前言

 高頻高壓發生器[1, 2]為 X 射線球管提供直流高壓和燈絲電流， 球管高壓和燈絲電流是 X 射線設備產生 X 射線的兩大必備條件[3]。

 在相同的條件下，X 射線的能量越集中得到的圖像質量越好， 而 X 射線的球管電壓決定了 X 射線的能量，所以球管工作時需要穩定的直流電壓，才能產

生能量集中的 X 射線。

本文基于脈沖頻率調制的方法設計并實現了一種能夠自適應調節和穩定輸出電壓的控制方法。

1 系統方案設計

 系統的原理框圖如圖 1 所示，主電路部分先把工頻交流電整流濾波為直流，然后再在調頻電路的控制下把直流電逆變為高頻交流電，再經過變壓器進行升

 壓變換、整流和濾波后輸出直流高壓給 X 射線管[4]。控制和調節電路部分由 MCU 控制 DAC，經 DAC 轉換后得到控制頻率調制的參數。 為保證球管電壓

 (kV)的穩定，系統采用閉環控制，反饋電壓的修正值VFB 與設置輸出電壓的量化電壓 VFBDA 進行誤差運算后的結果 VErr 和參考電壓 VREF 共同控制調頻電路，調節逆變橋輸出的交流電壓的頻率，使變壓器初級輸入的電壓改變，從而改變變壓器的次級輸出電壓，進而改變倍壓整流濾波的輸出電壓，完成對管電壓的控制和調整。

 為了實現該方法，需要克服四項技術難點，首先，能夠通過全橋逆變產生頻率受控制的逆變波形；**，高頻高壓變壓器[5, 6]能夠進行電壓變換；第三，對變壓器升壓后的高頻交流電進行倍壓整流濾波； 第四，調頻控制電路對輸出電壓的**控制和自動調整。

1.1 全橋逆變

 高頻變換是減小功率變換器體積、重量和提高變換器效率、功率密度的有效途徑[7]。圖 2 是全橋逆變示意圖，逆變橋使用場效應管作為開關器件，逆變橋在驅動時序的控制下實現逆變。逆變橋驅動時序的示意圖如圖 3 所示，HL 和 LR橋臂的驅動信號同步，LL 和 HR 橋臂的驅動信號同步并且與 HL 和 LR 橋臂驅動信號相位相反， 在時間t1，橋臂 HL 和 LR 導通，橋臂 LL 和 HR 斷開；在時間t2，橋臂 HL 和 LR、LL 和 HR 斷開；在時間 t3，橋臂 HL和 LR 斷開，橋臂 LL 和 HR 導通；在時間 t4，橋臂 HL和 LR、LL 和 HR 斷開。驅動時序中的脈沖 t2 和 t4 稱為死區時間，因為逆變橋的上下兩個橋臂是不允許直接導通，所以在驅動時序中插入了死區時間，這段時間作為橋臂執行開關動作交替的過度時間，此時所有的開關管都處于關閉狀態。t1~t4 為一個周期 T， 調整逆變橋驅動脈沖的周期T 即可以調整逆變橋的工作頻率。為了滿足功率的需要，每個橋臂采用多個場效應管并聯實現均流。 逆變后的高頻交流電壓的頻率由開關管的驅動頻率決定，但是驅動頻率受制于變壓器的

工作頻率范圍。

1.2 變壓器升壓

為了給球管提供直流高壓，逆變全橋輸出的電壓必須經過高頻變壓器升壓。

 高頻高壓變壓器是高頻高壓發生器中的核心部件之一，也是方案設計的四項技術難點之一，經逆變橋輸出的只是高頻交流電， 但是其電壓幅值仍然很低，所以還必須通過變壓器經行電壓升壓變換，雖然變壓器的初級線圈輸入的電源幅值較低，但是變壓器的次級輸出電壓已經是高頻高壓的交流電壓，所以對

 變壓器耐壓條件、高頻下磁芯損耗等提出了要求。雖然高頻高壓變壓器的結構與一般的變壓器并沒有多大的差別，都由磁芯、骨架、初級線圈、次級線圈組成，但是此類變壓器一般沒有現成的產品，因此本方法使用的變壓器需要根據逆變橋輸出的高頻交流電壓、工作頻率范圍等一系列參數自行設計。

1.3 倍壓整流濾波

 倍壓整流濾波電路可以獲得多倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓。 因為倍壓整流濾波電路與變壓器用油密封在一起，所以體積受到了一定的限制，綜合考

