邢旭東張 鵬

數(shù)字化高頻逆變器原理和故障分析

邢旭東①?gòu)?鵬②

論述數(shù)字化高頻逆變器的原理,重點(diǎn)介紹數(shù)字化高頻逆變器工作類型、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及發(fā)展，對(duì)應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行探討。數(shù)字化高頻逆變器從開發(fā)、安裝、使用、維護(hù)方面進(jìn)行了一些有意的研究，主要從系統(tǒng)的需要及可行性、先進(jìn)性、實(shí)用性進(jìn)行討論。

高頻逆變器；PWM；控制電路；比較電路；安全裝置

在放射設(shè)備發(fā)展中，數(shù)字化設(shè)備已成為絕大部分醫(yī)院中的重要設(shè)備，高壓逆變器則是設(shè)備中的核心組成部分，通過對(duì)數(shù)字化高頻逆變器原理進(jìn)行分析，從而對(duì)數(shù)字化高頻逆變器發(fā)展、工作類型、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行深入探討，可研制出效率高,體積小、安全、可靠的新產(chǎn)品,替代工頻高壓發(fā)生器,這無論是對(duì)技術(shù)還是醫(yī)學(xué)診斷將有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高頻逆變器的發(fā)展

從70年代中期，中頻逆變技術(shù)在X射線機(jī)中的應(yīng)用開始受到重視，80年代后期出現(xiàn)了中頻X射線機(jī)，到90年代中期，隨著高頻技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了高頻X射線機(jī)，其頻率大多在20～100 kHz之間，X線機(jī)工作頻率的改變，決定了其結(jié)構(gòu)和性能上的質(zhì)的改變，因此高頻機(jī)在性能上具有絕對(duì)的優(yōu)越性[1]。

高頻X射線機(jī)高壓的產(chǎn)生和控制都是由高頻逆變器完成的，它是一個(gè)交流逆變器（AC/AC INVERTER），能變成固定頻率下的可變的高壓，高頻逆變器通常由預(yù)置控制信號(hào)來控制高壓的產(chǎn)生，高頻逆變器的最基本原理是一個(gè)交流（AC/AC）逆變器，它能將一個(gè)電源電壓（AC 180～230 V、50/60 Hz）通過脈沖寬度調(diào)制（PWM：Pulse Width Modulation）轉(zhuǎn)換成頻率為20 kHz或更高的高壓信號(hào)，該信號(hào)發(fā)送一個(gè)高壓變壓器，通過變壓電路和整流電路將初級(jí)電壓變成40～150 kV高壓（波動(dòng)通常<2%），同時(shí)，球管內(nèi)的動(dòng)態(tài)信號(hào)將被精確的獲取，以控制高頻逆變器對(duì)X射線高壓的控制[4]。

高頻逆變器通常由直流電源、直流逆變和逆變控制三部分組成，將直流電壓變換為高頻電壓的過程稱為直流逆變，直流逆變的方法通常有三種：橋式逆變、半橋式逆變和橋式可控硅逆變器[5]。

橋式逆變多用在高頻逆變電路中，單端逆變、半橋式逆變兩種電路多用在燈絲逆變電路中，橋式逆變是實(shí)際采用的逆變方式。

2 高頻逆變器的電源輸出功率和電壓的調(diào)節(jié)

2.1 輸出功率的調(diào)節(jié)

交流電的功率由下式?jīng)Q定。即：

式中T為周期，電壓V和電流i均為時(shí)間的函數(shù)，Pt=V·i為功率的瞬時(shí)值。由上式看出，改變功率有如下兩種方式:

① 脈寬調(diào)制:此種方式是周期不變，改變功率波形的脈沖寬度，即改變一個(gè)周期內(nèi)的有用功率和無用功率的占空比來實(shí)現(xiàn)。

② 頻率調(diào)制：此種方式是積分函數(shù)不變，通過改變其頻率或周期來實(shí)現(xiàn)輸出功率的改變。

2.2 高頻逆變電源的電壓調(diào)節(jié)

