CN113347772A - 一种用于x射线管的数字高压电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池驱动的数字高压电源装置，包括功率电池单元、按键单元、电源主板、高压调压电路、灯丝调压电路、伦琴射线管；电源主板包括辅助电源电路、高压驱动电路、灯丝驱动电路、DSP数字控制模块、通讯接口电路；DSP模块接受来自辅助电源的供电以及接受通讯接口和按键单元传来的指令，输出控制驱动信号；高压调压电路、灯丝调压电路输出符合要求的电压至伦琴射线管，同时反馈信号至电源主板中的DSP数字控制模块，构成闭环控制回路，通讯接口单元还可以把电源的工作状态传输给上位控制单元。同现有技术相比，电池供电能够保证高效率、低能耗，满足手持便携式医用X射线管对数字高压电源装置的所有技术要求。
Description
技术领域
本发明属于高压电源技术领域，涉及一种电池驱动的数字高压电源装置，特别涉及一种手持便携式医用X射线管的数字高压电源装置。
背景技术
X射线摄影装置可对人体内部的骨折、骨裂、结节等病症进行检测，也可对工业设备内部缺陷、元器件分布情况等进行无损检测，是现代检测行业的重要装置；其核心器件包含X射线管及高压电源，高压电源作用于X射线管以产生X射线并对辐射剂量、频率等参数进行调控，一般需要50kV以上的输出。
在本发明以前的现有技术中，高压电源所应用的电源驱动方式一般均采用市电供电，对电效率极端不敏感，且设备体积冗余大，X射线管的驱动电源也均以市电作为基础电源，无法满足手持移动使用，常规锂电池只提供低直流电压，无法满足x射线管的激发需求；，同时该电源方案属于模拟电源，在快速的启动时，不能及时快速的构建闭环平衡电路，不能满足可调x射线的快速调谐至需要的电压的需求电源方案的参数调整又非常复杂，随时间的推移会有器件时漂而不能补偿，导致输出值会产生变化。新能源汽车等相关行业以电池增压和DC/AC转换，可实现数百伏的动力用高压电池总成能力，如丰田普锐斯，可达244.8V，但其不能满足X射线管50kV以上的输出使用要求；《一种X射线机高频高压电源的设计》中国医学装备文献2019年4月第16卷第4期，张宪军针对医用X摄影装置对高压电源体积及成本的需求，提出了市电(220V-50Hz)AC滤波、升压变换的方法，可实现60kV～70kV的输出，但是该方案以(220V-50Hz)AC市电进行驱动，不满足轻便灵活、无需插电的要求。按照应用场景，人体医用数字X射线摄影设备面临的轻便化、灵活化、无需插电的应用需求很突出，市场亟待发展电池供电的小型化、轻量级的高压电源装置和能够驱动X射线管的电池供电高压电源装置。
发明内容
针对上述现有技术状况，本发明的目的在于，提供一种能够适应电池驱动模式且能够实现低压直流向高压直流的升压转换的电池供电高压电源装置，以及能够驱动X射线管的50kV以上的电池供电高压电源装置。
现将本发明技术解决方案叙述如下：
本发明一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：包括负责提供能源的功率电池单元、按键单元、电源主板、高压调压电路、灯丝调压电路、伦琴射线管；所述的电源主板包括辅助电源电路、高压驱动LCC电路、灯丝驱动LCC电路、DSP数字控制模块、通讯接口电路；所述电源主板中的DSP模块接受来自辅助电源的供电以及接受通讯接口和按键单元传来的指令，通过DSP模块内部运行，输出控制驱动信号驱动控制高压驱动LCC电路、灯丝驱动LCC电路；高压驱动LCC电路输出控制驱动信号至高压调压电路；灯丝驱动LCC电路输出控制驱动信号至灯丝调压电路；高压调压电路、灯丝调压电路输出符合要求的电压至伦琴射线管，同时反馈信号至电源主板中的DSP数字控制模块，经DSP数字控制模块单的特定控制算法后输出脉冲控制信号控制高压驱动LCC单元、灯丝驱动LCC单元，构成闭环控制回路，通讯接口单元还可以把电源的工作状态传输给上位控制单元。
本发明进一步提供一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：所述功率电池单元为高性能6S锂电池驱动供电；所述电源主板中的DSP数字控制模块根据X射线管电源拓扑结构进行多路控制并与数字设备进行远程通信；DSP数字控制模块的数字化使电源ZH装置的控制部分的智能化、元器件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能。
