基于STM32的医用X射线机高频高压发生器的研制_李长俊

２．１ 逆 变 电 源 模 块 ２．１．１ 整 流 滤 波 电 路
３８０Ｖ 交流电通过三相整流 桥 与 电 容 滤 波 输 出 约 为 ５５０ Ｖ 的直流电压送至全桥 ＬＣＣ 串并联谐振逆变电路进行高频逆变。 ２．１．２ 桥 式 逆 变 电 路
桥式逆变电路由开关管 （ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３、ＶＴ４）、 谐 振 电感 （ＬＳ）、谐 振 电 容 （ＣＰ 、ＣＳ）和 负 载 （ＲＬ ） 构 成 全 桥 ＬＣＣ 串 并联逆变电路，如图２所示。谐振回路和负载电阻构成了一个 分压器，改变开关管的通断频率，谐振回路的阻抗也将改变， 从而负载上的电压也改变，即通过频率调制的方法控制电压的 输出。开关管的通断必须 满 足 同 一 桥 臂 开 关 管 １８０°互 补 导 通， 桥臂斜对角的两只开关管同时开通和关断。开关管的通断频率 就是谐振回路的工作频率。当工作频率大于谐振频率时，变压 器初级的电压会随着频率的增加而减小。采用串并联谐振变换 技术克服了串联谐振直流环节逆变器存在的谐振峰值电压过高 和并联谐振直流 环 节 逆 变 器 存 在 的 谐 振 峰 值 电 流 过 大 的 缺 点［５］。同时，串并联谐振电路吸收了高压变压器的漏电感和 寄 生电容，减少了误差。
通过阻容分压取样电路对 Ｘ 射线机球管的阴极、阳极高 压进行取样，分压比为１７２４０：１，即取样１Ｖ 电压对应 １７．２４ ｋＶ 高压。取样电压送至仪表放大器进行０．８５５倍的放大调 整， 根据上述分压比可得仪表放大器输出端的１Ｖ 电压对应 Ｘ 射 线机球管阴、阳极输出的 ２０ｋＶ 高 压。 由 于 ＳＴＭ３２ 的 ＡＤ 采 集 端口最大只能采集３．３Ｖ 的电压，故采集的电压需经过分压 电路后输入 到 微 控 制 器 中，ＡＤ 采 集 到 １ Ｖ 的 电 压 值 对 应 此 时 Ｘ 射线 机 球 管 高 压 值 为 ５０ ｋＶ。 反 馈 取 样 电 路 框 图 如 图 ３ 所示。
感作为谐振电感 Ｌｒ 的一部 分 参 与 谐 振， 同 时 次 级 的 电 容 折 算 到初级等效电容参与谐振。 ２．２．２ 倍 压 整 流 电 路
采用两组二倍压整流电路将高压变压器输出的高频方波电 压整流获得 Ｘ 射线机球管所需的阴、阳极工作高压值。由于 一个二倍压整流电路倍压的电压最大值还未达到所需的电压， 所以串联３个二倍压电路使得输出电压达到要求。二倍压的高 压二极管总耐压要承受２倍最高工作电压，因此串联５个耐压 值为１０ｋＶ 高压二极管使得总耐压值为５０ｋＶ，正好是 要 求 最 高工作电压的２倍［７］。联一个１０ｐＦ 的电容，可避 免 ５ 个 高 压 二极管分压不均导致击穿，同时也减少二极管的开关损耗。 ２．３ 采 样 控 制 模 块 设 计 ２．３．１ 反 馈 取 样 电 路
升压变压 器 采 用 铁 氧 体 磁 芯 材 料［６］， 满 足 高 频 率 工 作 要
比较，比较产生的误差信号转 化 成 特 定 的 开 关 频 率 即 ＰＦＭ 调 求，减少了变压器的绕线匝数。变压器绕线方式为初级绕在 最
制，然后通过驱动电路 控 制 桥 式 逆 变 电 路 输 出 所 需 的 高 压 电 。 里边的磁芯上，３个次级按层 叠 式 结 构 由 里 向 外 绕 。初 级 绕 线
智能仪器与传感技术
计 算 机 测 量 与 控 制 ．２０１５．２３（８） Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ
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文章编号：１６７１－４５９８（２０１５）０８－２９１１－０４ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０１５．０８．０８９ 中图分类号：ＴＨ７７４ 文献标识码：Ａ
１ 系 统 整 体 方 案 设 计
基于 ＳＴＭ３２的 可 调 高 频 高 压 发 生 器 系 统 由 逆 变 电 源 模 块、高压模块、采样控制模块三部分组成。逆变电源模块包含 整流滤波电路、桥式逆变电路，其作用是将３８０Ｖ 三相交流电 通过三相整流滤 波 形 成 约 ５５０ Ｖ 的 直 流 电 压， 送 至 全 桥 ＬＣＣ 串并联谐振逆变电路［３］，８０～２５０ｋＨｚ的 高 频 方 波 ； 高 压 模 块 包含高压变压电路、倍压整流电路，其作用是将高频方波经过 高频升压变压器将低压的交流电压变换为高压交流电压，该电 压经倍压整流滤波电路获得正、负直流高压，为 Ｘ 射线机的 球管两端 提 供 阴、 阳 极 高 压［４］； 取 样 反 馈 电 路 、ＳＴＭ３２ 微 控
图１ 基于 ＳＴＭ３２的高频高压发生器系统框图
Ｎ２
＝
Ｕｐ２ Ｕｐ１
＊Ｎ１
（２）
其中：Ｎ２ 为次级绕线匝数，Ｕｐ２ 为次级输出电压。
根据公式计算，要达到所需的高压，变压器的绕线匝数比
为１５：３４７：３４７：３４７。为消除 寄 生 因 素 的 影 响， 变 压 器 的 漏
２ 系 统 硬 件 模 块 设 计
基于ＳＴＭ３２的医用 Ｘ 射线机 高频高压发生器的研制
李 长 俊１， 张 龙２， 曾 小 宝２
（１．桂林电子科技大学 信息科技学院，广西 桂林 ５４１００４；２．桂林电子科技大学，广西 桂林 ５４１００４）
