CN101765290B - 一种用于x射线机的高压发生器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于X射线机的高压发生器及其控制方法，包括与电源相连接的整流滤波和软启动单元、控制电源、位于高压油箱内的升压、整流单元，其特征在于，整流滤波和软启动单元与功率因数校正单元相连接，通过高压逆变器、升压、整流单元与设在高压油箱内的X射线管的阳极相连接，并通过灯丝逆变器、灯丝变换电路与X射线管的阴极相连接，高压油箱内设有与中央控制单元相连接的采样电路；中央控制单元还分别与高压逆变器、灯丝逆变器、上位机相连接。与现有技术相比，具有以下优点，1、高压发生器采用了串并联谐振技术，实现开关管的零电压开通，从而可以使开关频率提高到100KHz。2、X射线管集成在高压油箱中，省去了高压线从油箱中引出外接X射线管引起的一系列高压绝缘及防护问题。

Description

一种用于X射线机的高压发生器及其控制方法

技术领域

本发明涉及X射线机领域，具体地说的涉及一种用于X射线机的高压发生器及其控制方法。

背景技术

1997年以前，我国基本处于工频X射线机的发展阶段，中频和高频机都靠进口。

X射线机主要应用在安全检测、医疗卫生以及工业探伤等相关领域，X射线机高压发生器技术的发展经历了从工频50Hz到中频数百Hz，直至高频数kHz的发展阶段，高压发生器的工作频率的提高带来了设备体积重量的大大减小、功率密度的大幅提高，性能指标和成像质量都有了大的飞跃。

近年来一些经济实力、技术力量强的单位都开展了X射线机行业的相关研究。目前，有些厂家也开始推出了自主研发的高频X射线机，例如专利申请公开文件(公开号CN101203085A)医用诊断X射线高频高压发生器，公开的X射线机高压发生器频率只能做到30kHz，且高压引出端高压发生器与X射线管分离，高压发生器产生的直流高压经高压电缆连接到外部的X射线管。高压电缆价格昂贵，且附近的绝缘设计难度较大。上述的高压发生器工作频率一般未超过40kHz，主要是因为高频工作会带来更大的开关损耗，损耗大到一定程度必将损坏开关管。提供超高频、高性能X射线机高压发生器，是现有技术需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于X射线机的高压发生器及其控制方法。以达到提高了高压输出的稳定性、增强了X射线机透视射线的质量、提高了成像的清晰度。

为解决上述技术问题，本发明技术方案是一种用于X射线机的高压发生器，包括与电源相连接的整流滤波和软启动单元、控制电源、位于高压油箱内的升压和整流单元，其特征在于，所述的整流滤波和软启动单元与功率因数校正单元相连接，通过高压逆变器、升压和整流单元与设在高压油箱内的X射线管相连接，经升压整流产生的高压直接接至X射线管两端，变换产生的灯丝电流接X射线管灯丝端，所述的高压油箱内设有与中央控制单元相连接的采样电路；所述的中央控制单元还分别与高压逆变器、灯丝逆变器、上位机相连接；

输入交流经整流滤波和软启动单元、功率因数校正单元后，通过直流母线分三路，分别供给高压逆变器、灯丝逆变器和控制电源，高压逆变器的输出接高压油箱中的高压升压电路，将电压升至X射线管所需的高压，灯丝逆变器的输出接高压油箱内的灯丝变换电路，经处理后给X射线管灯丝供电。

一种用于X射线机的高压发生器，所述的中央控制单元由DSP芯片、保护电路、高压逆变器控制电路、灯丝逆变器控制电路所组成，中央控制单元，通过与上位机通讯，将用户设定的基准高压值与灯丝电流值读入中央控制单元DSP芯片内部，采样电路采得的实际输出值与中央控制单元DSP芯片送出的设定值进行比较，通过高压逆变器控制电路、灯丝逆变器控制电路产生实时的控制信号通过高压逆变器、灯丝逆变器调节输出以实现高压发生器高压输出稳压、灯丝稳流工作，DSP芯片通过保护电路将保护信号送至高压逆变器和灯丝逆变器。