本发明进一步提供一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：电源装置工作流程为：电源整体启动后，数字控制电路接受输出电压需求，将变压参数输出2驱动电路，驱动电路启动可充电低压电池功率输出、输出至高频变压模块的低压绕组得到状态A，高频变压模块的高压绕组将高频变压模块的低压绕组的输出A进行升压至状态B，B经5倍压整流电路进一步升压至状态C。高频变压模块的反馈绕组接受高频变压模块的低压绕组的输出A，经等比例输出给反馈电路；反馈电路经AD变换并将变换结果推送至数字控制电路，数字控制电路对状态C与目标电压D进行判读，依据判读结果对驱动电路的参数进行调整，实现闭环控制，最终实现目标电压D的输出。
本发明进一步提供一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：所述电源主板中的高压驱动LCC和灯丝驱动LCC所采用的LCC拓扑是负载谐振型电源拓扑结构，利用谐振作用，LCC谐振变换器在宽负载范围内均能实现软开关，当电流自然过零时使器件关断或当电压为零时使器件开通。
本发明进一步提供一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：电源装置中的高压调压电路为双边倍压整流电路，以降低高压部分的电压差，降低高压电路的设计难度，保证设备的安全可靠。
本发明进一步提供一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：电源装置中中的灯丝调压部分选择隔离距离较远的磁环，制作变压器，将驱动部分输出的电压调理到灯丝需要的电压区间，同时控制原次级的距离，保证隔离的安全性。
本发明进一步提供一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：所述电源主板中通讯接口可以使用TTL电平直接输出、或者485、232等工业串口形式输出，保证可以与数字设备的接口匹配。
本发明进一步提供一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：电源装置的开关可以是机械开关、可以是继电器、也可以是mos管，控制负责整个电路的供电，留有适当的冗余后设计过电流能力不小于20A。
本发明同现有技术相比，在电池供电的情况下不仅能够保证高效率、低能耗的数字化驱动输出，而且工作电压可控制自22.2v-25.2v，可以坚持多次曝光需求，满足手持便携式医用X射线管的数字高压电源装置的所有技术要求。
附图说明
图1:本发明电源装置硬件结构示意图
图2：本发明电源装置工作流程示意图
图3：本发明电源装置的软件工作流程图
图4:本发明电源主板中高压驱动LCC、灯丝驱动LCC串-并联谐振电路原理图
图5：本发明高压调压电路的双边倍压整流电路原理图
图6：本发明磁环变压器距离示意图
具体实施方式
现结合附图对本发明具体实施方式做进一步详细说明：
参见图1：
电源装置硬件结构完整工作框架图：电源部分选用高放电功率的锂电池，考虑便携性和工业通用的24v标准，这里选择6s的电池，有效工作电压22.2v～2.52v，满足工业常用的24v范围，同时设计最大高压有效输出功率300w，灯丝功率加控制电路功率约10w，按高压升压效率92％计算，电池需要输出的功率为300/0.92+10＝336W。按最小电压时22.2V计算，放电最大电流为336/22.2＝15.13A,结合高放电效率电池放电曲线，可得最小电池容量为1513mAH,考虑工作时长适当冗余的规则，这里电池容量不能小于2000mAH，这里可以根据需要的工作时间，实际选用合适的容量。开关电路控制负责整个电源装置的供电，结合锂电池输出的电源要求，15.13A可以做相应的选型，这里只需要开关电路的过电流能力能到15.13A以上即可，留有适当的冗余后应该设计过电流能力不小于20A。这里可以根据电路的形式做具体的选型，可以是机械开关、可以是继电器、也可以是mos管，选择合适设备结构布局的即可。通讯接口可以使用TTL电平直接输出、或者485、232等工业串口形式输出，保证可以与数字设备的接口匹配。
参见图2：
