X射线源用电源综述

X射线机用电源综述李璀[1]刘鹏[1]邹邵武[1]（1.重庆通信学院重庆400035）摘要：影响实时成像技术最主要的因素之一就是管电压，如何提高X射线机的管电压质量研制高性能X射线机用高频高压电源也就变成了提高成像质量的关键技术。而现有功率器件、先进变换技术以及先进控制检测技术的发展，为解决这一个问题提供了有力的保障。关键词：X射线机；高频高压电源；软开关技术；谐振技术一、X射线机用电源概述由于X射线具有穿透作用、电离作用、荧光作用等，使得X射线在医学检查、工业无损探测、公共安全检查等领域广泛应用[1-4]，而产生X射线需要三个基本条件为：（1）自由活动的电子群；（2）电子群的高速运动；（3）高速电子群的突然阻击。所以为了得到大剂量大能量持续稳定的X射线就需要稳定性好精度高的高压电源来为提供X射线机提供电源。下图为高压电源在X射线机中的地位和作用：X射线管控制器高压电源冷却系统市电/蓄电池图一X射线机结构图如图一所示，高压电源由市电220伏（蓄电池）提供基本电源，受控制器的精确控制为X射线管提供灯丝电流（提供自由活的电子群）和高压场电压（使电子群高速运动），并且实时的把高压电源的实时电压电流信息反馈给控制器。X射线机用电源按工作频率其发展可分为工频高压电源、中高频高压电源。工作在工频的直流线性稳定电源其组成结构如图二所示[5]。直流线性稳定电源是因电路中的调整功率管工作在线性放大状态而得名。线性稳定电源有电路结构简单、可靠性高、输出纹波小、电磁干扰小、动态响应速度快等优点，所以直流线性稳定电源得到比较广泛的应用。然而由于直流线性稳定电源的调整管工作在放大状态，所以发热量大（需要加庞大的散热片，不利于微型化），效率低（效率一股只有45%），这一因素限制了它在X射线机中的应用。而随着电力电子器件、变换拓扑电路和控制技术的发展，应用于X射线机中的电源多为中高频高压电源。由于电源工作在中高频，从而减小了升压变压器的体积和重量；由于加入功率补充器和利用软开关谐振技术，从而提高了电源的工作效率；由于控制结构和控制算法的改善，从而电源的输出电压质量也大为提高；整体而言，高频高压电源有如下优点：输出电压等级高、精度高、稳定性好、纹波系数小、体积小重量轻等优点，所以决定了它在X射线机中的应用地位不断的攀升。X射线机用高频高压电源其组成结构如图三所示[6,7]。由图可以看出，整个系统可以分为三个模块：管电压控制调节模块、灯丝电流控制调节模块、核心控制保护模块。由于X射线机用高频高压电源最为核心功能之一就是输出高质量直流高压，所以下面只对管电压控制调节模块工作原理进行介绍。该模块工作过程为：电网电压经过EMI、PFC模块（功率因数校正模块）和整流滤波单元后得到功率因数接近于1的直流电压；进入由控制单元控制的斩波电路后输出可控的直流电压；再经过由控制单元控制的逆变电路可以得到频率可调的高频脉冲电压；最后经过高频变压器和倍压整流电路的作用最终输出电压幅值很高、纹波系数很小、稳定性很高的直流电压。输入工频变压器整流滤波电路基准电路比较放大器取样电路AC220vU串联调整器件Uo图二线性稳定电源工作原理框图逆变整流滤波斩波220、380VACEMI整流滤波斩波逆变高频变压器倍压整流控制单元电压反馈保护电路电流反馈保护电路键盘显示外接PC机外接X射线管PFC模块变压器整流图三X射线机用高频高压电源结构图二、国内外X射线机用电源简单现状由于高频高压直流电源具有输出电压等级高、稳定性好、精度高、纹波系数小和体积小重量经等优点，使得国内外对高频高压电源的研制也不断的发展。下面对国内外X射线机用高频高压电源进行比较分析，表一为国内外部分X射线机用高频高压电源生产厂家产品对比表[8-12]。表一X射线机高频高压电源指标国家公司名字型号输出功率（KW）输出电压等级（KV）稳定度纹波系数英国GulmayCP450MAX4.5MAX450≤0.2%≤0.2%德国YXLONMG450MAX4.5MAX450≤0.1%≤0.1%美国SPELLMANXRS450MAX4.5MAX450≤0.1%≤0.15%中国上海日行电气ZGF300MAX3.0MAX300≤0.5%≤0.5%中国创亿电气CYZG-400MAX1.2MAX400≤1%≤1%中国江苏宝应中测电气BCGF-300MAX3.0MAX300≤0.5%≤0.5%由上面表中数据对比可知，在输出电压等级方面：国外生产厂家基本都能生产出电压为450千伏的高频高频电源，而在国内只有一家公司（丹东奥龙射线仪有限公司）可以生产出450千伏的高频高压电源，但其电压质量（稳定性和纹波系数）不是很好，在这是没有列写出来；而就调节范围而言，国外的高压发生器的调节范围普遍比国内的要宽，国外一般都能实现该电压等级上全范围可调；在稳定度和纹波系数方面，国外一般都能达到0.2%（性能好的能达到0.1%）的指标，而国内比较好的也只能保证达到0.5%。经上述分析可知，国内的X射线机用高频高压电源的生产状况不是很理想，还有很长的路要走，如果能够设计出一台具有自主知识产权的高性能的X射线机用高频高压电源对国家有着重要的意义。三、X射线机用高频高压电源研制过程中的难点随着电力电子器件、变换拓扑电路和控制技术的发展以及对其应用，使得X射线机用电源性能不断提高，并向高频化、高压化、高效率、高可靠性、智能化和轻小型化方向发展。而在这个过程中主要表现出来的技术难点有：（1）X射线机用高频高压电源中高频变压器阻碍其向高频高压轻小型化方向发展。高频化使得高压电源装置小型化，系统的动态反应速度加快；电源装置效率提高并能有效的抑制环境噪声污染。但高压电源高频化小型化发展的主要障碍体现在高频高压变压器上为[13]：1）高频变压器体积减小，频升高，分布容抗变小，使得其绝缘问题突出；2）高压输出高则变压器的变比较高，而大变比必然使变压器的非线性严重，使其漏感和分布电容大大增加使其必须与逆变开关隔离，否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件；3）高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。（2）开关器件的频繁开关，使得开关损耗增大，抑制了X射线机用高频高压电源效率的提高[13]。由于X射线机用高频高压电源的工作频率很高，导致功率开关器件的关断频繁。如图四所示，开关管工作在硬开关状态时，由于开关管不是理想器件，当瞬间开通时，开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降的时间，同时它的电流不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，这里就产生了损耗，称之为开通损耗，同理，开关管关断时会产生关断损耗，两者统称为开关损耗。在一定条件下，开关管在每个开关周期的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化发展。VgVd0PidPonPofft0tt图四开关管硬开关时的电压和电流波形（3）控制方法制约了X射线机用高频高压电源输出电压质量的提高如数字PID控制方法，由于它有算法结构简单、响应速度快等优点，被广泛地应用于X射线机高频高压电源中[14]，但由于其控制对象X射线机高频高压电源中有时变因素的存在，所PID控制对象不是固定不变的，随着时间的进行，对象特性会发生变化，而它的三个调节参数是固定不变的，这就影响到系统的控制性能。四、先进技术为了解决在研制X射线机用高频高压电源过程中出现的问题，经过调查分析可知：通过对高频高压变压器涡流效应、高频铁损以及瞬态饱和的防范，可以大为缓解在制作X射线机用高频高压电源中高频变压器表现的难点；采用谐振变换技术可以利用其电路寄生参数参与谐振减少开关损耗，实现软开关技术，提高开关频率；而解决控制方法上的问题主要从两个方面进行：一是改善系统控制结构；二是完善控制算法。下面分别对其具体介绍。