CN101564574A - 适用于体外除颤器的高压脉冲发生电路 - Google Patents

Abstract

一种用于体外除颤器高压脉冲发生电路，主要由充电电路、放电电路两部分组成。它的充电电路基于反激式开关电源，由电流型脉冲宽度调制控制器控制，通过采样电流和电压适时的关断充电电路，使高压保持在所设定的范围以内。它的放电电路由光耦和绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的双相桥路组成。光耦控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的开关，同时隔离高压和单片机，保护电路的其他低压部分。绝缘栅双极型晶体管IGBT组成开关电路，将由充电电路存储在大容量的储能电容上的高压，按照设定参数的双相指数截尾波释放出来，实施于人体，完成除颤动作。

Description

适用于体外除颤器的高压脉冲发生电路

技术领域

本发明专利属于医疗设备技术领域，具体涉及一种适用于体外除颤器的高压脉冲发生电路，尤其适用于由电池供电的体外除颤设备。

背景技术

心室纤颤是一种严重的心脏病症状，等同于心脏停搏，严重威胁着人类生命，而有效的制止心室纤颤的措施就是电击除颤。电击除颤分为体内除颤、体外除颤，体外除颤是目前常用的急救手段，但通常要求很高的电能量，一般释放出的电能需要达到200-400焦耳。同时为了保证除颤成功率，除颤的放电波形也至关重要，而为了放出合理的除颤波形，通常将电能经充电电路以高压的形式储存在大容量储能电容上，在必要的时候，在单片机的控制下经由放电电路按照一定的波形释放于人体，实施除颤。

高能量对应的除颤电压很高，常常要达到1400V甚至以上，通常采用大容量的储能电容储存高压，在短时间内(小于8S)对储能电容充电至额定储能，可见脉冲发生电路中大功率的充电电路是除颤器研究中的一个关键。

急救用除颤器应采用电池供电，因此高压充电部分可以看作是采用直流-直流(DC-DC)电压变换技术将电源电压升到需要的高压，并且将能量迅速储存在耐高压的大容量电容上。DC-DC变换目前常用电源变换技术不能达到所需要的高压大电流的充电要求，而且充电效率很低，只能达到大约45-60％的充电效率，损耗大。由于电池容量有限，这样的充电效率使得仪器的使用寿命大打折扣。而且储能电容容值大，意味着容抗很小，电路负载小，因此对电路的带负载能力提出了很高的要求。

另外，经研究双相指数截尾波能够有效的提高除颤成功率，因此除颤器脉冲发生器放电电路必须实现双相指数截尾波。双相指数截尾波(BET)是目前常用的有效的除颤放电波形。按照除颤的要求，在5-10ms内要输出1400V以上，15-30A的双相脉冲电流波形。这就要求放电电路必须等效电阻小，同时耐高压，更要开关迅速灵活，便于控制。

目前使用的放电电路多采用晶闸管组成开关桥路，所用的电路元件很多，整个电路显得复杂而庞大。[参考专利申请号98803080.2]

发明内容

本发明的目的在于：提供一种充电效率高、设备体积小、输出稳定的用于体外除颤器的脉冲发生电路，使除颤器能在较短时间内以高于60％的充电效率使大容量储能电容上储存1400V的高压并准确的按特定波形将这一大能量释放于人体。

木发明采用的技术方案总体可以表述为：一种由电池直接供电的除颤器高压脉冲发生电路，包括充电电路、放电电路和自放电电路；其中充电电路、储能电容、放电电路相互连接，构成一个回路；充电电路、储能电容、自放电电路相互连接构成另一个回路。充电部分采用反激式开关电路进行充电；放电部分采用双相桥路实现电压的两路放电；自放电电路采用手动或自动方式开启绝缘栅双极型晶体管，释放电容上的电压；单片机MCU控制电流型脉冲调宽控制器，电流型脉冲调宽控制器直接与开关功率管、反激式变压器、整流管相连，并最终连接储能电容。储能电容则分别与放电电路和自放电电路相连。放电电路将高压能量通过接触良好的电极释放到人体上。

其中充电电路和放电电路是该高压脉冲发生电路的两个主体部分，以下将分两部分具体阐述这两部分的技术方案。

第一部分，充电电路，完成能量从电池输出储存于大容量的储能电容上。其主体部分由电流型脉冲调宽控制器连接一个漏级串联有反激式变压器的功率开关管组成，反激式变压器的原边串联在功率开关管的漏级上，副边经过一个控制电流流向的整流二极管和储能电容相连。

