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(gè)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(shí)，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(gè)輻照過程中一直穩(wěn)定不變，在設(shè)計(jì)電路時(shí)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(bǔ)償或電壓補(bǔ)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(jì)用推挽電路將15 V的直流電變換成17 kHz的高頻方波信號(hào)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(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比D決定，控制芯片為TL494。圖4為基于TL494設(shè)計(jì)的X射線機(jī)陽極電流控制原理。其原理描述如下，陽極電流反饋信號(hào)Ia與設(shè)定電流Iref比較進(jìn)行誤差放大后，再第一次限幅保護(hù)，其幅度的大小由燈絲推挽電路保護(hù)電流決定，然后再送入脈寬調(diào)制集成電路TL494的PWM比較器；若誤差信號(hào)增大，它與振蕩三角波信號(hào)比較后，輸出的方波信號(hào)占空比變小，這樣會(huì)使通過燈絲的電流變小，進(jìn)一步降低了陽極電流。至于陽極高壓對(duì)陽極電流的影響，它巧妙地利用了TL494的死區(qū)時(shí)間控制端，即用輸出電壓的大小改變輸出燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的最大值。這是一種非線性補(bǔ)償方法。

2 整機(jī)控制電路

X光機(jī)的整機(jī)控制電路采用單片機(jī)，任務(wù)包括設(shè)定陽極高壓、電流、曝光時(shí)間、保護(hù)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(qiáng)調(diào)高壓產(chǎn)生電路與燈絲加熱的控制時(shí)序問題。與其他真空電子管設(shè)備一樣，燈絲加熱需要一定時(shí)間預(yù)熱才能穩(wěn)定發(fā)射電子，而高頻逆變器與倍壓電路相結(jié)合產(chǎn)生高壓這種電路類型，它的特性類似于電壓源，與傳統(tǒng)的工頻升壓變壓器相比較而言，其內(nèi)阻小；如果高壓反饋電路的取樣位置與控制閉環(huán)回路的設(shè)計(jì)不是很恰當(dāng)，且燈絲沒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(yán)重，容易產(chǎn)生尖脈沖在X球管內(nèi)產(chǎn)生打火，損壞球管。所以兩者的工作時(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?qū)挾纫采w陽極高壓工作時(shí)序。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

根據(jù)上述思路和電路設(shè)計(jì)了樣機(jī)，陽極高壓部分的設(shè)計(jì)要求是輸出范圍為50～90 kV，電流為4～20 mA。實(shí)驗(yàn)分下面幾個(gè)部分進(jìn)行：

(1)檢測高壓產(chǎn)生部分。檢測項(xiàng)目包括輸出高壓在電網(wǎng)波動(dòng)情況下(220 V土10%)的穩(wěn)定性與調(diào)整情況、高壓輸出上升沿的時(shí)間、開關(guān)機(jī)時(shí)有沒有輸出電壓過沖現(xiàn)象、保護(hù)電路的可靠性以及其他有關(guān)的電氣安全。

(2)對(duì)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(jí)。

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

4 結(jié) 語

本文使用高頻逆變技術(shù)設(shè)計(jì)了X光機(jī)的高壓產(chǎn)生電路與燈絲加熱電路，使用非線性控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了陽極電流的精確控制，并對(duì)控制時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了說明。該裝置體積小，重量輕，效率高。