X线高压发生器的组成--解析

王存航

   高压发生器的基本功能是输出高压、产生灯丝电源和阳极驱动电源。从这个角度来说，高压发生器是3个独立的电源协调工作，来控制KV、MA、曝光时间的。高压发生器就是由这3个电源和控制电路组成。
  1. 阳极驱动电源
功能：驱动阳极按规定的速度旋转；对于多球管的设备有球管选择功能。
负载特点：阳极驱动电源的负载是旋转阳极，是一个具有单相、两相或三相绕组的异步电机。球管的容量越大，阳极靶的直径越大，转动惯量越大。对于给定的球管来说，转动惯量就确定了，其它参数如绕组的参数由制造商提供，对于摩擦等阻转矩基本上可以看作是固定的，这样启动电压和运行电压就确定了。因为异步电机的转速与驱动的电源频率成正比， ,f为电源频率，p为电机的极对数，n为电机的转速。这样驱动电源的频率就固定了。所以负载的特点可以使阳极驱动电源开环运行。
状态：阳极电机处于两个稳态和两个瞬态。从静止（一种稳态）过渡到运行状态（另一种稳态）需要经历加速过程（瞬态）；反过来，从运行状态达到静止状态，需要经历减速刹车（另外一个瞬态）过程。根据应用的不同，球管的稳态速度可能有几个，如低速3300RPM,高速9600RPM。这几个稳态速度对应不同的驱动电源频率。电压的大小决定了流过绕组电流的大小，也决定了转矩的大小。同时，绕组存在电阻，电流是产生绕组发热的原因，在透视时是阳极发热的原因之一。因为透视功率只有120KV*5MA=600W。因此，电源的电压够用即可，能够克服摩擦转矩和阻转矩即可。
电路要求：能够提供不同的频率和不同的电压，控制和完成状态之间的转换，并具有球管选择的功能。
  2. 灯丝电源
功能：按设定值来实现稳定的电流输出并具备灯丝选择功能。
负载特点：电阻性（0.2-3.0 Ohm）+电感（0.1-1uH）；变压器隔离；寿命与电流大小相关
 控制特点：电流闭环控制，PWM方式。
闭环控制的原因在于：灯丝电流决定灯丝的发热量，就是灯丝的温度，温度决定了发射电子的密度和数量，在高压输出一定情况下，MA电流跟随电子密度变化，即跟随灯丝温度变化，也就是灯丝电流的变化。见图Fig.2.1。
        图Fig2.1右半部分表明，灯丝电流存在一个阀值i0，当灯丝电流小于阀值i0时，灯丝还不能有足够的电子发射，因此没有管电流的形成。当灯丝电流大于阀值i0时，管电流开始缓慢增长，随着灯丝电流的增大，管电流开始显著增加，曲线陡起来。
        此图还表明，管电压的大小对管电流也存在影响。在灯丝电流一定的情况下，如灯丝电流大小为i4，管电流随管电压的增加有增大的势头。和左图对应起来即i3>i2>i1；这是因为灯丝发射能力一定的情况下，管电压越高，电子的速度越快，单位时间内的电子数目越多，管电流自然就大。还可以看出，对应不同的管电压和管电流，灯丝电流的需求是不一样的。
        Fig.2.1图中左部分是阳极特性曲线。阳极特性曲线类似三极管特性，当灯丝电流大于阀值时，灯丝具备了发射电子的能力，如果此时在阳极和阴极之间加上管电压，管电压由0KV开始增长。在管电压的加速作用下，部分电子达到阳极；随着管电压的增加，到达阳极的电子数目越来越多，管电流的大小开始迅速增长；当灯丝发射的电子全部到达阳极时，管电流大小基本恒定，基本上是一组对应不同管电压的水平线了。
Fig2.1球管的电特性
   由此可看到管电流和灯丝电流关系：想要MA稳定，必须灯丝稳定。但实际上KV的输出是有变化的，灯丝电源的的本身供电也变化，为了抑制变化的影响，必须采用闭环控制，而且控制量为灯丝电流而不是电压。
   另外，灯丝的寿命与灯丝电流密切相关。下面是寿命曲线图Fig.2.2。
   由图中看到，灯丝电流在很小时，寿命可以达到百万小时；当灯丝电流为6A的时候，寿命仅一个小时。曲线反映了这样一个事实：寿命与电流大小成反比。为了延长球管的使用寿命，所以尽量减少灯丝电流在较大值的时间长度。但是，在实际工作中，又要快速地让灯丝投入使用，就采用了折衷的方法：平时以2.5A左右的灯丝电流保持灯丝的最低温度，一旦需要曝光，立即升到MA电流对应的灯丝电流上；曝光结束，灯丝电流再次变为2.5A。2.5A的灯丝对应的寿命是20万小时。2.5A的灯丝电流一般称为Standby电流，而升到曝光所需的电流分为两个：Boost和Preheat电流。Boost电流持续时间很短，大概200ms以内，电流值接近灯丝最大值，目的是尽快加热灯丝；Preheat电流对应曝光mA电流所需的灯丝电流，保持稳态。
