高頻高壓發(fā)生器逆變電路的控制方法_莊月琴

1、生物醫(yī)學工程學進展2011年第32卷第3期doi：103969/jissn16741242201103006綜合述評·147·高頻高壓發(fā)生器逆變電路的控制方法莊月琴200437）上海市岳陽醫(yī)院放射科（上海，【摘要】高頻高壓發(fā)生器是X線設備的核心部件之一。根據(jù)西班牙SEDECAL、美國QUANTUM、日本SHIMADZU與加結(jié)合高頻高壓發(fā)生器主電路的結(jié)構(gòu)，分析了串聯(lián)諧振逆變拿大CPI四大公司生產(chǎn)的高頻高壓發(fā)生器的高壓主回路逆變電路，電路的各種控制方式及特點。它將為該類設備的維修、維護提供相應的技術(shù)指導?！娟P(guān)鍵詞】高頻高壓發(fā)生器；串聯(lián)諧振逆變電路；脈沖寬度調(diào)制；脈沖頻率調(diào)制；控

2、制方式；比較【中圖分類號】R812【文獻標志碼】A文章編號：16741242（2011）03014704OverviewofHighfrequencyHighVoltageGeneratorInverterCircuitsControlModeZhuangYueqinDepartmentofRadiology，ShanghaiYueyangHospital（Shanghai，200437）【Abstract】ThehighfrequencyhighvoltagegeneratorisoneofthecorepartsinXraymachineThisarti-cleanalyzesfromth

3、eprincipleoftheinvertcircuitforhighfrequencyhighvoltagegeneratortoseveralcontrolmodesandtheircharacteristicsofseriesloadresonantconverters（SLRCs），combinedwithconfigurationofthemaincircuitofhighfrequencyhighvoltagegeneratorthatmanufacturebyfourcompaniesSEDECAL，QUAN-TUM，HIMADZUandCPIItcanprovidecorres

4、pondingtechnicalguidanceforthiskindofequipmentrepairandmaintenance【Keywords】highfrequencyhighvoltagegenerator，Seriesloadresonantconverters（SLRCs），PWM，PFM，controlmode，Comparison0引言護工作，通過對幾家典型公司的高頻高壓發(fā)生器電路原理和控制方式進行測試和比較發(fā)現(xiàn)，雖然它們的高壓逆變電路結(jié)構(gòu)比較類似，但控制方式不盡相同，都有各自的特點。現(xiàn)從高壓主回路逆變電路原QUANTUM、HIMADZU和CPI對SEDECAL、理出發(fā)，這

5、四家公司逆變電路的控制方式進行比較說明。111串聯(lián)諧振逆變電路電路結(jié)構(gòu)和原理高壓發(fā)生器是X線設備的一個重要部件，按控制的頻率可分為工頻發(fā)生器、中頻發(fā)生器和高頻發(fā)生而高頻高壓發(fā)生器因其具有較高的射線輸出劑量器，穩(wěn)定性、體積小、重量輕、控制精度高、重復性好等優(yōu)SIEMENS、而被越來越被廣泛地應用。除了GE、點，PHILIPS三大影像設備商外，專業(yè)生產(chǎn)高頻高壓發(fā)生器的廠家也日趨增多，如加拿大的CPI公司、西班牙的SEDECAL公司、國內(nèi)的北京大恒公司等。筆者在醫(yī)院長期從事X線機設備的維修和維Email：zhuangyueqingyahoocn作者簡介：莊月琴，為了減小開關(guān)管的應力，實現(xiàn)零電壓或零電

6、流開關(guān)過程，目前的高頻高壓發(fā)生器主回路均采用串聯(lián)諧振逆變電路，如圖1所示。圖中L和C分別為逆變電路的諧振電感和諧振電容，與四個大功率開關(guān)管Q1·148·生物醫(yī)學工程學進展2011年第32卷第3期開關(guān)模態(tài)綜合述評Q4一起組成全橋諧振逆變電路。分別對Q1、Q4Q3進行交替導通的控制，和Q2、在高壓變壓器T的初級即可獲得交流電壓，變壓器升壓后得到交流高壓，再經(jīng)高壓整流（DB）、濾波（一般采用高壓電纜中的分布電容進行濾波）后得到直流高壓提供給球管。根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)情況和諧振電感電流iL的串聯(lián)諧振逆變電路存在四種開關(guān)模態(tài)。方向，21Q1、Q4導通；iL0母線電壓U的正端U+Q1LC高

7、壓變壓器T的初級Q4U。此時回路中的電流iL0，電容C被充電，直到C上的電壓VC=2U，則iL=0，如圖2中的時間段；22D1、D4導通；iL0圖1Fig1串聯(lián)諧振式高壓逆變電路原理Theprincipleofseriesloadresonant由于電容C上的電壓為2U，則VC通過LD1U+UD4高壓變壓器T的初級C。此時電容C被放電，直到C上的電回路中的電流iL0，壓VC=2VO，則iL=0，如圖2中的時間段；23Q2、Q3導通；iL0母線電壓U的正端U+Q2高壓變壓器T的converterscircuitforhighvoltage12諧振頻率和開關(guān)頻率逆變產(chǎn)生的初級電流（即諧振電感上的電

