不同医用X射线高频高压发生器高压逆变电路的比较

王晓明

中山市中医院设备科 （广东中山 528401）

X射线机是我国各级医疗卫生部门中使用最为普遍的医学影像设备，然而其关键部件高频高压发生器国内还不能普及生产，主要依赖进口。近年来，国产大功率高频X射线机研究开始起步，已经取得了一些研究成果[1]。由于X射线高频高压发生器具有高质量的X线输出，以及效率高、体积小、重量轻、控制精度高等优点，已逐渐替代工频X射线发生器，成为现代X射线机和X-CT设备的关键核心部件之一[2]。通过对各大公司的高频高压发生器核心技术－高压逆变电路进行系统的分析，并比较其各自的优缺点，有利于了解产品的特点和性能。本研究对几种不同医用X射线高频高压发生器的高压逆变电路进行分析比较，现报道如下。

1 研究基础

选取中山市中医院GE公司X射线机2台，Siemens公司的2台，Philips公司的2台，以及岛津、东芝等公司的2台作为研究对象，比较不同高压逆变电路的特点。

2 研究方法

2.1 理论分析

首先对高压逆变电路进行理论分析，理解和掌握全桥串联谐振逆变电路的各种工作方式及其性能和特点。一般而言变换器有3种工作方式：（1）当工作频率＜1/2的谐振频率（resonant frequency，Fr）时，变换器为电流断续工作方式，此时开关管工作在零电流开关条件下；（2）当工作频率＞1/2的Fr，且低于Fr时，变换器为电流连续工作方式，谐振回路呈容性，开关管为零电流（zero current switch，ZCS）关断，但为硬开通；（3）当工作频率＞Fr时，变换器为电流连续工作方式，谐振回路呈感性，此时开关管为零电压（zero voltage switch，ZVS）开通，但为硬关断[3]。

2.2 具体线路分析

参照以上的理论分析，对Siemens、Philips、GE、Shimadzu、Toshiba等各大公司的X射线机的电路原理进行分析，判断各自的高压逆变电路的工作方式，分析其高压控制的实现方法。基于ZCS的串联谐振逆变电路和基于ZVS的串联谐振逆变电路的PFM控制方式不同。基于ZCS的串联谐振逆变电路的生产厂家较多，有日本的Shimadzu公司、Toshiba公司，欧洲的Siemens公司和Philips公司，还有美国的Quantum公司、GE公司等。而加拿大的CPI公司和美国的EMD公司采用的是ZVS的并联谐振逆变电路。目前ZCS的串联谐振逆变电路方式的控制频率最高达到40 kHz，Fr为80 kHz，而采用ZVS的CPI公司，其最高控制频率达到250 kHz[4]。

在以上分析的基础上，利用示波器对各大公司（Siemens、Philips、GE、Shimadzu及Toshiba）的典型高频高压发生器的高压逆变电路的电流波形、电压波形、管电压（kV）波形、管电流（mA）、逆变工作频率、逆变Fr等进行测量和记录。除了在额定输出功率条件下进行测试外，需要对低功率、中功率、高功率等各种条件进行测试和记录。

在以上波形测试的基础上，对记录的波形进行比较分析，从实际测试结果判断各大公司（Siemens、Philips、GE、Shimadzu及Toshiba）高频高压发生器的性能和特点。从而可以为临床操作、设备的维护维修保养、设备的采购以及国内X射线机设备厂商的研究开发提供参考。

3 研究过程

3.1 发生器的控制原理

发生器主回路主要由高压逆变回路，灯丝驱动回路和旋转阳极驱动回路以及相关的配合电路组成，见图1。

以数字减影X线（digital radiography，DR）拍片机发生器为例，外部380 V交流三相电压进入发生器，首先经过三相全桥整流电路，产生脉动直流经过滤波回路后约为550 V的平滑直流，550 V直流加载在谐振回路，产生高频的交流送入油箱经过高频变压器升压为高频高压交流，在油箱内经过倍压整流，滤波后成为高压直流，由高压电缆输入至球管阴阳两极，为灯丝产生的电子云提供加速电场。其中高压驱动回路见图2[5]。

图1 发生器主回路

图2 高压驱动回路

3.2 谐振变换器拓扑结构

20世纪80年代，大功率的高压发生器基本采用可控硅工频相控结合升压变压器，其主要缺点为：工作频率为50 Hz，体积大，重量重；输出电压纹波大，交换效率低，动态性差。随着电力电子技术的进步和开关器件的发展，高压开关电源技术不断进步。突出的表现是电源的频率和功率在不断地提高，大功率高压发生器在产品上已很成熟，更高功率的高压开关电源也有很快的发展。其主要优点是工作时高频变压器体积小、重量轻、输出电压纹波小、变换效率高以及动态性能好。

