CPI高頻高壓發(fā)生器燈絲電路解析

CPI高頻高壓發(fā)生器燈絲電路解析陶繼雙;周奇;劉盛雄【摘要】為研發(fā)具有更高穩(wěn)定性、可靠性及準確性的高頻高壓X射線機燈絲電路,并使相關醫(yī)療人員深入理解和徹底掌握燈絲電路原理.本文針對目前廣泛應用的indico100系列高頻高壓發(fā)生器，分析其燈絲加熱電路的具體工作原理，詳細剖析反饋電路中真有效值轉(zhuǎn)換原理，并測量了燈絲加熱電流等相關數(shù)據(jù)及波形.測試結果顯示燈絲電路基本實現(xiàn)了實際燈絲電流等于預設燈絲電流的設計要求,且整機測試中燈絲電路響應迅速，完全能滿足實際應用要求.本文通過對燈絲電路的深入剖析，為研發(fā)更高性能燈絲電路提供了重要參考，并提高了相關工作人員的維修效率和準確性.%ThepresentstudyaimstodevelophighfrequencyhighvoltageX-raymachinefilamentcircuitwithhigherstability,reliabilityandaccuracy,andtomaketherelevantmedicalpersonneldeeplyunderstandandthoroughlygrasptheprincipleoffilamentcircuit.Firstly,theworkingprincipleoffilamentheatingcircuitofthewidelyusedindico100serieshighfrequencyhighvoltagegeneratorwasanalyzed.Then,adetailedanalysisofthefeedbackpathinrealeffectivevalueconversionprinciplewasperformed,andfilamentcurrentandotherrelateddataandwaveformwasmeasured.Thetestresultsshowedthatthefilamentcircuitbasicallyrealizedthedesignrequirementsoftheactualfilamentcurrentequaltothepresetfilamentcurrent,andthefilamentcircuitinthewholetestreponsedfast,whichcouldfullymeettherequirementsofpracticalapplicationsrequirements.Throughthethoroughanalysisofthefilamentcircuit,thispaperprovidesanimportantreferenceforthedevelopmentofhigherperformancefilamentcircuit,andimprovesthemaintenanceefficiencyandaccuracyoftherelatedstaff.【期刊名稱】《中國醫(yī)療設備》【年(卷)，期】2017(032)012【總頁數(shù)】5頁(P35-39)【關鍵詞】高頻高壓發(fā)生器;燈絲電流;PI控制;燈絲電路【作者】陶繼雙;周奇瀏盛雄【作者單位】重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶400054;重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶400054;重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶400054【正文語種】中文【中圖分類】TH774醫(yī)用高頻高壓X射線機廣泛應用于醫(yī)學診斷和治療的臨床實踐中，X射線機高壓電源(高頻高壓發(fā)生器)主要由控制系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)、燈絲電源及高壓油箱4大部分組成；燈絲的作用是發(fā)射電子，由燈絲電源系統(tǒng)對其加熱，使燈絲中產(chǎn)生大量激發(fā)電子，然后在強電場作用下加速并撞擊陽極靶面，以產(chǎn)生X射線［1-3］。如果燈絲加熱不穩(wěn)定，將直接影響激發(fā)電子數(shù)量的穩(wěn)定性，并最終影響整臺X射線機的性能。因此，燈絲是X射線機中最重要的部分之一。Indico100系列高頻高壓發(fā)生器為加拿大CPI公司研發(fā)，主要用于X射線攝影和胃腸設備，其性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，為眾多廠家的X射線相關設備所使用，國內(nèi)諸多醫(yī)院都采購有該系列的攝影設備［4］。因此，解析Indico100系列高頻高壓發(fā)生器相關電路在高頻高壓發(fā)生器中具有廣泛的代表性；另外，Indico100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路工作穩(wěn)定，其控制方式和反饋方法在類似設備電路中具有重要參考意義。如一般電路中PI閉環(huán)調(diào)控方法，非標準正弦電流有效值的準確采樣，以及按要求輸出特定電流有效值等。最后，透徹理解燈絲電路原理有利于醫(yī)院及公司相關技術人員對設備的維修和故障排除。