便携式X光机高频逆变电源及其控制系统的研究2011-1-15（打印版）

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 7.96MB 73 页 15积分
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摘 要
X射线在医学和工业生产上都有广泛的应用，X射线的产生需要有一个高
压电源，此高压电源也就成为 X射线设备的核心部件。传统的 X射线机电源由
于直接采用 50/60 Hz 工频电源经过变压器升压后获得，故具有体积大、效率低，
高压输出稳定性和重复性差，成像质量低的缺点；本课题通过对软开关逆变电
源技术的研究，结合单片机控制技术设计了一个输出功率为 6kW(100 kV，60
mA，0.1s)的小功率医用高频逆变 X射线用高压电源，并集 X射线发生器和操
作控制器为一体，具有便携性能，可应用于大型 X光机不能充分发挥效能的地
方，如社区医疗，农村医疗，VIP 上门诊断，医生专用车，体检车，国家灾害
救助，政府开发援助(ODA)，国际性援助，放射研究教学机关，体育俱乐部，
宠物医院。便携式 X射线机也是战地、抢险救灾等情况下开展医疗救治的重要
装备。
本文在绪论部分介绍了 X射线机及便携式 X射线机的国内外研究情况，以
及论文选题背景及论文的主要研究内容。第二部分介绍了软开关逆变电源技术，
并对串联谐振逆变电路的工作原理进行了详细的分析和研究。第三部分详细分
析了本课题所设计的高频高压电源主电路的工作原理和设计过程，并对各部分
电路，如全桥整流滤波，串联负载谐振逆变器，高频高压变压器、倍压整流滤
波电路等进行了理论分析和计算，给出了设计参数，并通过 MATLAB 进行了仿
真试验和实际电路调试。第四部分介绍了逆变驱动信号的产生、电路原理分析、
以及印制板的制作，并对逆变驱动电路进行了仿真和实验研究。第五部分介绍
了单片机控制技术在本课题软硬件设计中的应用，并给出了软件的程序流程图
和硬件设计原理。
最后对本课题所研制的便携式 X射线高频高压电源关键部分进行了实验测
试，其结果表明技术指标达到了本课题要求。
本课题的主要贡献在于：(1)采用高频逆变技术大大缩小了高压电源的体积；
(2)采用软开关技术大大减小 IGBT 的开关损耗；(3)结合了单片机控制技术，实
现X射线发生器和操作控制器为一体的小型化和便携化。
关键词： 便携式 X 射线 高频高压发生器 单片机
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的电路原理图
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ABSTRACT
X-ray has been widely used in the medical and industrial fields. The X-ray
generator is a core component in X-ray machine. Traditional X-ray machine, due to
the use of low-frequency(50/60 Hz) power voltage to generate the high voltage
through the transformer, has a large volume,low efficiency, poor stability and
reproducibility of voltage output. Based on the soft-switching high-frequency
inverter and SCM technology, the research on high-frequency generator and its
control system for medical portable X-ray machine is discussed in this paper. Its
output is 6kW(100 kV,60 mA,0.1 s). X-ray generator units are highly integrated
with control device. Because of the characteristic of small, light-weight and high
power, it possess superior flexibility and adaptability in markets where large scale
X-ray machine are not applicable, such as military, police, earthquake relief,
community medical center, rural area medical center, VIP on-site diagnostic check,
medical check-up vehicles, radiology research and education institutions, sports
clubs.
Chapter one, the background and tasks of this paper is introduced. In chapter two,
the soft-switching inverter technology is analysed and the principle of series resonant
inverter circuit is discussed in details. In chapter three, the design prosess of main
circuit of the high-frequency inverter power is discussed, and the theoretics analysis
and calculations of the full-bridge rectifier filter, series load resonant inverter, high-
frequency high voltage transformer, voltage rectifier filter circuit are introduced in
details. The parameters of electronic components are given and the main circuit is
simulated by MATLAB. The fourth section describes the generation of the inverter
driving signals. The analysis of circuit, production of PCB and the simulation of the
inverter drive circuit are introduced. In chapter five, the application of SCM
technology for the generator control system is introduced, and the flow charts of the
control system have been given.
Finally，the operational characteristics of this X-ray generator have been proved
by experiments to be fully agreed with the design targets.
The main contribution of the paper: (1) The volume of high voltage power has
been greatly reduced by high frequency inverter technology. (2) Reducing IGBT
losses in series resonant converters by the soft-switching technology. (3) Base on the
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It has a core component--
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SCM technology, X-ray generator is highly integrated with control device.