交流電的電壓有效值由下式?jīng)Q定。即：

式中T為周期，e是電壓瞬時(shí)值，是時(shí)間的函數(shù)。由上式可知，電壓調(diào)節(jié)也有兩種方法：一是脈寬調(diào)制，即T不變，通過改變脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)E的調(diào)節(jié)；二是頻率調(diào)制，e不變，通過改變頻率或周期來實(shí)現(xiàn)E的調(diào)節(jié)[3]。

在高壓次級(jí)電路中，加在X射線管兩端的為直流高壓，要求其脈動(dòng)系數(shù)越小越好。無論頻率多高的高頻電源，其脈動(dòng)系數(shù)都與工頻電源一樣為100%，必須經(jīng)過整流和濾波后才能變?yōu)橹绷?。一般電源的逆變頻率越高，經(jīng)整流后產(chǎn)生的直流高壓的脈動(dòng)系數(shù)就越小。

3 數(shù)字化高頻逆變器工作原理

數(shù)字化高頻逆變器是由預(yù)置控制信號(hào)來控制高壓的產(chǎn)生的，高頻逆變器的最基本原理是一個(gè)交流（AC/AC）逆變器，它能將一個(gè)電源電壓（220 V、50/60 Hz）通過脈沖寬度調(diào)制（PWM：Pulse Width Modulation）轉(zhuǎn)換成頻率為20 kHz的高壓信號(hào)，該信號(hào)發(fā)送一個(gè)高壓（30 kV、20 kHz）給組合機(jī)頭的高頻逆變器，通過變壓電路和整流電路將初級(jí)高壓[-30 kV至+30 kV、20 kHz] 的電壓變成120 kV [-60 kV至+60 kV、40 kHz] 高壓（波動(dòng)<2%）。

在組合機(jī)頭內(nèi)的動(dòng)態(tài)信號(hào)將被精確的獲取，以控制高頻逆變器對(duì)X射線產(chǎn)生的控制，如圖1描述了數(shù)字化高頻逆變器的工作原理。

3.1 高頻逆變電源電路

高頻逆變器的電源電路電壓傳輸給橋式整流RE1、電容C1、C2得到直流350 V電壓（F1過流保險(xiǎn)絲），該電壓采用半波方式輸入給IGBTs Q1、Q2、Q3、Q4，其原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字化高頻逆變器工作原理示意圖

這些晶體管產(chǎn)生20 KHz電壓時(shí)分為兩階段：

第一階段：Q1、Q4工作產(chǎn)生+350 Vdc負(fù)載電壓（高壓初級(jí)電壓）；

第二階段：Q2、Q3工作產(chǎn)生大小而相反的-350 Vdc負(fù)載電壓。

結(jié)果兩個(gè)半波形成一個(gè)20 KHz大小為700 V直流電壓（點(diǎn)～點(diǎn)），通過電感L1、電容C7將一個(gè)正弦波形的高壓傳輸給組合機(jī)頭的高壓變壓器初級(jí)線圈。

3.2 高頻逆變器控制電路

高頻逆變器的控制電路有兩部分完成：控制部分和檢測(cè)部分組成，它包含了高頻逆變器的所有控制信息和全部的檢測(cè)電路。

3.2.1 電源控制板

電源部分：通過CP1(1、3、5)提供AC220 V電源，通過變壓器T4、橋式整流PD1、GR1穩(wěn)壓電路提供+15 Vdc、此時(shí)電源指示燈LD1亮，主要是為控制電路板提供直流電源，其原理如圖2所示。

圖2 電源控制電路

逆變器IGBT控制部分：Q1-B1、Q1-E1；Q2-B2、Q2-E2；Q3-B3、Q3-E3；Q4-B4、Q4-E4；是完全相同的工作原理，只是工作時(shí)序不同，下面我們以Q1-B1、Q1-E1為例詳細(xì)討論其工作原理，如圖3所示。

圖3 逆變IGBT控制電路圖

與Q1相關(guān)的控制，IGTBs的基極、發(fā)射集電壓的供給分別由T1、T2、T3變壓器完成，其控制信號(hào)（COM1、COM2）通過光電耦合器OC2、OC3、OC1、OC4分別進(jìn)行控制：