电源装置工作流程示意：电源启动指令下发，DSP数字控制开启，根据电压需求，将变压参数输出高压驱动输出和灯丝驱动输出；高压驱动输出和灯丝驱动输出启动功率电池功率输出、此时输出开始，高压驱动输出所驱动的高压变频升压部分将电池电压升压输出到高压倍压整流部分，高压倍压整流6高压电压输出的同时将此时的电压经过高压反馈，反馈到高压驱动输出构成闭环。另一方面灯丝驱动输出驱动灯丝变频降压，让灯丝电压输出输出所需要的电压，同时将此电压经过灯丝反馈，反馈到灯丝驱动输出构成闭环；在灯丝电压输出和高压电压输出满足设定输出参数之后，伦琴射线管将按设定参数发射X射线。
参见图3：
电源装置的软件流程指电源主板中DSP控制模块主流程、灯丝驱动输出流程、高压驱动输出流程三个流程部分；主流程通过运行再分别给定参数至高压驱动输出流程、灯丝驱动输出流程。DSP数字控制模块虽然相较与普通的模拟电路开发难度大，生产成本高，但x射线管系统电源系统拓扑结构复杂、需要多路进行控制，且需要与数字设备进行远程通信等。所以DSP数字控制模块的软件流程也必须与之匹配。DSP控制更大集成度、更高效率、更快瞬时响应及更高灵活性成为本发明软件流程设计的理由，使开关电源控制部分的数字化使开关电源的控制部分的智能化、元器件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能。
参见图4：
电源主板中高压驱动LCC、灯丝驱动LCC串-并联谐振电路图：高压驱动LCC和4灯丝驱动LCC所采用的LCC拓扑是一种负载谐振型电源拓扑结构。利用谐振作用，LCC谐振变换器在宽负载范围内均能实现软开关，当电流自然过零时使器件关断或当电压为零时使器件开通。理论上可以实现开关损耗为零，从而可以大大提高开关频率，减小电源体积和重量。谐振电流波形呈正弦波，有利于实现电源模块高效率、小型化，同时降低开关电源的电磁噪声，较容易解决电磁干扰问题。通过调整电路参数，即可得到合适的增益曲线和工作频率范围。高压驱动LCC和3灯丝驱动LCC所采用的LCC谐振即串-并联谐振，是软开关技术中谐振变换器的一种。利用谐振作用，LCC谐振变换器在宽负载范围内均能实现软开关，当电流自然过零时使器件关断或当电压为零时使器件开通。理论上可以实现开关损耗为零，从而可以大大提高开关频率，减小电源体积和重量。谐振电流波形呈正弦波，有利于实现电源模块高效率、小型化，同时降低开关电源的电磁噪声，较容易解决电磁干扰问题。通过调整电路参数，即可得到合适的增益曲线和工作频率范围。
参见图5：
高压调压电路的双边倍压整流电路：高压调压部分采用双边倍压整流电路，双边倍压整流电路相对于单边的，可以降低高压部分的电压差，大大降低高压电路的设计难度，保证设备的安全可靠。
参见图6：
本磁环变压器距离示意图：本发明之所以要进行磁环变压器距离的设定，是因为灯丝调压部分的难点在于必须将次级的高压部分和原边的低压隔离，这里我们选择隔离距离较远的磁环，制作变压器，将驱动部分输出的电压调理到灯丝需要的电压区间，同时可以控制原次级的距离，保证隔离的安全性。图中所示，原级的V1、V2、V3与次级Vo1、Vo2的隔离距离最近也可达到8.84mm，以高压油盒内注油绝缘标准20kv/mm设计，可以有足够的距离冗余，保证高压的安全。
Claims (8)
1.一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：包括负责提供能源的功率电池单元、按键单元、电源主板、高压调压电路、灯丝调压电路、伦琴射线管；所述的电源主板包括辅助电源电路、高压驱动LCC电路、灯丝驱动LCC电路、DSP数字控制模块、通讯接口电路；所述电源主板中的DSP模块接受来自辅助电源的供电以及接受通讯接口和按键单元传来的指令，通过DSP模块内部运行，输出控制驱动信号驱动控制高压驱动LCC电路、灯丝驱动LCC电路；高压驱动LCC电路输出控制驱动信号至高压调压电路；灯丝驱动LCC电路输出控制驱动信号至灯丝调压电路；高压调压电路、灯丝调压电路输出符合要求的电压至伦琴射线管，同时反馈信号至电源主板中的DSP数字控制模块，经DSP数字控制模块单的特定控制算法后输出脉冲控制信号控制高压驱动LCC单元、灯丝驱动LCC单元，构成闭环控制回路，通讯接口单元还可以把电源的工作状态传输给上位控制单元。
2.根据权利要求1所述的一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：所述功率电池单元为高性能6S锂电池驱动供电；所述电源主板中的DSP数字控制模块根据X射线管电源拓扑结构进行多路控制并与数字设备进行远程通信；DSP数字控制模块的数字化使电源ZH装置的控制部分的智能化、元器件的共通化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能。