一种用于X射线机的高压发生器，所述的高压逆变器由MOS开关管V1～V4构成的逆变桥式电路和在MOS开关管V1～V4源极和漏极两端反向并联寄生二极管D1～D4和电容C1～C4所组成，MOS开关管V1、V3的串接端通过谐振电感L1、隔直电容C5，高压变压器T1的初级绕组与MOS开关管V2、V4的串接端相连接，谐振电容C6并接在高压变压器T1的初级绕组上，高压变压器T1的次级绕组与倍压整流电路相连接，MOS开关管V1～V4的栅极与高压逆变器控制电路相连接。

一种用于X射线机的高压发生器，所述的采样电路输出信号包括电压采样信号Vf、灯丝电流采样信号If、打火信号F、过温信号T。

一种用于X射线机的高压发生器，所述的中央控制单元DSP芯片型号为TMS320F2801。

一种用于X射线机的高压发生器的控制方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：

a)通过串口通讯读取用户在上位机的控制界面上的高压/电流设定值以及出束/停束等控制指令。设定值经内部处理后，再经过D/A转换形成电压和电流基准，送至控制电路参与闭环控制；控制指令经识别处理后，输出一系列带特定时序关系的控制指令，控制高压发生器电路正常工作；

b)各路采样信号通过DSP芯片的A/D转换、处理后，再传输至上位机的控制界面以实时显示各参数值；

c)将各路采样信号与DSP芯片内部设定的保护阈值比较，处理后形成保护信号送给控制回路形成电路保护。

一种用于X射线机的高压发生器及其控制方法，由于采用上述结构和控制方法，与现有技术相比，具有以下优点，1、高压发生器采用了串并联谐振技术，实现开关管的零电压开通，极大的减小了开关管工作时的损耗；采用通态损耗极小的高端半导体器件。两方面共同促使开关管工作损耗的显著降低，从而可以使开关频率提高到100KHz(kHz)。2、X射线管集成在高压油箱中，省去了高压线从油箱中引出外接X射线管引起的一系列高压绝缘及防护问题。3、X射线高压发生器实现了电脑远程控制，高压值和管电流值可精确设置和随时更改。X射线管与高压电源部分实现一体化设计，减小了整套X射线装置的体积重量，便于移动和装配，解决了目前X射线高压发生器行业高成本、大体积、不便移动和高电压防护等问题，是现代X射线辐照行业较为先进的X射线高压发生器。该X射线高压发生器可应用到安全检测、医疗卫生以及工业探伤等相关领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明一种用于X射线机的高压发生器结构框图；

图2为图1所示中央控制单元结构示意图；

图3a、b为图1所示高压逆变器电路结构示意图；

图4为本发明一种用于X射线机的高压发生器的控制方法流程图；

在图1～图3中，1、整流滤波和软启动单元；2、功率因数校正单元；3、高压逆变器；4、高压油箱；5、X射线管；6、灯丝逆变器；7、中央控制单元；8、DSP芯片；9、控制电源；10、上位机；11、保护电路；12、高压逆变器控制电路；13、灯丝逆变器控制电路。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明X射线机高压发生器的原理结构框图。单相交流市电经高压发生器的输入端子送入高压发生器内部，输入交流经整流滤波和软启动单元1、功率因数校正单元2(PFC)后，实现交流/直流的变换，且可将直流母线电压预稳在400V。直流母线分三路，分别供给高压逆变器3、灯丝逆变器6和控制电源9。高压逆变器3的输出接高压油箱4中的高压升压电路，将电压升至X射线管所需的高压。灯丝逆变器6的输出接高压油箱4内的灯丝变换电路，经处理后给X射线管5灯丝供电。

X射线管5集成在高压油箱4中，省去了高压线从油箱中引出外接X射线管引起的一系列高压绝缘及防护问题。在高压油箱4内部，经升压整流产生的高压直接接至X射线管5两端，变换产生的灯丝电流(悬浮于阴极高压上)接X射线管5灯丝端。接收到中央控制单元7的“出束”指令后，高压逆变器3和灯丝逆变器6启动，按照预设的基准电压和管电流工作，给高压油箱4中的X射线管5提供工作所需电压电流，从而射线管出束口发出相应剂量的X射线，供辐照和成像使用。

