專利名稱：一種用于x射線機的高壓發(fā)生器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及X射線機領域，具體地說的涉及一種用于x射線機的高壓發(fā)生器及其
控制方法。
背景技術：
1997年以前，我國基本處于工頻X射線機的發(fā)展階段，中頻和高頻機都靠進口 。
X射線機主要應用在安全檢測、醫(yī)療衛(wèi)生以及工業(yè)探傷等相關領域，X射線機高壓 發(fā)生器技術的發(fā)展經(jīng)歷了從工頻50Hz到中頻數(shù)百Hz，直至高頻數(shù)kHz的發(fā)展階段，高壓發(fā) 生器的工作頻率的提高帶來了設備體積重量的大大減小、功率密度的大幅提高，性能指標 和成像質(zhì)量都有了大的飛躍。 近年來一些經(jīng)濟實力、技術力量強的單位都開展了 X射線機行業(yè)的相關研究。目 前，有些廠家也開始推出了自主研發(fā)的高頻X射線機，例如專利申請公開文件(公開號 CN101203085A)醫(yī)用診斷X射線高頻高壓發(fā)生器，公開的X射線機高壓發(fā)生器頻率只能做到 30kHz，且高壓引出端高壓發(fā)生器與X射線管分離，高壓發(fā)生器產(chǎn)生的直流高壓經(jīng)高壓電纜 連接到外部的X射線管。高壓電纜價格昂貴，且附近的絕緣設計難度較大。上述的高壓發(fā) 生器工作頻率一般未超過40kHz，主要是因為高頻工作會帶來更大的開關損耗，損耗大到一 定程度必將損壞開關管。提供超高頻、高性能X射線機高壓發(fā)生器，是現(xiàn)有技術需要解決的 技術問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種用于X射線機的高壓發(fā)生器及其控制方 法。以達到提高了高壓輸出的穩(wěn)定性、增強了 X射線機透視射線的質(zhì)量、提高了成像的清晰度。 為解決上述技術問題。本發(fā)明的技術方案是一種用于X射線機的高壓發(fā)生器，包
括與電源相連接的整流濾波和軟啟動單元、控制電源、位于高壓油箱內(nèi)的升壓、整流單元，
其特征在于，所述的整流濾波和軟啟動單元與功率因數(shù)校正單元相連接，通過高壓逆變器、
升壓、整流單元與設在高壓油箱內(nèi)的X射線管的陽極相連接，并通過燈絲逆變器、燈絲變換
電路與X射線管的陰極相連接，所述的高壓油箱內(nèi)設有與中央控制單元相連接的采樣電
路；所述的中央控制單元還分別與高壓逆變器、燈絲逆變器、上位機相連接。 —種用于X射線機的高壓發(fā)生器，所述的中央控制單元由DSP芯片、保護電路、高
壓逆變器控制電路、燈絲逆變器控制電路所組成，中央控制單元，通過與上位機通訊，將用
戶設定的基準高壓值與燈絲電流值讀入中央控制單元DSP芯片內(nèi)部，采樣電路采得的實際
輸出值與中央控制單元DSP芯片送出的設定值進行比較，通過高壓逆變器控制電路、燈絲
逆變器控制電路產(chǎn)生實時的控制信號通過高壓逆變器、燈絲逆變器調(diào)節(jié)輸出以實現(xiàn)高壓發(fā)
生器高壓輸出穩(wěn)壓、燈絲穩(wěn)流工作，DSP芯片通過保護電路將保護信號送至高壓逆變器和燈
絲逆變器。
—種用于X射線機的高壓發(fā)生器，所述的高壓逆變器由M0S開關管VI V4構成 的逆變橋式電路和在MOS開關管VI V4源極和漏極兩端反向并聯(lián)寄生二極管Dl D4和 電容C1 C4，M0S開關管V1、V3的串接端通過諧振電感L1、隔直電容C5，高壓變壓器T1的 初級繞組與MOS開關管V2、 V4的串接端相連接，諧振電容C6并接在高壓變壓器Tl的初級 繞組上，高壓變壓器Tl的次級繞組與倍壓整流電路相連接，MOS開關管VI V4的柵極與 高壓逆變器控制電路相連接。 —種用于X射線機的高壓發(fā)生器，所述的采樣電路輸出信號包括電壓采樣信號 Vf 、燈絲電流采樣信號If 、打火信號F、過溫信號T。 —種用于X射線機的高壓發(fā)生器，所述的中央控制單元DSP芯片型號為 TMS320F2801。 —種用于X射線機的高壓發(fā)生器的控制方法，其特征在于，所述的方法包括下列 步驟 a)通過串口通訊讀取用戶在上位機的控制界面上的高壓/電流設定值以及出束/ 停束等控制指令。設定值經(jīng)內(nèi)部處理后，再經(jīng)過D/A轉換形成電壓和電流基準，送至控制電 路參與閉環(huán)控制；控制指令經(jīng)識別處理后，輸出一系列帶特定時序關系的控制指令，控制高
壓發(fā)生器電路正常工作； b)各路采樣信號通過DSP芯片的A/D轉換、處理后，再傳輸至上位機的控制界面以 實時顯示各參數(shù)值； c)將各路采樣信號與DSP芯片內(nèi)部設定的保護閾值比較，處理后形成保護信號送 給控制回路形成電路保護。 —種用于X射線機的高壓發(fā)生器及其控制方法，由于采用上述結構和控制方法， 與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點，1、高壓發(fā)生器采用了串并聯(lián)諧振技術，實現(xiàn)開關管的零電 壓開通，極大的減小了開關管工作時的損耗；采用通態(tài)損耗極小的高端半導體器件。兩方面 共同促使開關管工作損耗的顯著降低，從而可以使開關頻率提高到100KHz(kHz) 。 2、X射線 管集成在高壓油箱中，省去了高壓線從油箱中引出外接X射線管引起的一系列高壓絕緣及 防護問題。3、 X射線高壓發(fā)生器實現(xiàn)了電腦遠程控制，高壓值和管電流值可精確設置和隨 時更改。X射線管與高壓電源部分實現(xiàn)一體化設計，減小了整套X射線裝置的體積重量，便 于移動和裝配，解決了目前X射線高壓發(fā)生器行業(yè)高成本、大體積、不便移動和高電壓防護 等問題，是現(xiàn)代X射線輻照行業(yè)較為先進的X射線高壓發(fā)生器。該X射線高壓發(fā)生器可應 用到安全檢測、醫(yī)療衛(wèi)生以及工業(yè)探傷等相關領域。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明； 圖1為本發(fā)明一種用于X射線機的高壓發(fā)生器結構框圖； 圖2為圖1所示中央控制單元結構示意圖； 圖3a、b為圖1所示高壓逆變器電路結構示意圖； 圖4為本發(fā)明一種用于X射線機的高壓發(fā)生器的控制方法流程圖； 在圖1 圖3中，1、整流濾波和軟啟動單元；2、功率因數(shù)校正單元；3、高壓逆變
器；4、高壓油箱；5、 X射線管；6、燈絲逆變器；7、中央控制單元；8、 DSP芯片；9、控制電源；
410、上位機；11、保護電路；12、高壓逆變器控制電路；13、燈絲逆變器控制電路。
具體實施例方式
如圖1所示，圖1為本發(fā)明X射線機高壓發(fā)生器的原理結構框圖。單相交流市電 經(jīng)高壓發(fā)生器的輸入端子送入高壓發(fā)生器內(nèi)部，輸入交流經(jīng)整流濾波和軟啟動單元1、功率 因數(shù)校正單元2(PFC)后，實現(xiàn)交流/直流的變換，且可將直流母線電壓預穩(wěn)在400V。直流 母線分三路，分別供給高壓逆變器3、燈絲逆變器6和控制電源9。高壓逆變器3的輸出接 高壓油箱4中的高壓升壓電路，將電壓升至X射線管所需的高壓。燈絲逆變器6的輸出接 高壓油箱4內(nèi)的燈絲變換電路，經(jīng)處理后給X射線管5燈絲供電。 X射線管5集成在高壓油箱4中，省去了高壓線從油箱中引出外接X射線管引起的 一系列高壓絕緣及防護問題。