CPI高频高压发生器灯丝电路解析

陶继双，周奇，刘盛雄

重庆理工大学 药学与生物工程学院，重庆 400054

CPI高频高压发生器灯丝电路解析

陶继双，周奇，刘盛雄

重庆理工大学 药学与生物工程学院，重庆 400054

为研发具有更高稳定性、可靠性及准确性的高频高压X射线机灯丝电路，并使相关医疗人员深入理解和彻底掌握灯丝电路原理。本文针对目前广泛应用的indico 100系列高频高压发生器，分析其灯丝加热电路的具体工作原理，详细剖析反馈电路中真有效值转换原理，并测量了灯丝加热电流等相关数据及波形。测试结果显示灯丝电路基本实现了实际灯丝电流等于预设灯丝电流的设计要求，且整机测试中灯丝电路响应迅速，完全能满足实际应用要求。本文通过对灯丝电路的深入剖析，为研发更高性能灯丝电路提供了重要参考，并提高了相关工作人员的维修效率和准确性。

高频高压发生器；灯丝电流；PI控制；灯丝电路

引言

医用高频高压X射线机广泛应用于医学诊断和治疗的临床实践中，X射线机高压电源（高频高压发生器）主要由控制系统、逆变电源系统、灯丝电源及高压油箱4大部分组成；灯丝的作用是发射电子，由灯丝电源系统对其加热，使灯丝中产生大量激发电子，然后在强电场作用下加速并撞击阳极靶面，以产生X射线[1-3]。如果灯丝加热不稳定，将直接影响激发电子数量的稳定性，并最终影响整台X射线机的性能。因此，灯丝是X射线机中最重要的部分之一。Indico 100系列高频高压发生器为加拿大CPI公司研发，主要用于X射线摄影和胃肠设备，其性能稳定，质量可靠，为众多厂家的X射线相关设备所使用，国内诸多医院都采购有该系列的摄影设备[4]。因此，解析Indico 100系列高频高压发生器相关电路在高频高压发生器中具有广泛的代表性；另外，Indico 100系列高频高压发生器灯丝电路工作稳定，其控制方式和反馈方法在类似设备电路中具有重要参考意义。如一般电路中PI闭环调控方法，非标准正弦电流有效值的准确采样，以及按要求输出特定电流有效值等。最后，透彻理解灯丝电路原理有利于医院及公司相关技术人员对设备的维修和故障排除。

1 灯丝电路设计原理

灯丝电路的一般设计原理为：首先根据控制台设定的管电流，主控制器输出相应的灯丝电流预设值所对应的电压值（通常采用电压值1 V表示灯丝电流预设值为1 A）；然后采用PID闭环控制方式，对实际反馈的灯丝电流或管电流与预设灯丝电流或管电流的差值进行放大，其输出值用于控制PWM/PFM逆变电路，使最终实际值等于预设值。考虑到灯丝加热的均匀性与安全性，灯丝电源常采用50 kHz以下的交流供电，因为交流供电具有简单、经济、加热均匀且能对油箱内高压进行隔离的优点，但高频交流信号引起的干扰需要抑制。另外，由于灯丝额定工作电压较低，一般在3～15 V，且灯丝材料多为金属钨，若长时间工作在高温大电流下，钨蒸发加快，灯丝寿命大大缩短，因此在实际电路设计中应尽量减小灯丝在大电流下的工作时间，在非曝光状态下灯丝应工作在2.5 A预热状态，以延长灯丝寿命[5-6]。

2 灯丝电路构成

Indico 100系列高频高压发生器灯丝电路主要由以下基本模块电路组成，见图1。PI控制器先根据预设灯丝电流与实际灯丝电流反馈值的差值调节PWM驱动器输出特定脉宽，以控制逆变输出量；逆变输出然后经灯丝焦点选择电路后直接驱动灯丝负载；实际灯丝电流反馈值与特定参考值进行比较，判断当前灯丝电流是否低于最低电流值。

