基于X射線成像系統(tǒng)的脈寬可調脈沖高壓電源研究

長春理工大學 鮑 亮

1 前言

自1895年德國物理學家倫琴發(fā)現了X射線以來，利用X射線成像檢測已有一百余年歷史。第二次世界大戰(zhàn)后，許多新技術的發(fā)明，特別是計算機科學和信息科學的發(fā)展，促進了射線成像檢測的高速發(fā)展[1]。

從開始的X射線膠片、X射線熒光屏，上世紀80年代的計算機X射線成像(CR)，到目前技術成熟并且已經廣泛應用的直接數字化X射線成像(DR)，X射線圖像探測取得了巨大的進步。近幾十年的數字化技術、新材料和大規(guī)模半導體集成電路制造技術的快速發(fā)展，對X 射線圖像探測的進步帶來了前所未有的推動作用。X射線成像在醫(yī)療診斷，無損檢測、科學研究等領域獲得了廣泛的應用[2]。

在工業(yè)檢測方面，對于密度高、體積比較大的被檢物體，需要高能量的穿透，連續(xù)型X射線源由于輻射劑量大、功率和體積大，從而使使用嚴重受限，而利用脈沖高壓電源可以很容易驅動X射線管發(fā)射出高能量射線，同時具有較低的累積輻射劑量率；在醫(yī)療診斷方面，運用脈沖高壓電源的X射線成像系統(tǒng)可以大大減少單位時間內的輻射劑量，最大程度上減少對人類身體的傷害；脈沖高壓電源實現電壓和脈沖寬度可調，能夠在一個脈沖周期內實現X射線能量和劑量的調節(jié)，使系統(tǒng)成像性能得到保證。相比傳統(tǒng)高壓電源，可以降低設備的功耗和體積，實現便攜化。

2 電源設計

目前國內的脈沖X射線成像系統(tǒng)的發(fā)展相比于國外產品有很大的差距，尤其是脈寬可調脈沖高壓電源完全依賴于外國進口。所以，對X射線成像系統(tǒng)中的脈沖高壓電源開展研究具有十分重要的實用價值。

本文的脈沖高壓電源，要實現脈沖可調及穩(wěn)壓，需要以下幾個部分：

高效率高壓變換器研究；

兩級控制穩(wěn)壓電路設計；

高壓脈沖形成裝置研究。

圖1 X射線實時成像裝置

圖1所示為X射線實時成像裝置，我們可以看出，由X光管、CCD相機、PC終端組成的成像系統(tǒng)和高壓電源組成。對脈沖高壓電源驅動X射線管時的電參數進行測量，并通過透視成像實驗，初步研究脈沖高度、寬度與成像質量之間的關系，為下一步脈沖高壓電源的脈沖寬度可調奠定基礎。

2.1 高效率高壓變換器研究

諧振式變換器不同于一般的振蕩電路和PWM開關變換電路，它利用LC電路諧振工作時電流或電壓周期性的過零狀態(tài)，降低開關損耗。常用的LC諧振變換電路主要有SRC（Series Resonance Circuit）、PRC（Parallel Resonance Circuit）、SPRC（Series-Parallel Resonance Circuit，又稱LLC）三種電路形式，SRC和PRC兩種變換電路在實際中應用較多，而LLC因其電路參數調校困難，在實際中應用較少。

圖2 典型的半橋式串聯(lián)諧振電路拓撲結構

圖3 串聯(lián)諧振電路的直流特性曲線

圖2所示為典型的半橋式串聯(lián)諧振變換電路拓撲結構，當其工作于諧振頻率fr時，串聯(lián)回路阻抗最小，增益最高。從圖3所示可以看出，串聯(lián)諧振電路存在輕載調整率高、很高的諧振能量及高輸入電壓時較大的關斷電流，失諧時開關器件應力急劇增大而損壞。

圖4 典型的半橋式并聯(lián)諧振電路拓撲結構

圖5 并聯(lián)諧振電路的直流特性曲線

圖4所示為典型半橋式并聯(lián)諧振變換電路拓撲結構，與串聯(lián)諧振電路相比，其輕載時的頻率變化不大即可維持輸出穩(wěn)定。當輸入電壓增大時，回路中具有很高的循環(huán)能量，同時高輸入電壓時關斷電流較大引起關斷損耗增加。

串聯(lián)諧振變換和并聯(lián)諧振變換電路工作于輕載或者失諧狀態(tài)時，都會使諧振回路內部循環(huán)能量急劇增加，開關管開關損耗增大，極易造成器件損壞。為此可以將串聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振電路組合成雙諧振網絡的LLC諧振電路，圖6所示為半橋式LLC諧振電路的拓撲結構。

圖6 半橋式LLC諧振電路拓撲結構

對于LLC諧振電路，存在兩個諧振頻率，如式(2-1)所示：

從圖7所示可以看出，當電路工作頻率大于其低頻諧振頻率時，MOSFET工作于ZVS區(qū)域，此時開關管損耗最低。在輕載情況下，LLC諧振變換器開關頻率變化很小，易于驅動。在空載時LLC電路也具備零電壓開關能力。由于雙諧振網絡電路工作模態(tài)比較復雜，因此電路設計和調校非常困難，為此在實際中應用較少。近年來隨著電路及電磁仿真軟件的日益成熟，可以實現包括高頻變壓器、電感等感性負載電路的精密仿真，使電路拓撲結構中的詳細參數都可以通過仿真計算來獲得，促進了復雜電路在實際中的應用。