① 當(dāng)COM1信號(hào)為零時(shí)，OC2、OC3截止，TR7、TR10截止，則TR8、TR11輸出-15 VDC，該情況下，功率管Q2、Q3被截止；

② 當(dāng)COM1信號(hào)為高電平時(shí)，OC2、OC3工作，TR7、TR10工作，則TR8、TR11輸出+15 VDC，功率管Q2、Q3為高電平。

③ 當(dāng)COM2信號(hào)為零時(shí)，OC1、OC4截止，TR4、TR13截止，則TR5、TR14輸出-15 VDC，該情況下，功率管Q1、Q4被截止；

（138）卷葉光萼苔陜西變種Porella revolute var.Propingua（C.Massal.）S.Hatt. 楊志平（2006）

④ 當(dāng)COM2信號(hào)為高電平時(shí)，OC1、OC4工作，TR4、TR13工作，則TR5、TR14輸出+15 VDC，功率管Q1、Q4為高電平。

四組高頻信號(hào)控制逆變器振蕩輸出，獲得20 KHz高頻高壓。

3.2.2 信號(hào)檢測(cè)和控制電路

通過信號(hào)檢測(cè)和控制電路板的CP2(5/6、3/4)，如圖4所示，從組合機(jī)頭輸入一組KV+、KV-的采樣信號(hào)，該信號(hào)通過IC1、IC2運(yùn)算得到一個(gè)均衡電壓KVT。

圖4 KV讀出電路原理圖

該信號(hào)與SET KV信號(hào)比較，比較有下列兩標(biāo)準(zhǔn)：

① 最大的積分標(biāo)準(zhǔn)，由IC3積分電路完成“常規(guī)”調(diào)整；

② 最小的積分標(biāo)準(zhǔn)，由IC4積分電路完成“精確”調(diào)整。

最基本的比較來自INVERTER COM-RX信號(hào)為高電平時(shí)，光電耦合導(dǎo)通，此時(shí)LD1燈會(huì)亮，無論逆變器有無故障都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“STOP”信號(hào)，該控制信號(hào)為高電平，使得IC15C為低電平，此時(shí)LD7燈亮，COM1為低，阻斷高壓的產(chǎn)生。

比較的結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)控制信號(hào)COMPWM-A，從而生成IGBTs驅(qū)動(dòng)命令COM1、COM2、ENABLE，

KVT信號(hào)有兩個(gè)功能，第一個(gè)電路通過KVT、SET kV比較產(chǎn)生一個(gè)kV>85%信號(hào)，第二個(gè)電路通過比較電路產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，其比率為1 V=20 KV，其原理如圖5所示。

電路是產(chǎn)生一個(gè)控制IGBT的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM），該信號(hào)是由IC7觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)40 kHz、振幅在6 V～4 V的鋸齒波，和來自KVT、SET KV所形成的比較信號(hào)COMPWM-A通過IC8相比較，產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)COMPWM-B，IC8輸出是一個(gè)邏輯電平，當(dāng)有錯(cuò)誤信號(hào)超過4 V時(shí)輸出為高，該電路的結(jié)果是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制模式的40 kHz的信號(hào)。

4 故障分析

數(shù)字化高頻逆變器有特定的電路監(jiān)測(cè)其精確參數(shù)，當(dāng)該系統(tǒng)有故障或錯(cuò)誤時(shí)立即切斷射線的產(chǎn)生電路系統(tǒng)，詳細(xì)的分析如下。

4.1 高壓（HV）初級(jí)電流安全保護(hù)故障

電路精確監(jiān)測(cè)在組合機(jī)頭內(nèi)高壓初級(jí)的電流：來自高頻逆變器檢測(cè)信號(hào)TA1通過橋式整流產(chǎn)生IPRIM，IPRIM與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)KVT相比較，異常，則產(chǎn)生STOP命令，同時(shí)LD5燈亮，如圖6所示。

4.2 高壓過低（KVmin）安全保護(hù)

IPRIM高壓過低（kVmin）安全裝置電路是：如果給出射線命令4 s后，高壓沒有達(dá)到設(shè)置值，IC10(14)輸出為低，則IC9(9)與RS相比較，輸出為高電平，IC13(10)為低電平，LD4燈亮，產(chǎn)生STOP命令高頻逆變器阻斷，不產(chǎn)生高壓。其原理如圖6所示。