Key Word：Portable, X-ray, High Voltage Generator, SCM
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目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................1
§1.1 引言 .............................................................................................................1
§1.2 国内外先进水平 .........................................................................................2
§1.3 主要关键技术 .............................................................................................3
§1.4 论文的主要工作内容 .................................................................................4
§1.5 本课题关键技术指标 .................................................................................5
第二章 X射线源高压发生器主电路研究 ................................................................6
§2.1 引言 .............................................................................................................6
§2.2 谐振电路 .....................................................................................................7
§2.2.1 基本串联谐振电路 ..........................................................................7
§2.2.2 谐振电路中串联负载电阻 ..............................................................9
§2.3 串联负载串联谐振逆变器 .......................................................................10
§2.3.1 拓扑结构和开关模态 ....................................................................10
§2.3.2 fs<fr/2 时逆变器工作方式 ............................................................ 15
§2.3.3 fr/2 < fs<fr时逆变器工作方式 ...................................................... 17
§2.3.4 fs>fr时逆变器工作方式 ................................................................19
§2.4 小结 ............................................................................................................22
第三章 X射线源主电路设计 ..................................................................................24
§3.1 引言 ...........................................................................................................24
§3.2 整流滤波电路设计 ...................................................................................25
§3.3 串联负载谐振逆变器设计 .......................................................................26
§3.4 功率开关管的选择 ...................................................................................27
§3.4.1 IGBT 的构造与特征.......................................................................27
§3.4.2 IGBT 选择.......................................................................................28
§3.5 高频升压变压器及倍压整流电路设计 ...................................................28
§3.5.1 高频升压变压器设计 ....................................................................28
§3.5.2 变压器漏感测定 ............................................................................35
§3.5.3 倍压整流电路设计 ........................................................................36
§3.7 电路仿真 ...................................................................................................37
§3.7.1 MATLAB 仿真软件....................................................................... 37
§3.7.2 主电路仿真模型............................................................................38
§3.7.3 倍压电路仿真模型........................................................................42