（1）减小高频高压变压器升压比，选择优质材料设计构造新型高频高压变压器；此处可以从三个方面进行介绍：1）利用倍压整流模块与高频高压变压器组合来担当X射线机高频高压电源的升压作用，从而也减轻了高频高压变压器升压负担，进而在满足电压需求的情况下，绝缘问题也得到了缓解；2）借鉴平面变压器设计理念，改变传统方法对高频高压变压器进行设计；如果高频高压变压器也能实现平面化，将会再次大大缩小电源体积，提高其工作效率；3）选择优质高性能材料，制作高频高压变压器；高磁导率、小矫顽力则磁滞损耗小；变压器的体积取决于铁芯的截面积S，而截面积S的大小由变压器功率容量和铁芯磁通密度Bs决定；所以应该采用具有高饱和磁通密度，高频下磁滞损耗小，居里点高，温度系数小的材料作为高频变压器的磁芯材料。铁芯最大工作磁通密度Bm和磁通变化量△B决定了变压器的磁滞损耗和涡流损耗，所以合理确定Bm至关重要。为了防止变压器在初始工作时，磁通密度B会从Br（剩磁密度）上升，一个周期达到饱和磁通Bs，建议取Bm＜Bs-Br（Bm≈1/3Bs）。如果铁芯的矩形度很好，Bs-Br很小，这样Bm就更小了。从而以保证在工作过程中不饱和，充分满足了变压器的设计要求。（2）利用软开关和同步整流技术，减小高频化带来的开关损耗；同时采用逆变器与谐振电路相结合的技术，使通过电压或电流谐振，使开关打开或断开时电压或电流为零，使能耗大大减小；为了减少变压器漏感的不利影响，可以将变压器漏感作为逆变器的一部分，即逆变—谐振—变压器漏感，用一体化思想进行整体设计[15]。软开关按其实现时电流电压情况可分为零电流开关（ZeroCurrentSwitching,ZCS）和零电压开关（ZerovoltageSwitchin,ZVS）。其中零电流开关就是想实现在零电流时实现关断和开通，而零电压开关就是想在零电压的情况下实现开通和关断。软开关技术也即是使得电流电压在开关管开通和判断时不会（减小）重叠区域的技术。软开关技术可分为：全谐振型变换器、准谐振变换器、多谐振变换器、零开关PWM变换器、零转换变换器和非谐振式软开关。这里只介绍全谐振型变换器，全谐振变换器利用谐振现象，开关器件中的电流可以减小到零以后而实现开关器件的关断，这种变换器电路克服了脉宽调制型功率开关管开关损耗随开关频率成正比提高的缺点，能使开关损耗减小，工作频率提高，为高压大功率开关电源的高频化实现了可能。该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器、并联谐振变换器以及串并联谐振变换器三类。该变换器与负载关系很大，对负载的变化委敏感，一般采用频率调制方式（PFM）。如图五所示，为逆变—谐振—变压器整体原理图。在进行谐振计算时，首先是将变压器各参数（包括变压器的漏感等）折算到原边记为R，进而开始进行谐振计算，从而最终实现谐振，减小了能量损耗。ES1S2S3S4D1D2D3D4CrLrCpTV1CrLrCpVoR+-图五串并联谐振变换原理图及等效图（3）根据系统对象特性，改善控制系统结构和完善系统算法。首先从改善系统控制结构方面考虑。根据系统控制需求（电压反馈和电流反馈）可选用电流型控制方法或V2控制型方法来代替电压型控制方法，从而构成双闭环控制系统，最终提高系统的响应速度[16]。再者就是改进系统的控制算法。研究系统特性（随着工作时间进行，系统器件受温度等的影响）为时变多变量复杂系统，所以如上面所述传统的数字PID不能满足系统的需求，并接合现有先进控制算法（如智能控制算法和自适应控制算法）等特点，设计出一种能适应x射线机高频高压电源的优质完善的控制算法。五、总结由于X射线的广泛应用，而X射线机用高频高压电源现状通过对比分析可知，我国的X射线机用高频高压电源的生产状况较国外还有一定的差距；所以如果能利用先进技术缓解和解决生产高频高压电源中的难点问题进而能设计生产出具有自主知识产权的轻小型智能化X射线机用高频高压电源，将具有较强的现实意义，并且也蕴藏着巨大的商机。参考文献[1]杨福家.原子物理学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2003.[2]郑世才.射线检测[M]