图1 灯丝电路结构框图

3 电路分析

3.1 电源电路

灯丝电路电源由±35 V和±12 V共4路电源构成，均由辅助电源板（AUXILIARY BOARD）产生。逆变电源为±35 V，±12 V为其它电路电源。

3.2 灯丝预加热电路

预加热电路为PI闭环控制提供灯丝加热电流预设值，在非曝光时，预加热电流设置为2.5 A（对应电压2.5 V）。灯丝电流预设值由主控CPU根据控制台设定管电流值、实际管电流反馈值以及灯丝电流发射曲线综合计算后输出；其先经反相电路取反（放大倍数1:1），再通过最大灯丝电流保护电路将预设值限制在规定范围内。根据不同跳线方式，可选择5.5 A或6.5 A最大灯丝电流预设值。电路简图，见图2。

图2 灯丝预加热电路原理简图

3.3 PI控制器

比例加积分（PI）控制器根据灯丝电流参考值与实际反馈值之间的差值进行调节，最终实现系统快速响应并稳定输出所需灯丝电流值[7-8]。PI控制器中引入“积分项”可使系统在进入稳态后输出无稳态误差，电路简图，见图3。输出函数，见式(1)。

图3 灯丝电流PI控制器原理简图

由于设定值VREF与反馈值VFDBK符号相反，电路中实际上是求差。根据R85与R77相等，带入数值得到最后传递函数，见式(2)。

式中比例项系数Kp为0.332，积分常数TI为0.001095，约1.1 ms。

3.4 逆变输出电路

灯丝逆变电路采用PWM控制全桥LC谐振方式，PWM控制器选用高级稳压集成PWM芯片UC3524[9]，其最高振荡频率为300 kHz，电压稳定度1%，线性稳定度10 mV，最高输出占空比为45%，输入电压范围12～28 V。逆变输出电路简图，见图4。

图4 灯丝逆变输出原理简图

RT与CT决定振荡频率，其中RT为2.87 K，CT为4.2 nF，根据振荡频率计算公式f=1.18/RTCT，振荡频率约为96 kHz，实际半桥驱动脉冲频率为振荡频率的一半，即48 kHz。为防止在上电开始阶段UC3524输出脉宽过大，电路采用了软启动方式使UC3524输入电压缓慢上升。工作时，全桥电路两桥臂分别仅有一个开关管导通，且同一时刻斜对角两开关管同时导通或截止，为避免同一桥臂出现直通，电源短路，两路输入脉冲之间至少存在0.5～5 μs的死区。5 V设定值下（表示灯丝电流预设值为5 A）的逆变输出波形，见图5，经过C22及L1组成的LC谐振回路[10-13]，灯丝电流变为准正弦波，且电流越大越明显。5 V设定值下的实际灯丝电流波形，见图6，为采用泰克公司电流探头A622 100 mV/A档测量得到。T1为1∶200电流互感器，对实际灯丝电流采样，K1为灯丝大小焦点选择继电器。

图5 5 V参考电流AB端逆变输出波形

图6 5 V参考电流下灯丝电流波形

3.5 灯丝电流反馈电路

由于灯丝电流为交流，为准确测量其有效值大小，电路采用了真有效值的测量方法。其测量原理是根据有效值的基本定义，见式(3)，即周期信号有效值等于其瞬时值在一个周期内的方均根值。

此外，根据模拟电路中PN结的伏安特性，见式（4）。

其中Ie为发射结电流，Is为PN结反向饱和电流，Vbe为PN结正向压降，Q为电子电荷电量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度值。室温下，Vbe和Ie之间呈对数关系，见式(5)。

因此可利用PN伏安特性及运放电路实现模拟电路中对数、反对数、求和及求均值等计算。基于对数-反对数式真有效值AC/DC转换原理的反馈电路示意图，见图7，详细原理参考相关研究[14]。

图7 灯丝电流反馈电路原理示意图

实际灯丝电流经1:200电流互感器采样，全波整流，最后通过68.1 Ω电阻转换为电压Uin，Uin同时经过两个对数运算电路，其结果与有效值输出Uo_rms的对数运算结果求差得Uo，再经反对数运算及低通滤波便得到有效值Uo_rms。具体推导关系，见式(6)。

Uo经过反对数运算，其结果Uos=Uin2/Uo_rms，低通滤波器实现对Uos求均值，得有效值与有效值定义相同，实现了对电流的有效值转换[15-17]。最后调节电压放大倍数，实现灯丝电流预设1 A，实际灯丝电流也为1 A的目的。