该部分以反激式开关电源技术为基础，加以改进。在功率开关管导通的时候，反激式变压器副边由于整流二极管关断无电流通过，电能被转化为磁能储存在反激式变压器的原边，在功率开关管关断时，反激式变压器将储存的能量传送到大容量的储能电容上，并最终在储能电容上形成高压。同时，通过分压的方式测量储能电容上的电压并经必要的隔离后，反馈到电流型脉冲宽度调制(PWM)控制器的电压比较端，与电流型脉冲调宽控制器的内部基准电压进行比较，在反馈电压超过这一基准电压时关断电流型脉冲调宽控制器，停止往储能电容上继续充电，保证电压在设定的范围内。电流型脉冲宽度调制(PWM)控制器同时提供电流检测的方式，采样开关功率管上的电流，根据电压的情况调节开关方波的占空比，以防止过充，保护整个电路的安全。

第二部分，放电部分。采用双相桥式电路实现对负载的双相放电。其主体部分是两个放电桥路，由光藕和晶体管组成的驱动电路连接绝缘栅双极型晶体管IGBT，两个这种结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT构成一路桥路，其中一个绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极直接与储能电容高压端相连，发射极和实施除颤的一个电极板相连，另一个绝缘栅双极型晶体管IGBT集电极连接实施除颤的另一个电极板。另外一路放电桥路的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT连接方式与上面两个基本类似，只是集电极连接高压的绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极与上述两个实施除颤的电极板的后者相连，另外一个绝缘栅双极型晶体管IGBT与前者相连。这样两路放电桥路构成两路放电通路，各自独立，可以实现灵活的控制，两路放电桥路导通时电流通过两个实施放电的电极板的先后顺序正好相反，实现了双相放电。同时设计自放电电路，在突然掉电、充电过高、病人恢复正常无需电击的情况下，通过绝缘栅双极型功率管IGBT将储存在大容量储能电容上的能量放掉。

本发明的有益效果是在较高的充电效率下很短的时间内达到产生高压的要求，并能以灵活简单的控制方式在需要时将高压按照设定参数迅速发放出去，使医生能够迅速有效的对病人实施除颤，同时设计相应的灵活简单的自放电电路，克服在掉电时高压的不安全、充电过高或病人不再需要电击的问题。本发明，可在8秒内以高于60％的效率使容量120uF的电解电容上存储1400V的高压，在得到事先设定的这一高压后，充电电路能够迅速关闭，减少不必要的能量损失。放电时，可以方便的通过单片机控制放电的波形、脉冲宽度、以及正负相时间间隔，设定这些参数后，只需要简单的命令就可以迅速的将原来储存在大容量电容上的高压电，以要求的放电波形释放到人体上。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一种实施例脉冲发生器的基本连接框图；

图2为本发明一种实施例的充电部分电路图；

图3为本发明一种实施例的放电部分电路图；

图4为本发明一种实施例的自放电部分电路图。

图中标号，1为单片机MCU，2为充电电路，3为储能电容，4为放电电路，5为电压检测电路，6为自放电电路，7为人体。

下面将针对除颤器脉冲发生电路的主要部分加以说明。

具体实施方式

图1给出了脉冲发生电路的总体框图。单片机MCU1直接与充电电路、放电电路、自放电电路相连，控制这三部分电路。充电电路连接储能电容3，当单片机MCU1发放充电命令给充电电路2时，充电电路2开始工作将电池能量转化为高压储存在储能电容3上。同时为了保证充电电压在要求的数值，在储能电容3之后设置电压检测电路5，检测储能电容3上的电压，电压检测电路5的另一端连接单片机MCU1以便将监测到的数值反馈给单片机MCU1。在储能电容3上电压过高时，单片机MCU1控制自放电电路6放掉部分的电压。当电压在合适的范围，并且操作者按下相应的按钮或除颤器自动识别的部分判别可以放电的时候，单片机MCU1控制启动放电电路4，将储存的能量按照双相指数截尾波实施于人体7。

