一種數(shù)字式任意波形X射線高壓發(fā)生裝置

深圳市計量質(zhì)量檢測研究院 盧瑞祥

一、前言

X射線高壓發(fā)生器主要分為工頻、高(中)頻高壓發(fā)生器兩種。其中，如圖1所示，工頻高壓發(fā)生器直接由網(wǎng)電源供電，網(wǎng)電源經(jīng)初級調(diào)整后，經(jīng)高壓變壓器升壓后，將電壓調(diào)節(jié)至指定高壓范圍，最后經(jīng)過高壓整流而得到相應(yīng)的高壓輸出波形，所謂波形的不同主要取決于整流的方式。

圖1 工頻高壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，高(中)頻高壓發(fā)生器的網(wǎng)電源供電仍為50Hz的工頻交流電壓。工頻交流電壓先經(jīng)整流變?yōu)橹绷麟妷汉笤俳?jīng)高頻直流逆變器轉(zhuǎn)換成高頻電壓(一般在10KHz-100KHz)，接下來經(jīng)高頻升壓變壓器轉(zhuǎn)換成高頻高壓交流信號，最后經(jīng)高壓整流得到直流輸出。輸出電壓的控制通過調(diào)整高頻逆變器的脈寬或頻率的方式(Pulse Frequency Modulation,PFM或者Pulse Width Modulation，PWM)。同時輸出高壓經(jīng)過分壓后反饋給反饋比較模塊，與預(yù)置參考電壓Vs進(jìn)行比較并將比較結(jié)果(差分電壓Vd)作為高頻逆變器的控制信號，從而形成輸出電壓的閉環(huán)反饋。高（中）頻高壓發(fā)生器的優(yōu)勢在于：由于升壓變壓器工作在高（中）頻段，因此變壓器的線圈匝數(shù)和鐵芯截面積都大幅度減少，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)小型化。由于使用了閉環(huán)控制，控制實時性和控制精度得到較大程度提高，輸出電壓穩(wěn)定，重復(fù)性好。

圖2 高頻（中頻）高壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

在基于光感應(yīng)方式的非介入式X射線kVp表的檢定/校準(zhǔn)過程中，應(yīng)該在不同管電壓波形（如恒定直流、單相半波整流、單相全波整流、三相六峰整流、三相十二峰整流等波形）的X射線輻射環(huán)境下對非介入式高壓表的量值進(jìn)行校準(zhǔn)[1]。而現(xiàn)有技術(shù)無法在同一臺高壓發(fā)生器上產(chǎn)生上述多種高壓波形，因此在上述現(xiàn)有技術(shù)條件下，校準(zhǔn)一個非介入式X射線高壓表至少需要四臺以上不同波形的X射線高壓發(fā)生器來產(chǎn)生規(guī)定的管電壓。

二、系統(tǒng)原理與實現(xiàn)方案

在一個周期內(nèi)，X射線高壓發(fā)生器的高壓輸出的有效值是由其傳遞的能量決定，而經(jīng)過逆變-升壓-整流后，在T周期內(nèi)的電壓能量由下式給出：

其中，U(t)為瞬間電壓。對于PWM逆變器，可以通過調(diào)整脈寬來調(diào)整輸出電壓的有效值。傳統(tǒng)的高頻發(fā)生器的電壓調(diào)節(jié)主要通過PWM閉環(huán)反饋控制實現(xiàn)。對于常規(guī)的X射線應(yīng)用，預(yù)置參考電壓Vs為恒定值，而輸出高壓通過分壓器后得到反饋電壓Vr，Vs與Vr分別連接PWM控制器的正向、反向輸入端，其差分值驅(qū)動PWM逆變電路的脈寬調(diào)節(jié)電路，通過高壓升壓變壓器并整流后得到閉環(huán)反饋輸出高壓。

為實現(xiàn)輸出高壓的電壓變化，本文在傳統(tǒng)的高頻高壓器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，主要的區(qū)別是將預(yù)置參考電壓Vs由恒定值輸入改為可變量電壓輸入Vs(t)，該電壓信號由數(shù)字電路通過D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，通過CPU實現(xiàn)波形的任意控制。

圖3 數(shù)字式任意波形高壓發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

圖3是本文所述高壓發(fā)生裝置的示意框圖。其中，任意波形信號發(fā)生單元包括：用于進(jìn)行功能控制和數(shù)據(jù)處理的中央處理單元；存儲數(shù)字與預(yù)置電壓信號相對應(yīng)的數(shù)字離散數(shù)據(jù)的存儲單元；以及將數(shù)字離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬波形信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。此外，任意波形信號發(fā)生單元還包括用于輸入設(shè)置參數(shù)的用戶輸入單元。

