CPI高頻高壓發(fā)生器燈絲電路解析

CPI高頻高壓發(fā)生器燈絲電路解析陶繼雙;周奇;劉盛雄【摘要】為研發(fā)具有更高穩(wěn)定性、可靠性及準(zhǔn)確性的高頻高壓X射線機(jī)燈絲電路,并使相關(guān)醫(yī)療人員深入理解和徹底掌握燈絲電路原理.本文針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的indico100系列高頻高壓發(fā)生器，分析其燈絲加熱電路的具體工作原理，詳細(xì)剖析反饋電路中真有效值轉(zhuǎn)換原理，并測(cè)量了燈絲加熱電流等相關(guān)數(shù)據(jù)及波形.測(cè)試結(jié)果顯示燈絲電路基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)際燈絲電流等于預(yù)設(shè)燈絲電流的設(shè)計(jì)要求,且整機(jī)測(cè)試中燈絲電路響應(yīng)迅速，完全能滿足實(shí)際應(yīng)用要求.本文通過對(duì)燈絲電路的深入剖析，為研發(fā)更高性能燈絲電路提供了重要參考，并提高了相關(guān)工作人員的維修效率和準(zhǔn)確性.%ThepresentstudyaimstodevelophighfrequencyhighvoltageX-raymachinefilamentcircuitwithhigherstability,reliabilityandaccuracy,andtomaketherelevantmedicalpersonneldeeplyunderstandandthoroughlygrasptheprincipleoffilamentcircuit.Firstly,theworkingprincipleoffilamentheatingcircuitofthewidelyusedindico100serieshighfrequencyhighvoltagegeneratorwasanalyzed.Then,adetailedanalysisofthefeedbackpathinrealeffectivevalueconversionprinciplewasperformed,andfilamentcurrentandotherrelateddataandwaveformwasmeasured.Thetestresultsshowedthatthefilamentcircuitbasicallyrealizedthedesignrequirementsoftheactualfilamentcurrentequaltothepresetfilamentcurrent,andthefilamentcircuitinthewholetestreponsedfast,whichcouldfullymeettherequirementsofpracticalapplicationsrequirements.Throughthethoroughanalysisofthefilamentcircuit,thispaperprovidesanimportantreferenceforthedevelopmentofhigherperformancefilamentcircuit,andimprovesthemaintenanceefficiencyandaccuracyoftherelatedstaff.【期刊名稱】《中國醫(yī)療設(shè)備》【年(卷)，期】2017(032)012【總頁數(shù)】5頁(P35-39)【關(guān)鍵詞】高頻高壓發(fā)生器;燈絲電流;PI控制;燈絲電路【作者】陶繼雙;周奇瀏盛雄【作者單位】重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶400054;重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶400054;重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶400054【正文語種】中文【中圖分類】TH774醫(yī)用高頻高壓X射線機(jī)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和治療的臨床實(shí)踐中，X射線機(jī)高壓電源(高頻高壓發(fā)生器)主要由控制系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)、燈絲電源及高壓油箱4大部分組成；燈絲的作用是發(fā)射電子，由燈絲電源系統(tǒng)對(duì)其加熱，使燈絲中產(chǎn)生大量激發(fā)電子，然后在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速并撞擊陽極靶面，以產(chǎn)生X射線［1-3］。如果燈絲加熱不穩(wěn)定，將直接影響激發(fā)電子數(shù)量的穩(wěn)定性，并最終影響整臺(tái)X射線機(jī)的性能。因此，燈絲是X射線機(jī)中最重要的部分之一。