X射线机高频高压发生器的设计研究

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【摘 要】X射线具有传统物质不反射和折射的特点，目前广泛使用在医疗卫生、工业生产以及航天等领域，X射线机高频高压是现代X光机的研究方向，本文主要研究X射线机高频高压发生器的设计，希望能为相关人员带来一些帮助。

【关键词】X射线机；高频高压；设计

随着我国医疗事业的不断发展，医疗设备精度更加高，医用X射电诊断仪器是应用较早的一种设备，技术比较成熟，在高频高压的研究方面，国外的研究比较先进，本文主要研究X射线机高频高压发生器的设计。

1.高频高压发生器理论基础

X射线本身属于电磁波，产生需要具备阴极电子源、阳极靶和高压电场。高压高频发生器用于X射线球管提供稳定高压电流，相当于一个开关电源，工作过程与常见的开关电源类似，不同的是输出电压高、功率大。目前常见的中高频发生器都是通过调节交流电压的频率来输出电压的大小，常见的控制方式包括脉冲频率调制、脉冲宽度调制和混合调制三种。

脉冲宽度调制中，方波电压的有效值受到占空比控制，输出电压的大小可以通过改变占空比实现。在空载情况下，输出电压为最高值，若是存在负载，滤波电容不断充放电，实现平衡，这种方法一般使用在灯丝电压的控制中。脉冲频率调节控制通过调节变压器初级线圈回路电压的信号周期改变输出电压，一般使用在管电压的调节电路中。混合调制就是将以上两种方式结合在一起改变输电压。

2.X射线机高频高压发生器设计

高频高压发生器的主要功能是为X射线管提供电压和电源，因此在设计中需要采用反馈设计，还需要设计故障报警功能，保障人机安全，操作方便，体积小，便于控制成本。

2.1电源模块的设计

设计的电源模块为电网电源管理逆变桥，逆变桥系统工作低压电源。此设计模块需要能够满足对系统电源电压分配控制，在开机中能够起到预充电的作用，在工作异常的情况下能够实现设备与电网的切断，提高安全性。因此在此设计中采用了预充电检测电路和一键开关机电路设计，能够先给发生器提供低压电源保证电路的正常运行，预充电检测电压线先保证高压电源的预充电，在对其他电源充电，能够避免产生浪涌电流。

在设计中整个高频高压发生器需要提供低压直流电源，虽然电源的电压都不是很高，但是数量非常大。因此在本设计中所涉及的电源模块要求比较高，需要购买技术比较成熟的开关模块，部分对电源要求较低的电源可自行设计，再利用电源芯片实现所需电压的输出。逆变桥的电源模块需要设定为直流电，通过逆变转变为高频交流电。

2.2控制模块与逆变电路模块的设计

控制模块的设计是关键的部分，核心采用微型处理器设计，实现系统的智能化控制。微处理器自身想要正常工作，需要提供电源以及时钟信号等，逻辑信号就是微处理器的输入信号，微处理器判断逻辑信号，发出指令，执行模块执行。

逆变电路模块常见的方式包括全桥逆变和半桥逆变，在此设计中，采用的是全桥逆变的方式，逆变全桥各桥壁上的开关管在驱动时序下轮流导通和断开，逆变桥的工作频率可以通过调整驱动脉冲的周期实现，在此设计中驱动程序中插入了死区时间。由于逆变电路在驱动信号的时序中要求非常严格，逆变电路属于低压信号，因此在本方案的设计中，设计了性能更强的驱动电路，能够把驱动信号转换为双极性的驱动信号，保证相位，实现高低压的隔离。

2.3高频高压变压器与多倍压整流滤波的设计

高频高压变压器是核心部件之一，也是设计中的技术难点问题，经过逆变器输出的电压是交流电，但是电压幅值太低，因此需要经过电压升压变化，因此变压器的损耗以及耐压条件需要格外的注意。高频高压变压器的结构与常见的变压器基本一样，但是并没有现成的样品，因此需要根据高频交流电压等进行自行设计并调整参数。此处设计的高频变压器需要确定变压器初级、次级线圈的参数，变压器绕组的参数主要包括寄生参数和线圈匝数，需要先选择一个工作频率，工作频率范围要能够保证不会产生太大的损耗，依照线圈电流的大小以及窗口面积等确定线圈导线的直径，选定为漆包铜线，在设计中需要做好保护措施。

经过高频高压变压器升压后，电压值满足要求，但是X射线管需要的电源是直流电源，因此还需要进行整流和滤波，采用多倍压整流滤波的放大法，也能降低变压器的耐压指标，达到平衡系统设计的目的。由于X射线管提供的电压值很高，很多元件的承压能力要求很好，因此在设计中需要采用技术来降低元件所承受的电压，在此设计中采用了倍压整流滤波技术，降低变压器次级的输出电压，也能减小整流二极管和滤波电容的耐压要求。

2.4灯丝电路的设计

灯丝电源是产生X射线的条件，作用是产生丰富的电子源，在有电流的情况下，形成自由电子，在高压电场的作用下产生高速的电子流。灯丝电路的设计采用了脉冲宽度调制控制方式。

灯丝单位时间内所产生的自由电子与管电流基本相等，灯丝产生的热量与散热达到平衡就能保证灯丝的温度恒定，获得稳定的自由电子，平衡状态由X射线管电流的大小决定，在采样中，将管电流的大小反馈给控制电路，形成闭合环路，比较设定值和反馈值，确定管电流值。控制电路还需要灯丝电流的反馈信号，在设计中需要先让灯丝电流达到设定值。

2.5高压采样反馈电路的设计

在X线成像中，需要X射线是单能，为了获取稳定的管电压，就要求高压发生器随着工作条件自行调整参数。为降低滤波电容的耐压要求，在光电采样的过程中，分别采样阴阳极的电压，在经过运算后反馈给控制电路。

结束语：

综上所述，本文主要研究X射线机高频高压发生器的设计，高频高压发生器是一种复杂的系统架构，当前的研究成果有很多，在本设计中还需要继续研究变压器以及电路等的完善，这些还需要更多的人努力去研究。

参考文献：

[1]陈波. 高频高压X射线发生器系统的研究[D].重庆理工大学，2012.

[2]张广鹏.医用诊断X射线机高频高压发生器的研制[D].南方医科大学，2013.

[3]刘静，胡旭.一种安检用X射线机高压发生器的设计[J].电力电子技术，2014，48（04）：34-36.