高频高压发生器原理.ppt

高频高压发生器原理 与工频机相比的优点 高频机的工作原理 X线高频发生器特点 1 x线性能稳定 成像质量及效率高 X线的质 硬度 是由x线球管上所加的高压 即kv的大小决定的 在x线发生时 如kv有波动 X线的质不稳定 低KV造成软射线 射线性能降低 工频X线高压发生器输出电压是脉动直流波形 对成像没有任何帮助的软射线成分较多 高频高压发生器输出的波形近似恒定直流 射线性能稳定 软射线成分较少 因而 成像质量高 同时 成像效率高 剂量可以降低 降低了患者X线伤害程度 2 高频高压发生器曝光时间精确 曝光时间的重复率高 可实现超短时间曝光 工频X线发生器多以可控硅或接触器作为曝光与切断的开关元件 而接触器或可控硅的切断要与电源频率同步进行 当交流相位没有达到或接近 过零点 时 接触器或可控硅就不能切断电源 使短时间曝光的重复率变差 在短时间的自动曝光系统中 更不能按最佳瞬间及时切断高压 采用逆变技术的X线高压发生器输出的是波形近似恒定的直流高压 所以短时曝光不受电源同步的影响 曝光定是精确 曝光重复率高 X线机超短时间曝光取决于高压波形的上升沿 高频机高压波形上升沿很陡 所以最短曝光时间可达1ms 工频机的高压波形按工频正弦波变化 上升沿缓慢 较难实现超短时间曝光 3 高频高压X线发生器能显著缩小体积和重量 普通变压器的感应电动势E与工作频率f 线圈匝数N和铁芯截面积S的关系为 E f N S 常数由上式可见 若工作频率提高了几千倍 线圈匝数N和铁芯截面积S的乘积即可缩小几千倍 而分母保持不变 这样就可大大减小变压器的体积 省去笨重的自耦变压器 工频X线高压发生器是通过自耦变压器调节KV的 而高频X线发生器主电路使用谐振逆变电路 通过改变频率来改变电压 可满足KV在宽广范围的调节 从而省去笨重的自耦变压器 4 高频高压发生器的KV和mA的控制精度大大提高 工频X线发生器大多以KV预示及KV补偿来确定曝光时KV的值 KV预示即在X线管未加负载时 先测量高压初级电压 再根据高压变压器的变压比 计算出高雅次级电压 预先将本次曝光X线管两端可能加的实际KV指示出来 KV补偿法即用某种方法预先增加高压变压初级电压 以补偿空载与负载时的电压差 但曝光开始后 为防止加压后自耦变压器碳轮移动产生电弧 同时由于曝光时间短 碳轮驱动系统的机械惯性跟不上电信号的变化 碳轮将处于静止状态 KV的控制没有闭环反馈 这时由电源电压波动或其他因素造成的输出高压变化便无法补偿 使实际KV至于所要求的KV设定值有偏差 工频X线发生器的mA调节电路需要设置稳压电源 同时由于空间电荷效应的影响 灯丝电路还要对空间电荷进行补偿 尽管采取很多措施 mA实际值与设定值仍有较大误差 X线高压发生器 KV和mA的控制使用闭环控制 即使用KV和灯丝电流的测量电路 由比较电路把测定的值与KV和灯丝电流的设定值相比较 如果有差别的话 有控制电路对控制参数进行快速调整 直到KV和灯丝电流的设定值与测量值一致 KV和mA的控制的控制精度大大提高 所以 重复性也提高了 5 高频高压发生器的高压部分整流电路简单 大功率的工频X线发生器为了抑制软射线 要减小高压输出的脉动率 其高压变压器的次级采用三相全波整流电路 复杂而庞大 高频X线发生器的工作频率提高后 只要使用小容量的高压电容器就可以有效抑制高压波形中的脉动量 这样在高频X线发生器的高压变压器的次级只需采用简单的单相全波整流电路 6 使用微机控制 集成化程度高 控制电路体积减小 高频高压发生器的主电路原理图 高频X线发生器主电路工作原理整流器把工频电源整流 经滤波变为平滑直流 逆变器把直流变成频率为几万Hz的交流电 由这部分电路决定发生器输出KV的大小 高压变压器变压 获得所需的直流电压 高频X线机的高压变压器工作在频率为几十到几百KHz的高频 整流电路 整流电路的作用是将交流电压变换为单向脉动的直流电压 滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分 使之成为平滑的直流电压 因为高压发生器主电路电压很高 如果是被压整流滤波后的电压就可达530V左右 而稳压器件不能承受这样的高压 所以滤波后无稳压电路 单相倍压整流电路 倍压整流电路 当将几个由二极管和电容组成的半波整流电路作几级串联时 交流电压经二极管D1 Dn在每半个周期内对电容C1 Cn进行充放电 用低的交流电压就可以获得单级半波整流电路几倍的输出电压 倍压整流电路可以是单倍压 两倍压 也可以是多倍压 串联谐振逆变电路 如图所示为一个RLC串联谐振的的桥式逆变器 逆变桥由四个臂构成 每一个臂由一个场效应管 IGBT 和一个续流二极管并联组成 输出为串联谐振电路 谐振逆变技术中有串联逆变和并联逆变两种方式 并联谐振逆变电路就用在工作频率固定或变化不大的场合 高频X线由于频率调节范围比较宽 