專利名稱：醫(yī)用電子直線加速器用柵控電子槍數(shù)字電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柵控電子槍電源設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種醫(yī)用電子直線加速器用柵控電子槍數(shù)字高頻高壓電源。
背景技術(shù)：
在中高能醫(yī)用電子直線加速器應(yīng)用中，能夠穩(wěn)定發(fā)射束流的柵控電子槍是系統(tǒng)的重要組成部分。為了保證電子槍正常工作，需要保證為電子槍各級(jí)提供的電壓具有很高的穩(wěn)定度，其中陰極高壓電源電路尤為關(guān)鍵。需要設(shè)計(jì)一種電子槍高頻高壓電源電路，其產(chǎn)生穩(wěn)定及可控的直流高壓電源，從而保證電子槍發(fā)射束流的穩(wěn)定輸出和精確調(diào)節(jié)。目前電子直線加速器電子槍陰極同步電壓主要采用脈沖供電體制(變相陰極調(diào)制)，由于負(fù)載較輕，實(shí)際工作與磁控管振蕩器共用一脈沖變壓器，通過(guò)在磁控管調(diào)制器使用的脈沖變壓器上增加一個(gè)副繞組產(chǎn)生所需脈沖。這種共用脈沖變壓器的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)如下:(I)電子槍發(fā)射束流單獨(dú)控制調(diào)節(jié)困難，實(shí)際發(fā)射不足或過(guò)流，嚴(yán)重影響電子槍的工作狀態(tài)，縮短電子槍使用壽命；(2)磁控管振蕩器的強(qiáng)脈沖電流通過(guò)耦合對(duì)電子槍的控制電路造成干擾，使得電子直線加速器的發(fā)射束流不夠穩(wěn)定；(3)產(chǎn)生的高壓幅度不能獨(dú)立進(jìn)行調(diào)整，無(wú)法提供多種工作模式下電子槍所需的最佳工作電壓。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于醫(yī)用電子直線加速器中柵控電子槍的數(shù)字電源，其不與磁控管振蕩器共用同一脈沖變壓器，使得電子槍發(fā)射束流能夠單獨(dú)控制調(diào)節(jié)，從而達(dá)到穩(wěn)定電子直線加速器的發(fā)射束流的目的，而且通過(guò)綜合信號(hào)處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整不同工作模式下電子槍所需的最佳工作電壓，從而使得本發(fā)明能夠提供多種工作模式下電子槍所需的最佳工作電壓。本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是:一種醫(yī)用電子直線加速器用柵控電子槍數(shù)字電源，包括交流輸入模塊、功率變換模塊、高壓輸出模塊和綜合信號(hào)處理系統(tǒng)； 所述交流輸入模塊中，包括交流濾波電路、慢啟動(dòng)電路及輔助電源電路；其中，交流濾波電路，采用EMI濾波器實(shí)現(xiàn)，用于對(duì)輸入的交流供電進(jìn)行濾波；慢啟動(dòng)電路，用于將EMI濾波器濾波后的交流電送入整流橋VCl處理后，先通過(guò)限流電阻Rl給儲(chǔ)能電容C3充電，繼電器KlA在綜合信號(hào)處理系統(tǒng)送出的慢啟動(dòng)控制信號(hào)的控制下在充電延時(shí)2s時(shí)將限流電阻Rl短路，完成交流轉(zhuǎn)換為直流，并將生成的250V直流電壓輸出給功率變化 模塊；
輔助電源電路，用于對(duì)輸入的交流供電進(jìn)行變換，產(chǎn)生低壓輔助電源；所述低壓輔助電源包括40V/40kHz高頻交流電源傳輸至功率變換模塊中的PWM驅(qū)動(dòng)電路為專用驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源，還包括本數(shù)字電源工作所需的全部低壓電壓提供給綜合信號(hào)處理系統(tǒng)；所述功率變換模塊中，包括前級(jí)的buck變換器、后級(jí)的全橋變換器、PWM驅(qū)動(dòng)電路和變換器電流取樣電路；buck變換器，對(duì)慢啟動(dòng)電路輸出的250V直流電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，然后輸入到全橋變換器；全橋變換器，產(chǎn)生所需的高頻脈沖并送入高壓輸出模塊中升壓變壓器T31的初級(jí)側(cè)；PWM驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)來(lái)自綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)buck變換器和橋式變換器的開關(guān)管；變換器電流取樣電路，從橋式變換器與升壓變壓器T31初級(jí)側(cè)之間的傳輸線路上取樣變換器電流，輸出給綜合信號(hào)處理系統(tǒng)；所述高壓輸出模塊中，包括升壓變壓器T31、倍壓整流濾波電路組、高壓側(cè)儲(chǔ)能電容、取樣電路、高壓側(cè)無(wú)感限流電阻及高壓輸出連接器；升壓變壓器T31采用多次級(jí)繞組，每個(gè)次級(jí)繞組連接一個(gè)倍壓整流濾波電路，各倍壓整流濾波電路的輸出依次串聯(lián)組成倍壓整流濾波電路組，生成電子槍所需的直流高壓Uk ;倍壓整流濾波電路組負(fù)極輸出的負(fù)直流高壓Uk-經(jīng)過(guò)高壓側(cè)無(wú)感限流電阻輸出至高壓輸出連接器；高壓側(cè)儲(chǔ)能電容并聯(lián)在倍壓整流濾波電路組輸出側(cè)的正負(fù)兩端；取樣電路完成直流高壓Uk的電壓取樣、直流高壓平均電流取樣以及直流高壓脈沖電流取樣，并輸出至綜合信號(hào)處理系統(tǒng)；所述綜合信號(hào)處 理系統(tǒng)中，包括采樣信號(hào)隔離模塊、PWM信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)邏輯判斷模塊和中央控制芯片；其中，采樣信號(hào)隔離模塊，用于對(duì)內(nèi)部采樣信號(hào)和外部采樣信號(hào)進(jìn)行隔離及電平轉(zhuǎn)換處理；其中，所述內(nèi)部采樣信號(hào)包括所述直流高壓Uk的電壓取樣、直流高壓平均電流取樣、直流高壓脈沖電流取樣、變換器電流取樣，外部采用信號(hào)包括本數(shù)字電源的工作環(huán)境溫度、本數(shù)字電源的交流供電取樣以及醫(yī)用直線加速器實(shí)際輸出的射線能量取樣；將處理后的內(nèi)部采樣信號(hào)發(fā)送給信號(hào)邏輯判斷模塊，將處理后的內(nèi)部采樣信號(hào)和外部采樣信號(hào)發(fā)送給中央控制芯片；信號(hào)邏輯判斷模塊，根據(jù)所述內(nèi)部采樣信號(hào)進(jìn)行故障判斷；當(dāng)判斷故障后，將故障 目息送入中央控制芯片的輸入口，冋時(shí)觸發(fā)中央控制芯片的中斷觸發(fā)端口 ；中央控制芯片，具有如下功能:I)根據(jù)工作環(huán)境溫度，對(duì)各內(nèi)部采樣信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，后續(xù)處理均采用溫度補(bǔ)償后的內(nèi)部采樣信號(hào)；2)接收來(lái)自外部的工作模式系統(tǒng)要求，并結(jié)合電子槍的束流負(fù)載特性曲線，給出一高壓基準(zhǔn)信號(hào)，將射線能量取樣轉(zhuǎn)換為電壓量，與所述高壓基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，將差值送入PID控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)發(fā)生電路的控制增量AU;同時(shí)，還將交流供電取樣轉(zhuǎn)換為供電電壓基準(zhǔn)，減去直流高壓Uk的電壓取樣，并乘以預(yù)先設(shè)定的修正系數(shù)K得到電網(wǎng)擾動(dòng)修正量，疊加到PID控制器的輸出的控制增量Λ U上，得到修正后的控制增量Λ U’，發(fā)送給PWM信號(hào)發(fā)生電路；3)軟件上采用中斷的方法響應(yīng)故障觸發(fā)的中斷，在中斷服務(wù)程序中首先封閉PWM信號(hào)發(fā)生電路的控制量輸出，然后根據(jù)信號(hào)邏輯判斷模塊發(fā)來(lái)的故障信息進(jìn)行故障定位；4)通過(guò)通信端口與外部控制系統(tǒng)通訊，將電子槍及其高壓電壓的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)外部控制系統(tǒng)對(duì)電子槍高壓電源的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制； 5 )實(shí)現(xiàn)對(duì)慢啟動(dòng)電路的慢啟動(dòng)控制；6)根據(jù)來(lái)自外部的高壓使能信號(hào)決定PWM信號(hào)發(fā)生電路的開、斷；PWM信號(hào)發(fā)生電路，在中央控制芯片的控制下，產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)功率變換模塊開關(guān)管的所述PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

