高电压技术在X光机电源系统中的应用与研究

杨 威，李安庆

(安徽邮电职业技术学院 通信工程系，安徽 合肥 230061)

在疾病诊断过程中，X光机是主要的成像设备之一，最早应用在无创伤性的内脏检查方面. 随着科技的不断进步和医疗水平的不断发展，对高精度、高稳定性、高质量的医用X光机的需求不断增大. 在实际的临床应用中，X射线成像必须以减少对患者的伤害，尽可能用最少的剂量来获得最高的图像质量为前提，因此X光机电源系统的设计与研究在临床应用方面就极为重要[1-3]. 电源系统输出电压值的高低极大地影响人体组织与X射线之间相互作用之后的成像质量[4]. 传统的X射线高压型发生器存在着许多明显的不足，如成像质量差、频率较低、体积大、稳定性差等. 为了使X光管在临床中满足操作要求，对现有的X光机电源系统进行了改进，设计制作了频率更高、体积更小、耐压更强、便于现场操作的新型电源.

1 电源整体结构

根据高压电源输出功率的特性以及X光管的电流特性(X射线管高压直流电源输出电压频率高、纹波小、稳定度高、安全可靠的要求)，采用高频高压开关变换技术的方案. 该高压电源电路主要包括全桥逆变电路、高频变压器升压电路、倍压整流升压电路以及内部闭环反馈电路等几部分组成[5]. 电源整体结构框图如图1所示. 电源的工作过程为：外界直流24 V电压经供电电源与软起动电路加到变压器一次侧，高压控制电路UC3525AN通过MOSFET通断使一次侧直流变为交流. 再经过升压变压器升压，二次侧可得到大约5 kV类似正弦波. 在此为了防止高压输出端口外界短路和关断时的尖峰电压，增加了电阻负载来限制输出功率和尖峰电压吸收回路. 变压器的二次侧通过7级倍压整流电路，可以输出理论空载电压为65 kV的高压，但是因为存在损耗所以不能达到那么高，控制参数使输出电压在最大为50 kV高压直流. 采用电阻直接采样的方式，将采样电压通过反馈电路反馈给UC3525AN来控制输出的PWM波形占空比，从而得到设定的电压值(4～50 kV可调节)，实现闭环控制.

图1 电源整体结构框图

2 基本电路

2.1 UC3525AN高压驱动电路

UC3525AN是单片集成电路，包含一个5 V精度为1%的精密基准电压源、脉宽调制器、欠压保护、软启动电路、死区时间的调节电路、输出驱动电路等[6]. 与单片机、DSP等微处理器相比，使用UC3525AN可以降低成本而且输出电压稳定性更高. 与SG3526及其他芯片相比，该芯片内的软起动电路能够避免开机瞬间的电流冲击，造成功率开关管的损坏. 同时该芯片在单端模式下输出最大脉冲占空比为50%.

高压电源的驱动电路由芯片UC3525AN发出的PWM波控制MOSFET的通断来控制高压升压变压器的输出功率. 高压升压变压器驱动电路如图2所示. 在电路中振荡器的频率选择20 kHz. 外部继电器通过切换+15 V和-15 V，达到控制UC3525AN的开通与关断. CT与RT振荡产生的基波与高压反馈电压Vref做比较，产生的PWM波形通过Q3输出，控制MOSFET导通与关断达到控制高压变压器的开通与关断，进而控制升压变压器输出功率. 当反馈值小于给定的高压值时，Q3输出的PWM方波占空比会增大，增大变压器的输出功率，进而升高输出高压；反之当反馈值大于给定的高压值，Q3输出的PWM方波占空比会减小，减小变压器的输出功率，进而降低输出高压，从而使电压调整到设定电压.

图2 高压升压变压器驱动电路图

2.2 供电电源与软启动电路

为了减少在电源快关瞬间大电流对电容的冲击，设计了带有继电器保护的软启动电路[7]. 外界直流电源直接供电+24 V. 电源24 V经过FU保险丝给后面的器件供电. INTLK为锁存，当INTLK悬空时继电器K1不工作，继电器K1的3脚没有切换到4脚给后面器件供电；当INTLK通过一个470 Ω电阻接地时继电器K1工作，继电器K1的3脚切换到4脚给后面器件供电. 所以可以通过控制INTLK悬空与接地来控制继电器，从而控制电源供电. 当继电器K1工作，+24 V电源供电，与此同时K1的5脚接到6脚使6脚电平为-15 V，解除UC3525AN的锁定. 此时的3脚与4脚相连接为+24 V电压，此电压一路通过压敏电阻RT1给C1充电，使0～24 V电压慢慢抬高；另一路通过R1给C2充电，当C2电压达到+12 V时继电器K2工作，K2的第3脚与第4脚相连接，让+24 V直接与0～24 V连接，给高压升压变压器供电. 从而完成了对供电电源的控制与电压的软启动. 供电电源与软启动电路如图3所示.

图3 供电电源与软起动电路图

2.3 变换电路

变换电路由高频变压器和MOSFET构成. 根据电磁感应定律，开关电路在变压器一次侧通过周期性通关产生的周期性变化的电流，在变压器的二次侧会产生与一次侧周期相同的感应电动势，从而达到了直—交的升压变换[8]. 因此MOSFET和高频变压器的选择最为重要.

(1)MOSFET选择

在高压电源电路中,影响电源的可靠性的关键器件为MOSFET晶体管. MOSFET晶体管是一种依靠多数载流子工作的单级型晶体管且不存在二次击穿的问题，因此MOSFET晶体管具有较大的安全工作区间，同时良好的散热性和较快的关断速度，这是作为高压电源的最关键的选择条件. 通常MOSFET晶体管的额定电压必须要大于输出电压，额定电流要大于电感电流的峰值. 所以在选择设计高压电源时，MOSFET晶体管选择IRF540N. 耐压值为100 V，允许通过的最大电流为33 A，导通电阻仅为0.4 Ω，非常的小. IRF540N的开关速度为7 V/ns，非常快，从而大大减少了损耗.

(2)高频变压器

为了使X光机做到小型化、便携式方便，高频变压器选择采用锰锌铁氧化体作为变压器的磁芯. 同时与合金磁性材料相比，铁氧体的电阻率非常小，从而可以忽略通电时铁氧体产生的涡流.

2.4 倍压电路

倍压整流电路是利用二极管的单相导电性以及滤波电容的储能作用,从而可以获得几倍于高频变压器副边的直流电压[9]. 这种电路结构简单，适用于小电流和高电压电路. 本设计采用7级倍压整流电路，整流电路的最大输出电压为50 kV. 7级倍压整流电路如图4所示.

图4 7级倍压整流电路图

2.5 尖峰电压吸收电路

变压器是通过磁路耦合工作的，通过将一次侧线圈将电能转换为磁能然后传输到二次侧，再转换为电能，实现电能的传输[10]. 尖峰电压吸收电路如图5所示. 当MOS管开通时变压器漏感内存储了一定电能，当MOS关断时这部分电能依然存在，若是没有回路放电就会在MOS管关断的瞬间产生极高的浪涌电压，有可能会击穿MOS管，甚至会对空气放电产生火花. 所以在设计电路时要考虑这部分电能的释放，图中并联在一次侧的R3、C1、VD组成的Snobbery电路，就是专门用于吸收变压器漏感内的能量，减小MOS管关断时候的浪涌电压，保护MOS管. 由于MOS管的栅-源存在寄生电容CGS，在栅极有高电平驱动时容易产生尖峰电流，通过串入小电阻R1可以降低尖峰电流，减小尖峰电流的干扰. 在栅极与源极之间并接的电阻R2是静态放电电阻，当MOS管断开时，保证栅极与源极之间无电压，防止MOS管误动作，而且R2的接入还能使栅-源一直保持在低电阻状态，增加对外界干扰的抵抗能力.

图5 尖峰电压吸收电路图

3 高压电源的实验结果分析

加入X光球管进行带负载测试是最理想的测试方法，但是因为实验条件有限，加上产生的X射线对人体有害，所以采用4只200 MΩ电阻并联代替X光球管作为负载，即负载电阻为50 MΩ.

3.1 高压PWM仿真

高压电路的PWM波是通过带有高电平锁定的芯片UC3525AN发出的. 仿真过程中正弦波模拟实际电路中的高压反馈电压，反馈电压与UC3525AN的三角形基波做比较. 从波形图上可以清晰地看到UC3525AN发出PWM波形的占空比随着正弦波的幅值降低而减少，所以在实际设计电路时的反馈电压Vref是经过转换得来的，满足高压增大反馈的Vref减少，高压降低反馈的Vref增大. 仿真的结果可以验证设计的电路原理图是合理的. UC3525AN产生的PWM波形如图6所示.

图6 UC3525AN产生的PWM波形图

3.2 闭环测试

测试系统的反馈调节使用闭环测试. 对系统的可调性、稳压性进行检测. 检测方法为：记录下可变电阻调节的输入电压值，反馈电阻反馈的电压值，并用电表直接测量电阻两端的实际电压数值. 表1的实验数据表明，输入电压值与实际测量值差别不大，纹波系数在1.5%，电压精确度在2%，证明电源的控制系统达到要求，可以实现预期的功能.

表1 闭环测试实验数据

3.3 性能测试实验

测试系统在电流与电压同时调节时输出功率的指标. 测试方法为：记录下可变电阻调节的输入电压与电流值，反馈电阻反馈的电压与电流值，并换算为实际的电压与电流，计算输出功率. 实验结果记录在表2中. 由正常负载下的电压和电流关系可知，电源实现了输出电流在0～1 mA之间与电压在4～50 kV之间连续可调；输出功率达到50 W，满足设计要求.

表2 性能测试实验数据

4 结论

设计制作的小功率X光机的高压电源实物如图7所示. 可以满足X光机的供电要求，而且使其工作在额定功率以下. 研制的高压电源功耗低、体积小、性能稳定. 通过多次仿真实验和实验室检测以及对采集的数据进行分析，研制的高压电源输出电压为4～50 kV，纹波系数在1.5%，电压精确度在2%. 当输出电压为50 kV时，最大输出功率为50 W. 实验结果与理论分析一致，具有一定的医学使用价值.

图7 小功率X光机高压电源实物图