§3.9 小结...........................................................................................................45
第四章 逆变驱动电路设计......................................................................................46
§4.1 引言...........................................................................................................46
§4.2 PFM 信号产生及其工作原理...................................................................46
§4.2 驱动板电路调试.......................................................................................48
§4.3 小结...........................................................................................................50
第五章 X射线源的单片机控制系统设计.............................................................. 51
§5.1 引言...........................................................................................................51
§5.2 控制系统软件设计...................................................................................52
§5.3 控制系统硬件设计...................................................................................55
§5.4 小结...........................................................................................................57
第六章 实验结果......................................................................................................58
§6.1 电路测试测试使用设备...........................................................................58
§6.2 主电路谐振波形测试...............................................................................58
§6.3 倍压电路测试...........................................................................................60
§6.4 联机调试...................................................................................................60
§6.4 小结...........................................................................................................61
第七章 总结与展望..................................................................................................63
参考文献....................................................................................................................65
在读期间公开发表的论文和科研项目及取得成果................................................69
致 谢........................................................................................................................70
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
1895 年德国物理学家伦琴在研究阴极射线管时意外发现了 X射线，很快将
其应用于医学领域，到了 20 世纪 10～20 年代，出现了医用常规诊断 X线机[1]，
到20 世纪 60 年代中、末期，已形成了较完整的诊断用 X线机系列，如胃肠 X
线机、普通拍片机、胸片机、牙科 X线机、乳腺机、移动 X线机等等，不过这
些设备都是在医院或一些专业医疗机构中装备使用，然而随着 X线机应用技术
的拓展，如很多急救、恶劣、复杂环境中，在战地、抢险救灾、体育竞技赛场、
小动物的救治等过程中，这些笨重的固定装备已不能充分发挥其应有的功能，
由此产生了便携式 X线机。
由于便携式 X射线机集 X射线发生器和控制器为一体，具有卓越的灵活配
置性，特别在很多不能使用大型 X线机的地方得到了充分的应用，如社区医疗，
农村医疗，VIP 上门诊断，医生专用车，体检车，国家灾害救助，政府开发援
助(ODA)，国际性援助，放射研究教学机关，体育俱乐部，宠物医院。便携式 X
射线机也是战地、抢险救灾等情况下开展医疗救治的重要装备。
我国早期自行研制生产的便携式 X线机，主要采用工频设计，整机主要分
为X射线球管、控制器、机架等几部分，制约其便携性的关键是体积较笨重的
变压器，而且其 X射线效能极低，曝光参数的准确性和重复性很差，射线剂量
不稳定，体积大，携带不便，操作繁琐，且很不适用于腰椎、骨盆等身体较厚
部位的投照检查[2]。
因此不断研究 X射线控制相关技术，比如如何减小设备的体积、使其具有
更好的便携性，提高高压直流电源的稳定性、可靠性和可重复性，使得 X射线
剂量的稳定性和能源使用的高效率，是便携式 X射线机研究与发展的趋势。
80 年代后期由于逆变电源技术的发展成熟，在 X射线机的高压电源与灯丝
加热电源控制中采用了逆变电源技术，逆变的频率从传统 X线机所使用的
50/60Hz 提高到几百赫兹到几千赫兹，甚至几万赫兹。变频技术在 X线高压电
