專利名稱：X射線管的模塊化供電及其方法
技術領域：
根據第一個方面，本發明涉及一種電源.更具體地，本發明涉及 一種用于x射線源的電源.
背景技術：
為了給X射線管供電，需要具有高輸出電壓的DC電壓源.為了醫 學上的應用，用于一個X射線管的加速電壓位于15KV和160KV之間. 為了工業上的應用，該加速電壓能夠達到400KV以上.在操作期間， 在幾伏特到IOOKV的電壓給X射線管供電.
在現有技術中，用于具有諧振電路轉換器拓樸的X射線管的電源 是公知的.它們通常的原則是整流主電壓，將其平滑并隨后將其提供 給工作在高頻狀態的DC/AC轉換器，該DC/AC轉換器提供具有高頻AC 電流的高電壓變壓器.以這種方式，高電壓變壓器形成具有高輸出電 壓的高頻AC電流源。在整流和平滑這個電壓后，將其提供給X射線管 的電極。
涉及高電壓的產生和絕緣的難點經常通過將整個電壓分成兩個具 有近似相同最大值的部分電壓來減輕.通常，兩個部分電壓的公共電 位經常連接到地.根據這個原理，要絕緣150KV的電壓，需要兩個分 離的相對于地絕緣的路徑. 一個絕緣路徑相對于地絕緣+ 75KV并且另 一個相對于地絕緣—75KV.
然而，對一些X射線應用來說，其希望建立相對于地的完整的DC 高電壓.在這種情況下，可以保持X射線管的陰極接近于地電位而其 陽極例如在120KV，反之亦然.這種應用稱為單極性高壓電源，其允許 X射線管的一個電極保持在最大DC電壓而X射線管的另一電極接近地 電位.
在W001/37416A2中，公開了一個具有逆變器的單極高壓電源。電 源具有一個逆變器，其中逆變器與諧振電路一起工作并且能夠被控制 以通過控制單元來調整輸出功率.控制單元在高輸出功率和低輸出功 率范圍之間開關電源。
在JP05029091中描述了另一種類型的高電壓電源.該電源包括并 聯連接到DC電源的多個諧振逆變器電路， 一個控制單元輸出可變頻率 的控制電壓來適應高電壓電源的輸出功率.
發明內容
本發明的一個目的是提出了一種具有大輸出功率范閨的電源，特 別適用于低輸出功率范圍.
此目的是通過這樣一個電源來解決的，此電源包含有DC電壓源、 控制單元和多個高電壓通路.每個高電壓通路包括逆變器、諧振電路、 變壓器單元和整流器.該諧振電路與該逆變器共同工作.該逆變器由 第一開關單元和第二開關單元組成，由此可以在笫一開關狀態提供第 一極性的電壓給所述諧振電路，同樣在第二開關狀態提供第二極性的 電壓給所述諧振電路.開關狀態可以由該控制單元以這樣的方式來進 行切換，即在用于高輸出功率的笫一操作模式中，可以通過在諧振頻 率的范閨內改變開關頻率來調整輸出功率.在用于低輸出功率的笫二 操作模式中，能夠通過在基本恒定的開關頻率上改變開關狀態的持續 時間來調整輸出功率，其中該恒定的開關頻率比諧振電路的諧振頻率 至少低一個預定的系數.兩個操作模式的應用使得本發明的電源能夠 覆蓋一個大的輸出功率范圍.
在本發明的一個實施例中，各個高電壓通路都是相同的.然而， 該多個高電壓通路包含不同的通路是有利的，即，各通路具有不同的 輸出功率.此特性允許電源來適應具有特殊功率需要的特殊應用.
該電源的另一個優選實施例中，控制單元以相移方式來開關不同 通路的諧振電路.以這樣的方式可以減小輸出電壓的紋波.
為了改變輸出功率，如果控制單元適于開關具有不同頻率的諧振 電路，這將是有用的，當高電壓通路開或關時，開關頻率的變化允許 平滑的轉換.
本發明電源的另一個實施例中，控制單元用于以脈沖寬度調制模 式來開關諧振電路.在這個操作模式下可能減少輸出功率到較小的 值。
根據第二個方面，本發明涉及一種根據本發明的笫一方面用于操 作高電壓電源的方法，根據本發明的第二方面該發明方法涉及怎樣減
小輸出功率到較小的值，
根據本發明的方法，建議通過脈沖寬度調制在一個固定的開關頻 率對多個高電壓通路中的一個進行調制，同時所有其它的高電壓通路 保持不工作.以這種方式可能減小輸出功率到非常低的值.
根據本發明方法的一個改進，已經發現在多個高電壓通路中改變 工作的高電壓通路的次序來允許以前工作的高電壓通路有相對較長的 不工作周期來使其冷卻是非常有效的.