在高壓油箱4內(nèi)部，經(jīng)升壓整流產(chǎn)生的高壓直接接至X射線 管5兩端，變換產(chǎn)生的燈絲電流(懸浮于陰極高壓上)接X射線管5燈絲端。接收到中央 控制單元7的"出束"指令后，高壓逆變器3和燈絲逆變器6啟動，按照預設的基準電壓和 管電流工作，給高壓油箱4中的X射線管5提供工作所需電壓電流，從而射線管出束口發(fā)出 相應劑量的X射線，供輻照和成像使用。 控制電源9將直流降壓轉換為士22V、 士15V等低壓直流電，供中央控制單元7中 的模擬數(shù)字控制芯片工作用電。 參見圖2，中央控制單元7由DSP芯片8、保護電路11、高壓逆變器控制電路12、燈 絲逆變器控制電路13所組成，中央控制單元7，通過與上位機10通訊，將用戶設定的基準 高壓值與燈絲電流值讀入中央控制單元DSP芯片8內(nèi)部，采樣電路采得的實際輸出值與中 央控制單元DSP芯片送出的設定值進行比較，通過高壓逆變器控制電路12、燈絲逆變器控 制電路13產(chǎn)生實時的控制信號通過高壓逆變器3、燈絲逆變器6調(diào)節(jié)輸出以實現(xiàn)高壓發(fā)生 器高壓輸出穩(wěn)壓、燈絲穩(wěn)流工作，DSP芯片8通過保護電路11將保護信號送至高壓逆變器3 和燈絲逆變器6。 中央控制單元7是整個高壓發(fā)生器的控制核心部分，其中采用DSP數(shù)字控制芯片 來實現(xiàn)大量復雜的信號傳輸、轉換及采樣處理等工作。中央控制單元7負責與上位機10實 現(xiàn)串口通訊，發(fā)送X射線"出束"、"停束"指令信號，發(fā)送設定高壓和管電流基準信號，實現(xiàn) 高壓和管電流的實時檢測，以及將實時反饋信號與設定的基準值比較，再通過高壓逆變器 控制電路12、燈絲逆變器控制電路13脈寬調(diào)制后，送至高壓逆變器3和燈絲逆變器6驅(qū)動 脈沖，實時調(diào)節(jié)高壓及管電流，使X射線管5得到穩(wěn)定的高壓和管電流，供X射線機持續(xù)穩(wěn) 定的工作。 DSP控制是本X射線高壓發(fā)生器裝置的核心，負責控制整個高壓發(fā)生器系統(tǒng)的時 序關系、X射線出束、停束控制，以及故障信號的檢測、保護的動作以及與上位機的通訊等功 能。 本發(fā)明采用高性能數(shù)字控制芯片(DSP)來實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能，DSP又稱數(shù)字信號 處理器，是集成了 AD采樣功能、DA轉換功能、RS232串口通訊功能、內(nèi)部編程控制單元的數(shù) 字信號微處理器。自帶眾多I/O 口數(shù)據(jù)采集和指令輸出端口，足夠龐大系統(tǒng)控制措施的實 現(xiàn)。通過與電路通訊，將用戶設定的基準高壓值與燈絲電流值讀入DSP芯片內(nèi)部，高壓發(fā)生 器工作時，采樣電路采得的實際輸出值與DSP芯片送出的設定值進行比較，產(chǎn)生實時的控
5制信號調(diào)節(jié)輸出以實現(xiàn)高壓輸出穩(wěn)壓、燈絲穩(wěn)流工作。 實時采樣送入DSP芯片后，DSP芯片將其與保護基準值進行比較，超出保護閾值 時，輸出封鎖信號，相應保護電路動作，實現(xiàn)過壓、欠壓、過流、欠流、過溫、打火等多種保護 功能。 參見圖2、圖3a、圖3b，圖3為高壓逆變器串并聯(lián)諧振電路的原理圖，圖中VI V4 為M0S開關管，M0S開關管的型號為APT66F60B2。 Dl D4、 Cl C4為M0S開關管兩端反 向并聯(lián)寄生二極管和電容器，Ll為諧振電感，C5為隔直電容，C6為諧振電容(包含了高壓 負載折算到高壓變壓器原邊的電容)，Tl為高壓變壓器；處于對角位置的M0S開關管同時開 通和關斷，而同一橋臂上下開關管互補工作，且存在一定死區(qū)。 