当掉电时，自放电电路也会自动开通，将高压电放出，防止击伤操作者和病人。

图2所示，为充电部分电路原理图。脉冲宽度调制控制芯片U1通过功率开关管Q3与反激式变压器TRANS1相连，并通过能够控制次级电流流向的整流二极管D3后与储能电容相连。

与单片机相连的输入端Charge为0，电路开始工作，为1电路关闭。为了防止上电瞬间，单片机默认设定该管脚为0，引起误充电，在Charge端接上拉电阻R1。为了防止输入的电流过高，超过脉冲宽度调制PWM控制器1脚的电流承受范围，输入端Charge经限流电阻R2在接入到电路中来。

晶体管Q1、Q2和电阻R3、R4通过正反馈连接形成速度较快的开关。当Charge为0时，该开关开启，脉冲宽度调制PWM控制器U1按照电阻R5、电容C2决定的工作频率开始工作，并在6脚输出对应频率的方波。在方波的正相脉冲期间，开关功率管Q3开启，于是在反激式变压器TRANS1的初级、开关功率管Q3和电流采样电阻R7上有电流通过。

采样电阻R7采样电流的大小，将电流的测量转化成电压，脉冲宽度调制PWM控制器U1的8脚Vref值由R8、R6和R7分压，在R6上形成一定电压。R7上采样后的电压与R6的电压叠加，接入脉冲宽度调制PWM控制器U1的3脚Isense端，在此电压超过一定范围时(相当于开关功率管的电流超过一定范围)，将脉冲宽度调制PWM控制器U1关断，进而调节输出方波的占空比，防止过充。

此时变压器TRANS1的初级电压上正下负，大小基本等于电源电压+VCC，相应的会在次级感应出一定的电压，由于初次级的同名端位置，变压器的次级电压上负下正，由于整流管D3的存在，次级没有电流通过，因此能量只能储存在变压器TRANS1中。

当脉冲宽度调制PWM控制器U1的6脚输出方波的0电平时，开关功率管Q3关断，变压器TRANS1的初级不再有电压，次级由于电磁感应的作用，将产生由原来相反方向的电压，于是整流管D3开启，原来储存的能量转化成电能充至大容量储能电容C上，在储能电容C的正极有高压HighVoltage产生。

电容C1起到续流作用，在电池供电不能放出瞬间大电流时，提供续流。

电容C3、C4起到电源退藕作用。

为了防止次级的高压在整流管D3导通时反馈到初级的电压将开关功率管Q3击穿，使用稳压管D1和整流管D2作为保护。

电阻R9、R10对高压进行分压产生出适合于脉冲宽度调制PWM控制器U1的2脚电压比较端的电压范围，反馈到脉冲宽度调制PWM控制器U1的2脚，在电压过高时，将脉冲宽度调制PWM控制器U1关断。

图3则介绍了一种使用绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)作为大电流通路的双相桥式放电电路。

绝缘栅双极型晶体管IGBT是复合了功率场效应管和晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，尤其适合于我们这样一个高压大电流的电路要求。高压电容上的高压直接加在IGBT上。

为了实现IGBT的正常工作，本发明选用合理的栅极驱动电路。光藕Q4、二极管D4、电阻R15、二极管Q8、Q9和电阻R17、R18构成IGBT1的驱动电路，光藕Q6、二极管D6、电阻R25、二极管Q12、Q13和电阻R21、R22构成IGBT2的驱动电路，光藕Q5、二极管D5、电阻R16、二极管Q10、Q11和电阻R19、R20构成IGBT3的驱动电路，光藕Q7、二极管D7、电阻R26和二极管Q14、Q15构成IGBT4的驱动电路。

GND1、GND2分别接两个电极板。

当控制绝缘栅双极型晶体管IGBT1和IGBT4的信号Bridge1、Bridge1Driver同时有效且电极与人体接触良好时，有IGBT1和IGBT4所组成的桥路开放，高压电Highvoltage沿着IGBT1的漏极、源极、GND1、GND2及IGBT4的漏极、源极放出，这样在两电极上就形成了从电极GND1到GND2的电流。

而当控制绝缘栅双极型晶体管IGBT2和IGBT3的信号Bridge2、Bridge2Driver同时有效且电极与人体接触良好时，有IGBT2和IGBT3所组成的桥路开放，高压电Highvoltage沿着IGBT2的漏极、源极、GND2、GND1及IGBT3的漏极、源极放出，这样在两电极上就形成了从电极GND2到GND1的电流，即实现波形与前面一个通路的放电波形反相。