8、流）波形iL和諧振電容上的電壓波形VC如圖2所示。Q4（或Q2、Q3）導通圖中Tr稱為諧振周期，為Q1、由電路的諧振電感L和一次產(chǎn)生的正弦電流周期，諧振電容C的大小決定，其頻率即為諧振頻率fr，它們之間的關(guān)系為：11=Tr2Q4和Q2、Q3交替導通一次的時間我們把Q1、稱為開關(guān)周期Ts，對應的頻率稱為開關(guān)頻率fs，也可fr=稱之為控制頻率。初級CLQ3U。此時回路中的電流iL0，電容C被反向充電，直到C上的電壓VC=2U，則iL=0，如圖2中的時間段；24D2、D3導通；iL0由于電容C上的電壓為2U，則VC通過高壓變壓器T的初級D2U+UD3LC。此電容C被反向放電，直到C時回路中的電流iL

9、0，上的電壓VC=2VO，則iL=0，如圖2中的時間Q2、Q3即開關(guān)管Q1、段；當然還有第五種開關(guān)模態(tài)，和Q4均關(guān)斷，諧振電感電流iL等于0，諧振電容電壓VC保持不變，如圖2中的時間段。對于以上結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振逆變電路，其高壓控制的方式有兩種：脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModu-lation，PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyMod-ulation，PFM）。以下結(jié)合幾款高頻高壓發(fā)生器的控制方式作具體介紹。3PWM控制方式西班牙SEDECAL公司生產(chǎn)的HF系列發(fā)生器也就是所謂的脈沖占空比的采用PWM控制方式，調(diào)制，即控制的頻率不變，通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度來改變輸出電流或電壓

10、的大小，如圖3（a）所示，隨著控制脈沖的寬度改變，輸出電流的有效值發(fā)生相應的改變。iL電流波形和VC電壓波形圖2觸發(fā)波形、Fig2Triggerwaveformforpowerswitch，currentwaveformofresonanceinductance，voltagewaveformofresonancecapacity圖3（b）為SEDECAL高頻系列發(fā)生器高壓逆變電路結(jié)構(gòu)，其開關(guān)頻率恒定為33kHZ，采用脈寬調(diào)制的控制方式下，開關(guān)管的開通為零電流狀態(tài)，但關(guān)斷生物醫(yī)學工程學進展2011年第32卷第3期為硬關(guān)斷，存在關(guān)斷損耗；故開關(guān)關(guān)斷時的應力較SEDECAL采用智能功率模塊（Int

11、elligentPower大，IPM）作為功率開關(guān)元件，Module，它不僅把功率開關(guān)器件（IGBT）和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢從而大大提高逆變電路的可測信號直接送到CPU，靠性。圖中的C1和C2為吸收電容，用于消除開關(guān)過程中的沖擊響應。北京大恒醫(yī)療設備有限公司和廣西桂林集琦俊龍醫(yī)療電子有限公司生產(chǎn)的高頻高壓發(fā)生器也屬于這種控制方式。綜合述評·149·電路的開關(guān)應力和開關(guān)損耗很小，僅采用普通的IGBT模塊作為開關(guān)元件，另加兩個吸收電容C1和C2。圖中沒有諧振電感元件，而直接采用變壓器的漏感，以提高主回路的諧振頻率。142f

12、ff2rsr當控制的開關(guān)頻率大于諧振頻率的一半且小于諧振頻率時，輸出的電感電流iL連續(xù)工作，如圖5（a）。這種控制方式的代表機器是日本HIMADZU公司的生產(chǎn)的HD150型高頻高壓發(fā)生器，其高壓逆變回路的結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示。此類發(fā)生器的諧振頻率為32kHz，最高開關(guān)頻率為30kHz，這種控制但開通方式開關(guān)管的關(guān)斷為零電壓和零電流方式，是硬開通，存在開通損耗。反并二極管為自然開通，但關(guān)斷時有反向恢復電流，因此反并二極管必須采用快恢復二極管。故抑制開通過程中的浪涌電壓，SHIMADZU采用RCD單體吸收電路，如圖5（b）中C1、D1，的R1、這種緩沖電路的缺點是損耗相當大，因而不適用更高的開關(guān)高

