數字化高頻逆變器原理和故障分析

邢旭東張 鵬

數字化高頻逆變器原理和故障分析

邢旭東①張 鵬②

論述數字化高頻逆變器的原理,重點介紹數字化高頻逆變器工作類型、特點、優勢及發展，對應用價值進行探討。數字化高頻逆變器從開發、安裝、使用、維護方面進行了一些有意的研究，主要從系統的需要及可行性、先進性、實用性進行討論。

高頻逆變器；PWM；控制電路；比較電路；安全裝置

在放射設備發展中，數字化設備已成為絕大部分醫院中的重要設備，高壓逆變器則是設備中的核心組成部分，通過對數字化高頻逆變器原理進行分析，從而對數字化高頻逆變器發展、工作類型、特點、優勢及其應用價值進行深入探討，可研制出效率高,體積小、安全、可靠的新產品,替代工頻高壓發生器,這無論是對技術還是醫學診斷將有重要的現實意義。

1 高頻逆變器的發展

從70年代中期，中頻逆變技術在X射線機中的應用開始受到重視，80年代后期出現了中頻X射線機，到90年代中期，隨著高頻技術的成熟，出現了高頻X射線機，其頻率大多在20～100 kHz之間，X線機工作頻率的改變，決定了其結構和性能上的質的改變，因此高頻機在性能上具有絕對的優越性[1]。

高頻X射線機高壓的產生和控制都是由高頻逆變器完成的，它是一個交流逆變器（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置控制信號來控制高壓的產生，高頻逆變器的最基本原理是一個交流（AC/AC）逆變器，它能將一個電源電壓（AC 180～230 V、50/60 Hz）通過脈沖寬度調制（PWM：Pulse Width Modulation）轉換成頻率為20 kHz或更高的高壓信號，該信號發送一個高壓變壓器，通過變壓電路和整流電路將初級電壓變成40～150 kV高壓（波動通常<2%），同時，球管內的動態信號將被精確的獲取，以控制高頻逆變器對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節

2.1 輸出功率的調節

交流電的功率由下式決定。即：

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

① 脈寬調制:此種方式是周期不變，改變功率波形的脈沖寬度，即改變一個周期內的有用功率和無用功率的占空比來實現。

② 頻率調制：此種方式是積分函數不變，通過改變其頻率或周期來實現輸出功率的改變。

2.2 高頻逆變電源的電壓調節

交流電的電壓有效值由下式決定。即：

式中T為周期，e是電壓瞬時值，是時間的函數。由上式可知，電壓調節也有兩種方法：一是脈寬調制，即T不變，通過改變脈沖寬度來實現E的調節；二是頻率調制，e不變，通過改變頻率或周期來實現E的調節[3]。

在高壓次級電路中，加在X射線管兩端的為直流高壓，要求其脈動系數越小越好。無論頻率多高的高頻電源，其脈動系數都與工頻電源一樣為100%，必須經過整流和濾波后才能變為直流。一般電源的逆變頻率越高，經整流后產生的直流高壓的脈動系數就越小。

3 數字化高頻逆變器工作原理

數字化高頻逆變器是由預置控制信號來控制高壓的產生的，高頻逆變器的最基本原理是一個交流（AC/AC）逆變器，它能將一個電源電壓（220 V、50/60 Hz）通過脈沖寬度調制（PWM：Pulse Width Modulation）轉換成頻率為20 kHz的高壓信號，該信號發送一個高壓（30 kV、20 kHz）給組合機頭的高頻逆變器，通過變壓電路和整流電路將初級高壓[-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<2%）。

在組合機頭內的動態信號將被精確的獲取，以控制高頻逆變器對X射線產生的控制，如圖1描述了數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 數字化高頻逆變器工作原理示意圖

這些晶體管產生20 KHz電壓時分為兩階段：

第一階段：Q1、Q4工作產生+350 Vdc負載電壓（高壓初級電壓）；

第二階段：Q2、Q3工作產生大小而相反的-350 Vdc負載電壓。

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

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穩壓電路提供+15 Vdc、此時電源指示燈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，只是工作時序不同，下面我們以Q1-B1、Q1-E1為例詳細討論其工作原理，如圖3所示。

