一种数字式任意波形X射线高压发生装置

深圳市计量质量检测研究院 卢瑞祥

一、前言

X射线高压发生器主要分为工频、高(中)频高压发生器两种。其中，如图1所示，工频高压发生器直接由网电源供电，网电源经初级调整后，经高压变压器升压后，将电压调节至指定高压范围，最后经过高压整流而得到相应的高压输出波形，所谓波形的不同主要取决于整流的方式。

图1 工频高压发生器结构图

如图2所示，高(中)频高压发生器的网电源供电仍为50Hz的工频交流电压。工频交流电压先经整流变为直流电压后再经高频直流逆变器转换成高频电压(一般在10KHz-100KHz)，接下来经高频升压变压器转换成高频高压交流信号，最后经高压整流得到直流输出。输出电压的控制通过调整高频逆变器的脉宽或频率的方式(Pulse Frequency Modulation,PFM或者Pulse Width Modulation，PWM)。同时输出高压经过分压后反馈给反馈比较模块，与预置参考电压Vs进行比较并将比较结果(差分电压Vd)作为高频逆变器的控制信号，从而形成输出电压的闭环反馈。高（中）频高压发生器的优势在于：由于升压变压器工作在高（中）频段，因此变压器的线圈匝数和铁芯截面积都大幅度减少，实现了结构小型化。由于使用了闭环控制，控制实时性和控制精度得到较大程度提高，输出电压稳定，重复性好。

图2 高频（中频）高压发生器结构图

在基于光感应方式的非介入式X射线kVp表的检定/校准过程中，应该在不同管电压波形（如恒定直流、单相半波整流、单相全波整流、三相六峰整流、三相十二峰整流等波形）的X射线辐射环境下对非介入式高压表的量值进行校准[1]。而现有技术无法在同一台高压发生器上产生上述多种高压波形，因此在上述现有技术条件下，校准一个非介入式X射线高压表至少需要四台以上不同波形的X射线高压发生器来产生规定的管电压。

二、系统原理与实现方案

在一个周期内，X射线高压发生器的高压输出的有效值是由其传递的能量决定，而经过逆变-升压-整流后，在T周期内的电压能量由下式给出：

其中，U(t)为瞬间电压。对于PWM逆变器，可以通过调整脉宽来调整输出电压的有效值。传统的高频发生器的电压调节主要通过PWM闭环反馈控制实现。对于常规的X射线应用，预置参考电压Vs为恒定值，而输出高压通过分压器后得到反馈电压Vr，Vs与Vr分别连接PWM控制器的正向、反向输入端，其差分值驱动PWM逆变电路的脉宽调节电路，通过高压升压变压器并整流后得到闭环反馈输出高压。

为实现输出高压的电压变化，本文在传统的高频高压器的基础上进行改造，主要的区别是将预置参考电压Vs由恒定值输入改为可变量电压输入Vs(t)，该电压信号由数字电路通过D/A转换产生，通过CPU实现波形的任意控制。

图3 数字式任意波形高压发生器结构图

图3是本文所述高压发生装置的示意框图。其中，任意波形信号发生单元包括：用于进行功能控制和数据处理的中央处理单元；存储数字与预置电压信号相对应的数字离散数据的存储单元；以及将数字离散数据转换成模拟波形信号的数模转换单元。此外，任意波形信号发生单元还包括用于输入设置参数的用户输入单元。

用户可以通过用户输入单元设定预置电压信号的波形参数（波形的类型、电压、频率），中央处理单元根据上述参数直接形成数字离散数据并存储在存储单元，或者预先通其他方式计算并存储在存储单元中。数字离散数据通过D/A转换单元转换成模拟形式的弱电压波形信号Vs(t)，并通过外部接口（I/O口、通讯接口或者网络接口）输出到反馈比较单元，代替原有的稳压预置直流电压Vs。

在使用时，工频交流电压先经整流单元整流变为直流电压，再经直流逆变单元转换成预定频率的中间交流电压，接下来经变压单元升压为交流高压信号后输出。输出电压经分压后反馈给反馈比较模块，与预置电压信号进行比较并将比较结果（差分电压Vd）作为直流逆变单元的控制信号，直流逆变单元依据预置电压波形信号和采样信号的比较结果调制交流电压的波形，由此实现闭环反馈控制。

在本方案中，预置电压波形的电压范围由反馈比较单元的输出而决定。反馈高压信号通过纯阻性高压分压器以10000：1的比例将X射线球管的高电压信号分压为低电压信号[3]，考虑到医用X射线高压输出的最大电压为180kV，预置电压波形的电压范围应小于18V。对于采用双路功率推动的高压发生器，其电压输出是正负极性的，需要设计两路同步的弱电压信号发生器，所对应的逆变器、高压升压电路、高频高压整流及高压测量电路均需要双路严格同步。

用于激发X射线的高频高压发生器的逆变器一般工作在5kHz-100kHz的范围，振荡器的频率越高，PWM的反馈延迟越小。反馈环路的总时间延迟ΔT主要取决于PWM比较延迟、IGBT驱动延迟，系统的最大有效反馈环路的采样率为ffb=1/ΔT，据根尼奎斯特定理，输入数字波形信号的带宽应为ffbd的1/2。

三、讨论

本文在基本不改变高频高压发生器的原有电路的基础上增加数字化可编程的任意波形信号发生装置，使用该装置对高频高压发生器反馈部分的预置参考电压进行调制后，高频高压发生器的高压输出由单一的稳压直流输出（当然存在一定的纹波和过冲、振零）变为与调制信号波形相同的高压输出波形。因而本文的高压发生器不受原有高频高压发生器输入交流电源制式（单相220V或三相380V、50Hz或60Hz）的影响，不受直流逆变器工作频率、工作方式（桥式逆变、半桥式逆变或单端逆变）、开关元件类型（可控硅或IGBT）及调制方式（PFM或PWM）的影响。实现了各种不同波形输出，可以是波形带宽在直流到高压发生单元高频逆变单元工作频率二分之一范围内的任意波形。本高压发生器可以仿真工频高压发生单元的波形（包括常见的单相半波整流/单相全波整流/三相六峰整流/三相十二峰整流）、直流、三角波、方波等各种波形。并且由于采用了数字信号发生技术和计算机控制系统，输出的任意波形可以通过编程的方式产生，便于使用。

本文所述的数字式X射线高压发生装置设计方案已经运用在国家质检总局科技计划项目《X射线kVp测量仪计量标准装置》中，试验装置可以在同一台高压发生器中输出单相全波整流、脉冲恒定直流等高压波形，可模拟IEC61676标准规定的多种X射线辐射环境。

[1]医用X射线机编写组.医用X射线机原理、构造与维修[M].中国医药科技出版社,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,卢瑞祥.非介入式X射线kVp表检定装置中数据采集模块的设计[J].工业计量,2007,05.