碎石机高压电容充电电源对碎石效果的影响

马世宏，潘文胜，陈　明

碎石机高压电容充电电源对碎石效果的影响

马世宏，潘文胜，陈明

目的：分析碎石机高压充电电源对碎石效果的影响以及高压充电电源的选用原则。方法：通过测量高压充电电源对电容的充放电曲线，判断碎石效果。结果：全波整流工频充电电源的输出阻抗最小，对电容充电时间最短；半波整流次之；倍压整流输出阻抗最大，对电容的充电时间最长；当放电频率超过1 Hz时，3种工频高压电源对电容充电均不充分，使得碎石效果下降；高压逆变恒流充电电源对电容充电彻底，碎石效果稳定。结论：在放电频率高于1 Hz时，工频高压电源不如高压逆变恒流充电电源的碎石效果好。

体外碎石；电容器充电电源；输出阻抗；高压逆变电源

0　引言

体外冲击波碎石机从诞生到现在已经有20多年的历史[1]，其中前10 a年，碎石机的核心技术更新迅速，从最初的液电式发展到了各种电磁式碎石机；最近10 a，国外碎石机的核心技术趋于成熟，没有出现大的技术突破。我国在2008年颁布了新碎石机行业标准YY 0001—2008《体外引发碎石设备技术要求》[2]，标准中规定了碎石机性能要求，包括压力峰值、脉宽、上升沿等重要参数。在临床使用上，医生和患者更关心碎石效果。

影响碎石效果的因素很多[3]，如结石定位的准确性、患者的选择、碎石能量（kV）的大小、水中气泡、液电反射杯的聚焦性能、电磁盘和声透镜的性能、放电的频率等，其中最容易被医生甚至生产厂家忽略的是放电频率对碎石效果的影响。在结石患者众多的医院，碎石机操作医生很自然地选择较快的放电频率，从而导致碎石效果下降，或者效果不稳定。

在充电电容一定的条件下，高压充电电源决定了充电时间和碎石机的最高放电频率，超过最高放电频率，高压电容上的电压（或者电荷）充不到设定值，高压电容储能降低，造成碎石效果变差。发达国家，如德国、美国、以色列、瑞士等国生产的体外碎石机都采用高压逆变恒流充电电源，保证不同放电频率条件下碎石效果的稳定。我国是碎石机生产大国，目前除了深圳慧康医疗器械有限公司等一两家公司的碎石机上采用了高压逆变恒流充电电源外，其余碎石机厂家的充电电源几乎都是工频高压电源，技术上落后于西方国家。国内有些碎石机厂家甚至没有觉察到充电电源和碎石效果之间的关系，没有完全明白国外品牌的碎石机为什么都采用高压逆变恒流充电电源。

工频充电电源的特点是：技术简单；体积大，质量大；充电时间慢；当放电频率过快时，碎石效果下降。

高频逆变恒流充电电源[4]的特点是：充电时间快，碎石效果不受放电频率的影响；同样功率条件下，体积只有工频电源的五分之一左右，质量只有工频电源的十分之一左右；技术难度大。

总之，碎石机高压电容充电电源决定了充电和放电频率（放电频率会影响碎石效果）。下面分析和比较工频充电电源和高压逆变恒流充电电源的充放电过程和充电时间。

1　工频充电电源

1.1电容充电的基本原理

E为充电电源的电动势，单位为V；R为充电回路的等效电阻，单位为Ω，其大小等于充电电源的输出电阻与充电回路的限流电阻之和；C为充电电容，单位为F；Uo为电容C上的充电电压，单位为V。如果电容C上的初始电压为0，则电容C上的电压和充电时间t（单位：s）的关系[5]如下：

Uo=E×[1-exp（-t/（RC））]

当t=RC时，电容上的充电电压Uo=0.63E。

如果放电频率过快，电容上的电压有可能充不满，导致碎石效果下降。在电容恒定的条件下，充电速度受充电回路电阻R（充电电源的输出电阻与限流电阻之和）的控制[6]。充电电源的输出电阻可以借助示波器测量结果和上述公式计算出来，即读取电容电压Uo=0.63E时的时间t，根据t=RC计算出充电回路的电阻R，再将R减去限流电阻，其差值就是充电电源的输出电阻。输出电阻越小，充电时间越快。

1.2充放电电压波形和高压电源输出电阻的测量

我们采用Tektronix TDS1012 100 MHz双通道数字示波器，外加电源隔离变压器；高压测量采用分压棒和数字万用表。用上述设备测量了目前国内常用的电磁式碎石机3种高压充电电源（半波整流、全波整流、倍压整流）的充放电波形和输出电阻。

图1为单次充电电压波形，经过3～5个RC后，充电基本结束。图2为1 Hz连续充放电电压波形（能够充满），这是我们希望的波形，在该放电频率时，充电电压没有下降，碎石效果保持恒定。图3为2 Hz连续充放电电压波形（未能充满），这种波形不理想，在该放电频率时，电压充不满，碎石效果变差。