高压变压器具有较大的寄生参数，如果将它直接应用在脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）变换器中，则漏感的存在会产生较高的电压尖峰，容易损坏功率器件。分布电容的存在会使变换器有较大的环流，降低了变换器的效率。因此PWM变换器并不适合应用在高压大功率场合。而谐振变换器可以利用电路中的寄生参数，使高压变压器的漏感和分布电容参与主电路的谐振工作，因此它适合作为高压直流电源的主电路。同时谐振变换器可以实现开关管的ZVS或ZCS而减小开关损耗，提高开关频率，减小变换器的体积。在谐振变换器拓扑中常见的有3种拓扑结构，即串联谐振变换器（series resonant converter，SRC）、并联谐振变换器（parallel resonant converter，PRC）和串并联谐振变换器（series-parallel resonant converter，SPRC；又称作LCC谐振变换器）。串联谐振变换器主要结构见图3。

3.3 3种谐振变换器拓扑结构的比较

SRC存在一些缺点，较小的频率变化可以引起功率的明显变化，因此可操控的区域狭窄。为了提高曝光参数控制精度和控制范围，逆变器的频率控制会结合可调中间电压控制以满足全范围曝光参数，见图4。

图3 串联谐振变换器主要结构（SRC）

图4 串联谐振频率范围曲线

PRC的优点是负载可被开路。由于在输出端采用滤波电感，对滤波电容的脉动电流要求小，适用于低输出电压、大输出电流的场合。采用变频控制工作在连续电流工作模式（continuous current mode，CCM）时，在空载情况下可以控制输出电压。它的缺点是轻载时输入侧环流大、变换效率低；需加入隔直电容防止变压器直流磁化。

SPRC又称作LCC谐振变换器。谐振变换器由于结合了SRC和PRC各自的优点，同时克服了它们的缺点而受到了广泛的关注。它可以利用高压变压器中漏感和分布电容作为谐振元件，从而减少了元件的数量，减小了变换器的体积[6]。

3.4 SPRC的分析研究

SPRC根据并联谐振原件的不同，可分为并联电感型LLC谐振变换器和并联电容型LCC谐振变换器。以西门子和GE的发生器为例，主要以并联电感型LLC谐振变换器为主，主要通过并联电感提升谐振范围；以CPI为代表的发生器，主要以并联电容型LCC谐振变换器为主，主要通过并联电容提升谐振范围。

3.4.1 两种SPRC的回路介绍

并联电感型LLC谐振变换器的电路图及曲线，见图5。

图5 并联电感型LLC电路及曲线

并联电容型LCC谐振变换器的模型分析及电路，见图6[7]。

等效电流传递函数：H(s)=1/(1+Cp/Cs+s2Lr+SLr+1/SCsR)

电压传输比：M=Vout/Vin=1/(1+A-K2+jQV）

其中：A=Cp/Cs；K为高压变压器原副边匝比；Q为品质因数

图6 并联电容型LCC模型及电路

3.4.2 两种SPRC比较

并联电感型LLC谐振变换器工作在当开关工作频率低于Fr时，将会工作在零电流工作状态，当工作在直流增益曲线率为正的区域时，负载为容性，变换处于零电流工作模式。当工作在＜Fr，工作方式是断流工作模式（discontinuous conduction mode，DCM）。

主流的并联电容型LCC谐振变换器主要工作在Fr的右侧，即增益为负区域。采用金氧半场效晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）为开关控制器，工作区处于谐振点的右半部分。这是由于这种变换对零电压开关有好处。实际上遵循这样一个规律：当工作在直流增益曲线斜率为负的区域时，负载成感性，变换处于零电压开关工作模式。LCC谐振变换器工作在Fr右侧为主，工作方式是CCM[8]。开关工作曲线见图7。