根據本發明的一個有利的實施例，建議測重工作的髙電壓通路的 溫度并且如果測量到的溫度超過一個預設的閾值溫度時開始改變該高 電壓通路的次序.
根據本發明的一個變形，建議如果高電壓通路已經工作了一個預 設的時間周期則則開始改變該高電壓通路的次序.明顯地，此變形不 需要溫度傳感器.
結合附困來解釋本發明的示例性實施例.在圖中相應元件或部件
標有相同或相似的參考數字，其示出了
困1為現有技術中的雙極性高電壓電源， 圖2為現有技術中的單極性高電壓電源，
圖3為根據本發明具有四個高電壓通路的電源的示意性電路困， 圖4為圖3的電源的一個高電壓通路的第一拓樸， 圖5為本發明的另一個實施例的部分示意性電路困， 困6為本發明的再一個實施例的部分示意性電路困， 圖7為根據本發明具有四個高電壓通路的另一個電源的示意性電 路圖，
圖8為說明用于不同輸出電流的本發明電源的操作模式的示意 圖，并且
圖9為顯示作為輸出功率的函數的電源效率的示意圖.
具體實施例方式
在圖1中，示出了一個雙極性高電壓電源的示例，該雙極性電源 包括兩個DC/AC轉換器la、 lb，每個轉換器連接到兩個分離的變壓器2a、 2b的初級側。每個變壓器2a、 2b的次級側連接到整流器3a、 3b， 整流器3a、 3b各自都具有獨立的平滑電容器4a和4b.每個平滑電容 器4a和4b的一個管腳具有一個公共連接點5,公共連接點5本身就連 接到地電位.電容器4a和4b的另外一個管腳連接到X射線管6.更具 體地，電容器4a連接到X射線管6的陽極7并且電容器4b連接到X 射線管的陰極8.電容器4a和4b分別提供具有相同值但正負相反的電 壓lh和U"電壓lh和Uic建立起整個陽極-陰極電壓U".陽極-陰極電 壓U"的值是值lh和U的和.顯然地，在雙極性電源中，高陽極-陰極 電壓U"分成兩個相等的電壓Ua和U，其相比整個陽極-陰極電壓U"
的絕緣具有較小的困難.
圖2示出了單極性高電壓電源的一個實施例.困2中單極性電源 的結構與圖1中示出的雙極性電源的一半非常相似.單極性電源包括 DC/AC轉換器1、變壓器2、整流器3和平滑電容器4.電容器4的管 腳連接到X射線管6的陽極7和陰極8.與雙極性電源相反，單極性電 源提供整個的陽極-陰極電壓Un。
困3示出了根據本發明的電源的示意性電路困，其整體用附困標 記30表示.電源30包括主整流器31來整流AC主電壓到DC干線電壓. DC干線電壓提供在整流器31的輸出端并由電容器32進行平滑.平滑 后的DC千線電壓提供給四個高電壓通路33a到33d，在下面將更詳細 地描述.高電壓通路33a到33d的輸入與DC干線電壓并聯連接.高電 壓通路33a到33d的輸出與X射線管(未示出)并聯連接.每個高電 壓通路33a到33d的結構都包括逆變器INV、變壓器TR和整流器RECT. 出于說明的目的，圖3中用虛線包閨了高電壓通路33a.
對于本領域技術人員來說，本發明不局限于使用四個高電壓通路 而在本發明的其它實施例中高電壓通路的數量能夠變大或者變小是顯 而易見的，實際上，本發明的另一個實施例就包括了六個高電壓通路，
圖4說明了高電壓通路的示意性電路困.DC干線電壓用DC電壓源 40表示，其與逆變器的笫一支路41和第二支路42并聯連接.笫一支 路41包括串聯連接的笫一半導體開關Sl和第二半導體開關S2(例如， 開關晶體管).笫一自由運轉二極管Dl和第二自由運轉二極管D2分 別與第一和第二半導體開關Sl、 S2反向并聯。相應地第二支路42由 串聯連接的第三半導體開關S3和第四半導體開關S4組成。第三和第 四自由運轉二極管D3和D4反向并聯于第三和第四半導體開關.第一 和第二半導體開關Sl、 S2的連接點構成逆變器的第一輸出端Pl.由第 三和第四半導體開關S3、 S4的連接點分出逆變器的第二輸出端P2.
逆變器的輸出端P1、 P2串聯連接到諧振電路，其中諧振電路由串 聯連接的電感L和電容器C形成.電感L和電容器C連接到變壓器TR 的初級繞組，變壓器TR的次級繞組連接到橋式整流器Gt的輸入.橋式 整流器Gl的輸出連接到負栽Rl和平滑電容器Ct.負栽Rl和平滑電容器 d并聯連接.負栽RL在輸出電壓Uout下提供輸出電流Iout.
