数字化高频逆变器原理和故障分析

邢旭东张 鹏

数字化高频逆变器原理和故障分析

邢旭东①张 鹏②

论述数字化高频逆变器的原理,重点介绍数字化高频逆变器工作类型、特点、优势及发展，对应用价值进行探讨。数字化高频逆变器从开发、安装、使用、维护方面进行了一些有意的研究，主要从系统的需要及可行性、先进性、实用性进行讨论。

高频逆变器；PWM；控制电路；比较电路；安全装置

在放射设备发展中，数字化设备已成为绝大部分医院中的重要设备，高压逆变器则是设备中的核心组成部分，通过对数字化高频逆变器原理进行分析，从而对数字化高频逆变器发展、工作类型、特点、优势及其应用价值进行深入探讨，可研制出效率高,体积小、安全、可靠的新产品,替代工频高压发生器,这无论是对技术还是医学诊断将有重要的现实意义。

1 高频逆变器的发展

从70年代中期，中频逆变技术在X射线机中的应用开始受到重视，80年代后期出现了中频X射线机，到90年代中期，随着高频技术的成熟，出现了高频X射线机，其频率大多在20～100 kHz之间，X线机工作频率的改变，决定了其结构和性能上的质的改变，因此高频机在性能上具有绝对的优越性[1]。

高频X射线机高压的产生和控制都是由高频逆变器完成的，它是一个交流逆变器（AC/AC INVERTER），能变成固定频率下的可变的高压，高频逆变器通常由预置控制信号来控制高压的产生，高频逆变器的最基本原理是一个交流（AC/AC）逆变器，它能将一个电源电压（AC 180～230 V、50/60 Hz）通过脉冲宽度调制（PWM：Pulse Width Modulation）转换成频率为20 kHz或更高的高压信号，该信号发送一个高压变压器，通过变压电路和整流电路将初级电压变成40～150 kV高压（波动通常<2%），同时，球管内的动态信号将被精确的获取，以控制高频逆变器对X射线高压的控制[4]。

高频逆变器通常由直流电源、直流逆变和逆变控制三部分组成，将直流电压变换为高频电压的过程称为直流逆变，直流逆变的方法通常有三种：桥式逆变、半桥式逆变和桥式可控硅逆变器[5]。

桥式逆变多用在高频逆变电路中，单端逆变、半桥式逆变两种电路多用在灯丝逆变电路中，桥式逆变是实际采用的逆变方式。

2 高频逆变器的电源输出功率和电压的调节

2.1 输出功率的调节

交流电的功率由下式决定。即：

式中T为周期，电压V和电流i均为时间的函数，Pt=V·i为功率的瞬时值。由上式看出，改变功率有如下两种方式:

① 脉宽调制:此种方式是周期不变，改变功率波形的脉冲宽度，即改变一个周期内的有用功率和无用功率的占空比来实现。

② 频率调制：此种方式是积分函数不变，通过改变其频率或周期来实现输出功率的改变。

2.2 高频逆变电源的电压调节

交流电的电压有效值由下式决定。即：

式中T为周期，e是电压瞬时值，是时间的函数。由上式可知，电压调节也有两种方法：一是脉宽调制，即T不变，通过改变脉冲宽度来实现E的调节；二是频率调制，e不变，通过改变频率或周期来实现E的调节[3]。

在高压次级电路中，加在X射线管两端的为直流高压，要求其脉动系数越小越好。无论频率多高的高频电源，其脉动系数都与工频电源一样为100%，必须经过整流和滤波后才能变为直流。一般电源的逆变频率越高，经整流后产生的直流高压的脉动系数就越小。

3 数字化高频逆变器工作原理

数字化高频逆变器是由预置控制信号来控制高压的产生的，高频逆变器的最基本原理是一个交流（AC/AC）逆变器，它能将一个电源电压（220 V、50/60 Hz）通过脉冲宽度调制（PWM：Pulse Width Modulation）转换成频率为20 kHz的高压信号，该信号发送一个高压（30 kV、20 kHz）给组合机头的高频逆变器，通过变压电路和整流电路将初级高压[-30 kV至+30 kV、20 kHz] 的电压变成120 kV [-60 kV至+60 kV、40 kHz] 高压（波动<2%）。