摘要：高频高压发生器是 Ｘ射线机的核心部件之一，其作用是给高压球管提供直流高压使之输出能量集中的 Ｘ射线，该直流电压值 是 Ｘ射线机的关键参数；在医用 Ｘ射线机使用过程中，当其作用于不同的个体体型及不同的人体部位时，通常需要不同的球管电压等级 （ｋＶ 值） 以控制 Ｘ 射线的辐射量；因此，其输出的管电压必须是精度高且可调；设计中采用全桥串并联谐振 逆 变 换 技 术 并 结 合 脉 冲 频 率 调制系统来实现高压电源的调节输出，其输出到球管的高压直流电源电压调 节 范 围 为 ４０～１５０ｋＶ； 系 统 控 制 部 分 采 用 ＳＴＭ３２ 微 控 制 器 实现对高压直流电源的检测与控制；实验结果 证 明， 所 设 计 的 高 频 高 压 发 生 器 输 出 的 直 流 高 压 相 对 误 差 小 于 ５％， 精 度 高 且 稳 定 性 好， 可满足医用 Ｘ射线机的工作要求，具有良好的应用价值。
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计算机测量与控制
第 ２３ 卷

制器、ＰＦＭ 调制电路， 其 作 用 是 对 倍 压 整 流 输 出 的 高 压 进 行 机球管阴、阳极高压。
取样，取样结果 与 ＳＴＭ３２ 设 置 的 ＤＡＣ 输 出 相 应 预 置 值 进 行
关 键 词 ： 球 管 电 压 ； 全 桥 串 并 联 谐 振 逆 变 换 技 术 ；ＳＴＭ３２ 微 控 制 器 ； 脉 冲 频 率 调 制
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｘ－ｒａｙ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２
系统整体框图如图１所示。
匝数计算公式为：
Ｎ１
＝
Ｕｐ１ ＊ｔｏｎ ΔＢ＊Ａｍ
（１）
其中：Ｎ１ 为 初 级 绕 组 匝 数 ，Ｕｐ１ 为 初 级 输 入 电 压 的 幅 值 ，
ｔｏｎ 为 最 大 导 通 时 间 ，ΔＢ 为 总 磁 通 密 度 偏 移 ，Ａｍ 为 最 小 磁 极
面积。
次级绕线匝数计算公式为：
Ｌｉ Ｃｈａｎｇｊｕｎ１，Ｚｈａｎｇ Ｌｏｎｇ２，Ｚｅｎｇ Ｘｉａｏｂａｏ２
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＧｕｉＬｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｘ－ｒａｙ ｍａｃｈｉｎｅ，ｗｈｏｓｅ ｒｏｌｅ ｉｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ＤＣ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｕｂｅ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｃａｎ ｏｕｔｐｕｔ ｅｎｅｒｇｙ－ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ Ｘ－ｒａｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｖａｌｕｅ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅ－ ｔｅｒ ｏｆ Ｘ－ｒａｙ ｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｗｈｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ，ｍｅｄｉｃａｌ Ｘ－ｒａｙ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｏｆｔｅｎ ｒｅｑｕｉｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｕｂｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｒａｔｉｎｇ （ｋＶ ｖａｌｕｅ）ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｘ－ｒａｙｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｍｕｓｔ ｂｅ ｈｉｇｈｌｙ ｐｒｅｃｉｓｅ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ ｓｅｒｉｅｓ－ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｖｅｒｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｆｏｒ ｒａｎｇｅｓ ｆｒｏｍ ４０ｋＶ ｔｏ １５０ｋＶ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ＳＴＭ３２ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ＤＣ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ａ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５％ ，ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｅｄｉｃａｌ Ｘ－ｒａｙ ｍａ－ ｃｈｉｎｅ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｖａｌｕｅ．