高頻高壓發(fā)生器原理

1、2021/3/10講解：XX1 高頻高壓發(fā)生器原理 與工頻機(jī)相比的優(yōu)點(diǎn) 2021/3/10講解：XX2 高頻機(jī)的工作原理 2021/3/10講解：XX3 X線高頻發(fā)生器特點(diǎn)線高頻發(fā)生器特點(diǎn) 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(shí)，如kv有波 動(dòng)，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(dòng)直流波形，對(duì)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(shí)，成像效率高，劑量可以降 低，降低了患者X線傷害程度

2、。 。 2021/3/10講解：XX4 2、高頻高壓發(fā)生器曝光時(shí)間精確，曝光時(shí)間的重復(fù) 率高，可實(shí)現(xiàn)超短時(shí)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(jìn)行；當(dāng)交流相位沒有達(dá)到或 接近“過零點(diǎn)”時(shí)，接觸器或可控硅就不能切 斷電源，使短時(shí)間曝光的重復(fù)率變差。在短時(shí) 間的自動(dòng)曝光系統(tǒng)中，更不能按最佳瞬間及時(shí) 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(shí)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(jī)超短時(shí)間曝光取決于高壓波形的 上升沿，高頻機(jī)高壓波形上升沿很陡，所以最 短曝光時(shí)間可達(dá)1

3、ms。工頻機(jī)的高壓波形按工頻 正弦波變化，上升沿緩慢，較難實(shí)現(xiàn)超短時(shí)間 曝光。 2021/3/10講解：XX5 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(dòng)勢(shì)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/fNS=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。 2021/3/10

4、講解：XX6 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(bǔ)償來確定 曝光時(shí)KV的值。KV預(yù)示即在X線管未加負(fù)載時(shí)， 先測(cè)量高壓初級(jí)電壓，再根據(jù)高壓變壓器的變壓 比，計(jì)算出高雅次級(jí)電壓，預(yù)先將本次曝光X線 管兩端可能加的實(shí)際KV指示出來。KV補(bǔ)償法即 用某種方法預(yù)先增加高壓變壓初級(jí)電壓，以補(bǔ)償 空載與負(fù)載時(shí)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(dòng)產(chǎn)生電弧，同時(shí)由于 曝光時(shí)間短，碳輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械慣性跟不上電 信號(hào)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(shí)由電源電壓波動(dòng)或其他因素造 成的輸出高壓變化便無法補(bǔ)償，使實(shí)際K

5、V至于所 要求的KV設(shè)定值有偏差。 2021/3/10講解：XX7 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(shí)由于空間電荷效應(yīng)的影響， 燈絲電路還要對(duì)空間電荷進(jìn)行補(bǔ)償，盡管 采取很多措施，mA實(shí)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(cè)量電路， 由比較電路把測(cè)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(duì)控制參數(shù)進(jìn)行快速調(diào)整，直到KV和 燈絲電流的設(shè)定值與測(cè)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。 2021/3/10講解：XX8 5.高頻高壓發(fā)生器的高壓部分整流電路簡(jiǎn)單

6、。 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(dòng)率，其高壓變壓器的次級(jí)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(dòng)量。這樣在高頻X線發(fā)生器的高壓變壓器的 次級(jí)只需采用簡(jiǎn)單的單相全波整流電路。 6.使用微機(jī)控制，集成化程度高，控制電路體積 減小。 2021/3/10講解：XX9 高頻高壓發(fā)生器的主電路原理圖高頻高壓發(fā)生器的主電路原理圖 2021/3/10講解：XX10 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?直流；逆變器把直流變成頻率為幾萬Hz的 交流電，由這部分電路

7、決定發(fā)生器輸出KV 的大??；高壓變壓器變壓，獲得所需的直 流電壓。高頻X線機(jī)的高壓變壓器工作在頻 率為幾十到幾百KHz的高頻。 2021/3/10講解：XX11 整流電路：整流電路： 2021/3/10講解：XX12 整流電路的作用是將交流電壓變換為單向 脈動(dòng)的直流電壓，濾波電路用來濾除整流 后單向脈動(dòng)電壓中的交流成分，使之成為 平滑的直流電壓。因?yàn)楦邏喊l(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(dá)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。 2021/3/10講解：XX13 單相倍壓整流電路單相倍壓整流電路 2021/3/10講解：XX14 2021/3/