控制电源9将直流降压转换为±22V、±15V等低压直流电，供中央控制单元7中的模拟数字控制芯片工作用电。

参见图2，中央控制单元7由DSP芯片8、保护电路11、高压逆变器控制电路12、灯丝逆变器控制电路13所组成，中央控制单元7，通过与上位机10通讯，将用户设定的基准高压值与灯丝电流值读入中央控制单元DSP芯片8内部，采样电路采得的实际输出值与中央控制单元DSP芯片送出的设定值进行比较，通过高压逆变器控制电路12、灯丝逆变器控制电路13产生实时的控制信号通过高压逆变器3、灯丝逆变器6调节输出以实现高压发生器高压输出稳压、灯丝稳流工作，DSP芯片8通过保护电路11将保护信号送至高压逆变器3和灯丝逆变器6。

中央控制单元7是整个高压发生器的控制核心部分，其中采用DSP数字控制芯片来实现大量复杂的信号传输、转换及采样处理等工作。中央控制单元7负责与上位机10实现串口通讯，发送X射线“出束”、“停束”指令信号，发送设定高压和管电流基准信号，实现高压和管电流的实时检测，以及将实时反馈信号与设定的基准值比较，再通过高压逆变器控制电路12、灯丝逆变器控制电路13脉宽调制后，送至高压逆变器3和灯丝逆变器6驱动脉冲，实时调节高压及管电流，使X射线管5得到稳定的高压和管电流，供X射线机持续稳定的工作。

DSP控制是本X射线高压发生器装置的核心，负责控制整个高压发生器系统的时序关系、X射线出束、停束控制，以及故障信号的检测、保护的动作以及与上位机的通讯等功能。

本发明采用高性能数字控制芯片(DSP)来实现系统控制功能，DSP又称数字信号处理器，是集成了AD采样功能、DA转换功能、RS232串口通讯功能、内部编程控制单元的数字信号微处理器。自带众多I/O口数据采集和指令输出端口，足够庞大系统控制措施的实现。通过与电路通讯，将用户设定的基准高压值与灯丝电流值读入DSP芯片内部，高压发生器工作时，采样电路采得的实际输出值与DSP芯片送出的设定值进行比较，产生实时的控制信号调节输出以实现高压输出稳压、灯丝稳流工作。

实时采样送入DSP芯片后，DSP芯片将其与保护基准值进行比较，超出保护阈值时，输出封锁信号，相应保护电路动作，实现过压、欠压、过流、欠流、过温、打火等多种保护功能。

参见图2、图3a、图3b，图3为高压逆变器串并联谐振电路的原理图，图中V1～V4为MOS开关管，MOS开关管的型号为APT66F60B2。D1～D4、C1～C4为MOS开关管两端反向并联寄生二极管和电容器，L1为谐振电感，C5为隔直电容，C6为谐振电容(包含了高压负载折算到高压变压器原边的电容)，T1为高压变压器；处于对角位置的MOS开关管同时开通和关断，而同一桥臂上下开关管互补工作，且存在一定死区。

本发明高压逆变器MOS开关管零电压开通的实现原理：在MOS开关管V1与MOS开关管V4开通期间，主要为谐振电感L1与谐振电容C6谐振，电源向负载侧传送能量，谐振电感L1中电流方向如图3(a)中所示。在MOS开关管V1与MOS开关管V4关断，MOS开关管V2、V3还未开通的死区时间内，由于电感电流及能量不能突变，谐振电感L1电流方向保持不变且与电容C2、C3谐振，将能量转移到电容C1、C4中，谐振结束时使得电容C1、C4两端电压均等于直流母线电压，电容C2、C3电压为零。随之，谐振电感L1中的剩余能量通过寄生二极管D2和D3回馈到直流母线(如图3b中电流方向)。在寄生二极管D2、D3续流期间，MOS开关管V2和V3两端电压被箝位至零，此刻发出MOS开关管V2和MOS开关管V3的驱动脉冲便实现了MOS开关管V2、V3管的零电压开通。另一对MOS开关管V1、V4的零电压开通原理类似。

