体内碎石机高压储能电容快速充电电源的设计

李洪义，荆海霞，宋新海

（西安外事学院，西安 710077）

0 引言

胆结石在我国是一种多发病，轻者会造成患者疼痛、发炎等各种不适，重者则可能造成肝脏及肾脏的致死性衰竭，严重危害人类的健康，长期以来是我国外科手术的重点之一[1-2]。

随着内窥镜技术和微创手术技术的发展，体内碎石技术成为胆结石手术新的发展方向[3-5]。体内碎石机采用在液体中低能量、高电压脉冲放电激发空化效应的原理，将高压电脉冲放电系统所产生的电脉冲，通过特定的放电电极，经内窥镜的引导，在注有生理盐水的结石表面进行1～2 mm近距离瞬间放电释放能量，达到将人体内胆结石碎石的目的[6]。

体内碎石机使用时，由于需要在人体内进行高压电脉冲放电，为保证患者安全，必须限制高压电脉冲放电所输出的能量，导致每个高压电脉冲放电能量较小，单个释放高压电脉冲碎石时碎石效果差，完成碎石手术需要耗费较长的时间，不适应临床使用。笔者经查阅文献[7]和计算机仿真研究发现，快速连续释放多个高压电脉冲可使放电激发的空化效应相互叠加，从而有效提高碎石效果，缩短手术时间。而高压电脉冲是由碎石机储能电容储存的电能产生，欲连续输出高压电脉冲，必须在2次放电期间将储能电容充满电。因此，在体内碎石机的研制中，如何设计碎石机高压充电电源，实现储能电容快速充电成为关键。本文基于级联整流方式设计了一种高压储能电容快速充电电源，电源内阻小、输出电流较大，可实现碎石机储能电容快速充电的目的。

1 设计原理

1.1 体内碎石机对充电电源的要求

利用计算机仿真研究高压电脉冲释放频率对碎石效果的影响，结果显示，高压电脉冲释放频率为数百到1 000 Hz时，碎石效果最好。按最高频率1 000 Hz计算，其周期为1 ms，故要求碎石机储能电容充电时间不大于1 ms。

1.2 传统高压整流电路及特点

传统高压整流电路一般采用串联倍压整流电路，现以3倍压整流电路（如图1所示）为例加以说明[8-9]。

图1 3倍压整流电路图

在该电路中，滤波电容按每隔一接点的方式接入，分布在整流二极管两侧，呈叠层串联形式，因此，该电路中所有的整流二极管和滤波电容均为串联连接。

设该整流电路输入交流电电压为u，则

式中，Um表示电压振幅值。

由该电路工作原理可知，当整流电路稳态工作时，电容C1两端电压为Um，其余电容两端电压均为2Um。若从电路A、B两点输出，则整流后输出的直流电压为3Um，若从电路C、D2点输出，则整流后输出的直流电压为2Um。欲获得更高的直流高压输出，可在该电路后面继续串联接入整流二极管和滤波电容，在电路不同的点即可获得N（奇数）倍压的输出电压或M（偶数）倍压的输出电压。

在该电路中，所有整流二极管的反向电压均为2Um。在选取二极管时，需注意其最大反向电压参数应为2Um的2～3倍，以保证二极管安全可靠地工作。

串联倍压整流电路由于所有的整流二极管和滤波电容均为串联，故电路内阻大，输出电流小，通常为mA级。且输出电压愈高，所需要串联的级数愈多，电路内阻愈大，输出电流愈小，只能用于高电压且小电流的环境。经实测，采用串联9倍压整流电路输出2 kV高压直流电时，对0.1 μF储能电容充电时间为数十秒，无法实现快速连续释放高压电脉冲的设计要求。

另一种常用的高压整流充电电路为高压逆变恒流充电电路[10-11]。这种电路输出电压纹波低、转换效率高、功率密度高，在X射线照相、高功率激光及电磁脉冲等领域得到广泛应用。但与倍压整流电路相比，其电路结构复杂，成本高。而且在实际使用中，该电路中的变压器由于升压很高，对变压器高压侧的分布电容影响较大，使得变压器的绝缘和发热问题尤为严重，若使用在碎石机中存在安全隐患。

1.3 级联整流电路工作原理

体内碎石机高压储能电容快速充电电源采用2倍压整流电路级联技术实现。

基本的2倍压整流电路如图2所示。设该整流电路输入交流电电压为u，交流电正半周D1导通，对电容C1充电，其电压为Um；交流电负半周D2导通，对电容C2充电，其电压为Um。若从电路A、B2点输出，则整流后的输出直流电压为2Um。