图4介绍了自放电的部分。其基本原理和图2相同。

反相器U5起到反相的作用，在上电的瞬间，与单片机相连的输入管脚DimHighVoltage初始化为0，反相器U5的输出端14脚为高电平，则光藕U6关断，+15V_3使整流管D8导通，绝缘栅双极型晶体管IGBT5的栅、源两极之间有电压差产生，绝缘栅双极型晶体管IGBT5开放，HighVoltage即使原来有电也会被放掉。

工作稳定以后，当电压过高或者不需要电击时，将DimHighVoltage置为0，则与前面同样道理HighVoltage将通过绝缘栅双极型晶体管IGBT5被放掉。

突然掉电时，光藕U6不再工作，它的两个输出端呈断路，原来储存在续流电容C20上的同样会使绝缘栅双极型晶体管IGBT5导通而将高压电放掉。

因此手动或自动的实现自放电，保证操作简单和电路的安全性。

电阻R28起到限流作用，保护光藕。

电阻R30、R31为绝缘栅双极型晶体管IGBT5提供合理的静态工作点。

电阻R29控制续流电容C20的充电时间。

各图中引线上相同的标识连接在一起，完成了各部分的具体连接。例如，图2的Highvoltage处直接和图4标有Highvoltage的位置连接在一起。

Claims (4)

1.除颤器脉冲发生电路，其特征在于：包括充电电路、放电电路和自放电电路；其中充电电路、储能电容、放电电路依次连接，构成一个回路；充电电路、储能电容、自放电电路依次连接构成另一个回路；充电部分采用反激式开关电路进行充电；放电部分采用双相桥路实现电压的两路双相放电；自放电电路采用手动或自动方式开启绝缘栅双极型晶体管，释放电容上的电压；单片机MCU控制电流型脉冲调宽控制器，电流型脉冲调宽控制器直接与开关功率管、反激式变压器、整流二极管相连，并最终连接储能电容，储能电容分别与放电电路和自放电电路相连，放电电路将高压能量通过接触良好的电极释放到人体上。

2.根据权利要求1所述的除颤器脉冲发生电路，其特征在于：充电电路部分：

1)一个电流型脉冲宽度调制器，用于产生脉冲宽度调制信号，隔离单片机与高压部分的接触。

2)一个大功率开关管作为开关元件，并在大功率的源极提供小电阻采样电源输出的电流。

3)一个反激式变压器作为能量储存和转换元件，其原边副边同名端位置相反

4)一个超快恢复的整流二极管，连接于反激式变压器的副边，在脉冲调宽控制器输出的脉冲宽度正相阶段阻止变压器副边电流流通，在脉冲宽度调制反相阶段快速恢复导通。

5)一个超快恢复的整流管，置于反激式变压器的原边，作为阻塞二极管和稳压管对接，对经反激式变压器耦合回来的电压加以限制，保护初级的电路。

6)利用电阻对于电压进行分压，保证电压在模数转换器能够承受的范围内，并同时将分压后的电压反馈到电流型脉冲调宽控制器的电压比较端，控制电压在设定的范围不过充。

3.根据权利要求1所述的除颤器脉冲发生电路，其特征在于所述的放电电路：

1)采用光耦进行隔离，阻止单片机与高压部分的接触，并对绝缘栅双极型晶体管提供前级驱动；

2)采用推挽式的驱动电路驱动绝缘栅双极型晶体管；

3)四个绝缘栅双极型晶体管形成桥路，其中两个绝缘栅双极型晶体管构成一路，为高压电提供一路通路，在二者之间连接两个实施除颤的电极板；另两个绝缘栅双极型晶体管构成另一路放电桥路，二者之间连接两个实施除颤的电极板，为高压电提供另一路通路；在两路桥路中电流流过两个实施除颤的电极板先后顺序相反；同一通路上的绝缘栅双极型晶体管的桥路驱动信号一致，两路通路轮流开放。

4.根据权利要求1所述的除颤器脉冲发生电路，其特征在于所述的自放电电路：

1)采用光耦隔离单片机和高压部分，对绝缘栅双极型晶体管提供驱动。

2)一个小容量的电容，在掉电或关机时，利用电容上的电压使绝缘栅双极型晶体管迅速导通。

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