在组合机头内的动态信号将被精确的获取，以控制高频逆变器对X射线产生的控制，如图1描述了数字化高频逆变器的工作原理。

3.1 高频逆变电源电路

高频逆变器的电源电路电压传输给桥式整流RE1、电容C1、C2得到直流350 V电压（F1过流保险丝），该电压采用半波方式输入给IGBTs Q1、Q2、Q3、Q4，其原理如图1所示。

图1 数字化高频逆变器工作原理示意图

这些晶体管产生20 KHz电压时分为两阶段：

第一阶段：Q1、Q4工作产生+350 Vdc负载电压（高压初级电压）；

第二阶段：Q2、Q3工作产生大小而相反的-350 Vdc负载电压。

结果两个半波形成一个20 KHz大小为700 V直流电压（点～点），通过电感L1、电容C7将一个正弦波形的高压传输给组合机头的高压变压器初级线圈。

3.2 高频逆变器控制电路

高频逆变器的控制电路有两部分完成：控制部分和检测部分组成，它包含了高频逆变器的所有控制信息和全部的检测电路。

3.2.1 电源控制板

电源部分：通过CP1(1、3、5)提供AC220 V电源，通过变压器T4、桥式整流PD1、GR1稳压电路提供+15 Vdc、此时电源指示灯LD1亮，主要是为控制电路板提供直流电源，其原理如图2所示。

图2 电源控制电路

逆变器IGBT控制部分：Q1-B1、Q1-E1；Q2-B2、Q2-E2；Q3-B3、Q3-E3；Q4-B4、Q4-E4；是完全相同的工作原理，只是工作时序不同，下面我们以Q1-B1、Q1-E1为例详细讨论其工作原理，如图3所示。

图3 逆变IGBT控制电路图

与Q1相关的控制，IGTBs的基极、发射集电压的供给分别由T1、T2、T3变压器完成，其控制信号（COM1、COM2）通过光电耦合器OC2、OC3、OC1、OC4分别进行控制：

① 当COM1信号为零时，OC2、OC3截止，TR7、TR10截止，则TR8、TR11输出-15 VDC，该情况下，功率管Q2、Q3被截止；

② 当COM1信号为高电平时，OC2、OC3工作，TR7、TR10工作，则TR8、TR11输出+15 VDC，功率管Q2、Q3为高电平。

③ 当COM2信号为零时，OC1、OC4截止，TR4、TR13截止，则TR5、TR14输出-15 VDC，该情况下，功率管Q1、Q4被截止；

（138）卷叶光萼苔陕西变种Porella revolute var.Propingua（C.Massal.）S.Hatt. 杨志平（2006）

④ 当COM2信号为高电平时，OC1、OC4工作，TR4、TR13工作，则TR5、TR14输出+15 VDC，功率管Q1、Q4为高电平。

四组高频信号控制逆变器振荡输出，获得20 KHz高频高压。

3.2.2 信号检测和控制电路

通过信号检测和控制电路板的CP2(5/6、3/4)，如图4所示，从组合机头输入一组KV+、KV-的采样信号，该信号通过IC1、IC2运算得到一个均衡电压KVT。

图4 KV读出电路原理图

该信号与SET KV信号比较，比较有下列两标准：

① 最大的积分标准，由IC3积分电路完成“常规”调整；

② 最小的积分标准，由IC4积分电路完成“精确”调整。

最基本的比较来自INVERTER COM-RX信号为高电平时，光电耦合导通，此时LD1灯会亮，无论逆变器有无故障都会产生一个“STOP”信号，该控制信号为高电平，使得IC15C为低电平，此时LD7灯亮，COM1为低，阻断高压的产生。

比较的结果产生了一个控制信号COMPWM-A，从而生成IGBTs驱动命令COM1、COM2、ENABLE，

KVT信号有两个功能，第一个电路通过KVT、SET kV比较产生一个kV>85%信号，第二个电路通过比较电路产生一个输出电压，其比率为1 V=20 KV，其原理如图5所示。

电路是产生一个控制IGBT的脉冲宽度调制信号（PWM），该信号是由IC7触发器产生一个40 kHz、振幅在6 V～4 V的锯齿波，和来自KVT、SET KV所形成的比较信号COMPWM-A通过IC8相比较，产生一个控制信号COMPWM-B，IC8输出是一个逻辑电平，当有错误信号超过4 V时输出为高，该电路的结果是一个脉冲宽度调制模式的40 kHz的信号。