本發(fā)明高壓逆變器MOS開關管零電壓開通的實現(xiàn)原理在M0S開關管V1與M0S開 關管V4開通期間，主要為諧振電感Ll與諧振電容C6諧振，電源向負載側傳送能量，諧振電 感Ll中電流方向如圖3 (a)中所示。在M0S開關管VI與M0S開關管V4關斷，M0S開關管 V2、 V3還未開通的死區(qū)時間內(nèi)，由于電感電流及能量不能突變，諧振電感L1電流方向保持 不變且與電容C2、 C3諧振，將能量轉移到電容Cl、 C4中，諧振結束時使得電容Cl、 C4兩端 電壓均等于直流母線電壓，電容C2、 C3電壓為零。隨之，諧振電感Ll中的剩余能量通過寄 生二極管D2和D3回饋到直流母線(如圖3b中電流方向)。在寄生二極管D2、D3續(xù)流期 間，M0S開關管V2和V3兩端電壓被箝位至零，此刻發(fā)出M0S開關管V2和M0S開關管V3的 驅(qū)動脈沖便實現(xiàn)了 M0S開關管V2、V3管的零電壓開通。另一對M0S開關管V1、V4的零電壓 開通原理類似。 高壓逆變器3的控制采用高的開關頻率來提高高壓性能指標，提高開關頻率是目 前電源領域技術發(fā)展的趨勢，MOS開關管零電壓開通，使開關頻率提高到100KHz(kHz)，開 關頻率的提高可以提高整機的輸出性能，減少噪音，提升整機的功能密度，減小裝置的體積 重量。對以本發(fā)明X射線高壓發(fā)生器，采用大幅提升開關頻率的方法不僅可以提升功率密 度減少整機體積重量成本，更可以顯著提高高壓精度，減小高壓紋波，提高成像質(zhì)量。
高壓逆變器控制電路12設計主要包含高壓反饋信號的采樣、采樣信號的比較放 大、控制芯片的調(diào)頻控制、驅(qū)動信號的放大隔離四個方面。 高壓反饋設置在高壓油箱4內(nèi)部，通過高精度分壓電阻及分壓電容串并聯(lián)組合而 成，電阻電容組合成的采樣電路可以同時采得高壓變換的靜態(tài)和動態(tài)分量，送入控制回路 后具有好的動靜態(tài)控制性能。 采樣信號送入控制回路后與DSP芯片8給出的基準信號實現(xiàn)比較、放大再通過逆 變控制芯片后形成驅(qū)動脈沖，驅(qū)動脈沖經(jīng)過放大隔離后驅(qū)動高壓逆變器3，實現(xiàn)高壓閉環(huán)控 制。 系統(tǒng)工作步驟如下 當輸入側接通單相220V市電后，X射線機高壓發(fā)生器的低壓側開始工作。220V市 電經(jīng)整流濾波和軟啟動單元1后，經(jīng)過功率因數(shù)校正單元2給控制電源9供電，控制電源9 得電后瞬間啟動，形成士22V、 士15V等低壓控制電源，其中+22V電源送給整流濾波和軟啟 動單元1將軟啟動電阻切除，約ls后軟啟動結束，直流母線電壓被充電至400V實現(xiàn)預穩(wěn)。 控制電源9工作后中央控制單元7的一系列數(shù)字和模擬芯片工作狀態(tài)就位，等待控制指令 的發(fā)出。
6
DSP芯片8上電后，檢測系統(tǒng)使能信號，當系統(tǒng)工作狀態(tài)就緒給出高壓發(fā)生器使能 信號后，DSP芯片8開始工作，發(fā)出燈絲預熱信號。燈絲預熱約一分鐘后，X射線管5預熱就
緒，可以發(fā)出"出束"指令。上位機io用控制軟件通過串口線遙控設定所需的高壓電壓值、
管電流電流值，發(fā)出"出束"指令，DSP芯片8收到指令后開始控制兩個逆變器的控制芯片工 作，發(fā)出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動脈沖經(jīng)驅(qū)動放大隔離后送給高壓逆變器3及燈絲逆變器6工作，在 高壓油箱4產(chǎn)生相應的供X射線管工作所需的高壓電壓及燈絲電流，發(fā)出X射線。系統(tǒng)遙 控發(fā)出"停束"指令時，DSP芯片8控制兩個逆變控制芯片停止工作，切斷兩個逆變器的方波 脈沖輸出，從而關閉高壓和燈絲輸出，X射線高壓發(fā)生器停止工作。 