图7 开关工作曲线

利用示波器对不同开关频率关系下的并联谐振变换器工作过程进行测量和记录，并统计制作谐振回路激励电压与谐振电流的谐振电流响应波形，见图8。

图8 谐振电流响应波形

对以上制作的谐振电流响应波形进行比较分析，可以得出以下结论。（1）当驱动频率（start frequency，Fs）＜0.5 Fr时，器件开通时，由于谐振电感的存在，电流缓慢地上升属于零电流开通（zero current turn on）。谐振回路在半个开关周期内会完成一个完整的谐振响应。在电流响应的正半波起通流作用的是全控器件本身，而在电流负半波时，起通流作用的是器件的反并联二极管。在此期间器件可以实现零电流、零电压的关断（zero current and zero voltage turn off）。主器件和二极管都关断之后谐振回路将停止工作，这种形式的工作模式称为LCC的断续电流模式，器件整体上呈现 ZCS软开关。（2）当0.5r＜Fs ＜Fr时，由于电感的存在，器件开通时会有较高的电流，属于硬开通，且开通损耗较大。而器件关断时，位于反并联二极管通流阶段，因此可以实现零电流、零电压的关断（zero current and zero voltage turn off）。这种状态下的电流波形是连续的，近似为正弦。但是谐振电流超前激励电压，谐振回路整体呈容性。在器件开通初始阶段，电流在同侧器件的反并联二极管中流过，开通瞬间谐振换流和反并联二极管反向恢复同时发生，容易引起直流母线的上下直通。为了谐振变换器的可靠运行，应尽量避免连续电流容性状态的工作模式。（3）当Fs＞Fr时，在器件开通的初始时刻，电流在自身的反并联二极管中流过，因此开通时是零电流、零电压开通（zero current and zero voltage turn on）。随着谐振响应的继续电流从负半波到正半波，并在正半波期间关断，由于器件电容的存在，器件端电压缓慢上升，从而实现了零电压关断（zero voltage turn off）。这种状态下电流波形同样是连续且近似正弦的。但是谐振电流滞后激励电压，谐振回路整体呈感性，器件可以实现ZVS软开关[9]。

3.5 发生器高压回路控制方式的研究

由图9可见功率曲线、负载和控制频率的变化关系。因此在发生器的高压回路控制中要充分考虑负载的影响，谐振电流结合kV采样对高压品质的影响也至关重要。

图9 功率曲线、负载和控制频率

医用X射线高频高压发生器高压逆变电路的高压控制回路系统，是通过两个闭环调节电路实现kV输出控制，外边的闭环是kV的比例-积分（proportional plus integral，PI）调节，里边的闭环是基于谐振电流的串联校正调节，调节的结果是输出一个直流电平信号[10]。谐振变换电路就是根据这个直流电平信号确定开关频率以驱动逆变器。根据不同负载情况，调节逆变输出谐振电流的幅值，然后通过变压器倍压电路产生kV输出，见图10。

谐振变换电路的目的是将经过前面两个闭环调节后形成的直流电平转换成驱动逆变的方波信号。这个直流电平对应的物理量是主回路谐振电流的有效值，即电平越高谐振电流有效值应越大。谐振电流有效值与逆变开关速度有关，每一次逆变保持开或关的状态时间越长谐振电流越大。所以实现用直流电平控制逆变处于开或关状态的时间非常重要。在这里引入一个电容充电的环节将直流电平的高低转换成时间的长短。以此控制谐振电流的有效值，见图11。

图10 高压控制回路系统

图11 高压控制回路信号

4 结论

串并联谐振的优点：工作范围更宽，易于用更高的频率控制高压，不会出现因串行谐振微小的频率变化，而引起高压迅速上升的难以控制的情况，也可采用固定的中间电压（即直流），从而降低系统的复杂度。

SPRC中的LCC实现ZCS或ZVS的能力，与频率和负载状态相关。但是对于实际半导体器件而言，ZCS或ZVS在降低损耗上所起的作用是不同的。对于MOSFET而言，其结电容相对较大，硬开通时会引起很高的损耗，因此MOSFET适合于ZVS形式的软开关。而绝缘栅双极型晶体管（insulated-gate-bipolar transistor，IGBT）在关断时有电流拖尾现象，二极管在关断时有反向恢复的过程，这两种器件更适合于ZCS形式的软开关。

管电压调节是通过逆变器的驱动频率进行的。可变直流母线电压UZ 对于小管电流而言，需要较低的直流母线电压。这说明网络侧晶闸管电桥需要额外的努力，并要求控制直流母线电压[11]。而串并联谐振很好地解决了这个问题：在串联谐振频率处，获得最大振荡电流幅度。 在并联谐振频率（parallel resonant frequency，Fp）处，获得最小振荡电流幅度（理想为零）。该规定在Fp和Fs之间，即i。工作频率安全地高于聆听范围，即使管电流很小，纹波也很小。当然，也有负面的一点：Fp绝不能低于Fs（必须考虑元件公差，需要调整）。在管电流较小的情况下，并联电路中会出现较大的循环电流，这主要是由透视引起的发热问题。