不同醫用X射線高頻高壓發生器高壓逆變電路的比較

王曉明

中山市中醫院設備科 （廣東中山 528401）

X射線機是我國各級醫療衛生部門中使用最為普遍的醫學影像設備，然而其關鍵部件高頻高壓發生器國內還不能普及生產，主要依賴進口。近年來，國產大功率高頻X射線機研究開始起步，已經取得了一些研究成果[1]。由于X射線高頻高壓發生器具有高質量的X線輸出，以及效率高、體積小、重量輕、控制精度高等優點，已逐漸替代工頻X射線發生器，成為現代X射線機和X-CT設備的關鍵核心部件之一[2]。通過對各大公司的高頻高壓發生器核心技術－高壓逆變電路進行系統的分析，并比較其各自的優缺點，有利于了解產品的特點和性能。本研究對幾種不同醫用X射線高頻高壓發生器的高壓逆變電路進行分析比較，現報道如下。

1 研究基礎

選取中山市中醫院GE公司X射線機2臺，Siemens公司的2臺，Philips公司的2臺，以及島津、東芝等公司的2臺作為研究對象，比較不同高壓逆變電路的特點。

2 研究方法

2.1 理論分析

首先對高壓逆變電路進行理論分析，理解和掌握全橋串聯諧振逆變電路的各種工作方式及其性能和特點。一般而言變換器有3種工作方式：（1）當工作頻率＜1/2的諧振頻率（resonant frequency，Fr）時，變換器為電流斷續工作方式，此時開關管工作在零電流開關條件下；（2）當工作頻率＞1/2的Fr，且低于Fr時，變換器為電流連續工作方式，諧振回路呈容性，開關管為零電流（zero current switch，ZCS）關斷，但為硬開通；（3）當工作頻率＞Fr時，變換器為電流連續工作方式，諧振回路呈感性，此時開關管為零電壓（zero voltage switch，ZVS）開通，但為硬關斷[3]。

2.2 具體線路分析

參照以上的理論分析，對Siemens、Philips、GE、Shimadzu、Toshiba等各大公司的X射線機的電路原理進行分析，判斷各自的高壓逆變電路的工作方式，分析其高壓控制的實現方法。基于ZCS的串聯諧振逆變電路和基于ZVS的串聯諧振逆變電路的PFM控制方式不同。基于ZCS的串聯諧振逆變電路的生產廠家較多，有日本的Shimadzu公司、Toshiba公司，歐洲的Siemens公司和Philips公司，還有美國的Quantum公司、GE公司等。而加拿大的CPI公司和美國的EMD公司采用的是ZVS的并聯諧振逆變電路。目前ZCS的串聯諧振逆變電路方式的控制頻率最高達到40 kHz，Fr為80 kHz，而采用ZVS的CPI公司，其最高控制頻率達到250 kHz[4]。

在以上分析的基礎上，利用示波器對各大公司（Siemens、Philips、GE、Shimadzu及Toshiba）的典型高頻高壓發生器的高壓逆變電路的電流波形、電壓波形、管電壓（kV）波形、管電流（mA）、逆變工作頻率、逆變Fr等進行測量和記錄。除了在額定輸出功率條件下進行測試外，需要對低功率、中功率、高功率等各種條件進行測試和記錄。

在以上波形測試的基礎上，對記錄的波形進行比較分析，從實際測試結果判斷各大公司（Siemens、Philips、GE、Shimadzu及Toshiba）高頻高壓發生器的性能和特點。從而可以為臨床操作、設備的維護維修保養、設備的采購以及國內X射線機設備廠商的研究開發提供參考。

3 研究過程

3.1 發生器的控制原理

發生器主回路主要由高壓逆變回路，燈絲驅動回路和旋轉陽極驅動回路以及相關的配合電路組成，見圖1。

以數字減影X線（digital radiography，DR）拍片機發生器為例，外部380 V交流三相電壓進入發生器，首先經過三相全橋整流電路，產生脈動直流經過濾波回路后約為550 V的平滑直流，550 V直流加載在諧振回路，產生高頻的交流送入油箱經過高頻變壓器升壓為高頻高壓交流，在油箱內經過倍壓整流，濾波后成為高壓直流，由高壓電纜輸入至球管陰陽兩極，為燈絲產生的電子云提供加速電場。其中高壓驅動回路見圖2[5]。

圖1 發生器主回路

圖2 高壓驅動回路

3.2 諧振變換器拓撲結構

20世紀80年代，大功率的高壓發生器基本采用可控硅工頻相控結合升壓變壓器，其主要缺點為：工作頻率為50 Hz，體積大，重量重；輸出電壓紋波大，交換效率低，動態性差。隨著電力電子技術的進步和開關器件的發展，高壓開關電源技術不斷進步。突出的表現是電源的頻率和功率在不斷地提高，大功率高壓發生器在產品上已很成熟，更高功率的高壓開關電源也有很快的發展。其主要優點是工作時高頻變壓器體積小、重量輕、輸出電壓紋波小、變換效率高以及動態性能好。