Indico100系列高頻高壓發(fā)生器為加拿大CPI公司研發(fā)，主要用于X射線攝影和胃腸設(shè)備，其性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，為眾多廠家的X射線相關(guān)設(shè)備所使用，國內(nèi)諸多醫(yī)院都采購有該系列的攝影設(shè)備［4］。因此，解析Indico100系列高頻高壓發(fā)生器相關(guān)電路在高頻高壓發(fā)生器中具有廣泛的代表性；另外，Indico100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路工作穩(wěn)定，其控制方式和反饋方法在類似設(shè)備電路中具有重要參考意義。如一般電路中PI閉環(huán)調(diào)控方法，非標(biāo)準(zhǔn)正弦電流有效值的準(zhǔn)確采樣，以及按要求輸出特定電流有效值等。最后，透徹理解燈絲電路原理有利于醫(yī)院及公司相關(guān)技術(shù)人員對(duì)設(shè)備的維修和故障排除。燈絲電路的一般設(shè)計(jì)原理為：首先根據(jù)控制臺(tái)設(shè)定的管電流，主控制器輸出相應(yīng)的燈絲電流預(yù)設(shè)值所對(duì)應(yīng)的電壓值（通常采用電壓值1V表示燈絲電流預(yù)設(shè)值為1A）；然后采用PID閉環(huán)控制方式，對(duì)實(shí)際反饋的燈絲電流或管電流與預(yù)設(shè)燈絲電流或管電流的差值進(jìn)行放大，其輸出值用于控制PWM/PFM逆變電路，使最終實(shí)際值等于預(yù)設(shè)值?？紤]到燈絲加熱的均勻性與安全性，燈絲電源常采用50kHz以下的交流供電，因?yàn)榻涣鞴╇娋哂泻?jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、加熱均勻且能對(duì)油箱內(nèi)高壓進(jìn)行隔離的優(yōu)點(diǎn)，但高頻交流信號(hào)弓I起的干擾需要抑制。另外，由于燈絲額定工作電壓較低，一般在3~15V,且燈絲材料多為金屬鎢，若長時(shí)間工作在高溫大電流下，鎢蒸發(fā)加快，燈絲壽命大大縮短，因此在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小燈絲在大電流下的工作時(shí)間，在非曝光狀態(tài)下燈絲應(yīng)工作在2.5A預(yù)熱狀態(tài)，以延長燈絲壽命［5-6］。Indico100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路主要由以下基本模塊電路組成，見圖1。PI控制器先根據(jù)預(yù)設(shè)燈絲電流與實(shí)際燈絲電流反饋值的差值調(diào)節(jié)PWM驅(qū)動(dòng)器輸出特定脈寬，以控制逆變輸出量；逆變輸出然后經(jīng)燈絲焦點(diǎn)選擇電路后直接驅(qū)動(dòng)燈絲負(fù)載；實(shí)際燈絲電流反饋值與特定參考值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前燈絲電流是否低于最低電流值。燈絲電路電源由±35V和±12V共4路電源構(gòu)成，均由輔助電源板（AUXILIARYBOARD）產(chǎn)生。逆變電源為±35V,±12V為其它電路電源。預(yù)加熱電路為PI閉環(huán)控制提供燈絲加熱電流預(yù)設(shè)值，在非曝光時(shí)，預(yù)加熱電流設(shè)置為2.5A（對(duì)應(yīng)電壓2.5V）。燈絲電流預(yù)設(shè)值由主控CPU根據(jù)控制臺(tái)設(shè)定管電流值、實(shí)際管電流反饋值以及燈絲電流發(fā)射曲線綜合計(jì)算后輸出；其先經(jīng)反相電路取反（放大倍數(shù)1:1），再通過最大燈絲電流保護(hù)電路將預(yù)設(shè)值限制在規(guī)定范圍內(nèi)。根據(jù)不同跳線方式，可選擇5.5A或6.5A最大燈絲電流預(yù)設(shè)值。電路簡(jiǎn)圖，見圖2。比例加積分（PI）控制器根據(jù)燈絲電流參考值與實(shí)際反饋值之間的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速響應(yīng)并穩(wěn)定輸出所需燈絲電流值［7-8］。PI控制器中引入〃積分項(xiàng)”可使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后輸出無穩(wěn)態(tài)誤差，電路簡(jiǎn)圖，見圖3。輸出函數(shù)，見式（1）。由于設(shè)定值VREF與反饋值VFDBK符號(hào)相反，電路中實(shí)際上是求差。根據(jù)R85與R77相等，帶入數(shù)值得到最后傳遞函數(shù)，見式（2）。式中比例項(xiàng)系數(shù)Kp為0.332，積分常數(shù)TI為0.001095，約1.1ms。燈絲逆變電路采用PWM控制全橋LC諧振方式，PWM控制器選用高級(jí)穩(wěn)壓集成PWM芯片UC3524［9］，其最高振蕩頻率為300kHz，電壓穩(wěn)定度1%，線性穩(wěn)定度10mV,最高輸出占空比為45%，輸入電壓范圍12~28V。