其中，所述高壓輸出模塊采用一體式油箱結(jié)構(gòu)，高壓輸出采用內(nèi)置式高壓接插頭裝置，高壓油箱內(nèi)含有高壓升壓變壓器、倍壓整流濾波電路組、高壓側(cè)儲(chǔ)能電容、高壓側(cè)無(wú)感限流電阻、取樣電路、高壓輸出連接器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:1、電子槍陰極采用高頻高壓直流電源獨(dú)立供電，不與磁控管調(diào)制器共用脈沖變壓器，因此電子槍發(fā)射束流可以單獨(dú)控制，不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際發(fā)射不足或過(guò)流的現(xiàn)象，也不會(huì)受到磁控管振蕩器的強(qiáng)脈沖電流的耦合干擾，使得電子槍的發(fā)射束流穩(wěn)定，有利于延長(zhǎng)電子槍使用壽命。2、獨(dú)立供電和控制的方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓幅度的獨(dú)立調(diào)整，因此能夠依據(jù)不同工作模式下的系統(tǒng)要求得到不同的高壓電源輸出，從而保證了電子槍陰極同步電壓在不同工作模式下均能工作在其最佳工作點(diǎn)。3、電路中設(shè)計(jì)了數(shù)字環(huán)路控制，通過(guò)采樣實(shí)際射線能量和供電電壓的波動(dòng)對(duì)PWM控制進(jìn)行補(bǔ)償，并結(jié)合PID控制算法，作出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，消除了電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)電子槍發(fā)射束流的影響。而且根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而減小環(huán)境溫度變化對(duì)高壓輸出穩(wěn)定性的干擾，保證了電子槍的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。4、本發(fā)明設(shè)置輔助電源電路，將交流供電轉(zhuǎn)換為PWM驅(qū)動(dòng)電路為專用驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源，以及本數(shù)字電壓工作所需的全部低壓電源，提供給綜合信號(hào)處理系統(tǒng)和其他有需求的部件。此種供電方法省去了工頻變壓器和工頻高壓隔離變壓器，大大減小了電源體積。5、本發(fā)明采取了信號(hào)隔離措施，使得電子槍工作可靠性大為提高。高壓電源采用buck變換結(jié)合全橋變換拓?fù)?，電壓信?hào)采樣采用低溫漂高精度電阻，進(jìn)一步保證了電子槍的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明高頻高壓電源的原理框圖。圖2為本發(fā)明交流輸入模塊的電路框圖。圖3為本發(fā)明功率變換模塊及高壓輸出模塊的電路框圖。圖4為本發(fā)明綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的示意圖。圖5為本發(fā)明綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的組成框圖。圖6為PWM控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，本發(fā)明的醫(yī)用電子直線加速器用柵控電子槍數(shù)字高頻高壓電源，包括交流輸入模塊、功率變換模塊、高壓輸出模塊和綜合信號(hào)處理系統(tǒng)。圖2為交流輸入模塊的原理框圖，如圖2所示，交流輸入模塊包括交流濾波電路、慢啟動(dòng)電路及輔助電源電路。交流輸入模塊采用EMI濾波器，實(shí)現(xiàn)電磁兼容。該EMI濾波器由電容Cl、C2和電感LI組成。慢啟動(dòng)電路由整流橋V1、限流電阻R1、儲(chǔ)能電容C3、繼電器KlA和電阻R2組成。整流橋Vl的輸入連接EMI濾波器的輸出，整流橋Vl的負(fù)輸出端串聯(lián)限流電阻R1，儲(chǔ)能電容C3和電阻R2并聯(lián)在整流橋Vl的正負(fù)輸出端之間并位于限流電阻Rl的后級(jí)，繼電器KlA的常開觸點(diǎn)并聯(lián)在限流電阻Rl兩端，繼電器KlA的線圈連接綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的慢啟動(dòng)控制信號(hào)輸出端。 交流濾波電路對(duì)AC220V/50HZ的交流供電進(jìn)行EMI濾波處理后送入整流橋VCl進(jìn)行整流，再經(jīng)過(guò)限流電阻Rl給儲(chǔ)能電容C3充電，完成交流轉(zhuǎn)換為直流；上電伊始，繼電器KlA中的觸點(diǎn)斷開，限流電阻Rl處于接入狀態(tài)，充電電流比較小，此時(shí)由綜合信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)充電延時(shí)約2s后，綜合信號(hào)處理系統(tǒng)送出慢啟動(dòng)控制信號(hào)，此時(shí)繼電器KlA的觸點(diǎn)接觸，限流電阻Rl被短路，從而實(shí)現(xiàn)了慢啟動(dòng)。