一個可編程控制單元46為每對開關Sl/S2和S3/S4產生開關信 號，其中這些開關信號交替地開關這些開關對到導通狀態和關閉狀 態，以使得各自的交變極性的方波電壓出現在逆變器的笫一和笫二輸 出端P1、 P2,該方波電壓構成諧振電路的諧振回路電壓U"",這個電 路允許通過逆變器的脈沖頻率調制(PFM)來調制輸出DC電壓的振幅.
困5示出了本發明的另一個實施例的部分電路結構. 一個變壓器 TR具有兩個次級繞組51，它們與格里茨橋(Graetz bridge) 52串聯 耦合。
圖6示出了本發明的又一個實施例的部分電路結構.此實施例提 供了兩個變壓器TR,每個變壓器TR均具有一個次級繞組61,次級繞 組61通過倍壓器62并聯輛合.
對于一些應用，可能需要比單個轉換器所能提供的功率更高的輸 出功率.如閨7中所示，幾個逆變器71a到71d連接到高性能DC電壓 源，在這個實例中，兩對逆變器71a到71d連接到由困7中未示出的 DC電壓源提供的兩個分離的中間電壓U".逆變器71a到71d中的每個 給由容性、感性和阻性元件72a、 "a、 74a到Hd、 73d、 74d組成的 諧振負栽電路供電.每個諧振電路都包括將電壓轉換到更高電平的變 壓器。如圖7中所示，幾個諧振電路可以分別連接到單個高電壓變壓 器75a、 75b。變壓器75a、 75b的次級電流可以通過高電壓級聯76a、 76b來整流，如在圖7中所指示的，負栽7 a、 77b并聯連接到由高電 壓級聯76a、 76b提供的已整流的高電壓，在本發明的特定實施例中， 每個級聯提供50KW的功率.
對于整流，熟悉本領域的技術人員都知道，不同類型的整流器都 能夠用于這個目的格里茨橋、格菜納赫系列乘法器(Greinacher
series multiplier)、級聯乘法器和倍壓器.
本發明的電源的總輸出功率范圍可以分成多個范圍.圖3中示出 的實施例中，所有高電壓通路都被同等地度量并由此具有相同的輸出 功率.在這種情況下，輸出功率范閨由工作的高電壓通路的數量來決 定.為了提供最高的輸出功率，所有高電壓通路都工作.在最低輸出 功率范圍內僅單個高電壓通路工作.通過順序地激活其他的高電壓通 路直到所有高電壓通路均工作來增加輸出功率.如將在下面進一步描 迷的一樣，調制開關頻率允許在高電壓通路開關期間得到平滑的轉 換.通過相反地執行這個順序，即通過順序地關斷高電壓通路直到單 個信號通路工作，來實現輸出功率的減小.
根據從W001/37416中已知的控制方法，相似高電壓通路的電路配 置的首要條件是對于輸出髙電壓的每個值能夠覆蓋從最大電流Imax到 Imax/2的電流范閨.這個方法避免了功率半導體器件中的顯著的開關 損失.那就是說電流波形由全周期組成，并且當電流振幅等于零時功 率半導體器件導通，并且振蕩能夠自然地衰減.在振蕩周期沒有進一 步的工作的開關操作.在理想狀態下，當諧振電流變換其符號時發生 一個換向在笫一半振蕩期間，工作的功率半導體器件傳輸電流，并 且在第二半振蕩期間當電流符號改變時，電流換向到以反向并聯配置 連接的二極管(圖4).這個操作模式僅僅包括了最小的開關損失，在 這個輸出功率范閨，功率僅由開關頻率的變化來控制.
希望利用僅包含最小開關損失的PFM操作模式能覆蓋整個可變輸 出功率范圍的最大部分.在假設近似恒定的中間電路電壓Uzk下而不 是在此操作模式下，定義的輸出功率能夠通過串聯諧振電路傳送到具 有最大開關頻率的X射線管.最大開關頻率近似地等于串聯諧振電路 的諧振頻率的50%到55%.這個限制是由這樣的實際情況引起的兩 個隨后的諧振電路振蕩必須是零.建議的搮作方法提出，在這個模式 下的最小開關頻率與輸入電壓Uzk的規定值有關并且輸出電壓Uout小 于最大開關頻率的50%.因此X射線管的放射電流以及因此的輸出功 率能夠最大降低到50%.
此類型的操作通過使用在最大輸出功率下操作的單個高電壓通路 或者通過使用各自僅在最大輸出功率的一半下操作的兩個相同的高電 壓通路，允許達到由特定的輸出電壓和輸出電流(Uout、 Iout)所定
義的相同操作點.兩個獨立的相似通路的操作具有進一步的優點，即 它們能夠通過一定數量的相位移動的操作來減小輸出電壓的紋波.