4 故障分析

数字化高频逆变器有特定的电路监测其精确参数，当该系统有故障或错误时立即切断射线的产生电路系统，详细的分析如下。

4.1 高压（HV）初级电流安全保护故障

电路精确监测在组合机头内高压初级的电流：来自高频逆变器检测信号TA1通过桥式整流产生IPRIM，IPRIM与标准信号KVT相比较，异常，则产生STOP命令，同时LD5灯亮，如图6所示。

4.2 高压过低（KVmin）安全保护

IPRIM高压过低（kVmin）安全装置电路是：如果给出射线命令4 s后，高压没有达到设置值，IC10(14)输出为低，则IC9(9)与RS相比较，输出为高电平，IC13(10)为低电平，LD4灯亮，产生STOP命令高频逆变器阻断，不产生高压。其原理如图6所示。

4.3 高压失衡控制

kV+、kV-比较电压如果没有超过由R102、D31、C40电路产生的极限值RS，则会发生LD2灯亮，同时产生STOP信号，高频逆变器被阻断，说明组合机头内高压失衡。

4.4 高压超过110%安全保护

当kV+、kV-超过kV最大可接纳的值，安全装置将启动。该值的设置取决于组合机头的类型，旋转阳极管J2A、J2B闭合（短路）而固定阳极管J2A、J2B断开，在这种情况下，如果有故障，则产生STOP信号，高频逆变器阻断，LD3指示灯亮。

通过以上部分电路完成了高频逆变器电源及控制和检测的所有功能，在计算机系统控制下完成高压的产生。

图5 KV比较驱动电路

图6 2-10高压（HV）初级电流安全保护原理图

5 结论

高频逆变器是X射线装置高压部件中重要的组成部分，讨论数字化高频逆变器的组成和原理，对高频逆变电路、高频控制电路、高频高压取样电路，及高压初级电流安全装置、高压过低安全装置、高压失衡控制和高压超过110%安全保护电路进行详细分析，对目前数字化高频逆变发生器有深刻的认识，这对提高影像诊断设备的质量和减少医院的费用有重要意义。

[1]oehrig H, Krupinski E, Dallas W.Necessary spatial resolution in digital mammography. Lemki HU et al, editors.Computer Assisted Radiology. Elsevier Science, 1996, pages 53-9.

[2]Kodak curve: Van Metter and Dickerson.Objective performance characteristics of a new asymmetric screen-film system.Medical Physics 21:9, pages 1483-90. Fuji curve: Ogawa et al. Proceedings of SPIE,Vol. 2432, 1995, pages 421-431. Sterling curve: Denny L. Lee et. al. Proceedings of SPIE, Vol. 3336, 1998, pages 14-23.

[3]Boone.量子论在X射线照相术和乳房显影术影响的光学模型及编码[J]. 医学影响物理学杂志,James T. Dobbins III, John M. Boone,Editors, Proceedings of SPIE Vol. 3336,592-596 (1988).

[4]oehrig H, Krupinski E, Dallas W.Necessary spatial resolution in digital mammography. Lemki HU et al, editors.Computer Assisted Radiology. Elsevier Science, 1996, pages 53-10.

[5]IAE Tube Documentation X20P 0.3/0.6.

[6]Radius sugrical image intensifier service manual.

Principle and breakdown analysis of digital generation and control system/

XING Xu-dong, ZHANG Peng// China Medical Equipment,2011,8(4):69-74.

The article focuses on the digital generation and control principle and the digital generation and control system is introduced including its type,characteristics, advantages and prospects. Furthermore, the application value of various digital generation and control systems is discussed. The development,installation, use and maintenance, and the conditions required, feasibility,superiority, practicability of the system are also analyzed.

Generation; Pulse width modulation; Control circuits; Comparison circuit; Safety device

1672-8270(2011)04-0069-06

TH 77

B

2011-01-06

邢旭东,男,(1970- ),本科学历，主管技师。北京理工大学电子工程研究生在读，主要从事核磁、CT、X线的维修保养以及放射科PACS网络的管理工作。

[First-author's address]Department of Radiology, the Affiliated Hospital,Military Academy of Medical Sciences, Beijing 100071, China.

①军事医学科学院附属医院放射科 北京 100071

②军事医学科学院附属医院医学工程科 北京 100071