慢啟動(dòng)電路生成約250V左右的直流電壓，該電壓送入功率變換器模塊用以產(chǎn)生電子槍陰極高壓電源。輔助電源電路對(duì)輸入的AC220V/50HZ交流供電進(jìn)行交流濾波和AC-DC變換后產(chǎn)生直流24V/3A電源，再經(jīng)過(guò)DC-AC變換產(chǎn)生AC40V/40kHz高頻交流電源，此高頻交流電源一路傳輸至功率變換模塊中的PWM驅(qū)動(dòng)電路為專用驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源，另一路經(jīng)過(guò)AC-DC變換產(chǎn)生本數(shù)字電壓工作所需的全部低壓電源(包括土D12V、+D5V、土A12V等)，提供給綜合信號(hào)處理系統(tǒng)和其他有需求的部件。此種供電方法省去了工頻變壓器和工頻高壓隔離變壓器，大大減小了電源體積。圖3為功率變換模塊和高壓輸出模塊的原理框圖。如圖3所示，功率變換模塊包括前級(jí)的buck變換器、后級(jí)的橋式變換器、PWM驅(qū)動(dòng)電路和變換器電流取樣電路。來(lái)自交流輸入模塊的直流250V電壓送入buck變換器，來(lái)自綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入經(jīng)PWM驅(qū)動(dòng)電路用以控制buck變換器和全橋變換器，PWM驅(qū)動(dòng)電路還需要輔助電源電路產(chǎn)生的AC40V/40kHz高頻交流電源進(jìn)行低壓供電。具體來(lái)說(shuō)，buck變換器，包括開關(guān)管V31、續(xù)流管V32、濾波電感L31和濾波電容C31，開關(guān)管V31由PWM驅(qū)動(dòng)電路控制，續(xù)流管V32和濾波電容C31均并聯(lián)在250V電壓正負(fù)線路之間，濾波電感L31串聯(lián)在250V正電壓線路上，V32和C31位于L31兩端。buck變換器在PWM驅(qū)動(dòng)電路控制下，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)管V31工作比，實(shí)現(xiàn)對(duì)250V直流電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，然后輸入到橋式變換器。全橋變換器包括開關(guān)管V33 V36，在PWM驅(qū)動(dòng)電路控制下，將250V直流電壓轉(zhuǎn)換為所需的高頻脈沖并送入高壓輸出模塊中升壓變壓器T31的初級(jí)側(cè)，用以驅(qū)動(dòng)升壓變壓器T31。

buck變換器和全橋變換器組成的主功率變換電路屬于電流型饋電模式，在電子槍發(fā)生拉弧放電(管子打火)期間，從電壓調(diào)節(jié)器中輸出的電流能夠及時(shí)地被限制住，從而有效限制電子槍打火時(shí)的能量。PWM驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)來(lái)自綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)(包括buck PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)和全橋PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào))，通過(guò)專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)buck變換器和橋式變換器的開關(guān)管。變換器電流取樣電路，從橋式變換器與升壓變壓器T31初級(jí)側(cè)之間的傳輸線路上取樣變換器電流，輸出給綜合信號(hào)處理系統(tǒng)。仍參見圖3，高壓輸出模塊包括升壓變壓器T31、倍壓整流濾波電路組、高壓側(cè)儲(chǔ)能電容、取樣電路、高壓側(cè)無(wú)感限流電阻及高壓輸出連接器，高壓輸出連接器未示出。升壓變壓器T31采用多次級(jí)繞組，每個(gè)次級(jí)繞組連接一個(gè)倍壓整流濾波電路，各倍壓整流濾波電路的輸出依次串聯(lián)組成倍壓整流濾波電路組，生成電子槍所需的直流高壓Uk0這里采用多個(gè)倍壓整流濾波電路串聯(lián)的方式能夠提高器件耐壓。倍壓整流濾波電路組負(fù)極輸出的負(fù)直流高壓Uk-經(jīng)過(guò)高壓側(cè)無(wú)感限流電阻R30輸出至高壓輸出連接器的負(fù)輸出端；高壓輸出連接器的正負(fù)輸出端分別連接電子槍陽(yáng)極和陰極；高壓側(cè)儲(chǔ)能電容(電容C33 C36串聯(lián)組成)并聯(lián)在倍壓整流濾波電路組輸出側(cè)的正負(fù)兩端，以保證高壓電源紋波系數(shù)和脈沖頂降符合整機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求。