高頻高壓發(fā)生器原理ppt課件

高頻高壓發(fā)生器原理 與工頻機相比的優(yōu)點 1 高頻機的工作原理 2 X線高頻發(fā)生器特點 1 x線性能穩(wěn)定 成像質(zhì)量及效率高 X線的質(zhì) 硬度 是由x線球管上所加的高壓 即kv的大小決定的 在x線發(fā)生時 如kv有波動 X線的質(zhì)不穩(wěn)定 低KV造成軟射線 射線性能降低 工頻X線高壓發(fā)生器輸出電壓是脈動直流波形 對成像沒有任何幫助的軟射線成分較多 高頻高壓發(fā)生器輸出的波形近似恒定直流 射線性能穩(wěn)定 軟射線成分較少 因而 成像質(zhì)量高 同時 成像效率高 劑量可以降低 降低了患者X線傷害程度 3 2 高頻高壓發(fā)生器曝光時間精確 曝光時間的重復(fù)率高 可實現(xiàn)超短時間曝光 工頻X線發(fā)生器多以可控硅或接觸器作為曝光與切斷的開關(guān)元件 而接觸器或可控硅的切斷要與電源頻率同步進行 當(dāng)交流相位沒有達到或接近 過零點 時 接觸器或可控硅就不能切斷電源 使短時間曝光的重復(fù)率變差 在短時間的自動曝光系統(tǒng)中 更不能按最佳瞬間及時切斷高壓 采用逆變技術(shù)的X線高壓發(fā)生器輸出的是波形近似恒定的直流高壓 所以短時曝光不受電源同步的影響 曝光定是精確 曝光重復(fù)率高 X線機超短時間曝光取決于高壓波形的上升沿 高頻機高壓波形上升沿很陡 所以最短曝光時間可達1ms 工頻機的高壓波形按工頻正弦波變化 上升沿緩慢 較難實現(xiàn)超短時間曝光 4 3 高頻高壓X線發(fā)生器能顯著縮小體積和重量 普通變壓器的感應(yīng)電動勢E與工作頻率f 線圈匝數(shù)N和鐵芯截面積S的關(guān)系為 E f N S 常數(shù)由上式可見 若工作頻率提高了幾千倍 線圈匝數(shù)N和鐵芯截面積S的乘積即可縮小幾千倍 而分母保持不變 這樣就可大大減小變壓器的體積 省去笨重的自耦變壓器 工頻X線高壓發(fā)生器是通過自耦變壓器調(diào)節(jié)KV的 而高頻X線發(fā)生器主電路使用諧振逆變電路 通過改變頻率來改變電壓 可滿足KV在寬廣范圍的調(diào)節(jié) 從而省去笨重的自耦變壓器 5 4 高頻高壓發(fā)生器的KV和mA的控制精度大大提高 工頻X線發(fā)生器大多以KV預(yù)示及KV補償來確定曝光時KV的值 KV預(yù)示即在X線管未加負載時 先測量高壓初級電壓 再根據(jù)高壓變壓器的變壓比 計算出高雅次級電壓 預(yù)先將本次曝光X線管兩端可能加的實際KV指示出來 KV補償法即用某種方法預(yù)先增加高壓變壓初級電壓 以補償空載與負載時的電壓差 但曝光開始后 為防止加壓后自耦變壓器碳輪移動產(chǎn)生電弧 同時由于曝光時間短 碳輪驅(qū)動系統(tǒng)的機械慣性跟不上電信號的變化 碳輪將處于靜止?fàn)顟B(tài) KV的控制沒有閉環(huán)反饋 這時由電源電壓波動或其他因素造成的輸出高壓變化便無法補償 使實際KV至于所要求的KV設(shè)定值有偏差 6 工頻X線發(fā)生器的mA調(diào)節(jié)電路需要設(shè)置穩(wěn)壓電源 同時由于空間電荷效應(yīng)的影響 燈絲電路還要對空間電荷進行補償 盡管采取很多措施 mA實際值與設(shè)定值仍有較大誤差 X線高壓發(fā)生器 KV和mA的控制使用閉環(huán)控制 即使用KV和燈絲電流的測量電路 由比較電路把測定的值與KV和燈絲電流的設(shè)定值相比較 如果有差別的話 有控制電路對控制參數(shù)進行快速調(diào)整 直到KV和燈絲電流的設(shè)定值與測量值一致 KV和mA的控制的控制精度大大提高 所以 重復(fù)性也提高了 7 5 高頻高壓發(fā)生器的高壓部分整流電路簡單 大功率的工頻X線發(fā)生器為了抑制軟射線 要減小高壓輸出的脈動率 其高壓變壓器的次級采用三相全波整流電路 復(fù)雜而龐大 高頻X線發(fā)生器的工作頻率提高后 只要使用小容量的高壓電容器就可以有效抑制高壓波形中的脈動量 這樣在高頻X線發(fā)生器的高壓變壓器的次級只需采用簡單的單相全波整流電路 6 使用微機控制 集成化程度高 控制電路體積減小 8 高頻高壓發(fā)生器的主電路原理圖 9 高頻X線發(fā)生器主電路工作原理整流器把工頻電源整流 經(jīng)濾波變?yōu)槠交绷?