CN101753037A - 一种医用高频高压发生器的高压产生装置 - Google Patents

Abstract

一种医用高频高压发生器的高压产生装置，包括油箱、高压主变压器、小焦灯丝变压器、大焦灯丝变压器、与高压主变压器的输出引线相连的高压整流板、高压分压采样板、外接线座、高压电缆插座、油孔盖，所述的油箱的内腔中设有主支架，内腔上部设有上支架，所述的高压主变压器设于主支架的中部，所述的小焦灯丝变压器、大焦灯丝变压器设于上支架上，所述的油箱的上箱面设有油孔以及呼吸孔，所述的高压整流板固定于主支架的下部，所述的高压分压采样板位于高压整流板的外侧并固定于主支架的下部，所述的外接线座、高压电缆插座均设于油箱的上箱面上，所述的油孔盖设于油孔上。本发明输出直流高压稳定、纹波小、性价比高。

Description

一种医用高频高压发生器的高压产生装置

技术领域

本发明涉及高频高压发生器，特别是涉及一种医用高频高压发生器的高压产生装置。

背景技术

高压发生器是X射线设备中的主要部件之一。高压发生器为X射线球管提供高压，同时为X射线球管提供灯丝加热电压，实现第一个功能需将高压变压器输出的交流高压通过整流元件变为X射线球管工作所需的直流高压，实现第二功能需要灯丝加热变压器。

目前我国医疗行业在200mA以上的医用X射线诊断设备中采用以下三种技术等级的高压发生器：

1、低端X射线诊断设备采用50Hz的工频高压发生器，这是早期50年代的技术产品，它将工频高压经高发硅堆整流而获得125kv的直流高压，这种方式的高压发生器，体积大，耗材耗能，稳定度差和直流纹波系数大，正处于逐步淘汰阶段。

2、中端X射线诊断设备采用近期我国自行研制用脉宽调制技术实现的中高频高压发生器，其逆变工作频率在10kHz～40kHz之间，最大输出电压为125kV～150kV，产品性能较工频发生器提高了一个性能等级，输出直流高压的纹波较小。它的主要工作原理是采用10kHz～40kHz脉宽调制中高频电源，经多级倍压整流得到直流高压，其特点是利用二极管作为开关，将电容与电源串联，不断地对电容充电，从而得到所需的直流高压。采用倍压整流技术有以下三个不足之处：

(1)会使整个反馈回路控制延迟，影响控制精度，因此容易在高压输出端产生电压过冲，造成高压对电缆和球管的冲击，在严重的情况下甚至会将电缆击穿，威胁到X射线球管的安全；

(2)带载特性不好(输出内阻比较大)，得到的高压无法提供稳定的大电流输出。

(3)倍压整流升压范围必须为基础电压的整数倍。

3.高端X射线诊断设备基本上均使用进口的高频高压发生器(移相谐振技术)，其逆变工作频率在100kHz以上，最大输出电流为500mA以上，最高输出电压为150kv。因为逆变工作频率不小于100kHz，直流高压输出纹波很小(近似直流)，设备体积小，重量轻。但是其价格昂贵，无法适用于我国新农村医疗保障体系的X射线诊断设备之中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种输出直流高压稳定、纹波小、性价比高的医用高频高压发生器的高压产生装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种医用高频高压发生器的高压产生装置，其特征在于，包括油箱、高压主变压器、小焦灯丝变压器、大焦灯丝变压器、与高压主变压器的输出引线相连的高压整流板、高压分压采样板、外接线座、高压电缆插座、油孔盖，所述的油箱的内腔中设有主支架，内腔上部设有上支架，所述的高压主变压器设于主支架的中部，所述的小焦灯丝变压器、大焦灯丝变压器设于上支架上，所述的油箱的上箱面设有油孔以及呼吸孔，所述的高压整流板固定于主支架的下部，所述的高压分压采样板位于高压整流板的外侧并固定于主支架的下部，所述的外接线座、高压电缆插座均设于油箱的上箱面上，所述的油孔盖设于油孔上。