從LLC諧振網絡的傳遞函數出發(fā)，計算其輸入輸出直流特性，并利用仿真軟件對其直流特性曲線進行仿真，確定電路Q值、直流增益、ZVS工作區(qū)間與電路拓撲結構和器件參數之間的關系。

2.2 兩級控制穩(wěn)壓電路設計

諧振式高壓變換器不能采用普通開關電源中的PWM技術實現電壓的大范圍調節(jié)及穩(wěn)壓，一般采用直流線性穩(wěn)壓電源電路拓撲結構實現穩(wěn)壓，其缺點是工作效率低下，尤其是輸出電壓調節(jié)范圍較大時，其工作效率甚至低至20%以下，這極大地限制了諧振式高壓變換器的輸出功率。為此在本文中，設計Buck電路與直流線性穩(wěn)壓電源級聯(lián)工作的電路拓撲結構，如圖8所示，Buck電路工作于能量傳輸狀態(tài)，線性穩(wěn)壓電路工作于電流傳輸狀態(tài)，為保證電路工作效率，應保持Buck電路工作于線性穩(wěn)壓電路的臨界壓差附近，為此采樣參數的選取是極為重要的。

圖8 兩級控制穩(wěn)壓電路拓撲結構

首先根據電路拓撲結構及參數要求，設計完整的電路結構，然后利用仿真軟件對電路進行瞬態(tài)特性和時域特性分析，仿真中依據參數建立高壓變換電路仿真模型，根據仿真結果調整電路參數，使其工作于最大效率狀態(tài)，又能兼顧高壓穩(wěn)壓效果。

圖9 傳輸線等效電路

2.3 傳輸線型脈沖高壓發(fā)生器特性研究

傳統(tǒng)脈沖變壓器由于存在較大漏感和線圈分布電容，工作于脈沖狀態(tài)時極易產生寄生振蕩，導致輸出脈沖波形嚴重畸變，傳輸線變壓器（TLT）分布電感和分布電容均勻地分布在整個線段上，不存在LC諧振回路，具有非常好的高頻響應能力。

圖10 傳輸線變壓器等效電路

圖9所示為傳輸線等效電路，圖10所示為傳輸線變壓器等效電路。傳輸線電壓、電流傳遞方程如式(2-2)所示：

根據傳輸線電壓、電流傳遞方程計算最佳傳輸條件時的阻抗Z，然后計算最大輸出功率點POUT和傳輸系數T，根據計算結果設計傳輸線型脈沖變壓器結構參數，根據設計參數建立仿真模型，采用仿真軟件或時域有限差分FDTD軟件對傳輸線結構脈沖高壓發(fā)生器脈沖形成過程進行仿真，通過仿真結果對原有設計參數進行修正。

Marx發(fā)生器是一種常用的高壓脈沖發(fā)生裝置，其電路形式如圖11所示，放電間隙決定電路的輸出電壓，調節(jié)放電間隙，即可以調整輸出電壓值。傳統(tǒng)的Marx發(fā)生器串聯(lián)電感比較大，高壓脈沖上升時間慢，脈寬比較寬。圖12為改進后帶有銳化電容的Marx發(fā)生器，其拓撲結構可以等效為一個分布儲能傳輸線，可以在負載上獲得更快的脈沖前沿，電路的分布電感、分布電容、放電間隙都能影響其脈沖成型質量。

圖11 Marx發(fā)生器電路拓撲結構

圖12 帶有銳化電容的Marx發(fā)生器拓撲結構

采用仿真軟件，建立Marx發(fā)生器模型，采用電容器擊穿模型代替Marx發(fā)生器中的放電間隙，通過瞬態(tài)分析和時域分析對Marx發(fā)生器的輸出脈沖特性進行仿真，得到其脈沖傳輸特性，通過仿真結果設計符合要求的Marx發(fā)生器結構。

并且，在高壓脈沖發(fā)生器中對儲能電容及放電間隙的調整實現起來非常不容易，需要設計合理的結構及操縱裝置來實現，計劃采用磁控操縱裝置，通過放電間隙調整實現儲能電容容量的調整，同時該裝置可以用于Marx發(fā)生器中高壓調節(jié)。

3 結語

目前國內的脈沖X射線成像系統(tǒng)的發(fā)展相比于國外產品有很大的差距，尤其是脈寬可調脈沖高壓電源完全依賴于外國進口。所以，對X射線成像系統(tǒng)中的脈沖高壓電源開展研究具有十分重要的實用價值。

[1]李偉.高分辨率X射線數字化成像技術研究[D].西安：中國科學院西安光學精密機械研究所,2009.

[2]苗青,王高,李仰軍.X射線成像探測器發(fā)展進展[J].傳感器世界.2015(10)：7-13.