13、頻。圖3Fig3PWM控制方式PWMcontrolmode4PFM控制方式PFM控制方式是控制脈沖的寬度不變，通過改變脈沖的頻率，來達到輸出電流和電壓的改變，這種控制方式又可分為以下三種：41fs12r如圖4（a），當控制的開關(guān)頻率小于諧振頻率的一半時，輸出的電感電流iL斷續(xù)工作。這種控制方式的代表機器是美國QUANTUM公司生產(chǎn)的Odys-sey系列高頻高壓發(fā)生器，其高壓主回路逆變電路結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，此發(fā)生器的諧振頻率80kHz，最高控制頻率40kHz，為諧振頻率的一半，這種控制方式的開關(guān)管開通屬于零電流狀態(tài)，關(guān)斷為零電流和零電壓狀態(tài)；反并二極管為自然開通和關(guān)斷。所以圖5開關(guān)頻率小于諧

14、振頻率且大于諧振頻率一半時的PFM控制方式Fig5PFMcontrolmodewhentheswitchfrequencyisbiggerthanhalfoftheresonancefrequencyandissmallerthantheresonancefrequency43fsfr當控制的開關(guān)頻率大于諧振頻率時，輸出的電感電流iL連續(xù)工作，如圖6（a）。這種控制方式的代表機器是加拿大CPI公司生產(chǎn)的CMP200高頻高壓發(fā)生器，其高壓主回路逆變電路結(jié)構(gòu)如圖6（b）所其開關(guān)的控制頻率在80kHz250kHz，諧振頻率示，為50kHz，這種控制方式與前述不同的是其輸出功率隨控制頻率的增加而減小。

15、其開關(guān)管的開通為零電壓和零電流開通，但關(guān)斷是硬關(guān)斷，存在關(guān)斷損反并二極管為自然關(guān)斷。為了實現(xiàn)開關(guān)管的零耗，圖4開關(guān)頻率小于諧振頻率的一半時的PFM控制方式Fig4PFMcontrolmodewhentheswitchfrequencyissmallerthanhalfoftheresonancefrequency電壓關(guān)斷，可以在每一個開關(guān)管上并聯(lián)一個吸收電容，如圖6（b）中的C1C4。在開關(guān)管導通時，電容電壓為零。當開關(guān)管關(guān)斷時，其電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)電·150·生物醫(yī)學工程學進展2011年第32卷第3期綜合述評容上，電容限制了開關(guān)管兩端電壓的上升率，電壓從零慢慢升高，從而實現(xiàn)了

16、開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，同時也實現(xiàn)了反并二極管的零電壓開通。種電路的控制方式有PWM和PFM之分。西班牙的SEDECAL、北京大恒和廣西俊龍采用的是PWM控制方式；而PFM的控制方式又分為三種：開關(guān)頻率小于諧振頻率的一半、開關(guān)頻率介于諧振頻率的一半到諧振頻率之間、開關(guān)頻率大于諧振頻率，其對應日本HIMADZU以及的生產(chǎn)廠商為美國QUANTUM、加拿大CPI。致謝：在論文撰寫的過程中得到了上海理工大圖6開關(guān)頻率大于諧振頻率時的PFM控制方式Fig6PFMcontrolmodewhentheswitchfrequencyisbiggerthantheresonancefrequency學醫(yī)療器械學院、

17、上海醫(yī)療器械高等?？茖W校黃勇高級工程師的理論指導，在此表示感謝。參考文獻1阮新波，嚴仰光直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)M北2000京：科學出版社，2王溶泉，醫(yī)用大型X線機系統(tǒng)M北京，人民軍醫(yī)出1995版社，3廣西俊龍電子有限公司網(wǎng)站，http：/wwwjunlongmedicalcom/ggfhtm4北京大恒醫(yī)療設備有限公司，http：/wwwdhmedcomcn/prodetailasp？id=125http：/wwwmitsubishichipscom/China/products/pdf/catalog/power_cpdf，三菱功率模塊產(chǎn)品目錄6DC30011OdysseyHFGenerat

18、orServiceManualRevR（Draft）pdf，Quantum美國公司產(chǎn)品資料（收稿日期：20110701）另外，不像以上其它的幾種控制方式都采用IB-GT作為開關(guān)元件，而這里采用的是MOSFET，如圖6（b）所示，因為MOSFET開關(guān)兩端的分布電容較大，比較適合于零電壓工作方式，而IGBT由于關(guān)斷時電流的拖尾比較長，所以比較適合于零電流工作方式。5結(jié)論由于諧振逆變電路可實現(xiàn)零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)的控制，可大大降低開關(guān)的損耗以及開關(guān)過程中對電路的沖擊，故目前市場上的高頻高壓發(fā)生器這基本上都采用諧振逆變電路作為高壓控制電路，檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵2011年上海地區(qū)醫(yī)用生物材料學術(shù)研討會征文經(jīng)上海市生物醫(yī)學工程學會生物材料專業(yè)委員會和上海市修復重建外科專業(yè)委員會商定，擬于2011年12月中旬在長征醫(yī)院31樓聯(lián)合召開“2011年上海地區(qū)醫(yī)用生物材料學術(shù)研