所述的高压整流板上设有数个相互串联的桥式整流模块，该桥式整流模块包括四组整流二极管，每组整流二极管均由一个或多个二极管串联而成。

所述的高压主变压器包括高压初级线包以及高压次级线包，所述的高压初级线包以及高压次级线包均由多层线圈串联而成，每层线圈均包括多个绕组，各绕组均为Z型绕组结构或锥形绕组结构。

所述的高压次级线包各绕组的输出引线分别与高压整流板的整流模块连接。

与现有技术相比，本发明的逆变工作频率为100kHz以上，最大输出电流200mA以上，最高输出电压为150kV，该技术指标已达到进口产品的水平，与国内同类产品比较，首先它能够有效防止在高压输出端产生高压过冲，保护电缆不被高压击穿，更不会损坏X射线球管；输出阻抗远远小于多级倍压整流电路的阻抗，所以负载特性好；由于工作产生频率高，所以产生的纹波系数相对较小，从而能提高成像的清晰度，对病人的损伤度降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为“]”型接法层间电容分布情况示意图；

图4为“∠”型接法层间电容分布情况示意图；

图5为“Z”型接法层间电容分布情况示意图；

图6为高压次级线包的整流逐级串联结构示意图；

图7为本发明的Z型绕组结构的高压次级线包示意图；

图8为T型等效电路示意图；

图9为高频升压变压器的等效电路示意图；

图10为传统绕法变压器高压线包等效分布电容示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1～10所示，一种医用高频高压发生器的高压产生装置，包括油箱1、高压主变压器2、小焦灯丝变压器3、大焦灯丝变压器4、与高压主变压器2的输出引线相连的高压整流板5、高压分压采样板6、外接线座7、高压电缆插座8、油孔盖9，所述的油箱1的内腔中设有主支架10，内腔上部设有上支架11，所述的高压主变压器2设于主支架10的中部，所述的小焦灯丝变压器3、大焦灯丝变压器4设于上支架11上，所述的油箱1的上箱面设有油孔以及呼吸孔12，所述的高压整流板5固定于主支架10的下部，所述的高压分压采样板6位于高压整流板5的外侧并固定于主支架10的下部，所述的外接线座7、高压电缆插座8均设于油箱的上箱面上，所述的油孔盖9设于油孔上。

所述的高压整流板5上设有数个相互串联的桥式整流模块13，该桥式整流模块13包括四组整流二极管，每组整流二极管均由一个或多个二极管14串联而成；所述的高压主变压器2包括高压初级线包以及高压次级线包，所述的高压初级线包以及高压次级线包均由多层线圈串联而成，每层线圈均包括多个绕组，各绕组均为Z型绕组结构或锥形绕组结构；所述的高压次级线包各绕组的输出引线15分别与高压整流板的整流模块13连接。

本发明的方案为：

1.采用“Z”型绕组结构，减小高频变压器绕组间的层间分布电容：

在工频变压器中可以不考虑波形的畸变和工作频带的问题，因而可以基本忽略分布电容的影响。在高频高压变压器中，由于匝数增多，尤其是次级匝数增多，当变压器工作频率比较高和电压变化率比较大时，即便是微小的分布电容，对变压器或带有变压器的高频高压电源的性能都有着重要影响。此外，分布电容还会加大变压器的损耗，降低了变换器的功率因数和效率，这对高频高压电源的特性和运行十分不利。所以，高频变压器的分布电容是不能被忽略的。故高频工作时变压器等效模型就不能采用工频时等效模型(其模型忽略了分布电容)。

