莊月琴

上海市岳陽(yáng)醫(yī)院放射科(上海，200437)

高頻高壓發(fā)生器逆變電路的控制方法

莊月琴

上海市岳陽(yáng)醫(yī)院放射科(上海，200437)

高頻高壓發(fā)生器是X線設(shè)備的核心部件之一。根據(jù)西班牙SEDECAL、美國(guó)QUANTUM、日本SHIMADZU與加拿大CPI四大公司生產(chǎn)的高頻高壓發(fā)生器的高壓主回路逆變電路，結(jié)合高頻高壓發(fā)生器主電路的結(jié)構(gòu)，分析了串聯(lián)諧振逆變電路的各種控制方式及特點(diǎn)。它將為該類設(shè)備的維修、維護(hù)提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。

高頻高壓發(fā)生器;串聯(lián)諧振逆變電路;脈沖寬度調(diào)制;脈沖頻率調(diào)制;控制方式;比較

0 引言

高壓發(fā)生器是X線設(shè)備的一個(gè)重要部件，按控制的頻率可分為工頻發(fā)生器、中頻發(fā)生器和高頻發(fā)生器，而高頻高壓發(fā)生器因其具有較高的射線輸出劑量穩(wěn)定性、體積小、重量輕、控制精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，而被越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用。除了GE、SIEMENS、PHILIPS三大影像設(shè)備商外，專業(yè)生產(chǎn)高頻高壓發(fā)生器的廠家也日趨增多，如加拿大的CPI公司、西班牙的SEDECAL公司、國(guó)內(nèi)的北京大恒公司等。

筆者在醫(yī)院長(zhǎng)期從事X線機(jī)設(shè)備的維修和維護(hù)工作，通過(guò)對(duì)幾家典型公司的高頻高壓發(fā)生器電路原理和控制方式進(jìn)行測(cè)試和比較發(fā)現(xiàn)，雖然它們的高壓逆變電路結(jié)構(gòu)比較類似，但控制方式不盡相同，都有各自的特點(diǎn)?，F(xiàn)從高壓主回路逆變電路原理出發(fā)，對(duì)SEDECAL、QUANTUM、HIMADZU和 CPI這四家公司逆變電路的控制方式進(jìn)行比較說(shuō)明。

1 串聯(lián)諧振逆變電路

1．1 電路結(jié)構(gòu)和原理

為了減小開關(guān)管的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)過(guò)程，目前的高頻高壓發(fā)生器主回路均采用串聯(lián)諧振逆變電路，如圖1所示。圖中L和C分別為逆變電路的諧振電感和諧振電容，與四個(gè)大功率開關(guān)管Q1～Q4一起組成全橋諧振逆變電路。分別對(duì)Q1、Q4和Q2、Q3進(jìn)行交替導(dǎo)通的控制，在高壓變壓器T的初級(jí)即可獲得交流電壓，變壓器升壓后得到交流高壓，再經(jīng)高壓整流(DB)、濾波(一般采用高壓電纜中的分布電容進(jìn)行濾波)后得到直流高壓提供給球管。

圖1 串聯(lián)諧振式高壓逆變電路原理Fig．1 The principle of series load resonant converters circuit for high voltage

1．2 諧振頻率和開關(guān)頻率

逆變產(chǎn)生的初級(jí)電流(即諧振電感上的電流)波形iL和諧振電容上的電壓波形VC如圖2所示。圖中Tr稱為諧振周期，為Q1、Q4(或 Q2、Q3)導(dǎo)通一次產(chǎn)生的正弦電流周期，由電路的諧振電感L和諧振電容C的大小決定，其頻率即為諧振頻率fr，它們之間的關(guān)系為:

我們把Q1、Q4和Q2、Q3交替導(dǎo)通一次的時(shí)間稱為開關(guān)周期Ts，對(duì)應(yīng)的頻率稱為開關(guān)頻率fs，也可稱之為控制頻率。

圖2 觸發(fā)波形、iL電流波形和VC電壓波形Fig．2 Trigger waveform for power switch，current waveform of resonance inductance，voltagewaveform of resonance capacity

2 開關(guān)模態(tài)

根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)情況和諧振電感電流iL的方向，串聯(lián)諧振逆變電路存在四種開關(guān)模態(tài)。

2．1 Q1、Q4 導(dǎo)通;iL＞0

母線電壓U的正端U+→Q1→L→C→高壓變壓器T的初級(jí)→Q4→U－。此時(shí)回路中的電流iL＞0，電容C被充電，直到C上的電壓VC=2U，則iL=0，如圖2中的①時(shí)間段;

2．2 D1、D4 導(dǎo)通;iL＜0

由于電容C上的電壓為2U，則VC通過(guò)L→D1→U+→U－→D4→高壓變壓器T的初級(jí)→C。此時(shí)回路中的電流iL＜0，電容C被放電，直到C上的電壓VC=2VO，則iL=0，如圖2中的②時(shí)間段;