4.3 高壓失衡控制

kV+、kV-比較電壓如果沒有超過由R102、D31、C40電路產(chǎn)生的極限值RS，則會(huì)發(fā)生LD2燈亮，同時(shí)產(chǎn)生STOP信號(hào)，高頻逆變器被阻斷，說明組合機(jī)頭內(nèi)高壓失衡。

4.4 高壓超過110%安全保護(hù)

當(dāng)kV+、kV-超過kV最大可接納的值，安全裝置將啟動(dòng)。該值的設(shè)置取決于組合機(jī)頭的類型，旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極管J2A、J2B閉合（短路）而固定陽(yáng)極管J2A、J2B斷開，在這種情況下，如果有故障，則產(chǎn)生STOP信號(hào)，高頻逆變器阻斷，LD3指示燈亮。

通過以上部分電路完成了高頻逆變器電源及控制和檢測(cè)的所有功能，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制下完成高壓的產(chǎn)生。

圖5 KV比較驅(qū)動(dòng)電路

圖6 2-10高壓（HV）初級(jí)電流安全保護(hù)原理圖

5 結(jié)論

高頻逆變器是X射線裝置高壓部件中重要的組成部分，討論數(shù)字化高頻逆變器的組成和原理，對(duì)高頻逆變電路、高頻控制電路、高頻高壓取樣電路，及高壓初級(jí)電流安全裝置、高壓過低安全裝置、高壓失衡控制和高壓超過110%安全保護(hù)電路進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)目前數(shù)字化高頻逆變發(fā)生器有深刻的認(rèn)識(shí)，這對(duì)提高影像診斷設(shè)備的質(zhì)量和減少醫(yī)院的費(fèi)用有重要意義。

[1]oehrig H, Krupinski E, Dallas W.Necessary spatial resolution in digital mammography. Lemki HU et al, editors.Computer Assisted Radiology. Elsevier Science, 1996, pages 53-9.

[2]Kodak curve: Van Metter and Dickerson.Objective performance characteristics of a new asymmetric screen-film system.Medical Physics 21:9, pages 1483-90. Fuji curve: Ogawa et al. Proceedings of SPIE,Vol. 2432, 1995, pages 421-431. Sterling curve: Denny L. Lee et. al. Proceedings of SPIE, Vol. 3336, 1998, pages 14-23.

[3]Boone.量子論在X射線照相術(shù)和乳房顯影術(shù)影響的光學(xué)模型及編碼[J]. 醫(yī)學(xué)影響物理學(xué)雜志,James T. Dobbins III, John M. Boone,Editors, Proceedings of SPIE Vol. 3336,592-596 (1988).

[4]oehrig H, Krupinski E, Dallas W.Necessary spatial resolution in digital mammography. Lemki HU et al, editors.Computer Assisted Radiology. Elsevier Science, 1996, pages 53-10.

[5]IAE Tube Documentation X20P 0.3/0.6.

[6]Radius sugrical image intensifier service manual.

Principle and breakdown analysis of digital generation and control system/

XING Xu-dong, ZHANG Peng// China Medical Equipment,2011,8(4):69-74.

The article focuses on the digital generation and control principle and the digital generation and control system is introduced including its type,characteristics, advantages and prospects. Furthermore, the application value of various digital generation and control systems is discussed. The development,installation, use and maintenance, and the conditions required, feasibility,superiority, practicability of the system are also analyzed.

Generation; Pulse width modulation; Control circuits; Comparison circuit; Safety device

1672-8270(2011)04-0069-06

TH 77

B

2011-01-06

邢旭東,男,(1970- ),本科學(xué)歷，主管技師。北京理工大學(xué)電子工程研究生在讀，主要從事核磁、CT、X線的維修保養(yǎng)以及放射科PACS網(wǎng)絡(luò)的管理工作。

[First-author's address]Department of Radiology, the Affiliated Hospital,Military Academy of Medical Sciences, Beijing 100071, China.

①軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院附屬醫(yī)院放射科 北京 100071

②軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 北京 100071