圖3 逆變IGBT控制電路圖

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

① 當COM1信號為零時，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COM1信號為高電平時，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COM2信號為零時，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COM2信號為高電平時，OC1、OC4工作，TR4、TR13工作，則TR5、TR14輸出+15 VDC，功率管Q1、Q4為高電平。

四組高頻信號控制逆變器振蕩輸出，獲得20 KHz高頻高壓。

3.2.2 信號檢測和控制電路

通過信號檢測和控制電路板的CP2(5/6、3/4)，如圖4所示，從組合機頭輸入一組KV+、KV-的采樣信號，該信號通過IC1、IC2運算得到一個均衡電壓KVT。

圖4 KV讀出電路原理圖

該信號與SET KV信號比較，比較有下列兩標準：

① 最大的積分標準，由IC3積分電路完成“常規”調整；

② 最小的積分標準，由IC4積分電路完成“精確”調整。

最基本的比較來自INVERTER COM-RX信號為高電平時，光電耦合導通，此時LD1燈會亮，無論逆變器有無故障都會產生一個“STOP”信號，該控制信號為高電平，使得IC15C為低電平，此時LD7燈亮，COM1為低，阻斷高壓的產生。

比較的結果產生了一個控制信號COMPWM-A，從而生成IGBTs驅動命令COM1、COM2、ENABLE，

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

電路是產生一個控制IGBT的脈沖寬度調制信號（PWM），該信號是由IC7觸發器產生一個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COMPWM-A通過IC8相比較，產生一個控制信號COMPWM-B，IC8輸出是一個邏輯電平，當有錯誤信號超過4 V時輸出為高，該電路的結果是一個脈沖寬度調制模式的40 kHz的信號。

4 故障分析

數字化高頻逆變器有特定的電路監測其精確參數，當該系統有故障或錯誤時立即切斷射線的產生電路系統，詳細的分析如下。

4.1 高壓（HV）初級電流安全保護故障

電路精確監測在組合機頭內高壓初級的電流：來自高頻逆變器檢測信號TA1通過橋式整流產生IPRIM，IPRIM與標準信號KVT相比較，異常，則產生STOP命令，同時LD5燈亮，如圖6所示。

4.2 高壓過低（KVmin）安全保護

IPRIM高壓過低（kVmin）安全裝置電路是：如果給出射線命令4 s后，高壓沒有達到設置值，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，產生STOP命令高頻逆變器阻斷，不產生高壓。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電路產生的極限值RS，則會發生LD2燈亮，同時產生STOP信號，高頻逆變器被阻斷，說明組合機頭內高壓失衡。

4.4 高壓超過110%安全保護

當kV+、kV-超過kV最大可接納的值，安全裝置將啟動。該值的設置取決于組合機頭的類型，旋轉陽極管J2A、J2B閉合（短路）而固定陽極管J2A、J2B斷開，在這種情況下，如果有故障，則產生STOP信號，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的所有功能，在計算機系統控制下完成高壓的產生。

圖5 KV比較驅動電路

圖6 2-10高壓（HV）初級電流安全保護原理圖

5 結論

高頻逆變器是X射線裝置高壓部件中重要的組成部分，討論數字化高頻逆變器的組成和原理，對高頻逆變電路、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%安全保護電路進行詳細分析，對目前數字化高頻逆變發生器有深刻的認識，這對提高影像診斷設備的質量和減少醫院的費用有重要意義。

[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.

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Principle and breakdown analysis of digital generation and control system/

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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- ),本科學歷，主管技師。北京理工大學電子工程研究生在讀，主要從事核磁、CT、X線的維修保養以及放射科PACS網絡的管理工作。

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

①軍事醫學科學院附屬醫院放射科 北京 100071

②軍事醫學科學院附屬醫院醫學工程科 北京 100071