 慮，優化選擇二倍壓整流濾波，可以同時滿足輸出電壓和體積的要求。 二倍壓整流濾波電路圖如圖 4，J1、J2 連接變壓器的次級輸出，在交流電壓的正負半周對兩個電容分別充電，所以兩個電容的串聯輸出電壓為變壓器次級輸出電壓的二倍。 將兩個相同的二倍壓整流濾波單元串聯即可作為 X 射線管的陽極和陰極輸出，且中間點接地，那么在陽極和陰極可以得到正負直流高壓。

 整流二極管在關斷時需要承受兩倍于次級輸出電壓的反向電壓，因此倍壓整流濾波電路*關鍵的是選擇合適的整流二極管，以防其被高壓擊穿。 本方法

選擇定制的整流二極管， 反向耐壓值*高可達 100kV，符合各項指標并留有足夠的余量。

1.4 調頻電路的原理與實現

 發生器的輸出電壓必須能夠隨各種條件的變化而進行自動調整，為 X 射線管提供穩定的直流電壓。

(1) 調頻控制輸出電壓的原理

 LC 串聯諧振[8, 9]電路的輸出電壓為高頻變壓器初級線圈的電壓。 諧振曲線如圖 5 所示，f0 是串聯諧振電路諧振頻率， 從諧振曲線可以看出， 當工作頻率 f等于 f0 時，電壓值*大，當頻率 f 大于 f0 時，電壓隨頻率的增加而減小，因此改變頻率即可改變電壓幅值大小。

(2) 頻率調整的實現

 圖 6 是差分運算電路， 對輸出電壓進行誤差運算，A 點的輸入電壓是輸出電壓的采樣反饋電壓 VFB，它與 X 射線管兩端實際的電壓成正比，B 點的輸入電壓是與設置的輸出電壓相對應的反饋修正電壓的量化電壓 VFBDA，誤差運算結果 VErr=VFBDA-VFB。 當 VErr=0V 時，表示實際的輸出電壓等于設置電壓。MC33067[10]是一款集成的 PFM 芯片，其引腳分布及封裝如圖 7 所示，其輸出脈沖頻率隨引腳 3 的輸出電流 IOSC 的變化而改變，引腳 9 起保護的作用，正常情況該引腳為低電平，當出現異常情況的時候，發生器系統產生一個高電平信號至引腳 9，使芯片停止工作，從而切斷高壓輸出，保護人身和機器的安全。

 MC33067 的應用電路圖如圖 8 所示，輸出脈沖的頻率及死區時間 tOS 由芯片及其外圍的 R、C 元件確定，R1、C1 確定了

 MC33067 輸出脈沖的*小頻率，R3、C3 確定輸出脈沖的死區時間。

 MC33067 的輸出波形的時序如圖 9 所示。 調節IOSC， 輸出脈沖的頻率可在已經確定的頻率范圍內調整，IOSC 越大，輸出脈沖的頻率越高。

2 輸出電壓的控制和反饋調整

 當輸出電壓大于設定的電壓值， 將使 VFB>VFBDA，那 么 VErr<0 V，因 此 VEA=VREF+VErr<VREF，使 VEA 減 小，從而 UVFO 增大，IOSC 增大，調頻芯片 MC33067 的輸出脈沖頻率增加，由圖 5 可知，工作頻率增加使變壓器的輸入電壓降低，則變壓器次級電壓降低，使輸出電壓減小，通過這種反饋調節，穩定輸出電壓。 當輸出電壓小于設定的電壓值的時候， 頻率調節過程相同，調節方向相反。

3 結果和結論

 利用本文的調頻控制方法， 試制樣機進行測試，輸出電壓的采樣反饋電壓 VFB 的波形如圖 10 所示，可以看出在高壓輸出階段，輸出電壓穩定，紋波小。

 這種高壓控制策略應用于中小功率高頻高壓發生器， 可以**控制和自動調整發生器的輸出電壓，輸出的高壓符合 X 射線球管的電壓要求， 可以正常

為 X 射線球管提供平穩的直流高壓。

4 討論

 本方案采用的 PFM、 全橋逆變等技術是當前高頻高壓發生器設計的主流技術。 本文設計的電壓控制方法減小了高壓發生器對電源的依賴，即使在惡劣的

 電源條件下也可**地輸出設置的電壓。 這種具有自適應調節的高壓控制方法簡單可行、準確可靠，具有廣泛的應用前景。