高压逆变器3的控制采用高的开关频率来提高高压性能指标，提高开关频率是目前电源领域技术发展的趋势，MOS开关管零电压开通，使开关频率提高到100KHz(kHz)，开关频率的提高可以提高整机的输出性能，减少噪音，提升整机的功能密度，减小装置的体积重量。对以本发明X射线高压发生器，采用大幅提升开关频率的方法不仅可以提升功率密度减少整机体积重量成本，更可以显著提高高压精度，减小高压纹波，提高成像质量。

高压逆变器控制电路12设计主要包含高压反馈信号的采样、采样信号的比较放大、控制芯片的调频控制、驱动信号的放大隔离四个方面。

高压反馈设置在高压油箱4内部，通过高精度分压电阻及分压电容串并联组合而成，电阻电容组合成的采样电路可以同时采得高压变换的静态和动态分量，送入控制回路后具有好的动静态控制性能。

采样信号送入控制回路后与DSP芯片8给出的基准信号实现比较、放大再通过逆变控制芯片后形成驱动脉冲，驱动脉冲经过放大隔离后驱动高压逆变器3，实现高压闭环控制。

系统工作步骤如下：

当输入侧接通单相220V市电后，X射线机高压发生器的低压侧开始工作。220V市电经整流滤波和软启动单元1后，经过功率因数校正单元2给控制电源9供电，控制电源9得电后瞬间启动，形成±22V、±15V等低压控制电源，其中+22V电源送给整流滤波和软启动单元1将软启动电阻切除，约1s后软启动结束，直流母线电压被充电至400V实现预稳。控制电源9工作后中央控制单元7的一系列数字和模拟芯片工作状态就位，等待控制指令的发出。

DSP芯片8上电后，检测系统使能信号，当系统工作状态就绪给出高压发生器使能信号后，DSP芯片8开始工作，发出灯丝预热信号。灯丝预热约一分钟后，X射线管5预热就绪，可以发出“出束”指令。上位机10用控制软件通过串口线遥控设定所需的高压电压值、管电流电流值，发出“出束”指令，DSP芯片8收到指令后开始控制两个逆变器的控制芯片工作，发出驱动脉冲，驱动脉冲经驱动放大隔离后送给高压逆变器3及灯丝逆变器6工作，在高压油箱4产生相应的供X射线管工作所需的高压电压及灯丝电流，发出X射线。系统遥控发出“停束”指令时，DSP芯片8控制两个逆变控制芯片停止工作，切断两个逆变器的方波脉冲输出，从而关闭高压和灯丝输出，X射线高压发生器停止工作。

X射线高压发生器实现了电脑远程控制，高压值和管电流值可精确设置和随时更改。X射线管5与高压电源部分实现一体化设计，减小了整套X射线装置的体积重量，避开了从高压油箱4中引出高压电缆的防护及高成本问题，便于移动和装配，解决了目前X射线高压发生器行业高成本、大体积、不便移动和高电压防护等问题。