通過(guò)采用以上方法設(shè)計(jì)變壓器，在降低反向電壓條件下，整流二極管可以有更大的選擇空間，通過(guò)選擇快速器件和反向恢復(fù)時(shí)間短的器件，可有效降低整流器件的損耗，這種損耗在高頻時(shí)特別明顯，取樣電路主要完成直流高壓Uk的取樣、直流高壓平均電流取樣、以及直流高壓脈沖電流取樣，將取樣值 輸出至綜合信號(hào)處理系統(tǒng)。其中直流高壓Uk取樣由電阻R31 R39組成的分壓網(wǎng)絡(luò)完成，電阻R31 R39串聯(lián)后并聯(lián)在直流高壓正負(fù)(Uk±)兩端，本實(shí)施例是從R39與R38的連接處獲取電壓取樣。為保證取樣的精確性，電阻R31 R39常選用低溫漂精密高壓電阻，直流高壓取樣結(jié)果送至綜合信號(hào)處理系統(tǒng)，用以完成高壓穩(wěn)壓、故障診斷及實(shí)時(shí)保護(hù)。平均電流和脈沖電流取樣電路包括電流取樣電阻和相應(yīng)積分電容，取樣結(jié)果送至綜合信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和實(shí)時(shí)保護(hù)。高壓無(wú)感限流電阻R30，在高壓電源負(fù)載短路或電子槍打火時(shí)，對(duì)電子槍承受的能量進(jìn)行限制，一般選用50 100歐姆。由于電子槍陰極直流高壓最高為_70kV，因此高壓絕緣非常關(guān)鍵，高壓輸出模塊采用一體式油箱結(jié)構(gòu)，這樣有利于高壓器件的絕緣和散熱，同時(shí)也便于高壓組件的安裝，高壓輸出采用內(nèi)置式高壓接插頭裝置，便于連接和高壓耐壓處理。高壓油箱內(nèi)含有高壓升壓變壓器、倍壓整流濾波電路組、高壓儲(chǔ)能電容、高壓無(wú)感限流電阻、取樣電路、高壓輸出連接器。而且采用了油箱結(jié)構(gòu)有利于高壓高頻整流二極管的散熱。圖4為綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的信號(hào)交互示意圖，其輸入信號(hào)包括來(lái)自高壓輸出模塊的直流高壓Uk取樣、直流高壓平均電流取樣、直流高壓脈沖電流取樣，來(lái)自功率變換模塊的變換器電流取樣，來(lái)自外部的射線能量取樣、環(huán)境溫度取樣、高壓使能信號(hào)，來(lái)自交流輸入模塊的低壓輔助電源(土D12V、+ D5V、土A12V);輸出信號(hào)包括輸出給功率變換模塊中PWM驅(qū)動(dòng)電路的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)(包括buck PWM和全橋PWM);還包括通訊接口 RS485。圖5為綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的具體組成示意圖。本數(shù)字高頻高壓電源的控制和保護(hù)采用基于中央控制芯片(例如MCU)為核心的全數(shù)字式程控系統(tǒng)。如圖5所示，該綜合信號(hào)處理系統(tǒng)包括采樣信號(hào)隔離模塊、信號(hào)邏輯判斷模塊、PWM信號(hào)發(fā)生電路及中央控制芯片。
采樣信號(hào)隔離模塊，用于對(duì)內(nèi)部采用信號(hào)和外部采樣信號(hào)進(jìn)行隔離及電平轉(zhuǎn)換處理，從而抑制磁控管調(diào)制器強(qiáng)脈沖電流對(duì)控制電路的干擾。其中，所述內(nèi)部采樣信號(hào)包括Uk電壓取樣、直流高壓平均電流取樣、直流高壓脈沖電流取樣和變換器電流取樣，外部采用信號(hào)包括本數(shù)字電源的工作環(huán)境溫度、本數(shù)字電源的交流供電取樣以及醫(yī)用直線加速器實(shí)際輸出的射線能量取樣等。該模塊運(yùn)用光電隔離或磁隔離完成各類采用信號(hào)的隔離傳輸，將處理后的內(nèi)部采樣信號(hào)發(fā)送給信號(hào)邏輯判斷模塊，將處理后的內(nèi)部采樣信號(hào)和外部采樣信號(hào)發(fā)送給中央控制芯片。信號(hào)邏輯判斷模塊，根據(jù)內(nèi)部采樣信號(hào)進(jìn)行故障判斷，從而對(duì)出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象作出迅速響應(yīng)，保證高壓電源和電子槍穩(wěn)定可靠工作。電子槍高壓電源故障包括高壓變換器過(guò)流、電子槍束流過(guò)流、高壓打火、高壓過(guò)壓等。當(dāng)判斷故障后，將故障信息(可以包括故障類型和相關(guān)數(shù)據(jù))送入中央控制芯片的輸入口，同時(shí)觸發(fā)中央控制芯片的中斷觸發(fā)端□。PWM信號(hào)發(fā)生電路，在中央控制芯片的控制下，產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)功率變換模塊開關(guān)管的所述PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出給功率變換模塊中的PWM驅(qū)動(dòng)電路。