2．3 Q2、Q3 導(dǎo)通;iL＜0

母線電壓U的正端U+→Q2→高壓變壓器T的初級(jí)→C→L→Q3→U－。此時(shí)回路中的電流iL＜0，電容C被反向充電，直到C上的電壓VC=－2U，則iL=0，如圖2中的③時(shí)間段;

2．4 D2、D3 導(dǎo)通;iL＞0

由于電容C上的電壓為－2U，則VC通過(guò)高壓變壓器T的初級(jí)→D2→U+→U－→D3→L→C。此時(shí)回路中的電流iL＞0，電容C被反向放電，直到C上的電壓VC=－2VO，則iL=0，如圖2中的④時(shí)間段;當(dāng)然還有第五種開關(guān)模態(tài)，即開關(guān)管Q1、Q2、Q3和Q4均關(guān)斷，諧振電感電流iL等于0，諧振電容電壓VC保持不變，如圖2中的⑤時(shí)間段。

對(duì)于以上結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振逆變電路，其高壓控制的方式有兩種:脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)和脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation，PFM)。以下結(jié)合幾款高頻高壓發(fā)生器的控制方式作具體介紹。

3 PWM控制方式

西班牙SEDECAL公司生產(chǎn)的HF系列發(fā)生器采用PWM控制方式，也就是所謂的脈沖占空比的調(diào)制，即控制的頻率不變，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的寬度來(lái)改變輸出電流或電壓的大小，如圖3(a)所示，隨著控制脈沖的寬度改變，輸出電流的有效值發(fā)生相應(yīng)的改變。

圖3(b)為SEDECAL高頻系列發(fā)生器高壓逆變電路結(jié)構(gòu)，其開關(guān)頻率恒定為33kHZ，采用脈寬調(diào)制的控制方式下，開關(guān)管的開通為零電流狀態(tài)，但關(guān)斷為硬關(guān)斷，存在關(guān)斷損耗;故開關(guān)關(guān)斷時(shí)的應(yīng)力較大，SEDECAL采用智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)作為功率開關(guān)元件，它不僅把功率開關(guān)器件(IGBT)和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)直接送到CPU，從而大大提高逆變電路的可靠性。圖中的C1和C2為吸收電容，用于消除開關(guān)過(guò)程中的沖擊響應(yīng)。

北京大恒醫(yī)療設(shè)備有限公司和廣西桂林集琦俊龍醫(yī)療電子有限公司生產(chǎn)的高頻高壓發(fā)生器也屬于這種控制方式。

圖3 PWM控制方式Fig．3 PWM control mode

4 PFM控制方式

PFM控制方式是控制脈沖的寬度不變，通過(guò)改變脈沖的頻率，來(lái)達(dá)到輸出電流和電壓的改變，這種控制方式又可分為以下三種:

4．1 f＜fsr

如圖4(a)，當(dāng)控制的開關(guān)頻率小于諧振頻率的一半時(shí)，輸出的電感電流iL斷續(xù)工作。這種控制方式的代表機(jī)器是美國(guó)QUANTUM公司生產(chǎn)的Odyssey系列高頻高壓發(fā)生器，其高壓主回路逆變電路結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，此發(fā)生器的諧振頻率80kHz，最高控制頻率40kHz，為諧振頻率的一半，這種控制方式的開關(guān)管開通屬于零電流狀態(tài)，關(guān)斷為零電流和零電壓狀態(tài);反并二極管為自然開通和關(guān)斷。所以電路的開關(guān)應(yīng)力和開關(guān)損耗很小，僅采用普通的IGBT模塊作為開關(guān)元件，另加兩個(gè)吸收電容C1和C2。圖中沒(méi)有諧振電感元件，而直接采用變壓器的漏感，以提高主回路的諧振頻率。

圖4 開關(guān)頻率小于諧振頻率的一半時(shí)的PFM控制方式Fig．4 PFM control mode when the switch frequency is smaller than half of the resonance frequency

當(dāng)控制的開關(guān)頻率大于諧振頻率的一半且小于諧振頻率時(shí)，輸出的電感電流iL連續(xù)工作，如圖5(a)。這種控制方式的代表機(jī)器是日本HIMADZU公司的生產(chǎn)的HD－150型高頻高壓發(fā)生器，其高壓逆變回路的結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。此類發(fā)生器的諧振頻率為32kHz，最高開關(guān)頻率為30kHz，這種控制方式開關(guān)管的關(guān)斷為零電壓和零電流方式，但開通是硬開通，存在開通損耗。反并二極管為自然開通，但關(guān)斷時(shí)有反向恢復(fù)電流，因此反并二極管必須采用快恢復(fù)二極管。故抑制開通過(guò)程中的浪涌電壓，SHIMADZU采用RCD單體吸收電路，如圖5(b)中的R1、C1、D1，這種緩沖電路的缺點(diǎn)是損耗相當(dāng)大，因而不適用更高的開關(guān)高頻。

