一种X射线机高频高压电源的设计*

张宪军 王 梓 丁佳伟 郝利国*

目前，各种X射线图像数占临床影像总图像数的70%～80%，而医学X射线设备最重要的部分是高频高压发生器[1]。在医用X射线机系统中，高压发生器的作用是用于向X射线球管的灯丝提供电流，同时对其阳极和阴极施加稳定的高压[2]使X射线管[3]产生X射线，并控制X射线的辐射量。因此，提供稳定的高压和电流是高频高压发生器的宗旨。为此，本研究设计一种利用工频电进行升压得到直流电压，再利用变压器升压，高频高压发生器能实现对电压的变换[4-5]；实现高频高压发生器设备减小体积，降低成本的目的。

1 高频高压发生器设计要求

利用工频50 Hz交流电整流滤波，再利用变压器进行升压变换，整流将低压交流电转变为直流的高压；再通过调频电路把直流高压逆变为交流电压，最后将直流高压输出到X射线管两端，加速电子轰击阳极靶面而产生X射线，其高压发生器总体设计要求如图1所示。

图1 高频高压发生器总体设计要求框图

2 高频高压发生器升压原理

本研究设计要求是产生直流的高频电压，因此设计采用变压器进行对电压升高，医用X射线机所应用的升压变压器与普通电力变压器的标准不同，由于变压器是安装在影像设备上，因此要求所占空间应尽量要小，低成本将工频低压电转换为高压直流电，在变压器原理上进行设计，医用X射线机所用变压器是电压转换的机器，需符合物理电磁感应定律，其计算为公式1：

电压与磁链是关于时间的一种导数关系，如果进行相应的正弦输入变换，可以得到公式2、公式3：

式中B为磁感应强度，S为磁感应体截面积，角频率ω比较小的时候，要想得到的电压只能通过增加N和ψm，这需要增加线圈的匝数和磁感应的面积。由于想得到的是体积小、低成本的升压装置，故只能通过提高频率来实现[6]。

设计应用三桥电路将工频交流电变为直流，并且通过所设计的变压器将电压升到理想的电压值，其方案设计原理如图2所示。

图2 高频高压发生器变压器设计方案原理图

为将工频交流电整流后变为直流电压，再通过升压系统得到所需要的高压直流电的过程，并且可以通过调节调频过程的脉宽或者频率(f)来控制输出电压的数值。通过反馈可以与最初的数值进行比较[7]。高频高压发生器设计原理如图3所示。

图3 高频高压发生器设计原理图

3 高频高压发生器芯片电路设计

3.1 电源电路

采用7805电源芯片，将电压7～18 V转换成需要的+5 V电压。在设计电路时，还要考虑一个电源损耗问题，如当前输入电压是9 V，输出电压是5 V(7805)，那么输入电压与输出电压的差值4 V就由7805承担(消耗在7805上)，这对于电路来说是无谓损耗，如果要设计一个低功耗电路，必须考虑这个损耗，并将其尽可能减小，其电源电路原理如图4所示。

图4 高频高压发生器电源电路原理图

3.2 晶振电路

设计采用的晶振电路为无源晶振，可以在石英水晶片的两边镀上电极，通过在两电极上加一定的电压，因为石英有压电效应，电压形成自然就会产生形变，从而给集成电路(integrated circuit，IC)提供一个正弦波形。通过IC的内部整形和锁相环(phase locked loop，PLL)电路后产生方波，然后输入给下级电路。有源晶振就是把频率部分和驱动PLL电路集成在IC外部，自成一体，直接输出方波供下级电路使用。此晶振电路为中央处理器(central processing unit，CPU)提供时钟信号，其晶振电路原理如图5所示。

图5 高频高压发生器晶振电路原理图

3.3 复位电路

选用1n4007利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电[8]。本研究设计的电路可以实现在每次电源接通时将数值恢复到最初状态，其复位电路如图6所示。

图6 高频高压发生器复位电路图

3.4 CPU电路

本设计利用单片机测试核心芯片，选择PIC18F4520芯片，经过单片机测试可实现对外围电路进行调节，其CPU电路原理如图7所示。

图7 高频高压发生器CPU电路原理图

3.5 驱动电路

驱动电路采用MOSFET器件设计驱动电路，对所需要的电压进行升压，达到所需要的值，其驱动电路原理如图8所示。

图8 高频高压发生器驱动电路原理图

3.6 显示电路

显示电路的工作状态能够进行实时监测，设计采用数码显示器对输出电压进行实时监测，其显示的工作原理如图9所示。

图9 高频高压发生器显示电路原理图

4 高频高压发生器测试结果

单片机可以通过电路实时监测电压值。利用测试输出电压可以显示出在输出电压过程中电压稳定，文波系数小。在理论上可以输出理想的电压值，基本上符合X射线管所需电压的要求，其输出电压测试波形如图10所示。

图10 高频高压发生器输出电压测试波形图

5 结论

本研究方法的创新点在于能够在体积小、成本低的条件下设计一款高频高压发生电源，在设计中能够良好的将15 V左右的电源升高到600～700 V左右。以往采用的方法是：①能够通过全桥逆变产生频率受控制的逆变波形；②高频高压变压器能够进行电压变换；③对变压器升压后的高频交流电进行倍压整流滤波；④调频控制电路对输出电压的精确控制和自动调整[9-10]。

本研究设计优点在于原理简单，易于测试，但是本设计还存在着实际X射线机装机是否成功的因素，以及升压未到最理想的状态，故需继续对升压进行研究。