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X射线机可用于医疗诊断，其产生医学图像有不同原理方法，常见如计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）、乳腺X射线摄影和荧光透视等。据此，人们发明了不同的机器，如CT机、乳腺X射线摄影机和荧光透视机。图2-1所示为医用X射线机的示例。医用X射线机可用于不同身体部位的成像，如骨骼、乳腺、牙齿，以及不同形式的成像，如2D、3D和运动监测。
图2-1 医用X射线机示例
a）计算机断层扫描机 b）移动式C型臂
为了产生X射线，需要两个基本电源，即低压（Low Voltage，LV）和高压（High Voltage，HV）直流电源。图2-2展示出了电源和X射线管的连接。LV电源在X射线管阴极丝中产生数安培的电流，阴极丝经加热后发出电子，这些电子在阴极周围像云一样扩散。HV电源在阳极和阴极之间提供20～160kV的高压，在两极之间形成了一个强电场用以加速电子。电子经过加速后获得足够的能量，并与阳极材料碰撞，进而产生X射线。同时，电子的流动形成HV电源的输出电流，其范围为10～5000mA。在参考文献[121-122]中，这个HV电源也被称为HV发生器（High Voltage Generator），后续本书将统称为HV发生器。
图2-2 医用X射线机中X射线管主电源的示意图
为了使X射线机装置紧凑体积小，通常HV发生器体积需要设计得尽量小。近一个世纪以来，随着功率器件的不断改进，HV发生器电路拓扑也随着变换。从20世纪初期的机械开关到20世纪中期的低频功率器件，如晶闸管，再到自1980年以来的高频功率器件，如IGBT和MOSFET。随着功率器件性能的不断提升，特别是器件耐压等级的不断提高，当前的电路拓扑已可以使HV发生器工作频率达到百kHz范围。与早期设备相比，高频高压器件的使用显著减少了HV发生器的体积。
医用X射线机中的HV发生器是一种向X射线管提供稳定高压直流电的装置。现在的HV发生器通常是一种工作在数十kHz范围内的高频开关电源，其输出电压可高达160kV。如图2-3所示，HV发生器的主功率电路由DC-AC逆变器、升压变压器和整流器组成，由于输出高压需求和拓扑增益限制，整流器需要有很高的电压倍增能力，因此也称电压倍增器或HV倍增器（High Voltage Multiplier）。DC输入通过对来自电网的三相交流电整流得到。逆变器将直流电转换为高频交流电作为升压变压器的一次侧输入。升压变压器将较低的AC电压转变为高AC电压。然后，进一步经过整流器变为直流输出，进而为X射线管供电。反馈控制电路的功能是使输出电压精确、稳定且可调。在整个装置中，无源元件和整流器占用了HV发生器的大部分体积。
图2-3 HV发生器的典型电路框架
HV发生器中主要的无源元件有电感器、电容器和变压器。其中，HV变压器的体积最大。通过增加变换器的开关频率，可以减小无源元件的参数和尺寸。一些研究者已经证实了发生器开关频率超过100kHz的可行性，这意味着系统的体积可以进一步减小。
除了无源元件，HV倍增器是影响HV发生器体积的另一个主要因素，其由倍压电路构成，常见拓扑如Cockcroft Walton（CW）电路。此电路通过倍增来自变压器二次侧输出的交流电压以得到20～160kV范围的直流电压。与普通的桥式整流器相比，倍增器可以降低变压器的匝数比，变压器的寄生效应和成本也可以随之降低。倍增器电路包括电容器和二极管。由于其具有高电压，通常将其与变压器一起组装在油箱中。为了安全起见，X射线机的油箱接地，并且装满绝缘油以提高击穿电压。图2-4展示了某企业的HV发生器装置中的高压部分。可以看出，HV倍增器模块占据了箱体的最大部分。除了电容器，二极管也占据了一部分体积，这是因为需要大量的二极管串联来承受高压。例如，额定输出电压为150kV的HV发电机需要960个1kV硅（Si）二极管。为避免绝缘油击穿并提高散热能力，二极管周围也需要留有足够的空间。一种有效减小二极管占用体积的方法是使用具有高击穿电压的二极管，在降低损耗同时可以减少二极管的数量，从而减小装置高压部分的体积。
