一種數字式任意波形X射線高壓發生裝置

深圳市計量質量檢測研究院 盧瑞祥

一、前言

X射線高壓發生器主要分為工頻、高(中)頻高壓發生器兩種。其中，如圖1所示，工頻高壓發生器直接由網電源供電，網電源經初級調整后，經高壓變壓器升壓后，將電壓調節至指定高壓范圍，最后經過高壓整流而得到相應的高壓輸出波形，所謂波形的不同主要取決于整流的方式。

圖1 工頻高壓發生器結構圖

如圖2所示，高(中)頻高壓發生器的網電源供電仍為50Hz的工頻交流電壓。工頻交流電壓先經整流變為直流電壓后再經高頻直流逆變器轉換成高頻電壓(一般在10KHz-100KHz)，接下來經高頻升壓變壓器轉換成高頻高壓交流信號，最后經高壓整流得到直流輸出。輸出電壓的控制通過調整高頻逆變器的脈寬或頻率的方式(Pulse Frequency Modulation,PFM或者Pulse Width Modulation，PWM)。同時輸出高壓經過分壓后反饋給反饋比較模塊，與預置參考電壓Vs進行比較并將比較結果(差分電壓Vd)作為高頻逆變器的控制信號，從而形成輸出電壓的閉環反饋。高（中）頻高壓發生器的優勢在于：由于升壓變壓器工作在高（中）頻段，因此變壓器的線圈匝數和鐵芯截面積都大幅度減少，實現了結構小型化。由于使用了閉環控制，控制實時性和控制精度得到較大程度提高，輸出電壓穩定，重復性好。

圖2 高頻（中頻）高壓發生器結構圖

在基于光感應方式的非介入式X射線kVp表的檢定/校準過程中，應該在不同管電壓波形（如恒定直流、單相半波整流、單相全波整流、三相六峰整流、三相十二峰整流等波形）的X射線輻射環境下對非介入式高壓表的量值進行校準[1]。而現有技術無法在同一臺高壓發生器上產生上述多種高壓波形，因此在上述現有技術條件下，校準一個非介入式X射線高壓表至少需要四臺以上不同波形的X射線高壓發生器來產生規定的管電壓。

二、系統原理與實現方案

在一個周期內，X射線高壓發生器的高壓輸出的有效值是由其傳遞的能量決定，而經過逆變-升壓-整流后，在T周期內的電壓能量由下式給出：

其中，U(t)為瞬間電壓。對于PWM逆變器，可以通過調整脈寬來調整輸出電壓的有效值。傳統的高頻發生器的電壓調節主要通過PWM閉環反饋控制實現。對于常規的X射線應用，預置參考電壓Vs為恒定值，而輸出高壓通過分壓器后得到反饋電壓Vr，Vs與Vr分別連接PWM控制器的正向、反向輸入端，其差分值驅動PWM逆變電路的脈寬調節電路，通過高壓升壓變壓器并整流后得到閉環反饋輸出高壓。

為實現輸出高壓的電壓變化，本文在傳統的高頻高壓器的基礎上進行改造，主要的區別是將預置參考電壓Vs由恒定值輸入改為可變量電壓輸入Vs(t)，該電壓信號由數字電路通過D/A轉換產生，通過CPU實現波形的任意控制。

圖3 數字式任意波形高壓發生器結構圖

圖3是本文所述高壓發生裝置的示意框圖。其中，任意波形信號發生單元包括：用于進行功能控制和數據處理的中央處理單元；存儲數字與預置電壓信號相對應的數字離散數據的存儲單元；以及將數字離散數據轉換成模擬波形信號的數模轉換單元。此外，任意波形信號發生單元還包括用于輸入設置參數的用戶輸入單元。