3.6 灯丝电流过低报错电路

通常在非曝光状态下，灯丝工作在2.5 A预热状态，使得在需要曝光时灯丝能迅速加热。报错电路的比较参考电压除1.7 V固定电压外，PI调节器输出也作为比较电压的一部分，使得在不同灯丝电流下最低加热电流阈值亦不同，但最低不能小于1.7 A。当灯丝电流低于1.7 A，报错电路输出低电平灯丝错误信号给CPU，而在灯丝正常工作时输出为高。电路框图，见图8。

图8 灯丝电流过低检测电路原理框图

4 电路测试及结果

测试条件：逆变电源±30 V DC，其他电源±12 V DC；负载采用24 V/150 W卤素灯（性能与实际灯丝非常接近）代替灯丝，输入不同的灯丝电流预设值，测得相关灯丝参数，见表1。

由于灯丝冷态电阻与热态电阻差别很大，且灯丝电阻随灯丝工作温度的变化而变化。因此，表1中灯丝电流计算值与逆变总输入电流不一致，但总功率相同。另外，灯丝电流反馈（1 V表示灯丝电流1 A）与实际灯丝电流计算值十分接近，其误差的产生是由于谐振电流不是标准正弦波，有效值转换时存在一定的误差。以灯丝电流预设值为横坐标，分别以灯丝电流反馈值、灯丝电流采样有效值以及实际灯丝电流计算值为纵坐标绘图，见图9。从图中可以看出实际灯丝电流与预设灯丝电流值十分接近，误差在0.4 A以内，基本实现了实际灯丝电流值等于预设灯丝电流值的设计要求。灯丝电流反馈值、实际灯丝电流计算值及采样有效值均与灯丝电流预设值呈线性关系。

对灯丝电路进行整机测试，管电压设为56 kV，管电流为50 mA，实际管电压和管电流采样波形，见图10。其中管电压（图中下方波形）1 V表示20 kV，管电流（图中上方波形）1 V表示100 mA，从图中可以看出管电压和管电流从0升高到预设值的90%仅需约2.5 ms，响应时间很快，说明灯丝电路加热响应迅速。管电流在增大瞬间有一个峰值，后立即下降到设定值，电路工作特性完全符合实际应用要求。

表1 CPI灯丝电路测试数据表

图9 灯丝预设电流及相关参数曲线图

图10 56 kV、50 mA档实际曝光波形

5 结论及讨论

Indico 100系列高频高压发生器灯丝电路采用了PI闭环控制，反馈回路采用真有效值转换电路，能较准确地采样实际灯丝电流的有效值。但由于逆变输出采用全桥LC谐振方式，其谐振电流为准正弦信号，致使实际灯丝电流采样并不十分准确，如若采用标准正弦波驱动灯丝加热，则输出灯丝电流亦为标准正弦波，此时，采用真有效值电路对灯丝电流采样便可得到十分准确的实际灯丝加热电流[18]，进一步提高对管电流的精确输出。

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Analysis of Filament Circuit of CPI High Frequency High Voltage Generator

TAO Jishuang, ZHOU Qi, LIU Shengxiong
College of Pharmacy and Biological Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China

The present study aims to develop high frequency high voltage X-ray machine filament circuit with higher stability,reliability and accuracy, and to make the relevant medical personnel deeply understand and thoroughly grasp the principle of filament circuit. Firstly, the working principle of filament heating circuit of the widely used indico 100 series high frequency high voltage generator was analyzed. Then, a detailed analysis of the feedback path in real effective value conversion principle was performed,and filament current and other related data and waveform was measured. The test results showed that the filament circuit basically realized the design requirements of the actual filament current equal to the preset filament current, and the filament circuit in the whole test reponsed fast, which could fully meet the requirements of practical applications requirements. Through the thorough analysis of the filament circuit, this paper provides an important reference for the development of higher performance filament circuit,and improves the maintenance efficiency and accuracy of the related staff.

high frequency high voltage generator; filament current; PI control; filament circuit

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.008

1674-1633(2017)12-0035-05

2017-06-22

2017-06-30

国家自然科学基金资助项目（31200709）。

周奇，教授，主要研究方向为医疗工程技术与应用研究。

通讯作者邮箱：qizhou@cqut.edu.cn

本文编辑 袁隽玲