高频电刀主变换器工作原理及故障分析

    前言

    高频电刀用于外科手术中，不但可大大加快手术进度，还具有出血少、减少组织疤痕、操作简单等优点。同时，随着高频电刀在设计上的逐步改进以及附件安全措施的不断加强，因高频电刀造成的意外事故己日益减少，使其成为当今手术室的常规仪器^[1].

    高频电刀的基本原理是由高频电源的两个高压电极输出高频电流，利用高频电弧效应将电能转化为热能，在人体组织中产生局部高温之后，对组织进行切割和凝血。高频电刀是一种高频大功率电气设备，为保证使用安全和对病人不造成电击、烧伤等伤害，在设计上要求射频电流是正弦波，以使人体承受的直流电压为0V。为减少电流对病人心脏的影响，其工作频率一般为500kHz左右。高频电源两个高压电极输出的电压峰—峰值在1kV以上，输出电极对机壳和供电电源要严格隔离。因此，高频电刀电源的设计以及该电源工作是否正常，直接关系到工作人员和病人的安全。两个输出电极中一个接电刀，为手术电极;另一个接病人皮肤，为极板电极。在使用时人体置于两电极间，要求手术电极与组织的接触面积尽可能小，使组织单位面积上的相对电阻大，产生的温升大;而极板电极与病人皮肤接触，接触面积则尽可能大，以保证极板电极处的相对电阻小，皮肤接触处不会被烧伤^[2]。

    高频电刀电源及工作原理

    由于电力电子器件及电子半导体器件的发展，其应用领域非常广泛。目前医院使用的高频电刀一般是由电力电子功率开关元件构成的DC-AC变换器供电。DC-AC变换器的作用是将经整流滤波后的直流电压变成高频交流电压，再经高频变压器隔离后向负载供电。DC-AC变换器的类型多种多样，若按其主电路形式分类，有正励式变换器、反励式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器等。在此介绍一种全桥式变换主电路(见图1)。

    该电路由4个MOSFET功率开关管V₁,V₂, V₃, V₄和高频变压器等主要器件组成。虽然所用的功率器件较多，但与其他逆变器相比，在开关管承受同样的耐压和电流的情况下，此变换器有更大的功率输出。在图I电路中，桥臂上的4个MOSFET管分为两组，V1,V₄为一组，V₂,  V₃为另一组。同一组的开关管是同时导通和关断的，两组开关管轮流通断。当用相位相差180°的激励脉冲信号轮流驱动V₁.  V₄和V₂,  V₃时，变换电路把直流高压U_d转化为高频交流电压送到高频变压器原边，经隔离后输出。图2表示负载电压与电流的波形，可见加在刀与地极板间的电流波形是正弦规律的。