逆變輸出電路簡(jiǎn)圖，見圖4。RT與CT決定振蕩頻率，其中RT為2.87K,CT為4.2nF,根據(jù)振蕩頻率計(jì)算公式f=1.18/RTCT，振蕩頻率約為96kHz，實(shí)際半橋驅(qū)動(dòng)脈沖頻率為振蕩頻率的一半，即48kHz。為防止在上電開始階段UC3524輸出脈寬過大，電路采用了軟啟動(dòng)方式使UC3524輸入電壓緩慢上升。工作時(shí)，全橋電路兩橋臂分別僅有一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，且同一時(shí)刻斜對(duì)角兩開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通或截止，為避免同一橋臂出現(xiàn)直通，電源短路，兩路輸入脈沖之間至少存在0.5~5卜的死區(qū)。5V設(shè)定值下（表示燈絲電流預(yù)設(shè)值為5A）的逆變輸出波形，見圖5,經(jīng)過C22及L1組成的LC諧振回路［10-13］,燈絲電流變?yōu)闇?zhǔn)正弦波，且電流越大越明顯。5V設(shè)定值下的實(shí)際燈絲電流波形，見圖6,為采用泰克公司電流探頭A622100mV/A檔測(cè)量得到。T1為1:200電流互感器，對(duì)實(shí)際燈絲電流采樣，K1為燈絲大小焦點(diǎn)選擇繼電器。由于燈絲電流為交流，為準(zhǔn)確測(cè)量其有效值大小，電路采用了真有效值的測(cè)量方法。其測(cè)量原理是根據(jù)有效值的基本定義，見式(3)，即周期信號(hào)有效值等于其瞬時(shí)值在一個(gè)周期內(nèi)的方均根值。此外，根據(jù)模擬電路中PN結(jié)的伏安特性，見式(4)。其中Ie為發(fā)射結(jié)電流，Is為PN結(jié)反向飽和電流，Vbe為PN結(jié)正向壓降，Q為電子電荷電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度值。室溫下，Vbe和Ie之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系，見式(5)。因此可利用PN伏安特性及運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)模擬電路中對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、求和及求均值等計(jì)算?；趯?duì)數(shù)-反對(duì)數(shù)式真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換原理的反饋電路示意圖，見圖7,詳細(xì)原理參考相關(guān)研究［14］。實(shí)際燈絲電流經(jīng)1:200電流互感器采樣，全波整流，最后通過68.1Q電阻轉(zhuǎn)換為電壓Uin,Uin同時(shí)經(jīng)過兩個(gè)對(duì)數(shù)運(yùn)算電路，其結(jié)果與有效值輸出Uo_rms的對(duì)數(shù)運(yùn)算結(jié)果求差得Uo，再經(jīng)反對(duì)數(shù)運(yùn)算及低通濾波便得到有效值Uo_rms。具體推導(dǎo)關(guān)系，見式(6)。Uo經(jīng)過反對(duì)數(shù)運(yùn)算，其結(jié)果Uos=Uin2/Uo_rms，低通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)Uos求均值，得有效值與有效值定義相同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的有效值轉(zhuǎn)換［15-17］。最后調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)燈絲電流預(yù)設(shè)1A，實(shí)際燈絲電流也為1A的目的。通常在非曝光狀態(tài)下，燈絲工作在2.5A預(yù)熱狀態(tài)，使得在需要曝光時(shí)燈絲能迅速加熱。報(bào)錯(cuò)電路的比較參考電壓除1.7V固定電壓外，PI調(diào)節(jié)器輸出也作為比較電壓的一部分，使得在不同燈絲電流下最低加熱電流閾值亦不同，但最低不能小于1.7A。當(dāng)燈絲電流低于1.7A，報(bào)錯(cuò)電路輸出低電平燈絲錯(cuò)誤信號(hào)給CPU，而在燈絲正常工作時(shí)輸出為高。電路框圖，見圖8。測(cè)試條件：逆變電源±30VDC,其他電源±12VDC;負(fù)載采用24V/150W鹵素?zé)簦ㄐ阅芘c實(shí)際燈絲非常接近）代替燈絲，輸入不同的燈絲電流預(yù)設(shè)值，測(cè)得相關(guān)燈絲參數(shù)，見表1。由于燈絲冷態(tài)電阻與熱態(tài)電阻差別很大，且燈絲電阻隨燈絲工作溫度的變化而變化。因此，表1中燈絲電流計(jì)算值與逆變總輸入電流不一致，但總功率相同。