用戶可以通過用戶輸入單元設(shè)定預(yù)置電壓信號的波形參數(shù)（波形的類型、電壓、頻率），中央處理單元根據(jù)上述參數(shù)直接形成數(shù)字離散數(shù)據(jù)并存儲在存儲單元，或者預(yù)先通其他方式計算并存儲在存儲單元中。數(shù)字離散數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成模擬形式的弱電壓波形信號Vs(t)，并通過外部接口（I/O口、通訊接口或者網(wǎng)絡(luò)接口）輸出到反饋比較單元，代替原有的穩(wěn)壓預(yù)置直流電壓Vs。

在使用時，工頻交流電壓先經(jīng)整流單元整流變?yōu)橹绷麟妷海俳?jīng)直流逆變單元轉(zhuǎn)換成預(yù)定頻率的中間交流電壓，接下來經(jīng)變壓單元升壓為交流高壓信號后輸出。輸出電壓經(jīng)分壓后反饋給反饋比較模塊，與預(yù)置電壓信號進(jìn)行比較并將比較結(jié)果（差分電壓Vd）作為直流逆變單元的控制信號，直流逆變單元依據(jù)預(yù)置電壓波形信號和采樣信號的比較結(jié)果調(diào)制交流電壓的波形，由此實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

在本方案中，預(yù)置電壓波形的電壓范圍由反饋比較單元的輸出而決定。反饋高壓信號通過純阻性高壓分壓器以10000：1的比例將X射線球管的高電壓信號分壓為低電壓信號[3]，考慮到醫(yī)用X射線高壓輸出的最大電壓為180kV，預(yù)置電壓波形的電壓范圍應(yīng)小于18V。對于采用雙路功率推動的高壓發(fā)生器，其電壓輸出是正負(fù)極性的，需要設(shè)計兩路同步的弱電壓信號發(fā)生器，所對應(yīng)的逆變器、高壓升壓電路、高頻高壓整流及高壓測量電路均需要雙路嚴(yán)格同步。

用于激發(fā)X射線的高頻高壓發(fā)生器的逆變器一般工作在5kHz-100kHz的范圍，振蕩器的頻率越高，PWM的反饋延遲越小。反饋環(huán)路的總時間延遲ΔT主要取決于PWM比較延遲、IGBT驅(qū)動延遲，系統(tǒng)的最大有效反饋環(huán)路的采樣率為ffb=1/ΔT，據(jù)根尼奎斯特定理，輸入數(shù)字波形信號的帶寬應(yīng)為ffbd的1/2。

三、討論

本文在基本不改變高頻高壓發(fā)生器的原有電路的基礎(chǔ)上增加數(shù)字化可編程的任意波形信號發(fā)生裝置，使用該裝置對高頻高壓發(fā)生器反饋部分的預(yù)置參考電壓進(jìn)行調(diào)制后，高頻高壓發(fā)生器的高壓輸出由單一的穩(wěn)壓直流輸出（當(dāng)然存在一定的紋波和過沖、振零）變?yōu)榕c調(diào)制信號波形相同的高壓輸出波形。因而本文的高壓發(fā)生器不受原有高頻高壓發(fā)生器輸入交流電源制式（單相220V或三相380V、50Hz或60Hz）的影響，不受直流逆變器工作頻率、工作方式（橋式逆變、半橋式逆變或單端逆變）、開關(guān)元件類型（可控硅或IGBT）及調(diào)制方式（PFM或PWM）的影響。實現(xiàn)了各種不同波形輸出，可以是波形帶寬在直流到高壓發(fā)生單元高頻逆變單元工作頻率二分之一范圍內(nèi)的任意波形。本高壓發(fā)生器可以仿真工頻高壓發(fā)生單元的波形（包括常見的單相半波整流/單相全波整流/三相六峰整流/三相十二峰整流）、直流、三角波、方波等各種波形。并且由于采用了數(shù)字信號發(fā)生技術(shù)和計算機控制系統(tǒng)，輸出的任意波形可以通過編程的方式產(chǎn)生，便于使用。

本文所述的數(shù)字式X射線高壓發(fā)生裝置設(shè)計方案已經(jīng)運用在國家質(zhì)檢總局科技計劃項目《X射線kVp測量儀計量標(biāo)準(zhǔn)裝置》中，試驗裝置可以在同一臺高壓發(fā)生器中輸出單相全波整流、脈沖恒定直流等高壓波形，可模擬IEC61676標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的多種X射線輻射環(huán)境。

[1]醫(yī)用X射線機編寫組.醫(yī)用X射線機原理、構(gòu)造與維修[M].中國醫(yī)藥科技出版社,1997.

[2]IEC 61676:2000 Medical electrical equipment-Dosimetric instruments used for non-invasive measurement of X-ray tube voltage in diagnostic radiology,IEC publication,2002,09.

[3]朱崇全,盧瑞祥.非介入式X射線kVp表檢定裝置中數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計[J].工業(yè)計量,2007,05.