参见图4，图4为本发明一种用于X射线机的高压发生器的控制方法流程图；步骤100开始，在步骤101中高压发生器软起动。在执行完步骤101后进入步骤102灯丝预热，在步骤103中通过上位机设定所需的高压电压值、管电流电流值，在步骤104中高压给定给出，管电流给定给出。在执行完步骤104后进入步骤105高压油箱内高压、管电流采样。在步骤106中根据步骤104给定的数据和步骤105采样的数据，DSP芯片发出信号对高压逆变器控制电路和灯丝逆变器控制电路闭环控制。在步骤108中根据步骤107高压油箱内高压检测的数据判断是否超出电压保护阀值，如果是，则进入步骤109过压或欠压保护动作并报警。如果判断是否定的，则进入步骤111根据步骤110高压油箱内管电流检测的数据判断是否超出管电流保护阀值，如果是，则进入步骤112过流或欠流保护动作并报警。如果判断是否定的，则进入步骤114根据步骤113高压油箱内温度检测的数据判断是否超出温度保护阀值，如果是，则进入步骤115过温保护动作并报警。如果判断是否定的，则进入步骤117根据步骤116高压油箱内打火检测的数据判断是否发生打火，如果是，则进入步骤118打火保护动作并报警。如果判断是否定的，则进入步骤119判断是否关机，如果是，则进入步骤120关机。如果判断是否定的，则返回步骤103。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于X射线机的高压发生器，包括与电源相连接的整流滤波和软启动单元(1)、控制电源(9)、位于高压油箱(4)内的升压和整流单元，其特征在于，所述的整流滤波和软启动单元(1)与功率因数校正单元(2)相连接，通过高压逆变器(3)、升压和整流单元与设在高压油箱(4)内的X射线管(5)相连接，经升压整流产生的高压直接接至X射线管(5)两端，变换产生的灯丝电流接X射线管(5)灯丝端，所述的高压油箱(4)内设有与中央控制单元(7)相连接的采样电路；所述的中央控制单元(7)还分别与高压逆变器(3)、灯丝逆变器(6)、上位机(10)相连接；

输入交流经整流滤波和软启动单元(1)、功率因数校正单元(2)后，通过直流母线分三路，分别供给高压逆变器(3)、灯丝逆变器(6)和控制电源(9)，高压逆变器(3)的输出接高压油箱(4)中的高压升压电路，将电压升至X射线管所需的高压，灯丝逆变器(6)的输出接高压油箱(4)内的灯丝变换电路，经处理后给X射线管(5)灯丝供电。

2.根据权利要求1所述的一种用于X射线机的高压发生器，其特征在于，所述的中央控制单元(7)由DSP芯片(8)、保护电路(11)、高压逆变器控制电路(12)、灯丝逆变器控制电路(13)所组成，中央控制单元(7)，通过与上位机(10)通讯，将用户设定的基准高压值与灯丝电流值读入中央控制单元DSP芯片(8)内部，采样电路采得的实际输出值与中央控制单元DSP芯片送出的设定值进行比较，通过高压逆变器控制电路(12)、灯丝逆变器控制电路(13)产生实时的控制信号调节高压逆变器(3)、灯丝逆变器(6)输出以实现高压发生器高压输出稳压、灯丝稳流工作，DSP芯片(8)通过保护电路将保护信号送至高压逆变器(3)和灯丝逆变器(6)。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于X射线机的高压发生器，其特征在 于，所述的高压逆变器(3)由MOS开关管V1～V4构成的逆变桥式电路和在MOS开关管V1～V4源极和漏极两端反向并联寄生二极管D1～D4和电容C1～C4所组成，MOS开关管V1、V3的串接端通过谐振电感L1、隔直电容C5，高压变压器T1的初级绕组与MOS开关管V2、V4的串接端相连接，谐振电容C6并接在高压变压器T1的初级绕组上，高压变压器T1的次级绕组与倍压整流电路相连接，MOS开关管V1～V4的栅极与高压逆变器控制电路(12)相连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于X射线机的高压发生器，其特征在于，所述的采样电路输出信号包括电压采样信号Vf、灯丝电流采样信号If、打火信号F、过温信号T。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于X射线机的高压发生器，其特征在于，所述的中央控制单元DSP芯片(8)型号为TMS320F2801。

6.一种根据权利要求1～5中任一项所述的用于X射线机的高压发生器的控制方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：

a)通过串口通讯读取用户在上位机的控制界面上的高压/电流设定值以及出束/停束控制指令，设定值经内部处理后，再经过D/A转换形成电压和电流基准，送至控制电路参与闭环控制；控制指令经识别处理后，输出一系列带特定时序关系的控制指令，控制高压发生器电路正常工作；

b)各路采样信号通过DSP芯片的A/D转换、处理后，再传输至上位机的控制界面以实时显示各参数值；

c)将各路采样信号与DSP芯片内部设定的保护阈值比较，处理后形成保护信号送给控制回路形成电路保护。 

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