3.根据权利要求1所述的一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：电源装置工作流程为：电源整体启动后，数字控制电路接受输出电压需求，将变压参数输出2驱动电路，驱动电路启动可充电低压电池功率输出、输出至高频变压模块的低压绕组得到状态A，高频变压模块的高压绕组将高频变压模块的低压绕组的输出A进行升压至状态B，B经5倍压整流电路进一步升压至状态C；高频变压模块的反馈绕组接受高频变压模块的低压绕组的输出A，经等比例输出给反馈电路；反馈电路经AD变换并将变换结果推送至数字控制电路，数字控制电路对状态C与目标电压D进行判读，依据判读结果对驱动电路的参数进行调整，实现闭环控制，最终实现目标电压D的输出。
4.根据权利要求1所述的一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：所述电源主板中的高压驱动LCC和灯丝驱动LCC所采用的LCC拓扑是负载谐振型电源拓扑结构，利用谐振作用，LCC谐振变换器在宽负载范围内均能实现软开关，当电流自然过零时使器件关断或当电压为零时使器件开通。
5.根据权利要求1所述的一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：电源装置中的高压调压电路为双边倍压整流电路，以降低高压部分的电压差，降低高压电路的设计难度，保证设备的安全可靠。
6.根据权利要求1所述的一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：电源装置中、中的灯丝调压部分选择隔离距离较远的磁环，制作变压器，将驱动部分输出的电压调理到灯丝需要的电压区间，同时控制原次级的距离，保证隔离的安全性。
7.根据权利要求1所述的一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：所述电源主板中通讯接口可以使用TTL电平直接输出、或者485、232等工业串口形式输出，保证可以与数字设备的接口匹配。
8.根据权利要求1所述的一种用于X射线管的数字高压电源装置，其特征在于：电源装置的开关可以是机械开关、可以是继电器、也可以是mos管，控制负责整个电路的供电，留有适当的冗余后设计过电流能力不小于20A。
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|---|---|---|---|
| CN202110636184.0A Pending CN113347772A (zh) | 2021-06-08 | 2021-06-08 | 一种用于x射线管的数字高压电源装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113347772A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023115816A1 (zh) * | 2021-12-24 | 2023-06-29 | 苏州博思得电气有限公司 | 模拟、数字混合控制的高压发生器及其控制电路、方法以及x射线系统 |
| CN116602702A (zh) * | 2023-06-05 | 2023-08-18 | 珠海西格医疗设备有限公司 | 一种基于高频直流恒压控制的牙科x射线机 |
-
2021
- 2021-06-08 CN CN202110636184.0A patent/CN113347772A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023115816A1 (zh) * | 2021-12-24 | 2023-06-29 | 苏州博思得电气有限公司 | 模拟、数字混合控制的高压发生器及其控制电路、方法以及x射线系统 |
| CN116602702A (zh) * | 2023-06-05 | 2023-08-18 | 珠海西格医疗设备有限公司 | 一种基于高频直流恒压控制的牙科x射线机 |
| CN116602702B (zh) * | 2023-06-05 | 2023-11-17 | 珠海西格医疗设备有限公司 | 一种基于高频直流恒压控制的牙科x射线机 |
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