逆變器把直流變成頻率為幾萬Hz的交流電 由這部分電路決定發(fā)生器輸出KV的大小 高壓變壓器變壓 獲得所需的直流電壓 高頻X線機的高壓變壓器工作在頻率為幾十到幾百KHz的高頻 10 整流電路 11 整流電路的作用是將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓 濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分 使之成為平滑的直流電壓 因為高壓發(fā)生器主電路電壓很高 如果是被壓整流濾波后的電壓就可達530V左右 而穩(wěn)壓器件不能承受這樣的高壓 所以濾波后無穩(wěn)壓電路 12 單相倍壓整流電路 13 14 倍壓整流電路 當(dāng)將幾個由二極管和電容組成的半波整流電路作幾級串聯(lián)時 交流電壓經(jīng)二極管D1 Dn在每半個周期內(nèi)對電容C1 Cn進行充放電 用低的交流電壓就可以獲得單級半波整流電路幾倍的輸出電壓 倍壓整流電路可以是單倍壓 兩倍壓 也可以是多倍壓 15 串聯(lián)諧振逆變電路 16 如圖所示為一個RLC串聯(lián)諧振的的橋式逆變器 逆變橋由四個臂構(gòu)成 每一個臂由一個場效應(yīng)管 IGBT 和一個續(xù)流二極管并聯(lián)組成 輸出為串聯(lián)諧振電路 諧振逆變技術(shù)中有串聯(lián)逆變和并聯(lián)逆變兩種方式 并聯(lián)諧振逆變電路就用在工作頻率固定或變化不大的場合 高頻X線由于頻率調(diào)節(jié)范圍比較寬 采用串聯(lián)諧振逆變技術(shù)較為方便 串聯(lián)逆變技術(shù)要求輸入為恒壓源 采用大電容的濾波 17 采用諧振開關(guān)技術(shù) 可以使功率器件兩端的電壓或流過的電流呈正弦規(guī)律 而且電壓 電流波形錯開 以實現(xiàn)功率器件零電流開關(guān)或零電壓開關(guān) 使開關(guān)損耗理論上降為零 因諧振電路吸收了高頻變壓器漏抗 電路中的寄生電感和功率器件的寄生電容 消除了高頻時產(chǎn)生的電壓尖峰和涌浪電流 消除了電磁干擾和電源噪聲 因場效應(yīng)管 IGBT 或晶閘管開關(guān)頻繁 實際應(yīng)用中常使用兩套或多套串聯(lián)諧振電路以減小逆變電路的損耗 18 如圖串聯(lián)諧振逆變電路所示 電路的電源由不可控三相整流橋整流后經(jīng)大電容C1濾波獲得平穩(wěn)的直流電壓 屬于電壓型逆變器 電路為了續(xù)流 設(shè)置了反饋二極管D1 D4 而逆變器輸出功率依靠調(diào)整功率開關(guān)管觸發(fā)脈沖的頻率來進行調(diào)節(jié) 依據(jù)X線曝光信號 在T0 T1期間 逆變電路的開關(guān)元件VT1 VT4導(dǎo)通 導(dǎo)通時間為 流過諧振電容C 高壓變壓器的初級線圈 寫真電感L的電流如下圖所示 電流為正弦波形 在T1時 VT1 VT4斷開 在T1 T2期間 貯存在電感L電容C內(nèi)的能量通過D1 D4放出 在T3 T4期間 逆變電路的開關(guān)元件VT2 VT3導(dǎo)通 導(dǎo)通時間也為 流過諧振電容C 高壓變壓器初級線圈 諧振電感L的電流同樣為正弦波形 在T4時 VT2 VT3斷開 在T4 T5期間 貯存在L C內(nèi)的能量通過D2 D3放出 在T3 T5期間的電壓波形與T0 T1期間一樣 只是方向相反 19 串聯(lián)諧振型逆變電路 20 T0 T1 VT1 VT4導(dǎo)通 導(dǎo)通時間為 電流為正弦波 在T1時 VT1 VT4關(guān)斷 