对于高频升压变压器(忽略铜耗和铁耗，其等效电路如图8所示)，为减小变压器体积，减少漏抗，往往采用高导磁率铁磁材料，因此，变压器原边匝数相对较少，且通常为单层，原边匝间距离较大，故原边分布电容往往可以忽略。同时，为消除变压器原边和副边电容耦合而产生电磁干扰，高频高压变压器还设有屏蔽绕组，由于屏蔽层的存在，大大减小了原副边耦合电容，其影响可以忽略。但由于升压比较大，高压侧分布电容却是不能被忽略的。忽略铜耗和铁耗以及变压器的激磁电抗，实际的高频升压变压器的等效电路如图9所示。

变压器的分布参数主要是漏感和分布电容，由于高频变压器压器采用绝缘性能好的软磁材料作磁路，分布电容主要是匝间电容和层间电容。传统绕法变压器高压线包等效分布电容如图10所示：

由以上可以看出，绕组匝数越多，匝间分布等效电容就越小，层数越多，层间等效分布电容就越小。但变压器的漏感随着匝数和层数的增多而加大。因此减小漏感和减小等效分布电容是不可能兼得的。减小分布电容的同时增大了变压器漏感，减小漏感的同时却增大了等效匝间分布电容。

本发明是通过对绕组电压分布和绕组结构对分布电容的影响的分析，给出了减小分布电容的措施。

由于高频高压变压器高压侧的副边绕组匝数较多，绕组通常由多层线圈串联而成，因此必然存在层间电容。层间电容的大小不仅与单层匝数的多少和层间绝缘距离及绝缘材料有关，还与绕组结构密切相关。

层间电容由两层之间的对应匝的电容并联而成。为分析方便，将层间的匝间电容近似等效为平板电容，故其大小与它们的距离成反比。相邻两层的电气连接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三种。假设层间绝缘材料相同，平均绝缘厚度相等，三种电气连接方式下的层间分布电容情况如下：

(1)“]”型：

“]”型接法层间电容分布情况如图3所示，n为单层匝数，d1为层间绝缘距离。C_Z1为AB端入口两层绕组匝间电容，由于层间匝与匝间距离相等，故层间匝与匝之间的电容相等，对于AB端的交流输入电压，层间电容C_AB1可等效为：

$C_{\mathrm{AB}1}=\frac{n+1}{2}{C}_{Z1};$

(2)“∠”型

“∠”型接法层间电容分布情况如图4所示，n为单层匝数，d₂为层间绝缘距离，d₂＝2d₁。“∠”型接法即为常说的锥形绕法。C_Z2为AB端人口两层绕组匝间电容，C_Z2＝C_Z1/2。该绕法层间匝与匝之间的等效电容是不等的，对于AB端的交流输入电压，层间电容C_AB2可等效为：

$C_{\mathrm{AB}2}=n{C}_{Z2}=\frac{n}{2}{C}_{Z1};$

(3)“Z”型

“Z”型接法层间电容分布情况如图5所示，n为单层匝数，d₁为层间绝缘距离。C_Z3为AB端人口两层绕组匝间电容，C_Z3＝C_Z1。由于层间匝与匝间距离相等，故层间匝与匝之间的电容相等，对于AB端的交流输入电压，层间电容C_AB3可等效为：

$C_{\mathrm{AB}3}=\frac{n}{2}{C}_{Z3}=\frac{n}{2}{C}_{Z1};$

通过以上分析可以看出，在相同线包厚度和绝缘材料情况下，当单层匝数较少时，采用“∠”型和“Z”型绕组结构，其层间分布电容比“]”型绕组结构的小的多。匝数越多，其层间等效分布电容差别就越小，且层间绝缘强度提高了一倍。因此，采用“∠”型或“Z”型绕组结构能够有效降低等效分布电容，在单层匝数不多时这种效果更明显，而且提高了变压器的绝缘等级。

