大功率医用高频高压发生器控制主回路选择及实现

杨梅

辽宁开普医疗系统有限公司 辽宁本溪 117004

医用X射线高压发生器装置为医用X射线诊断设备的重要组成部分，该系统采用高频逆变及软件编程技术，输出直流高压提供给球管，实现电子加速，同时完成灯丝加热和球馆阳极控制；透视曝光型产品具备单次摄影、序列摄影、连续透视、脉冲透视功能；支持自动亮度控制、自动曝光控制、剂量面积积控制、球管保护、患者剂量保护功能。

医用X射线高压发生器装置最关键的技术是高压发生电路，即主回路，目前主回路常见方案有三种，PWM控制普通全桥硬开关，PWM控制移相全桥软开关，PFM控制LCC谐振全桥软开关，三种方案各具优势，如何选择呢？三种方案的物料成本差别估计在百元以内，所以暂不考虑物料成本因素，下面主要从性能、效率、可靠性、设计和产品扩展性等几个因素对比。

高频X线发生器主电路工作原理为：整流器把工频电源整流、滤波后，变为平滑直流电；逆变器把直流变成频率为几万Hz的交流电，由这部分电路决定发生器输出电压的大小；高压变压器变压，获得所需的直流电压。高频X线机的高压变压器工作在频率为几十到几百KHz的高频。以下将分别论述主回路常见的三种方案：PWM控制普通全桥硬开关，PWM控制移相全桥软开关，PFM控制LCC谐振全桥软开关。

普通全桥是一种被广泛使用且成熟度很高的电路拓扑，但应用于高压发生器有其固有的缺陷。主要是高压发生器中变压器很大的分布参数将对普通全桥的效率和可靠性造成较大影响：由于是硬开关，所以在开关过程中，各分布参数存储的能量无法被充分利用，只能消耗在电路中，能量消耗的过程必然伴随着由于电压或电流的突变而引发的振荡，这种不可控的振荡成为电路可靠性和电磁干扰的一个隐患，同时也损失了效率。另外普通全桥已经不是高压发生器技术发展的方向，这种架构的高压发生器应用局限性较大，适合于500瓦以下的小功率场合。普通全桥的优势在于，电路简洁，工作模态简单，研发成本低。

移相全桥是国内十年来被普遍应用的新型电路拓扑。在实现软开关的过程中一定程度的利用了变压器的分布参数，同时，高压变压器很低的原副边匝比也成为降低移相全桥占空比损失的优势，所以移相全桥对高压油箱内的执行器件的适应性很强。由于工作于软开关状态，可以有效提升效率，大大降低开关切换时的电压和电流振荡，又提高了电路可靠性降低了电磁辐射，改善了高电压的输出质量。这种架构的高压发生器适合于各种功率级别和更高的开关频率，是高压发生器的理想拓扑之一。与LCC全桥谐振软开关比较，移相全桥最明显的优势在于开关管的通态损耗远低于LCC谐振，劣势在于分布参数利用率差，电路结构较复杂，工作模态多，滞后桥臂实现软开关的难度大，设计需要注意的问题点多，设计难度相应提高。

LCC谐振全桥也是应用于高压发生器的理想电路拓扑。其优势主要有两个，一是充分利用了高压变压器的分布参数，更适合于次级无滤波电感的高压电源，二是能在全负载范围内较容易的进入软开关状态。相比于移相全桥其劣势也很明显，一是能量利用率差，虽然移相全桥存在着占空比丢失的问题，但是LCC谐振全桥次级整流管导通角更小，普通导通角占整个周期(2π)不足50%，而移相全桥可以达到80%以上（这是估计值，带滤波电感的低压移相全桥在设计良好的情况下可以把占空比丢失率控制在10%以内，但高压移相全桥因为是电容滤波，尤其在半载以下时，其工作类似于移相控制的LC并联谐振变换器，所以占空比丢失情况要严重一些）。另一个是谐振软开关的通病，即降低开关损耗是以大幅提高通态电流为代价的，所以LCC谐振全桥的通态损耗非常大，而移相全桥只是在开关瞬间和分布电容充放电时谐振工作，通态电流变化不大，所以移相全桥的效率更高，电流应力小，可靠性也稍好。再有，LCC工作于变频状态，电磁辐射较工作于固定频率的移相全桥难于处理。其他方面，二者类似。

综合以上采用移相全桥方案应用于高压发生器是一种很好的选择，对效率和可靠性会有一个有效的提升，如果设计成功，将为设计更为复杂和先进的大功率高压发生器打下一个良好的基础。

高压主回路设计过程中需要关注的性能指标：X线性能稳定，成像质量及效率高；曝光定时精确，曝光时间的重复率高，并可实现超短时曝光；尽可能缩小体积和重量；kV和mA的控制精度高；高压部分整流电路尽量简单。以下简单介绍移相全桥主回路方案，下图为高压主回路实现kV闭环控制框图。

需要注意的是，由于高压输出是阴阳两极组合而成，所以采样输出信号为一正一负的波形；高压取样电路的输出阻抗较大，因此对KV取样信号的处理，采用全差分仪表放大电路。电流反馈的输出与参考电压求和输入到电流误差放大器，电流误差放大环节按照传递函数进行，电流误差放大器输出到后级单位增益反相放大电路继续处理，增加这级单位增益反相放大电路的目的是设定开启工作频率。

驱动电路是主回路的核心，首先产生两路占空比0.5的互补方波驱动信号，前级电路产生的一系列信号输入到D触发器，使之输出相位相反的两路信号Q和Q非，驱动信号使能电路低电平使能，同时将TTL电平转换为12V的驱动电平，使12V电平具备足够的输出电流的能力，以驱动后级由MOSFET构成的推挽驱动电路。设计时的考虑点：进入逆变箱的信号要与其它控制信号和电源分开；注意高低压的隔离和各种电源的隔离；注意高低频信号的干扰。

综上，在选择大功率医用高频高压发生器主回路控制方式时，从性能、效率、可靠性、设计和产品扩展性等几个因素对比，应优先选择PWM移相全桥方式；同时文中对移相全桥设计重点及实现方式进行了阐述。