电容的最高充电电压设置为18 kV，表1是实测3种高压电源充电电压和放电频率之间的关系。

图1　单次充电电压波形

图2　连续充放电电压波形（能够充满）

图3　连续充放电电压波形（未能充满）

表1　不同整流方式充电电压和放电频率之间的关系

根据以上测量结果，可以计算出全波整流电源、半波整流电源、倍压整流电源的输出阻抗分别是82、120和400 kΩ。从以上测量和计算结果可以看出：

（1）当充放电频率达到2 Hz时，全波整流充电电压从18 kV下降到17 kV，医生明显感觉碎石效果变差；倍压整流充电电压从18 kV下降到12.1 kV，医生感觉几乎没有碎石效果。因此，工频碎石机放电频率不宜高于2 Hz，频率越慢，电容充电越彻底，碎石效果越好；综合考虑，1 Hz放电频率临床上比较适宜。

（2）全波整流电源输出电阻最小，充电速度最快；半波整流电源输出电阻次之；倍压整流电源输出电阻最大，充电最慢。综上，说明在相同充电电压和频率条件下，全波整流碎石效果最好，倍压整流碎石效果最差。

2　高压逆变恒流充电电源

2.1恒流充电原理

随着脉冲功率技术在激光等领域中的应用，高压逆变恒流充电电源技术目前在我国是个热门领域，具体的电子线路设计有大量的文献可以参考[7-8]，本文不做深入分析，仅把与碎石机相关的部分进行应用性的介绍。

根据电工学基本原理[9]，电容的充电电流I=Q/T=C×U/T

式中，I为电容上的充电电流，单位为A；Q为电容上的电荷，单位为C；C为电容量，单位为F；U为电容上的电压，单位为V；T为充电时间，单位为s。

恒流充电是指充电电源在给电容充电过程中，充电电流基本保持恒定，即上式中I保持不变，所以充电电压U和充电时间T是线性函数关系，电压随时间的充电曲线是条斜线。如图4所示，t1表示放电完成后的停顿时间，一般取50～100 ms，用来抑制电容放电后的反峰电压，保护电源内的电子元件；t2是电压充满后的休息时间，在一定的放电频率下，充电电压越高，充电时间越长，休息时间t2越小，最小可以是0。t为碎石机的放电周期。图5和图6为实测深圳慧康医疗器械有限公司碎石机充放电电压波形，图5为单次充放电电压波形，图6为2.94 Hz频率条件下的连续充放电电压波形。在最高放电频率时，t2=0，电容电压仍然能够被充满。

图4　恒流充电电压波形

图5　实测单次充放电电压波形

图6　实测连续充放电电压波形（t2=0）

2.2高压逆变恒流充电电源的关键技术指标和选用原则

（1）充电电流（mA）：它是最关键的一个技术指标。充电电压不变的条件下，充电电流越大，充电时间越快。在电磁式碎石机中，一般取50～90 mA。

（2）最高充电电压（kV）：电磁式碎石机最高充电电压一般不超过20 kV。

（3）最快放电频率（Hz）：充电电流和最高充电电压确定以后，最快放电频率实际上就确定了。

根据电容充电电流I=Q/T=C×U/T，充电时间T= C×U/I。参照图4，充电周期t=T+t1+t2，最快放电频率f=1/t。因此，碎石机充电电源的充电电流和最高充电电压确定后，最快放电频率实际上就已经确定了，如果实际放电频率大于最快放电频率，电容充电不彻底，碎石效果必然下降。

例如，国内大部分电磁式碎石机[10]，电容C=1 μF，最高使用电压U=20 kV，如果选用的充电电源电流是90 mA，放电停顿时间t1=50 ms，最快频率放电时，t2=0，则可以计算出最快放电频率f=3.7 Hz。

考虑到临床的其他因素，碎石机放电频率不应超过2Hz。如果最高充电电压U=20kV，电容C=1μF，放电停顿时间t1=50 ms，最快频率放电时，t2=0，则可以计算出充电电源的最小电流I=44 mA。根据下面（4）的推导，充电电源的最大功率和平均功率分别是880和400 W。

体外冲击波骨科治疗机放电频率可达3Hz，放电电压U=13kV，电容C=0.5μF，放电停顿时间t1=50ms，最快频率3 Hz放电时，t2=0，则可以计算出恒流充电电源的最低充电电流I=23 mA。根据下面（4）的推导，充电电源的最大功率和平均功率分别是299和127 W。