高壓變壓器具有較大的寄生參數，如果將它直接應用在脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）變換器中，則漏感的存在會產生較高的電壓尖峰，容易損壞功率器件。分布電容的存在會使變換器有較大的環流，降低了變換器的效率。因此PWM變換器并不適合應用在高壓大功率場合。而諧振變換器可以利用電路中的寄生參數，使高壓變壓器的漏感和分布電容參與主電路的諧振工作，因此它適合作為高壓直流電源的主電路。同時諧振變換器可以實現開關管的ZVS或ZCS而減小開關損耗，提高開關頻率，減小變換器的體積。在諧振變換器拓撲中常見的有3種拓撲結構，即串聯諧振變換器（series resonant converter，SRC）、并聯諧振變換器（parallel resonant converter，PRC）和串并聯諧振變換器（series-parallel resonant converter，SPRC；又稱作LCC諧振變換器）。串聯諧振變換器主要結構見圖3。

3.3 3種諧振變換器拓撲結構的比較

SRC存在一些缺點，較小的頻率變化可以引起功率的明顯變化，因此可操控的區域狹窄。為了提高曝光參數控制精度和控制范圍，逆變器的頻率控制會結合可調中間電壓控制以滿足全范圍曝光參數，見圖4。

圖3 串聯諧振變換器主要結構（SRC）

圖4 串聯諧振頻率范圍曲線

PRC的優點是負載可被開路。由于在輸出端采用濾波電感，對濾波電容的脈動電流要求小，適用于低輸出電壓、大輸出電流的場合。采用變頻控制工作在連續電流工作模式（continuous current mode，CCM）時，在空載情況下可以控制輸出電壓。它的缺點是輕載時輸入側環流大、變換效率低；需加入隔直電容防止變壓器直流磁化。

SPRC又稱作LCC諧振變換器。諧振變換器由于結合了SRC和PRC各自的優點，同時克服了它們的缺點而受到了廣泛的關注。它可以利用高壓變壓器中漏感和分布電容作為諧振元件，從而減少了元件的數量，減小了變換器的體積[6]。

3.4 SPRC的分析研究

SPRC根據并聯諧振原件的不同，可分為并聯電感型LLC諧振變換器和并聯電容型LCC諧振變換器。以西門子和GE的發生器為例，主要以并聯電感型LLC諧振變換器為主，主要通過并聯電感提升諧振范圍；以CPI為代表的發生器，主要以并聯電容型LCC諧振變換器為主，主要通過并聯電容提升諧振范圍。

3.4.1 兩種SPRC的回路介紹

并聯電感型LLC諧振變換器的電路圖及曲線，見圖5。

圖5 并聯電感型LLC電路及曲線

并聯電容型LCC諧振變換器的模型分析及電路，見圖6[7]。

等效電流傳遞函數：H(s)=1/(1+Cp/Cs+s2Lr+SLr+1/SCsR)

電壓傳輸比：M=Vout/Vin=1/(1+A-K2+jQV）

其中：A=Cp/Cs；K為高壓變壓器原副邊匝比；Q為品質因數

圖6 并聯電容型LCC模型及電路

3.4.2 兩種SPRC比較

并聯電感型LLC諧振變換器工作在當開關工作頻率低于Fr時，將會工作在零電流工作狀態，當工作在直流增益曲線率為正的區域時，負載為容性，變換處于零電流工作模式。當工作在＜Fr，工作方式是斷流工作模式（discontinuous conduction mode，DCM）。

主流的并聯電容型LCC諧振變換器主要工作在Fr的右側，即增益為負區域。采用金氧半場效晶體管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）為開關控制器，工作區處于諧振點的右半部分。這是由于這種變換對零電壓開關有好處。實際上遵循這樣一個規律：當工作在直流增益曲線斜率為負的區域時，負載成感性，變換處于零電壓開關工作模式。LCC諧振變換器工作在Fr右側為主，工作方式是CCM[8]。開關工作曲線見圖7。