对于电容C1，只在D1导通期间充电，故为半波充电，同理，C2也为半波充电；但对于整个整流电路而言，总输出电压为C1和C2输出电压之和，依然是全波整流输出。

图2 2倍压整流电路图

欲获得更高的直流高压输出，可采用与图2相同的N个电路级联起来，即可获得2NUm的输出电压。现以4倍压整流电路为例说明级联技术如何实现，电路图如图3所示。

图3 4倍压级联整流电路图

将2个2倍压整流电路头尾相接，即构成4倍压级联整流电路。显然，当从电路A、B2点输出时，输出电压为4Um。

由于该整流电路采用2倍压整流电路整体级联结构，而不是在2倍压整流电路中串接整流二极管和电容来提高输出电压，所以整流电路的总内阻即为单个2倍压整流电路的内阻，其内阻与传统倍压整流电路相比大大降低，从而使得输出电流较大，可对碎石机储能电容快速充电。

需要特别指出，级联时，各2倍压整流电路需使用变压器不同绕组输出的交流电作为整流电路的输入，不能用同一绕组对所有2倍压整流电路供电，否则电路无法正常工作。

2 碎石机高压储能电容快速充电电源的设计

根据碎石机设计要求，采用级联整流技术设计碎石机高压储能电容快速充电电源，电路图如图4所示。

图4 快速充电电源电路图

2.1 电路结构及特点

为避免变压器次级电压过高，并降低对整流器件技术指标的要求，采用两级2倍压整流电路级联构成电源整流电路。即图4中A点和C点之间为一级2倍压整流电路，C点和E点之间为一级2倍压整流电路。每级电路输入交流电压均为350 V，但使用变压器不同绕组供电。整流后，每一级2倍压整流电路输出的直流电压为两级电路级联后，从其两端输出直流电，即从电路图中的A点和E点输出，总输出电压为每一级电路输出电压之和，则充电电源输出2 kV直流电。

为降低对电容耐压值的要求，方便电容选型，降低成本，采用2只电容串联构成滤波电容；为保障电容串联后各电容分压值均等，防止电容被击穿，提高电路工作可靠性，在电容两端并联电阻，即电阻R409～R416，构成电阻分压电路，确保电容、电压均等。增加电阻分压电路后，将造成电容储存电荷的泄漏。因此，分压电阻阻值必须足够大。电路中分压电阻取值为1 MΩ，串联后总的电阻值为8 MΩ，对于2 kV输出电压，其泄放电流为0.25 mA，影响可忽略不计。还需注意，分压电阻需采用耐压值不小于1 kV的高压电阻。

另外，整流二极管采用1N5408二极管，其最大反向电压为1 kV，最大整流电流为3 A，可满足设计要求。

2.2 安全保护电路设计

安全保护电路由继电器和泄放电阻组成，即图4中继电器K400和K401、电阻R401～R408。当碎石手术治疗结束或设备维修时，可以控制继电器闭合，电容通过泄放电阻彻底放电，保证人员安全。

3 测试及应用

3.1 实测结果

通过测量快速充电电源对储能电容充电时的电压波形，即可获得充电时间这一参数。快速充电电源对1 μF电容充电，采用1 000∶1电阻分压电路测量充电电压，采用RIGOL示波器记录测量结果。快速充电电源实测充电电压波形如图5所示。

由图5可知，50 μs时，电容电压即达到2 kV；100 μs后，电容电压稳定为2 kV。在设计要求中，碎石机储能电容充电时间不大于1 ms，显然，该电源充电时间满足设计要求。

另外，在对储能电容充电时，通过J402插座外接1 kΩ限流电阻，根据充电电压可得最大充电电流为2 A。随着充电的进行，充电电流逐渐减小，即该充电电源不能进行恒流充电。

图5 实测充电电压波形

3.2 对碎石效果的影响

该电源可对碎石机储能电容快速充电，使得碎石机释放碎石高压电脉冲的方式发生变化。传统的倍压整流电路无法快速充电，碎石时只能采取每次释放一个高压电脉冲，等待储能电容充满电后再进行下一次放电的方式。在这种方式下，需经过数十次至上百次高压电脉冲的冲击才能将结石击碎，击碎一个结石的时间在数分钟至数十分钟之间。

采用快速充电电源后，由于可连续释放高压电脉冲，碎石机采用了全新的高压电脉冲放电方式。每次激发放电时，碎石机不再释放一个高压电脉冲，而是连续释放数十个高压电脉冲，从而使空化效应相互叠加。碎石实验结果显示，击碎一个结石只需2～5次激发放电，而每次激发放电时间小于1 s。新的释放高压电脉冲方式大大地提高了碎石效率，缩短了手术时间，且手术医生无需等待碎石机充电，可专注于手术操作。

3.3 电源成本

该快速充电电源电路简单，不但器件选择方便，而且电源生产成本很低，不超过300元。而根据市场调研，市售的同类高压直流电源售价达数万元，远高于本设计。

4 结语

本文提出的快速充电电源设计简单易行、成本低，性能指标满足设计要求，用于碎石机可连续输出低能量高压脉冲放电，显著提高了碎石效果和碎石效率。

该电源的设计思路和方法也可用于体外碎石机高压储能电容快速充电器的设计。但在使用中需要注意，该充电电源不能实现恒流充电，故不适用于需要恒流充电的设备。对于有恒流充电需求的场合，可在该电源电路基础上，采用大功率绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）构成恒流源电路，这也是下一步需要完善的地方。