X射線高壓發(fā)生器實現(xiàn)了電腦遠程控制，高壓值和管電流值可精確設置和隨時更 改。X射線管5與高壓電源部分實現(xiàn)一體化設計，減小了整套X射線裝置的體積重量，避開 了從高壓油箱4中引出高壓電纜的防護及高成本問題，便于移動和裝配，解決了目前X射線 高壓發(fā)生器行業(yè)高成本、大體積、不便移動和高電壓防護等問題。 參見圖4，圖4為本發(fā)明一種用于X射線機的高壓發(fā)生器的控制方法流程圖；步驟 100開始，在步驟101中高壓發(fā)生器軟起動。在執(zhí)行完步驟101后進入步驟102燈絲預熱， 在步驟103中通過上位機設定所需的高壓電壓值、管電流電流值，在步驟104中高壓給定給 出，管電流給定給出。在執(zhí)行完步驟104后進入步驟105高壓油箱內(nèi)高壓、管電流采樣。在 步驟106中根據(jù)步驟104給定的數(shù)據(jù)和步驟105采樣的數(shù)據(jù)，DSP芯片發(fā)出信號對高壓逆變 器控制電路和燈絲逆變器控制電路閉環(huán)控制。在步驟108中根據(jù)步驟107高壓油箱內(nèi)高壓 檢測的數(shù)據(jù)判斷是否超出電壓保護閥值，如果是，則進入步驟109過壓或欠壓保護動作并 報警。如果判斷是否定的，則進入步驟111根據(jù)步驟110高壓油箱內(nèi)管電流檢測的數(shù)據(jù)判 斷是否超出管電流保護閥值，如果是，則進入步驟112過流或欠流保護動作并報警。如果判 斷是否定的，則進入步驟114根據(jù)步驟113高壓油箱內(nèi)溫度檢測的數(shù)據(jù)判斷是否超出溫度 保護閥值，如果是，則進入步驟115過溫保護動作并報警。如果判斷是否定的，則進入步驟 117根據(jù)步驟116高壓油箱內(nèi)打火檢測的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生打火，如果是，則進入步驟118 打火保護動作并報警。如果判斷是否定的，則進入步驟119判斷是否關機，如果是，則進入 步驟120關機。如果判斷是否定的，則返回步驟103。 上面結合附圖對本發(fā)明進行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式 的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經(jīng)改進直接應用 于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種用于X射線機的高壓發(fā)生器，包括與電源相連接的整流濾波和軟啟動單元(1)、控制電源(9)、位于高壓油箱內(nèi)的升壓、整流單元，其特征在于，所述的整流濾波和軟啟動單元(1)與功率因數(shù)校正單元(2)相連接，通過高壓逆變器(3)、升壓、整流單元與設在高壓油箱(4)內(nèi)的X射線管(5)的陽極相連接，并通過燈絲逆變器(6)、燈絲變換電路與X射線管(5)的陰極相連接，所述的高壓油箱(4)內(nèi)設有與中央控制單元(7)相連接的采樣電路；所述的中央控制單元(7)還分別與高壓逆變器(3)、燈絲逆變器(6)、上位機(10)相連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種用于X射線機的高壓發(fā)生器，其特征在于，所述的中央 控制單元(7)由DSP芯片(8)、保護電路(11)、高壓逆變器控制電路(12)、燈絲逆變器控制 電路(13)所組成，中央控制單元(7)，通過與上位機(10)通訊，將用戶設定的基準高壓值與 燈絲電流值讀入中央控制單元DSP芯片(8)內(nèi)部，采樣電路采得的實際輸出值與中央控制 單元DSP芯片送出的設定值進行比較，通過高壓逆變器控制電路(12)、燈絲逆變器控制電 路(13)產(chǎn)生實時的控制信號通過高壓逆變器(3)、燈絲逆變器(6)調(diào)節(jié)輸出以實現(xiàn)高壓發(fā) 生器高壓輸出穩(wěn)壓、燈絲穩(wěn)流工作，DSP芯片(8)通過保護電路將保護信號送至高壓逆變器 (3)和燈絲逆變器(6)。