源中的应用不仅实现管电压(KV)和管电流(MA)实时控制，提高了高压输出的稳
定和重复性；使得 X射线的质量高、剂量稳定性好；而且还可实现结构小型化，
便携式 X光机高频逆变电源及其控制系统的研究
2
从而可以减小电源的体积和重量，满足便携性能要求；另外，由于逆变是直流
转化为交流的过程，所以可直采用直流电源供电，这意味着可利用电池解决电
源的问题，对于缺少交流电或电源条件差的场合，具有特殊意义[3]。
§1.2 国内外先进水平
随着科技的发展，高频逆变技术在 X射线领域得到广泛应用。高频 X射线
机的核心部件就是逆变器及其控制电路，即将工频电源整流成直流，再通过逆
变电路，将直流电压变成高频交流电，供给变压器，然后经整流、滤波电路，
从而得到直流高压以提供给 X线球管工作。同时，高频 X射线机的高压变压器
和灯丝变压器能够做得很小，这样也大大减小了其体积和重量。并且可以大大
减少软射线的输出，因而医生和受检者受到 X射线照射的剂量也会大大减少；
单位时间内输出射线剂量大，输出稳定和重复性好；并可实现操作自动化，比
如自动曝光、实时监控和监测显示、故障报警等，从而也为其数字化、智能化
提供技术保障[4, 10]。
根据变压器电源传输原理，提高频率可以减小铁芯的截面积和线圈的匝数，
从而可以减小电源的体积和重量，所以对如何提高逆变频率的研究具有很现实
的意义。各研究机构和各 X线机方面的生产厂商都在研究更高频率的 X线逆变
电源控制技术，比如美国的 QUANTUM MEDICAL IMAGING 公司将逆变频率
最高做到了 80 kHz，加拿大的 CPI 公司已经做到了 250 kHz。频率的提高为便
携式 X线机提供了基本的技术保障。
野战卫生装备的信息化水平和能力对 X射线诊断、远程医疗乃至于卫勤保
障信息化的影响很大，外军非常重视发展和装备野战数字化 X射线诊断设备[5,
6]。美国、日本、德国等军队的野战 X射线机均采用高频技术，因而机器可以
做得非常轻巧，效率也非常之高，用较小的射线量就能够拍出效果很好的 X线
片。装备在日本自卫队等一些亚洲国家军队的小型高频 X射线机机器非常轻巧，
携带方便，故障率低，可以开展四肢、胸部、头部、脊椎等全身拍摄。特别适
合部队野战、抢险救灾等环境比较艰苦、条件简陋的地方使用。目前美国、德
国、日本以及欧盟一些国家军队用于野战装备的小型便携式 X线机来自于一家
叫米卡萨(MIKASA)的日本公司。该公司已经有数十年专业生产便携式 X射线
机的历史，已广泛应用于医疗机构、红十字机构、野外单位、体育团体和有条
件的社区诊疗机构等。
根据变压器电源传输原理，提高频率可
以减小铁芯的截面积和线圈的匝数，从而可以减小电源的
体积和重量，所以对如何提高逆变频率的研究具有很现实
的意义。各研究机构和各 X线机方面的生产厂商都在研究
更高频率的 X线逆变电源控制技术，比如美国的
QUANTUM MEDICAL IMAGING 公司将逆变频率最高做
到了 80kHz，加拿大的 CPI 公司已经做到了 250kHz。频率
的提高为便携式 X线机提供了基本的技术保障。目前美国、
德国、日本以及欧盟一些国家军队用于野战装备的小型便
携式 X线机来自于一家叫米卡萨（MIKASA）的日本公司。
该公司已经有数十年专业生产便携式 X射线机的历史，已
广泛应用于医疗机构、红十字机构、野外单位、体育团体
和有条件的社区诊疗机构等。
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随着科技的发展，高频逆变技术在 X
射线领域得到广泛应用。高频 X射线机的核心部件就是逆
变器及其控制电路，即将工频电源整流成直流，再通过逆
变电路，将直流电压变成高频交流电，供给变压器，然后
经整流、滤波电路，从而得到直流高压以提供给 X线球管
工作。同时，高频 X射线机的高压变压器和灯丝变压器能
够做得很小，这样也大大减小了其体积和重量。医生和受
检者受到 X射线照射的剂量大大减少；输出射线量增大，
输出稳定性和可重复性好；实现了操作自动化，比如自动
曝光、实时监控和监测显示、故障报警等，从而也为其数
字化、智能化提供技术保障[4, 10]。
删除[Lenovo User]:
第一章 绪论
3
本世纪初中国还不能自主生产高频逆变电源和高频高压 X射线发生器，所
有高频 X射线机主要部件均从国外进口，成本非常昂贵；一台进口的 3.5kW以
上的高频移动式 X射线机在中国医院的成交价大约在人民币 40-80 万元左右，
一般医院根本不能承受，只有部分三甲医院或经济条件较好的大医院能拥有这
样的设备，所以我国目前仍有大量医院使用传统的工频 X射线机；但随着近几
年来国内部分 X射线厂家的努力进取，中国已有部分企业掌握了高频逆变技术，
但还主要集中在大型 X射线机的应用上；对便携式 X射线机的研究还比较少，
陈文光等[7]就阳极高压产生部分需解决的问题：高压变压器的问题[8,9],高压器
件部件的集成 、绝缘和散热问题进行了分析说明；其中周凌宏等[10]就便携式 X
射线机的原理做了介绍；余学飞等[11]采用脉宽调制器 SG3525 对的高频 X线机
的逆变电源设计进行了实验，实验结果表明该方案的有效、实用。
目前国内在便携式 X光机的研制方面还存在机器携运性差、携运前需拆卸
X线机机头，野外作业无直流电源支持等缺点。以传统透视和胶片作为载体，
操作环节多，造成图像质量与诊断要求差距大；电路结构陈旧、机器结构不合
理、整机效能低，曝光参数的准确性和重复性差，射线量不稳定，散射线强，
体积大，不方便携带，展开工作时间长，机械性能差，操作不方便，不适于腰
椎、骨盆等身体较厚部位的投照检查等问题。从各种 X线成像技术的特点、战
伤及医疗急救 X线诊断要求、恶劣野战应用环境等方面分析，采用高频逆变技
术是解决以上问题的比较经济又行之有效的技术途径。
所以利用高频逆变技术实现便携式 X线机设计，可实现轻便、小巧等高频
逆变 X线机的所有优点，并为便携式 X射线机的推广和量产提供重要的技术保
证，满足国内的需求，适应当前医疗发展的需要，具有很好的社会价值和广阔
的市场前景。
§1.3 主要关键技术
1．设计高频逆变器及其控制电路，提供 X线球管工作所需管电压、管电
流。
2．高频高压变压器的设计和制作工艺。
3．基于嵌入式技术，实现对高频逆变器及其辅助电路的控制。
其中，研究如何使电源小型化、轻量化以及对高频逆变器的控制是本课题的
难点和重点；解决 X射线机在复杂、恶劣环境下工作的难题，使其更好地发挥
几年前
删除[Lenovo User]:
没有自己的高频技术，
删除[Lenovo User]:
摘要：

摘要X射线在医学和工业生产上都有广泛的应用，X射线的产生需要有一个高压电源，此高压电源也就成为X射线设备的核心部件。传统的X射线机电源由于直接采用50/60Hz工频电源经过变压器升压后获得，故具有体积大、效率低，高压输出稳定性和重复性差，成像质量低的缺点；本课题通过对软开关逆变电源技术的研究，结合单片机控制技术设计了一个输出功率为6kW(100kV，60mA，0.1s)的小功率医用高频逆变X射线用高压电源，并集X射线发生器和操作控制器为一体，具有便携性能，可应用于大型X光机不能充分发挥效能的地方，如社区医疗，农村医疗，VIP上门诊断，医生专用车，体检车，国家灾害救助，政府开发援助(ODA)，国...

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