圖7 開關工作曲線

利用示波器對不同開關頻率關系下的并聯諧振變換器工作過程進行測量和記錄，并統計制作諧振回路激勵電壓與諧振電流的諧振電流響應波形，見圖8。

圖8 諧振電流響應波形

對以上制作的諧振電流響應波形進行比較分析，可以得出以下結論。（1）當驅動頻率（start frequency，Fs）＜0.5 Fr時，器件開通時，由于諧振電感的存在，電流緩慢地上升屬于零電流開通（zero current turn on）。諧振回路在半個開關周期內會完成一個完整的諧振響應。在電流響應的正半波起通流作用的是全控器件本身，而在電流負半波時，起通流作用的是器件的反并聯二極管。在此期間器件可以實現零電流、零電壓的關斷（zero current and zero voltage turn off）。主器件和二極管都關斷之后諧振回路將停止工作，這種形式的工作模式稱為LCC的斷續電流模式，器件整體上呈現 ZCS軟開關。（2）當0.5r＜Fs ＜Fr時，由于電感的存在，器件開通時會有較高的電流，屬于硬開通，且開通損耗較大。而器件關斷時，位于反并聯二極管通流階段，因此可以實現零電流、零電壓的關斷（zero current and zero voltage turn off）。這種狀態下的電流波形是連續的，近似為正弦。但是諧振電流超前激勵電壓，諧振回路整體呈容性。在器件開通初始階段，電流在同側器件的反并聯二極管中流過，開通瞬間諧振換流和反并聯二極管反向恢復同時發生，容易引起直流母線的上下直通。為了諧振變換器的可靠運行，應盡量避免連續電流容性狀態的工作模式。（3）當Fs＞Fr時，在器件開通的初始時刻，電流在自身的反并聯二極管中流過，因此開通時是零電流、零電壓開通（zero current and zero voltage turn on）。隨著諧振響應的繼續電流從負半波到正半波，并在正半波期間關斷，由于器件電容的存在，器件端電壓緩慢上升，從而實現了零電壓關斷（zero voltage turn off）。這種狀態下電流波形同樣是連續且近似正弦的。但是諧振電流滯后激勵電壓，諧振回路整體呈感性，器件可以實現ZVS軟開關[9]。

3.5 發生器高壓回路控制方式的研究

由圖9可見功率曲線、負載和控制頻率的變化關系。因此在發生器的高壓回路控制中要充分考慮負載的影響，諧振電流結合kV采樣對高壓品質的影響也至關重要。

圖9 功率曲線、負載和控制頻率

醫用X射線高頻高壓發生器高壓逆變電路的高壓控制回路系統，是通過兩個閉環調節電路實現kV輸出控制，外邊的閉環是kV的比例-積分（proportional plus integral，PI）調節，里邊的閉環是基于諧振電流的串聯校正調節，調節的結果是輸出一個直流電平信號[10]。諧振變換電路就是根據這個直流電平信號確定開關頻率以驅動逆變器。根據不同負載情況，調節逆變輸出諧振電流的幅值，然后通過變壓器倍壓電路產生kV輸出，見圖10。

諧振變換電路的目的是將經過前面兩個閉環調節后形成的直流電平轉換成驅動逆變的方波信號。這個直流電平對應的物理量是主回路諧振電流的有效值，即電平越高諧振電流有效值應越大。諧振電流有效值與逆變開關速度有關，每一次逆變保持開或關的狀態時間越長諧振電流越大。所以實現用直流電平控制逆變處于開或關狀態的時間非常重要。在這里引入一個電容充電的環節將直流電平的高低轉換成時間的長短。以此控制諧振電流的有效值，見圖11。

圖10 高壓控制回路系統

圖11 高壓控制回路信號

4 結論

串并聯諧振的優點：工作范圍更寬，易于用更高的頻率控制高壓，不會出現因串行諧振微小的頻率變化，而引起高壓迅速上升的難以控制的情況，也可采用固定的中間電壓（即直流），從而降低系統的復雜度。

SPRC中的LCC實現ZCS或ZVS的能力，與頻率和負載狀態相關。但是對于實際半導體器件而言，ZCS或ZVS在降低損耗上所起的作用是不同的。對于MOSFET而言，其結電容相對較大，硬開通時會引起很高的損耗，因此MOSFET適合于ZVS形式的軟開關。而絕緣柵雙極型晶體管（insulated-gate-bipolar transistor，IGBT）在關斷時有電流拖尾現象，二極管在關斷時有反向恢復的過程，這兩種器件更適合于ZCS形式的軟開關。

管電壓調節是通過逆變器的驅動頻率進行的。可變直流母線電壓UZ 對于小管電流而言，需要較低的直流母線電壓。這說明網絡側晶閘管電橋需要額外的努力，并要求控制直流母線電壓[11]。而串并聯諧振很好地解決了這個問題：在串聯諧振頻率處，獲得最大振蕩電流幅度。 在并聯諧振頻率（parallel resonant frequency，Fp）處，獲得最小振蕩電流幅度（理想為零）。該規定在Fp和Fs之間，即i。工作頻率安全地高于聆聽范圍，即使管電流很小，紋波也很小。當然，也有負面的一點：Fp絕不能低于Fs（必須考慮元件公差，需要調整）。在管電流較小的情況下，并聯電路中會出現較大的循環電流，這主要是由透視引起的發熱問題。