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于X射線機的高壓發(fā)生器，其特征在于，所述的高 壓逆變器(3)由M0S開關管VI V4構成的逆變橋式電路和在M0S開關管VI V4源極和 漏極兩端反向并聯(lián)寄生二極管Dl D4和電容Cl C4，M0S開關管V1、V3的串接端通過諧 振電感Ll、隔直電容C5，高壓變壓器Tl的初級繞組與M0S開關管V2、 V4的串接端相連接， 諧振電容C6并接在高壓變壓器Tl的初級繞組上，高壓變壓器Tl的次級繞組與倍壓整流電 路相連接，M0S開關管VI V4的柵極與高壓逆變器控制電路(12)相連接。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于X射線機的高壓發(fā)生器，其特征在于，所述的采 樣電路輸出信號包括電壓采樣信號Vf 、燈絲電流采樣信號If 、打火信號F、過溫信號T。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種用于X射線機的高壓發(fā)生器，其特征在于，所述的中 央控制單元DSP芯片(8)型號為TMS320F2801。
6 . —種根據(jù)權利要求1 5所述的用于X射線機的高壓發(fā)生器的控制方法，其特征在 于，所述的方法包括下列步驟a) 通過串口通訊讀取用戶在上位機的控制界面上的高壓/電流設定值以及出束/停束 等控制指令。設定值經(jīng)內(nèi)部處理后，再經(jīng)過D/A轉換形成電壓和電流基準，送至控制電路參 與閉環(huán)控制；控制指令經(jīng)識別處理后，輸出一系列帶特定時序關系的控制指令，控制高壓發(fā) 生器電路正常工作；b) 各路采樣信號通過DSP芯片的A/D轉換、處理后，再傳輸至上位機的控制界面以實時 顯示各參數(shù)值；c) 將各路采樣信號與DSP芯片內(nèi)部設定的保護閾值比較，處理后形成保護信號送給控 制回路形成電路保護。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于X射線機的高壓發(fā)生器及其控制方法，包括與電源相連接的整流濾波和軟啟動單元、控制電源、位于高壓油箱內(nèi)的升壓、整流單元，其特征在于，整流濾波和軟啟動單元與功率因數(shù)校正單元相連接，通過高壓逆變器、升壓、整流單元與設在高壓油箱內(nèi)的X射線管的陽極相連接，并通過燈絲逆變器、燈絲變換電路與X射線管的陰極相連接，高壓油箱內(nèi)設有與中央控制單元相連接的采樣電路；中央控制單元還分別與高壓逆變器、燈絲逆變器、上位機相連接。與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點，1、高壓發(fā)生器采用了串并聯(lián)諧振技術，實現(xiàn)開關管的零電壓開通，從而可以使開關頻率提高到100kHz。2、X射線管集成在高壓油箱中，省去了高壓線從油箱中引出外接X射線管引起的一系列高壓絕緣及防護問題。
文檔編號H05G1/08GK101765290SQ20091018584
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月7日 優(yōu)先權日2009年12月7日
發(fā)明者劉靜, 朱永亮, 胡旭 申請人:蕪湖國睿兆伏電子股份有限公司