（4）最大功率和平均功率：

恒流充电电源的最大功率式中，I为充电电流，单位为A；U为最高充电电压，单位为V；Pmax为最大功率，单位为W。

恒流充电电源的平均功率P=电容储能/充电周期。将充电周期近似等于充电时间，则可以近似算出平均功率P=0.5×I×U，即平均功率近似等于但略小于最大功率的一半。

总之，必须选择合适的充电电流、充电电压和放电频率，才能保证电容充电彻底以及碎石效果的稳定。

2.3充电电压波形测量

我们对深圳慧康医疗器械有限公司生产的碎石机以及德国多尼尔公司的Dornier Delta型碎石机进行了高压充放电测量，如图5～7所示。

Dornier Delta型碎石机高压电容1.3 μF，最高使用电压17 kV（6级能量），最慢放电频率60次/min，最快放电频率120次/min。放电后的停顿时间t1=56ms，充电时间T=0.292 s，电压充满后休息时间t2=152 ms。根据2.2的分析，可以计算出来高压逆变恒流充电电源的充电电流为75.7 mA，最大功率为1.3 kW，平均功率为376 W。由于电压充满后有152 ms的休息时间，所以平均功率远小于最大功率的一半。

从图7中可以看出，即使选择最快放电频率和最高放电电压，碎石机电容上的电压或者能量每次都能够充满，所以无论是采用最低放电频率或者最高放电频率治疗患者，碎石效果都能保持稳定。

图7　德国Dornier Delta碎石机充放电波形

2.4总结

高压逆变恒流充电电源不但体积小、质量轻，而且不同放电频率下碎石效果稳定。随着我国体外冲击波碎石机技术的升级以及冲击波在其他医疗领域（如骨科、运动医学、心脏治疗、男性治疗、美容等）应用时对产品小型化、便携化的要求，高压逆变恒流充电电源将得到广泛的应用。如何设计和选用充电电源，事关碎石效果。

在具体的体外冲击波碎石机或者治疗机中，高压电容的容量是固定的。我们可以根据临床的要求，确定最高充电电压和最大放电频率，然后计算出高压逆变恒流充电电源的电流和功率，确保在指定的放电频率范围内，电容上的电压或者能量每次都能够充满，碎石效果稳定。

3　结语

根据以上实测和分析，可以得出如下结论：

（1）工频充电电源在放电频率大于1 Hz时，电容充电不充分，将导致碎石效果下降。放电频率越高，碎石效果越差。

（2）选定合适的高压逆变恒流充电电源，能够保证在指定的放电频率范围内，电容充电彻底，碎石效果稳定。

[1]马世宏.体外碎石机放电噪声的测试和分析[J].医疗卫生装备，2012，33（5）：116-117.

[2]YY 0001—2008体外引发碎石设备技术要求[S].

[3]马世宏.体外碎石机防松传输线的改进设计[J].医疗卫生装备，2010，31（10）：86-87.

[4]罗敏，常安碧，赵殿林.高平均功率开关实验平台的研制[J].高电压技术，2003，29（12）：28-30.

[5]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]刘民，孙毅，赵晓光.直流电源输出阻抗测量技术[J].宇航计测技术，2010，30（5）：18-22.

[7]许建军，常安碧，夏世维，等.新型高功率高重复频率脉冲电源研制[J].高电压技术，2003，29（7）：43-45.

[8] 钟和清，徐至新，邹云屏，等.软开关高压开关电源设计方法研究[J].高电压技术，2005，31（1）：20-23.

[9]苏永昌.电工原理[M].北京：电子工业出版社，2003.

[10]马世宏.体外冲击波碎石机的现状及发展[J].医疗卫生装备，2010，31（12）：37-38.

（收稿：2014-11-11修回：2015-03-05）

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本刊编辑部

Influence of high-voltage capacitor charging power supply on lithotripsy

MA Shi-hong,PAN Wen-sheng,CHEN Ming
（Shenzhen Huikang Medical Apparatus Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,Guangdong Province,China）

Objective To analyze the influence of the high-voltage capacitor charging power supply on the lithotripsy effectiveness and to introduce the guidance to select the charging power supply.Methods The lithotripsy effectiveness was judged on the basis of the measurement of the charging-discharging curves of the lithotripter.Results The full-wave rectifier gained the least output impedance and the shortest charging time,and voltage-doubling rectifier had the highest output impedance and the longest charging time,with half-wave rectifier being between the two ones above.When the discharge frequency was less than 1 Hz,the three rectifiers had decreased lithotripsy effectiveness due to inadequate charging.Constant-current inverter high-voltage power supply might result in stable lithotripsy due to full charging. Conclusion Constant-current switch-mode high-voltage power supply behaves better than line-frequency high-voltage source for lithotripsy in case the discharge frequency is higher than 1 Hz.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（10）：116-119]

lithotripsy;capacitor charging power supply;output impedance;high-voltage inverter power supply

[中国图书资料分类号]R318.6；TH772.1A

1003-8868（2015）10-0116-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.116

马世宏（1966—），男，高级工程师，主要从事体外冲击波碎石机核心技术方面的研究工作，E-mail：mash@eswl.cn。

518000广东深圳，深圳市慧康医疗器械有限公司研发中心（马世宏，潘文胜，陈明）