用戶可以通過用戶輸入單元設定預置電壓信號的波形參數（波形的類型、電壓、頻率），中央處理單元根據上述參數直接形成數字離散數據并存儲在存儲單元，或者預先通其他方式計算并存儲在存儲單元中。數字離散數據通過D/A轉換單元轉換成模擬形式的弱電壓波形信號Vs(t)，并通過外部接口（I/O口、通訊接口或者網絡接口）輸出到反饋比較單元，代替原有的穩壓預置直流電壓Vs。

在使用時，工頻交流電壓先經整流單元整流變為直流電壓，再經直流逆變單元轉換成預定頻率的中間交流電壓，接下來經變壓單元升壓為交流高壓信號后輸出。輸出電壓經分壓后反饋給反饋比較模塊，與預置電壓信號進行比較并將比較結果（差分電壓Vd）作為直流逆變單元的控制信號，直流逆變單元依據預置電壓波形信號和采樣信號的比較結果調制交流電壓的波形，由此實現閉環反饋控制。

在本方案中，預置電壓波形的電壓范圍由反饋比較單元的輸出而決定。反饋高壓信號通過純阻性高壓分壓器以10000：1的比例將X射線球管的高電壓信號分壓為低電壓信號[3]，考慮到醫用X射線高壓輸出的最大電壓為180kV，預置電壓波形的電壓范圍應小于18V。對于采用雙路功率推動的高壓發生器，其電壓輸出是正負極性的，需要設計兩路同步的弱電壓信號發生器，所對應的逆變器、高壓升壓電路、高頻高壓整流及高壓測量電路均需要雙路嚴格同步。

用于激發X射線的高頻高壓發生器的逆變器一般工作在5kHz-100kHz的范圍，振蕩器的頻率越高，PWM的反饋延遲越小。反饋環路的總時間延遲ΔT主要取決于PWM比較延遲、IGBT驅動延遲，系統的最大有效反饋環路的采樣率為ffb=1/ΔT，據根尼奎斯特定理，輸入數字波形信號的帶寬應為ffbd的1/2。

三、討論

本文在基本不改變高頻高壓發生器的原有電路的基礎上增加數字化可編程的任意波形信號發生裝置，使用該裝置對高頻高壓發生器反饋部分的預置參考電壓進行調制后，高頻高壓發生器的高壓輸出由單一的穩壓直流輸出（當然存在一定的紋波和過沖、振零）變為與調制信號波形相同的高壓輸出波形。因而本文的高壓發生器不受原有高頻高壓發生器輸入交流電源制式（單相220V或三相380V、50Hz或60Hz）的影響，不受直流逆變器工作頻率、工作方式（橋式逆變、半橋式逆變或單端逆變）、開關元件類型（可控硅或IGBT）及調制方式（PFM或PWM）的影響。實現了各種不同波形輸出，可以是波形帶寬在直流到高壓發生單元高頻逆變單元工作頻率二分之一范圍內的任意波形。本高壓發生器可以仿真工頻高壓發生單元的波形（包括常見的單相半波整流/單相全波整流/三相六峰整流/三相十二峰整流）、直流、三角波、方波等各種波形。并且由于采用了數字信號發生技術和計算機控制系統，輸出的任意波形可以通過編程的方式產生，便于使用。

本文所述的數字式X射線高壓發生裝置設計方案已經運用在國家質檢總局科技計劃項目《X射線kVp測量儀計量標準裝置》中，試驗裝置可以在同一臺高壓發生器中輸出單相全波整流、脈沖恒定直流等高壓波形，可模擬IEC61676標準規定的多種X射線輻射環境。

[1]醫用X射線機編寫組.醫用X射線機原理、構造與維修[M].中國醫藥科技出版社,1997.

[2]IEC 61676:2000 Medical electrical equipment-Dosimetric instruments used for non-invasive measurement of X-ray tube voltage in diagnostic radiology,IEC publication,2002,09.

[3]朱崇全,盧瑞祥.非介入式X射線kVp表檢定裝置中數據采集模塊的設計[J].工業計量,2007,05.