   因此灯丝电路中必须有这样的电路：过流保护、Standby电流、Preheat电流及它们之间的大小和时序控制。
   Fig2.2灯丝寿命曲线
  3高压逆变介绍
功能：高压逆变部分是高压发生器的主体，负责高压的输出，整体性能取决于此。
负载：是球管，要求输出电压平直，纹波小，响应快。
状态：在曝光前输出为0，是一种稳态，曝光过程中，输出电压建立，这个过程是瞬态，要求快；曝光过程中，输出电压稳定，这是稳态；曝光结束，输出下降，经历另一个瞬态后到达输出为0的稳态。可以把这部分看成是一个有内阻的电压源，在输出MA电流改变时，电压改变。因此必须增加闭环控制回路。
电路要求：电压闭环控制，响应快速，纹波小。
电路结构：在实际的高压电路中，大多采用串联谐振电路。Fig.2.3是负载电阻和适用电路的结构。图中横坐标为负载电阻(MΩ)，纵轴为能达到的输出功率(kW)。
  Fig.2.3 负载和电路结构的关系
  采用串联谐振电路的原因之一是变压器的问题。变压器的等效电路见Fig.2.4。由理想变压器和漏感L1串联之后和激磁电感并联，次级等效电路并联匝间电容Cw。因为在PWM方式控制的电源中，工作频率一般在20kHz以下，变压器的匝数比也比较小，因此漏感和匝间电容Cw较小，对电源的影响不大。但高频谐振电源时，漏感和匝间电容Cw参与了电源的谐振过程，明显地改变转换器的特性。因为高压DC-DC转换器因为变压器大的匝数比，使得变压器非理想化程度非常严重。
变压器的阻抗曲线如Fig.2.5。可以看出，该示意图的阻抗曲线存在两个尖峰。第一个尖峰是由激磁电感和Cw并联组合引起。第二个尖峰实际为谷地，是由于漏感Ll和匝间电容Cw的串联的结果。等效的结果显示变压器开始等效为一个电感，随之为电容特性，最后为电感特性。在PWM开关转换器的漏感导致电压尖峰，匝间电容导致电流尖峰和上升时间变长，自然地增加了开关损耗和吸收电路的损耗。因为谐振转换器中这些寄生因素本身是可以利用的器件，漏感和匝间电容可以部分或全部地作为谐振回路的一部分，从而利用了变压器非理想化，这自然提高了转换器的效率和可靠性。为了利用这些寄生因素，串联谐振电源成为最好的选择。这是因为：变压器的漏感可以作为谐振电感Lr的一部分甚至就以漏感做为谐振电感。同样匝间电容作为谐振电容Cp的一部分，因而消除了这些寄生因素的影响。
另外，在大容量的电源中，电路采用半桥或全桥结构。原因是：在单端电源的两种结构中，正激式结构只在开关管导通时传递能量，因为磁芯单向工作，还必须加去磁回路；反激式结构在开关管导通时存储能量，在截止时将能量耦合到次级，实现能量传递。在这两种结构下，磁芯材料只是一半被利用。因此只适用在功率较小的电源中；推挽电路实现了磁芯的双向应用。但是截止时开关管上承受的反压为电源电压的2倍，因此需要高反压的开关管。在电源电压输入高的时候不太适用。半桥结构克服了推挽电路的缺点，它通过将电容分压的半个桥臂来解决问题的。这样开关管的反压和电源一样，因此在输入电压高的大功率电源中常常采用。但很明显，为了得到和推挽电路一样的功率输出，其电流是推挽电路的2倍。全桥电路则克服了半桥电路的缺点。保持开关管的反压为电源电压，同时保持大功率输出。代价是多了两个开关管，也就增加了损耗。但是对于输入电源高的大功率电源来说，这点损耗是可以接受的。
  4控制电路介绍
高压发生器不但是一个输出高压的部件，而且在高压的基础上具有更为丰富的功能。现代的电子技术十分发达，CPU在高压发生器上的使用更使得功能得以丰富。在软件的支持下，高压发生器可以实现连续透视、脉冲透视、ABS控制、AEC控制、APR等功能，还支持远程维护和升级功能。
控制电路是一个由CPU组成的微机系统，包括CPU、RAM、ROM、I/O、AD/DA、UART和指示电路等。完成数据存储、计算、高压发生器的初始化、状态检测、控制等功能。

行雁书

学习啦，这些照片在哪里呢

sanclaem

感谢分享，请问有图片吗？大哥