燈絲電路的一般設計原理為：首先根據(jù)控制臺設定的管電流，主控制器輸出相應的燈絲電流預設值所對應的電壓值（通常采用電壓值1V表示燈絲電流預設值為1A）；然后采用PID閉環(huán)控制方式，對實際反饋的燈絲電流或管電流與預設燈絲電流或管電流的差值進行放大，其輸出值用于控制PWM/PFM逆變電路，使最終實際值等于預設值?？紤]到燈絲加熱的均勻性與安全性，燈絲電源常采用50kHz以下的交流供電，因為交流供電具有簡單、經(jīng)濟、加熱均勻且能對油箱內(nèi)高壓進行隔離的優(yōu)點，但高頻交流信號弓I起的干擾需要抑制。另外，由于燈絲額定工作電壓較低，一般在3~15V,且燈絲材料多為金屬鎢，若長時間工作在高溫大電流下，鎢蒸發(fā)加快，燈絲壽命大大縮短，因此在實際電路設計中應盡量減小燈絲在大電流下的工作時間，在非曝光狀態(tài)下燈絲應工作在2.5A預熱狀態(tài)，以延長燈絲壽命［5-6］。Indico100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路主要由以下基本模塊電路組成，見圖1。PI控制器先根據(jù)預設燈絲電流與實際燈絲電流反饋值的差值調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動器輸出特定脈寬，以控制逆變輸出量；逆變輸出然后經(jīng)燈絲焦點選擇電路后直接驅(qū)動燈絲負載；實際燈絲電流反饋值與特定參考值進行比較，判斷當前燈絲電流是否低于最低電流值。燈絲電路電源由±35V和±12V共4路電源構成，均由輔助電源板（AUXILIARYBOARD）產(chǎn)生。逆變電源為±35V,±12V為其它電路電源。預加熱電路為PI閉環(huán)控制提供燈絲加熱電流預設值，在非曝光時，預加熱電流設置為2.5A（對應電壓2.5V）。燈絲電流預設值由主控CPU根據(jù)控制臺設定管電流值、實際管電流反饋值以及燈絲電流發(fā)射曲線綜合計算后輸出；其先經(jīng)反相電路取反（放大倍數(shù)1:1），再通過最大燈絲電流保護電路將預設值限制在規(guī)定范圍內(nèi)。根據(jù)不同跳線方式，可選擇5.5A或6.5A最大燈絲電流預設值。電路簡圖，見圖2。比例加積分（PI）控制器根據(jù)燈絲電流參考值與實際反饋值之間的差值進行調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)系統(tǒng)快速響應并穩(wěn)定輸出所需燈絲電流值［7-8］。PI控制器中引入〃積分項”可使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后輸出無穩(wěn)態(tài)誤差，電路簡圖，見圖3。輸出函數(shù)，見式（1）。由于設定值VREF與反饋值VFDBK符號相反，電路中實際上是求差。根據(jù)R85與R77相等，帶入數(shù)值得到最后傳遞函數(shù)，見式（2）。式中比例項系數(shù)Kp為0.332，積分常數(shù)TI為0.001095，約1.1ms。燈絲逆變電路采用PWM控制全橋LC諧振方式，PWM控制器選用高級穩(wěn)壓集成PWM芯片UC3524［9］，其最高振蕩頻率為300kHz，電壓穩(wěn)定度1%，線性穩(wěn)定度10mV,最高輸出占空比為45%，輸入電壓范圍12~28V。逆變輸出電路簡圖，見圖4。RT與CT決定振蕩頻率，其中RT為2.87K,CT為4.2nF,根據(jù)振蕩頻率計算公式f=1.18/RTCT，振蕩頻率約為96kHz，實際半橋驅(qū)動脈沖頻率為振蕩頻率的一半，即48kHz。為防止在上電開始階段UC3524輸出脈寬過大，電路采用了軟啟動方式使UC3524輸入電壓緩慢上升。工作時，全橋電路兩橋臂分別僅有一個開關管導通，且同一時刻斜對角兩開關管同時導通或截止，為避免同一橋臂出現(xiàn)直通，電源短路，兩路輸入脈沖之間至少存在0.5~5卜的死區(qū)。5V設定值下（表示燈絲電流預設值為5A）的逆變輸出波形，見圖5,經(jīng)過C22及L1組成的LC諧振回路［10-13］,燈絲電流變?yōu)闇收也?，且電流越大越明顯。5V設定值下的實際燈絲電流波形，見圖6,為采用泰克公司電流探頭A622100mV/A檔測量得到。T1為1:200電流互感器，對實際燈絲電流采樣，K1為燈絲大小焦點選擇繼電器。由于燈絲電流為交流，為準確測量其有效值大小，電路采用了真有效值的測量方法。其測量原理是根據(jù)有效值的基本定義，見式(3)，即周期信號有效值等于其瞬時值在一個周期內(nèi)的方均根值。此外，根據(jù)模擬電路中PN結的伏安特性，見式(4)。其中Ie為發(fā)射結電流，Is為PN結反向飽和電流，Vbe為PN結正向壓降，Q為電子電荷電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度值。室溫下，Vbe和Ie之間呈對數(shù)關系，見式(5)。因此可利用PN伏安特性及運放電路實現(xiàn)模擬電路中對數(shù)、反對數(shù)、求和及求均值等計算?；趯?shù)-反對數(shù)式真有效值AC/DC轉(zhuǎn)換原理的反饋電路示意圖，見圖7,詳細原理參考相關研究［14］。