中央控制芯片，用于實(shí)現(xiàn)PWM控制量實(shí)時(shí)產(chǎn)生和修正、采樣數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償、慢啟動(dòng)控制、對(duì)外通訊、故障處理等功能。下面分條對(duì)中央控制芯片的功能進(jìn)行具體描述。I)為了減小環(huán)境溫度變化對(duì)高壓輸出穩(wěn)定性的干擾，中央控制芯片根據(jù)工作環(huán)境溫度，對(duì)來(lái)自采樣信號(hào)隔離模塊的內(nèi)部采樣信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，后續(xù)處理均采用溫度補(bǔ)償后的內(nèi)部采樣信號(hào)。2) PWM 控制:中高能醫(yī)用電子直線加速器同時(shí)具有高能X射線及多檔電子線的輸出功能，可根據(jù)實(shí)際臨床需要采用光子和電子能量的不同進(jìn)行配套，適應(yīng)全身深部及淺表各部位腫瘤治療需要。通過(guò)改變電子·槍的陰極注入電壓(25 70KV)調(diào)整電子槍發(fā)射電子束的初始速度(該電子注入加速管)，在合適的微波(注入加速管的)作用下，獲得能量范圍較大(6 16MeV)的高能電子束(加速管輸出)，該電子束打擊金靶后轉(zhuǎn)化成X射線，通過(guò)散射膜獲得醫(yī)用電子線。不同能量的X射線和電子線分別用于不同深度腫瘤的治療。本發(fā)明在PWM控制上采用雙閉環(huán)控制，結(jié)合圖6，兩路閉環(huán)分別為:1.電壓穩(wěn)定環(huán)如圖6所示，根據(jù)來(lái)自外部的工作模式系統(tǒng)要求(即某一檔位的射線能量輸出)，并結(jié)合電子槍的束流負(fù)載特性曲線，給出一高壓基準(zhǔn)信號(hào)。將外部輸入的射線能量轉(zhuǎn)換為電壓量，由于射線能量(通過(guò)能量探測(cè)器檢測(cè))是電流差值，因此根據(jù)電子槍的伏安特性曲線可以將電流差值形式的射線能量轉(zhuǎn)換為電壓形式的射線能量。然后將高壓基準(zhǔn)信號(hào)與射線能量取樣的電壓值進(jìn)行比較，將差值e送入PID控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)發(fā)生電路的控制增量AU。這個(gè)負(fù)反饋將高壓基準(zhǔn)與實(shí)際能量的電壓進(jìn)行比較，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出電壓的實(shí)時(shí)調(diào)整。2、擾動(dòng)修正環(huán)為了減小電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)高壓輸出穩(wěn)定性的干擾，增設(shè)擾動(dòng)反饋，使系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓波動(dòng)幅度較大的情況下，也能正常穩(wěn)定輸出。仍如圖5所示，獲取AC220V/50HZ交流供電取樣，將其轉(zhuǎn)換為供電電壓基準(zhǔn)，然后減去直流高壓Uk的電壓取樣，并乘以修正系數(shù)K，得到電網(wǎng)擾動(dòng)修正量，疊加到PID控制器的輸出的控制增量Λ U上，得到修正后的控制增量Δ U，，發(fā)送給PWM信號(hào)發(fā)生電路。PWM信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出給功率變換模塊就可以產(chǎn)生高壓電源了。其中，所述的供電電壓基準(zhǔn)是對(duì)AC220V/50HZ交流供電進(jìn)行數(shù)值范圍轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值仍然可以反映電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)AC220V/50HZ交流供電的影響，而且可以與Uk電壓取樣做差。修正系數(shù)K是通過(guò)試驗(yàn)確定的，供電電壓基準(zhǔn)與K相乘后，產(chǎn)生擾動(dòng)修正量，通過(guò)將該值疊加到PID控制量上，可以彌補(bǔ)電網(wǎng)擾動(dòng)對(duì)AC220V/50HZ交流供電的影響。PID控制，是根據(jù)比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行控制，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法。本發(fā)明在數(shù)字芯片中實(shí)現(xiàn)PID，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。