8、10講解：XX15 倍壓整流電路：當(dāng)將幾個(gè)由二極管和電容 組成的半波整流電路作幾級(jí)串聯(lián)時(shí)，交流 電壓經(jīng)二極管D1-Dn在每半個(gè)周期內(nèi)對(duì)電 容C1Cn進(jìn)行充放電，用低的交流電壓就 可以獲得單級(jí)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。 2021/3/10講解：XX16 串聯(lián)諧振逆變電路串聯(lián)諧振逆變電路 2021/3/10講解：XX17 如圖所示為一個(gè)RLC串聯(lián)諧振的的橋式逆 變器。逆變橋由四個(gè)臂構(gòu)成，每一個(gè)臂由 一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（IGBT）和一個(gè)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

9、頻率固定或 變化不大的場(chǎng)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。 2021/3/10講解：XX18 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(cuò)開，以實(shí)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(shí)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(chǎng)效應(yīng)管（IGBT）或晶閘管開關(guān)頻繁， 實(shí)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。 2021/3

10、/10講解：XX19 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D1D4，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(jìn)行調(diào)節(jié)。 依據(jù)X線曝光信號(hào)，在T0T1期間，逆變電路的開 關(guān)元件VT1、VT4導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為，流過諧振 電容C，高壓變壓器的初級(jí)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(shí)，VT1、 VT4斷開，在T1T2期間，貯存在電感L電容C內(nèi) 的能量通過D1、D4放出。在T3T4期間，逆變電 路的開關(guān)元件VT2、VT3導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間也為， 流過諧振電容C

11、，高壓變壓器初級(jí)線圈、諧振電 感L的電流同樣為正弦波形，在T4時(shí)，VT2、VT3 斷開，在T4T5期間，貯存在L、C內(nèi)的能量通過 D2、D3放出。在T3T5期間的電壓波形與T0T1 期間一樣，只是方向相反。 2021/3/10講解：XX20 串聯(lián)諧振型逆變電路串聯(lián)諧振型逆變電路 2021/3/10講解：XX21 T0T1,VT1、VT4導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為；電流 為正弦波。 在T1時(shí)，VT1、VT4關(guān)斷。 在T1T2,貯存在電感L、電容C內(nèi)的能量通 過D1、D4放出。 在T2時(shí)，D1、D4關(guān)斷。 2021/3/10講解：XX22 T3T4,VT2、VT3導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為；電流 為正弦波。 在T4時(shí)

12、，VT2、VT3關(guān)斷。 在T4T5，貯存在電感L、電容C內(nèi)的能量 通過D2、D3放出。 在T5時(shí)，D2、D3關(guān)斷。 2021/3/10講解：XX23 低功率輸出時(shí)串聯(lián)諧振逆變電流 2021/3/10講解：XX24 高功率輸出時(shí)串聯(lián)諧振逆變電流 2021/3/10講解：XX25 串聯(lián)諧振電路的基本原理串聯(lián)諧振電路的基本原理 串聯(lián)諧振等效電路 當(dāng) lc1 時(shí)Z=R,阻抗最小，負(fù)載R可得到最大功率。 2021/3/10講解：XX26 PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。 由高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)變 用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的

13、任何時(shí)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(fù)載上去的。通的時(shí) 候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候 即施電被斷開的時(shí)候。只要頻寬足夠，任何模擬 值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。 2021/3/10講解：XX27 PFM：脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation縮寫為PFM）的簡(jiǎn)稱，通過改 變逆變器的工作頻率，來改變負(fù)載輸出阻 抗以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。 PWM：脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation縮寫為PWM）的簡(jiǎn)稱，通過改 變逆變器的工作頻率

14、的脈沖寬度，來改變 輸出電壓值以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。 2021/3/10講解：XX28 系統(tǒng)上電控制及電源分配電路系統(tǒng)上電控制及電源分配電路 kV控制和反饋 燈絲驅(qū)動(dòng)和mA控制 X線曝光控制 旋轉(zhuǎn)陽極的定子驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路 自動(dòng)曝光控制（AEC） 自動(dòng)亮度控制（ABS） 2021/3/10講解：XX29 設(shè)計(jì)所用元器件：設(shè)計(jì)所用元器件： 驅(qū)動(dòng)級(jí)器件選用TC4420，驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)控 制單元的指令對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 IGBT柵極 驅(qū)動(dòng)電路有多種形式。按照驅(qū)動(dòng)電路元件 的組成可分為分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路和 集成化的驅(qū)動(dòng)電路。 2021/3/10講解：XX30 2021/3/10講解：XX31 202

15、1/3/10講解：XX32 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(gè)極分別 是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。特點(diǎn)：擊穿 電壓可達(dá)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(dá) 250kVA以上，工作頻率可達(dá)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(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小 和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓 降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，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。 2021/3/10講解：XX33 若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正 電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管 的集電極與基極之