圖5 開關(guān)頻率小于諧振頻率且大于諧振頻率一半時(shí)的PFM控制方式Fig．5 PFM control mode when the switch frequency is bigger than half of the resonance frequency and is smaller than the resonance frequency

4．3 fs＞fr

當(dāng)控制的開關(guān)頻率大于諧振頻率時(shí)，輸出的電感電流iL連續(xù)工作，如圖6(a)。這種控制方式的代表機(jī)器是加拿大CPI公司生產(chǎn)的CMP200高頻高壓發(fā)生器，其高壓主回路逆變電路結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示，其開關(guān)的控制頻率在80kHz～250kHz，諧振頻率為50kHz，這種控制方式與前述不同的是其輸出功率隨控制頻率的增加而減小。其開關(guān)管的開通為零電壓和零電流開通，但關(guān)斷是硬關(guān)斷，存在關(guān)斷損耗，反并二極管為自然關(guān)斷。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，可以在每一個(gè)開關(guān)管上并聯(lián)一個(gè)吸收電容，如圖6(b)中的C1～C4。在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容電壓為零。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，其電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)電容上，電容限制了開關(guān)管兩端電壓的上升率，電壓從零慢慢升高，從而實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了反并二極管的零電壓開通。

圖6 開關(guān)頻率大于諧振頻率時(shí)的PFM控制方式Fig．6 PFM control mode when the switch frequency is bigger than the resonance frequency

另外，不像以上其它的幾種控制方式都采用IBGT作為開關(guān)元件，而這里采用的是MOSFET，如圖6(b)所示，因?yàn)镸OSFET開關(guān)兩端的分布電容較大，比較適合于零電壓工作方式，而IGBT由于關(guān)斷時(shí)電流的拖尾比較長(zhǎng)，所以比較適合于零電流工作方式。

5 結(jié)論

由于諧振逆變電路可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)的控制，可大大降低開關(guān)的損耗以及開關(guān)過(guò)程中對(duì)電路的沖擊，故目前市場(chǎng)上的高頻高壓發(fā)生器基本上都采用諧振逆變電路作為高壓控制電路，這種電路的控制方式有PWM和PFM之分。西班牙的SEDECAL、北京大恒和廣西俊龍采用的是PWM控制方式;而PFM的控制方式又分為三種:開關(guān)頻率小于諧振頻率的一半、開關(guān)頻率介于諧振頻率的一半到諧振頻率之間、開關(guān)頻率大于諧振頻率，其對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)廠商為美國(guó)QUANTUM、日本HIMADZU以及加拿大CPI。

致謝:在論文撰寫的過(guò)程中得到了上海理工大學(xué)醫(yī)療器械學(xué)院、上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校黃勇高級(jí)工程師的理論指導(dǎo)，在此表示感謝。

［1］阮新波，嚴(yán)仰光．直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)［M］．北京:科學(xué)出版社，2000．

［2］王溶泉，醫(yī)用大型X線機(jī)系統(tǒng)［M］．北京，人民軍醫(yī)出版社，1995．

［3］廣西俊龍電子有限公司網(wǎng)站，http://www．junlongmedical．com/ggf．htm．

［4］北京大恒醫(yī)療設(shè)備有限公司，http://www．dhmed．com．cn/prodetail．a(chǎn)sp?id=12．

［5］ http://www．mitsubishichips．com/China/products/pdf/catalog/power_c．pdf，三菱功率模塊產(chǎn)品目錄．

［6］DC30－011 Odyssey HF Generator Service Manual Rev R(Draft)．pdf，Quantum美國(guó)公司產(chǎn)品資料．

Overview of High－frequency High Voltage Generator Inverter Circuits Control Mode

Zhuang Yueqin
Department of Radiology，Shanghai Yueyang Hospital(Shanghai，200437)

The high－frequency high voltage generator is one of the core parts in X ray machine．This article analyzes from the principle of the invert circuit for high－frequency high voltage generator to several control modes and their characteristics of series load resonant converters(SLRCs)，combined with configuration of the main circuit of high－frequency high voltage generator that manufacture by four companies－SEDECAL，QUANTUM，HIMADZU and CPI．It can provide corresponding technical guidance for this kind of equipment repair and maintenance．

high－frequency high voltage generator，Series load resonant converters(SLRCs)，PWM，PFM，control mode，Comparison

R812

A

1674－1242(2011)03－0147－04

10．3969/j．issn．1674 －1242．2011．03．006

莊月琴，E －mail:zhuangyueqing@yahoo．cn

2011－07－01)