其表達(dá)式為Δ U(k) =U (k) -U (k-1)=Kp [e (k) -e (k~l) ] +T^ (k) +Td [e (k) -e (k~l) +e (k~2)] 公式(I)其中，AU (k)為PMW控制增量，U (k)和U (k_l)為k時(shí)刻和k_l時(shí)刻的控制量，Kp為比例控制系數(shù)，Ti為積分控制系數(shù)，Td為微分控制系數(shù)，e(k)、e(k-l)、e (k_2)分別為k時(shí)刻、k-1時(shí)刻和k-2時(shí)刻的高壓基準(zhǔn)信號(hào)與射線能量取樣的電壓值之差。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用電子直線加速器用柵控電子槍數(shù)字電源，其特征在于，包括交流輸入模塊、功率變換模塊、高壓輸出模塊和綜合信號(hào)處理系統(tǒng)； 所述交流輸入模塊中，包括交流濾波電路、慢啟動(dòng)電路及輔助電源電路；其中， 交流濾波電路，采用EMI濾波器實(shí)現(xiàn)，用于對(duì)輸入的交流供電進(jìn)行濾波； 慢啟動(dòng)電路，用于將EMI濾波器濾波后的交流電送入整流橋VCl處理后，先通過(guò)限流電阻Rl給儲(chǔ)能電容C3充電，繼電器KlA在綜合信號(hào)處理系統(tǒng)送出的慢啟動(dòng)控制信號(hào)的控制下在充電延時(shí)2s時(shí)將限流電阻Rl短路，完成交流轉(zhuǎn)換為直流，并將生成的250V直流電壓輸出給功率變化模塊； 輔助電源電路，用于對(duì)輸入的交流供電進(jìn)行變換，產(chǎn)生低壓輔助電源；所述低壓輔助電源包括40V/40kHz高頻交流電源傳輸至功率變換模塊中的PWM驅(qū)動(dòng)電路為專用驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源，還包括本數(shù)字電源工作所需的全部低壓電壓提供給綜合信號(hào)處理系統(tǒng)； 所述功率變換模塊中，包括前級(jí)的buck變換器、后級(jí)的全橋變換器、PWM驅(qū)動(dòng)電路和變換器電流取樣電路； buck變換器，對(duì)慢啟動(dòng)電路輸出的250V直流電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，然后輸入到全橋變換器； 全橋變換器，產(chǎn)生所需的高頻脈沖并送入高壓輸出模塊中升壓變壓器T31的初級(jí)側(cè)；PWM驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)來(lái)自綜合信號(hào)處理系統(tǒng)的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)buck變換器和橋式變換器的開關(guān)管； 變換器電流取樣電路，從橋式變換器與升壓變壓器T31初級(jí)側(cè)之間的傳輸線路上取樣變換器電流，輸出給綜合信號(hào)處理系統(tǒng)； 所述高壓輸出模塊中，包括升壓變壓器T31、倍壓整流濾波電路組、高壓側(cè)儲(chǔ)能電容、取樣電路、高壓側(cè)無(wú)感限流電阻及高壓輸出連接器； 升壓變壓器T31采用多次級(jí)繞組，每個(gè)次級(jí)繞組連接一個(gè)倍壓整流濾波電路，各倍壓整流濾波電路的輸出依次串聯(lián)組成倍壓整流濾波電路組，生成電子槍所需的直流高壓Uk ；倍壓整流濾波電路組負(fù)極輸出的負(fù)直流高壓Uk-經(jīng)過(guò)高壓側(cè)無(wú)感限流電阻輸出至高壓輸出連接器；高壓側(cè)儲(chǔ)能電容并聯(lián)在倍壓整流濾波電路組輸出側(cè)的正負(fù)兩端；取樣電路完成直流高壓Uk的電壓取樣、直流高壓平均電流取樣以及直流高壓脈沖電流取樣，并輸出至綜合信號(hào)處理系統(tǒng)； 所述綜合信號(hào)處理系統(tǒng)中，包括采樣信號(hào)隔離模塊、PWM信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)邏輯判斷模塊和中央控制芯片；其中， 采樣信號(hào)隔離模塊，用于對(duì)內(nèi)部采樣信號(hào)和外部采樣信號(hào)進(jìn)行隔離及電平轉(zhuǎn)換處理；其中，所述內(nèi)部采樣信號(hào)包括所述直流高壓Uk的電壓取樣、直流高壓平均電流取樣、直流高壓脈沖電流取樣、變換器電流取樣，外部采用信號(hào)包括本數(shù)字電源的工作環(huán)境溫度、本數(shù)字電源的交流供電取樣以及醫(yī)用直線加速器實(shí)際輸出的射線能量取樣；將處理后的內(nèi)部采樣信號(hào)發(fā)送給信號(hào)邏輯判斷模塊，將處理后的內(nèi)部采樣信號(hào)和外部采樣信號(hào)發(fā)送給中央控制芯片； 