實際燈絲電流經(jīng)1:200電流互感器采樣，全波整流，最后通過68.1Q電阻轉(zhuǎn)換為電壓Uin,Uin同時經(jīng)過兩個對數(shù)運算電路，其結果與有效值輸出Uo_rms的對數(shù)運算結果求差得Uo，再經(jīng)反對數(shù)運算及低通濾波便得到有效值Uo_rms。具體推導關系，見式(6)。Uo經(jīng)過反對數(shù)運算，其結果Uos=Uin2/Uo_rms，低通濾波器實現(xiàn)對Uos求均值，得有效值與有效值定義相同，實現(xiàn)了對電流的有效值轉(zhuǎn)換［15-17］。最后調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)，實現(xiàn)燈絲電流預設1A，實際燈絲電流也為1A的目的。通常在非曝光狀態(tài)下，燈絲工作在2.5A預熱狀態(tài)，使得在需要曝光時燈絲能迅速加熱。報錯電路的比較參考電壓除1.7V固定電壓外，PI調(diào)節(jié)器輸出也作為比較電壓的一部分，使得在不同燈絲電流下最低加熱電流閾值亦不同，但最低不能小于1.7A。當燈絲電流低于1.7A，報錯電路輸出低電平燈絲錯誤信號給CPU，而在燈絲正常工作時輸出為高。電路框圖，見圖8。測試條件：逆變電源±30VDC,其他電源±12VDC;負載采用24V/150W鹵素燈（性能與實際燈絲非常接近）代替燈絲，輸入不同的燈絲電流預設值，測得相關燈絲參數(shù)，見表1。由于燈絲冷態(tài)電阻與熱態(tài)電阻差別很大，且燈絲電阻隨燈絲工作溫度的變化而變化。因此，表1中燈絲電流計算值與逆變總輸入電流不一致，但總功率相同。另外，燈絲電流反饋（1V表示燈絲電流1A）與實際燈絲電流計算值十分接近，其誤差的產(chǎn)生是由于諧振電流不是標準正弦波，有效值轉(zhuǎn)換時存在一定的誤差。以燈絲電流預設值為橫坐標，分別以燈絲電流反饋值、燈絲電流采樣有效值以及實際燈絲電流計算值為縱坐標繪圖，見圖9。從圖中可以看出實際燈絲電流與預設燈絲電流值十分接近，誤差在0.4A以內(nèi)，基本實現(xiàn)了實際燈絲電流值等于預設燈絲電流值的設計要求。燈絲電流反饋值、實際燈絲電流計算值及采樣有效值均與燈絲電流預設值呈線性關系。對燈絲電路進行整機測試，管電壓設為56kV，管電流為50mA，實際管電壓和管電流采樣波形，見圖10。其中管電壓（圖中下方波形）1V表示20kV,管電流（圖中上方波形）1V表示100mA，從圖中可以看出管電壓和管電流從0升高到預設值的90%僅需約2.5ms，響應時間很快，說明燈絲電路加熱響應迅速。管電流在增大瞬間有一個峰值，后立即下降到設定值，電路工作特性完全符合實際應用要求。Indico100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路采用了PI閉環(huán)控制，反饋回路采用真有效值轉(zhuǎn)換電路，能較準確地采樣實際燈絲電流的有效值。但由于逆變輸出采用全橋LC諧振方式，其諧振電流為準正弦信號，致使實際燈絲電流采樣并不十分準確，如若采用標準正弦波驅(qū)動燈絲加熱，則輸出燈絲電流亦為標準正弦波，此時，采用真有效值電路對燈絲電流采樣便可得到十分準確的實際燈絲加熱電流［18］，進一步提高對管電流的精確輸出。【相關文獻】韓強.醫(yī)用X射線系統(tǒng)高壓發(fā)生器的設計與實現(xiàn)[D].沈陽:東北大學,2009.LiF,WangS,HouW,etal.DesignandresearchonhighvoltagepowersupplyofmedicalX-raymachine[A].IEEEInternationalConferenceonMechatronics&Automation[C].NewYork:IEEE,2016:943-947.陳波.高頻高壓X射線發(fā)生器系統(tǒng)的研究[D].重慶:重慶理工大學,2012.李暉,郭潔,張志強.Indico100系列高頻高壓發(fā)生器原理及其應用[J].中國醫(yī)學裝備,2013,10(1):41-43.楊朕.X射線電源控制系統(tǒng)[D].陜西:西安電子科技大學,2014.[6]羅維濤.醫(yī)用X線高壓發(fā)生器系統(tǒng)的研究與應用[D].沈陽:東北大學,2011.胡壽松啟動控制原理[M].6版.北京:科學出版社,2013.劉丹丹，吉建嬌漲姣姣，等.PID調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律分析[J].科技創(chuàng)新導報,2009,22(8):81.洪寶棣，趙罡，蘇亞南，等.基于SG3524車載逆變電源的設計與實現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版),2015,36(4):96-99.曹沛，徐向宇,馬英麒.基于LC全橋串聯(lián)諧振的脈沖功率電源設計[J].電力電子技術2017,51(5):68-70.劉攀.串并聯(lián)諧振式X線機高壓發(fā)生器的設計與實現(xiàn)[D].沈陽:東北大學生物醫(yī)學工程,2008.KunduU,SensarmaP.Gain-relationship-basedautomaticresonantfrequencytrackinginparallelLLCconverter[J].IEEETransIndusElect,2016,63(2):874-883.車軍,王保民