另外，燈絲電流反饋（1V表示燈絲電流1A）與實(shí)際燈絲電流計(jì)算值十分接近，其誤差的產(chǎn)生是由于諧振電流不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，有效值轉(zhuǎn)換時(shí)存在一定的誤差。以燈絲電流預(yù)設(shè)值為橫坐標(biāo)，分別以燈絲電流反饋值、燈絲電流采樣有效值以及實(shí)際燈絲電流計(jì)算值為縱坐標(biāo)繪圖，見圖9。從圖中可以看出實(shí)際燈絲電流與預(yù)設(shè)燈絲電流值十分接近，誤差在0.4A以內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)際燈絲電流值等于預(yù)設(shè)燈絲電流值的設(shè)計(jì)要求。燈絲電流反饋值、實(shí)際燈絲電流計(jì)算值及采樣有效值均與燈絲電流預(yù)設(shè)值呈線性關(guān)系。對(duì)燈絲電路進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，管電壓設(shè)為56kV，管電流為50mA，實(shí)際管電壓和管電流采樣波形，見圖10。其中管電壓（圖中下方波形）1V表示20kV,管電流（圖中上方波形）1V表示100mA，從圖中可以看出管電壓和管電流從0升高到預(yù)設(shè)值的90%僅需約2.5ms，響應(yīng)時(shí)間很快，說明燈絲電路加熱響應(yīng)迅速。管電流在增大瞬間有一個(gè)峰值，后立即下降到設(shè)定值，電路工作特性完全符合實(shí)際應(yīng)用要求。Indico100系列高頻高壓發(fā)生器燈絲電路采用了PI閉環(huán)控制，反饋回路采用真有效值轉(zhuǎn)換電路，能較準(zhǔn)確地采樣實(shí)際燈絲電流的有效值。但由于逆變輸出采用全橋LC諧振方式，其諧振電流為準(zhǔn)正弦信號(hào)，致使實(shí)際燈絲電流采樣并不十分準(zhǔn)確，如若采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波驅(qū)動(dòng)燈絲加熱，則輸出燈絲電流亦為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，此時(shí)，采用真有效值電路對(duì)燈絲電流采樣便可得到十分準(zhǔn)確的實(shí)際燈絲加熱電流［18］，進(jìn)一步提高對(duì)管電流的精確輸出?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】韓強(qiáng).醫(yī)用X射線系統(tǒng)高壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽:東北大學(xué),2009.LiF,WangS,HouW,etal.DesignandresearchonhighvoltagepowersupplyofmedicalX-raymachine[A].IEEEInternationalConferenceonMechatronics&Automation[C].NewYork:IEEE,2016:943-947.陳波.高頻高壓X射線發(fā)生器系統(tǒng)的研究[D].重慶:重慶理工大學(xué),2012.李暉,郭潔,張志強(qiáng).Indico100系列高頻高壓發(fā)生器原理及其應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2013,10(1):41-43.楊朕.X射線電源控制系統(tǒng)[D].陜西:西安電子科技大學(xué),2014.[6]羅維濤.醫(yī)用X線高壓發(fā)生器系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].沈陽:東北大學(xué),2011.胡壽松啟動(dòng)控制原理[M].6版.北京:科學(xué)出版社,2013.劉丹丹，吉建嬌漲姣姣，等.PID調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009,22(8):81.洪寶棣，趙罡，蘇亞南，等.基于SG3524車載逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,36(4):96-99.曹沛，徐向宇,馬英麒.基于LC全橋串聯(lián)諧振的脈沖功率電源設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)2017,51(5):68-70.劉攀.串并聯(lián)諧振式X線機(jī)高壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽:東北大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程,2008.KunduU,SensarmaP.Gain-relationship-basedautomaticresonantfrequencytrackinginparallelLLCconverter[J].IEEETransIndusElect,2016,63(2):874-883.車軍,王保民