信號(hào)邏輯判斷模塊，根據(jù)所述內(nèi)部釆樣信號(hào)進(jìn)行故障判斷；當(dāng)判斷故障后，將故障信息送入中央控制芯片的輸入口，冋時(shí)觸發(fā)中央控制芯片的中斷觸發(fā)端口 ； 中央控制芯片，具有如下功能:1)根據(jù)工作環(huán)境溫度，對(duì)各內(nèi)部采樣信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，后續(xù)處理均采用溫度補(bǔ)償后的內(nèi)部采樣信號(hào)； 2)接收來(lái)自外部的工作模式系統(tǒng)要求，并結(jié)合電子槍的束流負(fù)載特性曲線，給出一高壓基準(zhǔn)信號(hào)，將射線能量取樣轉(zhuǎn)換為電壓量，與所述高壓基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，將差值送入PID控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)發(fā)生電路的控制增量AU; 同時(shí)，還將交流供電取樣轉(zhuǎn)換為供電電壓基準(zhǔn)，減去直流高壓Uk的電壓取樣，并乘以預(yù)先設(shè)定的修正系數(shù)K得到電網(wǎng)擾動(dòng)修正量，疊加到PID控制器的輸出的控制增量Λ U上，得到修正后的控制增量Λ U’，發(fā)送給PWM信號(hào)發(fā)生電路； 3)軟件上采用中斷的方法響應(yīng)故障觸發(fā)的中斷，在中斷服務(wù)程序中首先封閉PWM信號(hào)發(fā)生電路的控制量輸出，然后根據(jù)信號(hào)邏輯判斷模塊發(fā)來(lái)的故障信息進(jìn)行故障定位； 4)通過(guò)通信端口與外部控制系統(tǒng)通訊，將電子槍及其高壓電壓的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)外部控制系統(tǒng)對(duì)電子槍高壓電源的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制； 5)實(shí)現(xiàn)對(duì)慢啟動(dòng)電路的慢啟動(dòng)控制； 6)根據(jù)來(lái)自外部的高壓使能信號(hào)決定PWM信號(hào)發(fā)生電路的開、斷； PWM信號(hào)發(fā)生電路，在中央控制芯片的控制下，產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)功率變換模塊開關(guān)管的所述PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所 述的數(shù)字電源，其特征在于，所述高壓輸出模塊采用一體式油箱結(jié)構(gòu)，高壓輸出采用內(nèi)置式高壓接插頭裝置，高壓油箱內(nèi)含有高壓升壓變壓器、倍壓整流濾波電路組、高壓側(cè)儲(chǔ)能電容、高壓側(cè)無(wú)感限流電阻、取樣電路、高壓輸出連接器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種醫(yī)用電子直線加速器用柵控電子槍數(shù)字電源，包括交流輸入模塊、功率變換模塊、高壓輸出模塊和綜合信號(hào)處理系統(tǒng)。交流輸入模塊對(duì)輸入的交流供電進(jìn)行濾波、整流、慢啟動(dòng)控制和為整個(gè)電源提供低壓輔助電源；交流輸入模塊產(chǎn)生的直流電壓在功率變換模塊中轉(zhuǎn)換為高頻脈沖；高壓輸出模塊對(duì)高頻脈沖進(jìn)行升壓、整流濾波，輸出直流高壓Uk；綜合信號(hào)處理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了數(shù)字環(huán)路控制，通過(guò)采樣射線能量和供電電壓波動(dòng)對(duì)PWM控制進(jìn)行補(bǔ)償，并結(jié)合PID控制算法，作出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，消除了電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)電子槍發(fā)射束流的影響。而且根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而減小環(huán)境溫度變化對(duì)高壓輸出穩(wěn)定性的干擾，保證了電子槍的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H02M3/28GK103248242SQ20131017891
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者黎濱, 沙亮, 張彥, 畢磊, 王小軍, 吳建興, 王春波 申請(qǐng)人:江蘇海明醫(yī)療器械有限公司, 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所