采用串联谐振逆变技术较为方便 串联逆变技术要求输入为恒压源 采用大电容的滤波 采用谐振开关技术 可以使功率器件两端的电压或流过的电流呈正弦规律 而且电压 电流波形错开 以实现功率器件零电流开关或零电压开关 使开关损耗理论上降为零 因谐振电路吸收了高频变压器漏抗 电路中的寄生电感和功率器件的寄生电容 消除了高频时产生的电压尖峰和涌浪电流 消除了电磁干扰和电源噪声 因场效应管 IGBT 或晶闸管开关频繁 实际应用中常使用两套或多套串联谐振电路以减小逆变电路的损耗 如图串联谐振逆变电路所示 电路的电源由不可控三相整流桥整流后经大电容C1滤波获得平稳的直流电压 属于电压型逆变器 电路为了续流 设置了反馈二极管D1 D4 而逆变器输出功率依靠调整功率开关管触发脉冲的频率来进行调节 依据X线曝光信号 在T0 T1期间 逆变电路的开关元件VT1 VT4导通 导通时间为 流过谐振电容C 高压变压器的初级线圈 写真电感L的电流如下图所示 电流为正弦波形 在T1时 VT1 VT4断开 在T1 T2期间 贮存在电感L电容C内的能量通过D1 D4放出 在T3 T4期间 逆变电路的开关元件VT2 VT3导通 导通时间也为 流过谐振电容C 高压变压器初级线圈 谐振电感L的电流同样为正弦波形 在T4时 VT2 VT3断开 在T4 T5期间 贮存在L C内的能量通过D2 D3放出 在T3 T5期间的电压波形与T0 T1期间一样 只是方向相反 串联谐振型逆变电路 T0 T1 VT1 VT4导通 导通时间为 电流为正弦波 在T1时 VT1 VT4关断 在T1 T2 贮存在电感L 电容C内的能量通过D1 D4放出 在T2时 D1 D4关断 T3 T4 VT2 VT3导通 导通时间为 电流为正弦波 在T4时 VT2 VT3关断 在T4 T5 贮存在电感L 电容C内的能量通过D2 D3放出 在T5时 D2 D3关断 低功率输出时串联谐振逆变电流 高功率输出时串联谐振逆变电流 串联谐振电路的基本原理 串联谐振等效电路 当 时Z R 阻抗最小 负载R可得到最大功率 PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 由高分辨率计数器的使用 方波的占空比被调变用来对一个具体模拟信号的电平进行编码 PWM信号仍然是数字的 因为在给定的任何时刻 满幅值的直流供电要么完全有 ON 要么完全无 OFF 电压或电流源是以一种通 ON 或断 OFF 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候 断的时候即施电被断开的时候 只要频宽足够 任何模拟值都可以使用PWM进行编码 PFM 脉冲频率调制 PulseFrequencyModulation缩写为PFM 的简称 通过改变逆变器的工作频率 来改变负载输出阻抗以达到调节输出功率的目的 PWM 脉冲宽度调制 PulseWidthModulation缩写为PWM 的简称 通过改变逆变器的工作频率的脉冲宽度 来改变输出电压值以达到调节功率的目的 系统上电控制及电源分配电路kV控制和反馈灯丝驱动和mA控制X线曝光控制旋转阳极的定子驱动及保护电路自动曝光控制 AEC 自动亮度控制 ABS 设计所用元器件 驱动级器件选用TC4420 驱动单元根据控制单元的指令对IGBT进行驱动 IGBT栅极驱动电路有多种形式 按照驱动电路元件的组成可分为分立元件组成的驱动电路和集成化的驱动电路 IGBT全称绝缘栅双极晶体管 是MOSFET和GTR 功率晶管 相结合的产物 它的三个极分别是集电极 C 发射极 E 和栅极 G 特点 击穿电压可达1200V 集电极最大饱和电流已超过1500A 由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上 工作频率可达20kHz 其输入极为MOSFET 输出极为PNP晶体管 它融和了这两种器件的优点 既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点 又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点 其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间 可正常工作于几十kHz频率范围内 在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用 在较高频率的大 中功率应用中占据了主导地位 若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压 则MOSFET导通 这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