在T1 T2 貯存在電感L 電容C內(nèi)的能量通過D1 D4放出 在T2時 D1 D4關(guān)斷 21 T3 T4 VT2 VT3導(dǎo)通 導(dǎo)通時間為 電流為正弦波 在T4時 VT2 VT3關(guān)斷 在T4 T5 貯存在電感L 電容C內(nèi)的能量通過D2 D3放出 在T5時 D2 D3關(guān)斷 22 低功率輸出時串聯(lián)諧振逆變電流 23 高功率輸出時串聯(lián)諧振逆變電流 24 串聯(lián)諧振電路的基本原理 串聯(lián)諧振等效電路 當(dāng) 時Z R 阻抗最小 負載R可得到最大功率 25 PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法 由高分辨率計數(shù)器的使用 方波的占空比被調(diào)變用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼 PWM信號仍然是數(shù)字的 因為在給定的任何時刻 滿幅值的直流供電要么完全有 ON 要么完全無 OFF 電壓或電流源是以一種通 ON 或斷 OFF 的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的 通的時候即是直流供電被加到負載上的時候 斷的時候即施電被斷開的時候 只要頻寬足夠 任何模擬值都可以使用PWM進行編碼 26 PFM 脈沖頻率調(diào)制 PulseFrequencyModulation縮寫為PFM 的簡稱 通過改變逆變器的工作頻率 來改變負載輸出阻抗以達到調(diào)節(jié)輸出功率的目的 PWM 脈沖寬度調(diào)制 PulseWidthModulation縮寫為PWM 的簡稱 通過改變逆變器的工作頻率的脈沖寬度 來改變輸出電壓值以達到調(diào)節(jié)功率的目的 27 系統(tǒng)上電控制及電源分配電路kV控制和反饋燈絲驅(qū)動和mA控制X線曝光控制旋轉(zhuǎn)陽極的定子驅(qū)動及保護電路自動曝光控制 AEC 自動亮度控制 ABS 28 設(shè)計所用元器件 驅(qū)動級器件選用TC4420 驅(qū)動單元根據(jù)控制單元的指令對IGBT進行驅(qū)動 IGBT柵極驅(qū)動電路有多種形式 按照驅(qū)動電路元件的組成可分為分立元件組成的驅(qū)動電路和集成化的驅(qū)動電路 29 30 31 IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管 是MOSFET和GTR 功率晶管 相結(jié)合的產(chǎn)物 它的三個極分別是集電極 C 發(fā)射極 E 和柵極 G 特點 擊穿電壓可達1200V 集電極最大飽和電流已超過1500A 由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達250kVA以上 工作頻率可達20kHz 其輸入極為MOSFET 輸出極為PNP晶體管 它融和了這兩種器件的優(yōu)點 既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點 又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點 其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間 可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi) 在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用 在較高頻率的大 中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位 32 若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓 則MO