图2-4 某企业的HV发生器装置中的高压部分
（含HV变压器、HV倍增器等）
碳化硅（SiC）二极管是一种宽禁带器件，具有较高的电压阻断能力、较低的导通和开关损耗，很适合倍增器的需求，成为高压应用场景中更好的候选器件。与流行的商用1kV Si二极管相比，使用4.5kV SiC二极管可以使HV倍增器中的二极管数量减少4倍。相应地，采用SiC二极管的倍增器模块体积可以减小到Si二极管模块体积的四分之一左右。此外，SiC二极管具有比Si二极管更快的开关速度，这可以减少开关损耗。因此，发生器可以在给定的损耗下以更高的频率运行，从而减小变压器及电容器的体积，进一步减小装置高压部分体积。
总之，对于HV发生器装置中高压部分体积，可以通过增加开关频率和应用HV功率器件（如SiC二极管）来减小体积。图2-5展示了这两种方法和体积减小之间的关系。但是，这将引入与寄生参数相关的问题。
图2-5 两种减小倍增器模块体积的思路以及带来的问题
在HV发生器体积减小和开关频率增加时，寄生参数对系统运行的影响就变得十分重要。减小体积通常会导致金属之间的距离缩短，电路布局的回路缩小。因此，尽管寄生电感可能会变小，但是寄生电容会变大。高速开关及高频化带来的电压或电流的时间导数（d u /d t 或d i /d t ）增加会导致寄生电容中的电流更高或寄生电感上的电压更大。这使得寄生效应在电路设计中更为重要。
在发生器中，与谐振电容器或电感器等电路元件相比，变压器一次侧的寄生效应仍然很小。因此，它们对电路运行没有显著影响。图2-3中的变压器通常具有较大的电压比，以获得较大的电压增益。但是，由于高电压比，二次侧绕组中的寄生电容（也称为自电容）等效到一次侧时有可能与谐振电容相当，严重时会影响电路的稳态运行，这已经被广泛注意到，并得到了很好的分析和利用 [123] 。
在最后一个体积庞大的部分，即HV倍增器模块中，寄生电容没有前面提到的变压器中的寄生电容那么大。然而，随着体积的缩小和开关频率的提高，寄生电容可能变得更大，并影响电路的稳态运行。倍增模块中的寄生参数问题没有得到充分的调查研究，这导致了以下问题：
1.电路中的寄生电容对电路稳定运行的影响有多大？
通常，HV发生器中的逆变器采用谐振拓扑。谐振电容与电感确定了电路的谐振频率，进而确定了电路的特性。如果增加发生器的开关频率，则谐振电容值可能降低到与倍增器模块中的寄生电容相当。在这种情况下，寄生电容会影响到电路稳态运行以及特性。因此，在电路设计中考虑到倍增器模块中的寄生电容模型至关重要。然而，现有文献中并未提及寄生电容在发生器运行中的作用及建模设计方法。
2.如何控制电场强度？
由于接近150kV的高压存在，另一个问题是在不大的HV倍增器模块内部会出现很高的空间电场强度，其可能导致绝缘油的击穿。随着模块变得比以前更小，电场可能会变得更强。了解模块内电场强度的分布，并尽可能地减小它以避免击穿是十分重要的。空间电场可以通过寄生电容来进行建模表征，因此其分布和减小也与寄生电容相关。
为了解决以上两个问题，本书将详细介绍HV倍增器的寄生电容建模，如前所述，此寄生电容会影响到HV发生器的稳态运行，因此有必要首先回顾下高压变换器的主要拓扑以及工作原理。