3.3 高压发生器

X射线源的高压发生器为X射线管提供电子加速电压和灯丝电压。高压发生器分为正高压发生器和负高压发生器，二者既可以单独使用，也可以构成X射线管的两极，在阴极和阳极之间形成更大的电压差。高压发生器包括低压电路部分（常称为电源器）和高压电路部分（常称为发生器），是由高压变压器、高压整流管、灯丝变压器和灯丝整流电路等组成。为了防止高压击穿，高压变压器、高压整流管和灯丝变压器都需要进行高压绝缘处理。X射线管的阴极处于高压之中，而灯丝变压器的一次绕组处在低压线路之中，所以必须防止它们之间的高压击穿，灯丝变压器必须置于高压绝缘介质之中。绝缘介质主要有固体（绝缘树脂）、液体（变压器油）和气体（SF₆）三种类型。采用不同的绝缘介质，高压发生器具有不同的结构和特性。

依据高压发生器输出的高压特性，可以对高压发生器进行类别划分。按照工作频率可以分为工频变压器、中/高频变压器；按照高压整流电路的形式可以划分为半波自整流电路、全波整流电路、全波恒压整流电路。

3.3.1 工频高压发生器

工频高压发生器主要有半波自整流、全波整流和全波恒压整流三种结构形式。

1.半波自整流

半波自整流电路是最简单的高压整流电路，其基本电路如图3-35所示，得到的电压波形如图3-36所示。在这种电路中X射线管本身起着整流二极管的作用。当X射线管施加交流电压时，利用自整流作用，在阳极电位为正半周时电流通过，X射线管工作，发射X射线。在阳极电位为负半周时电流不能通过，X射线管不工作，不发射X射线。即半波自整流电路只在半周的时间内发射X射线。

半波自整流电路的优点是结构简单、部件少、体积小，多用于便携式X射线机。但半波自整流电路也存在明显的缺点，主要是仅在半周发射X射线，电源利用率低；此外，在高压的负半周，X射线管要承受很高的反向电压，如果阳极温度很高，可能会因发射电子而出现反向电流。为避免这一问题，电路中常采用逆电压降低电路，这样在负半周仅有较低的电压加在X射线管上。

2.全波整流

全波整流基本电路如图3-37所示。当交流电处在不同半周时，可分别通过不同的整流二极管将电压施加在X射线管上，使X射线管工作，发射X射线。此电路电源利用率高，X射线管不存在需要承受反向高压问题。电路的主要缺点是输出的电压波形不稳定，也即输出的X射线不稳定。

3.全波恒压整流

全波恒压整流基本电路原理如图3-38所示，得到的电压波形如图3-39所示。为了提高X射线管的辐射强度，必须采用波动很小的直流电对X射线管供电，全波恒压整流电路就是这样的一种整流电路。按图3-38的标示，在正半周时，交流电对电容C₁充电，电容C₂放电；在负半周时，交流电对电容C₂充电，电容C₁放电。正半周时电流的路径是高压变压器→整流二极管VD₁→X射线管→电容器C₂→高压变压器。负半周时电流的路径是高压变压器→电容器C₁→X射线管→整流二极管VD₂→高压变压器。X射线管上的高压是高压变压器上的电压与电容器上的电压的和，即实际施加到X射线管上的电压比高压变压器二次电压近似高一倍。由于电容的充电时间远小于放电时间，因此X射线管上的电压变化较小。

全波恒压整流电路，不仅减少了X射线管输出X射线强度的波动，而且具有倍压作用，因此这种电路在产品中得到了广泛的应用。

工频高压变压器由于存在输出高压稳定性差，纹波系数较大，变压器结构笨重，参数调节机构复杂和剂量率低等弊端，目前正在被高频高压发生器所替代。

3.3.2 高频高压发生器

依据电工原理，变压器中的感应电动势E具有的特性如下：

式中 E——感应电动势（V）；

f——电源频率（Hz）；

N——线圈匝数（匝）；

Φ——磁通（Wb）。

比值是一个与电源频率相关的常数，当f=50Hz时，该数值为4.44。

也就是说，要获得相同的感应电动势，电源频率、线圈匝数和磁通乘积相同。如果将电源频率提高到原来的100倍，线圈匝数与磁通的乘积相应就变为原来的1/100。而二者的乘积是一个跟变压器体积密切相关的参数，所以提高电源频率可以大幅度减小变压器的体积和重量。

高频高压发生器就是通过变频技术首先获得高频电压，然后输送给高压变压器的一次侧经过升压以后利用倍压整流技术获得高稳定性高压输出。图3-40所示为高频高压发生器的结构原理。

工频电压经过整流和滤波后得到低压直流电，逆变器将直流电进行逆变处理获得高频交流电，高压变压器对高频交流电进行电压提升后，经过倍压整流电路获得高压直流电。一般是将工频整流、滤波和逆变电路设计安装在电源器中，高压变压器、倍压整流器安装在高压发生器中，可采用油、气或固体绝缘技术进行高压绝缘。

X射线高压发生器包含工频整流电路、PWM调制控制电路、大功率IGBT开关电路、高频高压变压器和倍压整流电路。一般将低压电路安装在控制器内，高压变压器和倍压整流电路安装在密封的有绝缘箱体内，组装完成后的高压发生器如图3-41所示。