所以本发明的高频高压变压器绕制采用了“Z”型绕组结构或“∠”型绕组结构，以便有效减小高频高压变压器的分布电容，提高变压器的频率特性和绝缘水平。

2、次级高压采用整流后逐级串联叠加方法来获得所需的直流高压：

如前所述，由于倍压整流存在一些缺陷和不足，而如果次级采用变压器输出直接整流滤波，又会遇到输出电压太高(≥80kV)而没有合适整流器件等因素的限制，特别是在高频(≥100kHz)高压情况下，对器件的要求更为苛刻，普通的高速整流二级管无论在耐压上还是速度上都是无法满足要求的，所以在高压产生装置中采用了多绕组逐级整流串联的方法来获得直流高压输出，如图6所示。

高压次级线包采取多绕组分层串联结构，是因为当变压器高压侧绕组匝数N2一定时，设单层匝数为n1，单个绕组层数为n2，绕组个数为n3。

$n_3=\frac{N_2}{n_1{n}_2}$

绕组总层间电容的等效为：

$C=\frac{n_1\·C_{\mathrm{AB}}}{N_2(1-1/n_2)}$

由上式可知，层数n₂越多，等效层间电容就越小；单层匝数n₁越少，层间电容也越小。当层数n₂一定时，减少单层匝数n₁即增加绕组个数，也能减小等效分布电容。如图7所示，该图为高压次级多绕组“Z”型绕制方法示意图，大、小写字母表示绕组的引出线同名端，如大写A和大写B，就表示这两个绕组的同名端是A和B，其余以此类推。并且，变压器次级线包绕组的两个输出引线按照字母或数字顺序由里到外由上到下连接到高压功率负载二极管串装置上。

同时，由于高压电源是由多个相对较低电压的绕组串联叠加获得，因此，每个绕组的电压相对而言不是很高，可以采用反压较低的整流二极管，从而较容易地获得高的反向恢复速度，实现并满足100kHz的工作频率要求。并且通过二极管整流串联获得x射线球管所需的直流高压。

通过在高频变压器绕制中采用“Z”型多层绕组结构和次级高压采用整流后逐级串联叠加技术方案后，在减小高频高压变压器分布电容同时又实现了高压高频的整流，保证了本高压产生装置输出内阻较小，在满载、空载的情况下输出电压相对更加稳定，提高X射线波谱单纯度，使杂散射线进一步减少，成像更加清晰，同时突破了高频高压发生器逆变工作频率在100kHz以上的成本和技术瓶颈。

Claims (4)

1.一种医用高频高压发生器的高压产生装置，其特征在于，包括油箱、高压主变压器、小焦灯丝变压器、大焦灯丝变压器、与高压主变压器的输出引线相连的高压整流板、高压分压采样板、外接线座、高压电缆插座、油孔盖，所述的油箱的内腔中设有主支架，内腔上部设有上支架，所述的高压主变压器设于主支架的中部，所述的小焦灯丝变压器、大焦灯丝变压器设于上支架上，所述的油箱的上箱面设有油孔以及呼吸孔，所述的高压整流板固定于主支架的下部，所述的高压分压采样板位于高压整流板的外侧并固定于主支架的下部，所述的外接线座、高压电缆插座均设于油箱的上箱面上，所述的油孔盖设于油孔上。

2.根据权利要求1所述的一种医用高频高压发生器的高压产生装置，其特征在于，所述的高压整流板上设有数个相互串联的桥式整流模块，该桥式整流模块包括四组整流二极管，每组整流二极管均由一个或多个二极管串联而成。

3.根据权利要求2所述的一种医用高频高压发生器的高压产生装置，其特征在于，所述的高压主变压器包括高压初级线包以及高压次级线包，所述的高压初级线包以及高压次级线包均由多层线圈串联而成，每层线圈均包括多个绕组，各绕组均为Z型绕组结构或锥形绕组结构。

4.根据权利要求3所述的一种医用高频高压发生器的高压产生装置，其特征在于，所述的高压次级线包各绕组的输出引线分别与高压整流板的整流模块连接。

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