在這個原理的實際實施例中，重要的是在具有最大輸出功率的單 個通路的操作和具有最小輸出功率的兩個通路的操作之間提供輸出功
率的一些重疊來允許在兩個不同的模式之間的平滑轉換.這些在圖8 中示出.
閨8示出了橫坐標為輸出電流以及縱坐標為開關頻率的困.困中 的數字代表工作的高電壓通路的數目.需要指出的是，該困涉及具有 六個高電壓通路的電源.但除此之外，其與困3和閨7示出的實施例 沒有原則上的區別.在在140mA到280mA的輸出電流范閨內僅單個高 電壓通路工作.能夠看出在280mA的輸出電流時第二高電壓通路導通， 與此同時開關頻率"從60kHz降低到30kHz.為了提供更高的輸出電 流，開關的頻率再次上升.在560mA輸出電流的情況下，電源從兩個 高電壓通路工作切換到四個髙電壓通路工作.開關頻率再次從60kHz 降低到30kHz,最后一個步驟發生在當電源從四個切換到六個工作通路 時輸出電流為840mA.然而，在這個情況下，開關頻率從45kHz降低 到僅30kHz.原因在于，與前面步驟相反，高電壓通路的數量不是加倍 的.
并且如果在本發明的其它實施例中高電壓通路并不相同，開關頻 率必須相應于高電壓通路的不同輸出功率來改變以產生平滑的轉換.
為了增加輸出功率，開關頻率也可以增大直到電流間隙(current gap )已經再次變為零或者通過激活一個或多個其他通路并相對地使開 關頻率適應.術語"電流間隙"的意思參考W001/"""2中所描述的 PFM操作方法.如果所有的逆變器都工作在它們的電流間隙近似為零的 情況下，能夠獲得在此模式中的最大輸出功率.在本實施例中，此情 況發生在等于60kHz的開關頻率fT.
如果一個或多個轉換器的開關頻率fT增加超過這個點，那么就傳 輸更多功率.然而，在這個工作模式下，在半導體開關上產生更多的 開關耗散，并且肯定以熱量的形式傳導出來。如圖8中所示，在140邁A 到168OmA輸出電流的功率范圍內的很大一部分都是可以在PFM操作模 式下控制的，而不會在功率半導體器件中導致開關耗散.明顯地，輸 出電流范圍能夠通過進一步增加高電壓通路的數量能夠擴展到非常高
的電流.
與之相反，有的時候需要在非常小的電流來操作X射線管，其有 可能是低到OfflA。這種情況在圖8的左手側示出.能夠從圖中看出，開 關頻率保持在30kHz.替代進一步減小開關頻率，可以選擇用于具有可 變占空比的轉換器的脈沖寬度調制.通過在當電流流過的第一半振蕩 期間關閉至少一個功率半導體器件來獲得小的輸出功率范閨.不依賴 于開關頻率，占空比能夠適應諧振電路的諧振周期，這樣輸出功率能 夠減小到零，作為脈沖寬度調制(PIM)，調制占空比是公知的.因為 在PWM操作模式下功率在工作的半導體器件中被耗散，低開關頻率對 減小半導體器件中的功率耗散是有益的.從0到140mA，由PWM調制 來調制輸出電流，同樣從140mA到280mA應用脈沖頻率調制(PFM).
在具有非常低的輸出功率的操作模式中產生了顯著的開關損耗. 這些耗散損失必須被傳輸出去.實際上有時需要在相對較長的低輸出 功率期間操作高電壓源，這也加重了上述問題.于是在單個高電壓通
路中處理熱量負栽變得困難.為了減輕上述問題，本發明的電源的一 個優選實施例順序地打開和關斷不同的高電壓通路來使得它們在相對 長的不工作期間冷卻.這樣可以減小如電扇等的制冷設備的花費.當 從一個高電壓通路轉換到另外一個時，可以通過緩慢地逐步停止當前 工作通路并且緩慢地逐步啟用其它此前不工作的通路來獲得輸出電流 中的平滑轉換.
在本發明的一個實施例中，在預設時間周期過去之后，開始改變 工作的高電壓通路的次序.然而，在另一個優選實施例中，提供一個 溫度傳感器來測量工作的高電壓通路的逆變器、變壓器或者整流器或 者其它任何溫度關鍵部件的溫度.在這個實施例中，如果檢測到的溫 度超過預設的閾值溫度，則開始改變次序.任何合適的和商用溫度傳 感器都能夠用于此目的，例如熱敏電阻.在圖中沒有示出溫度傳感器.
圖9示出了作為輸出功率函數的高電壓通路的效率.圖9從效率 的透視圖表現了電源中的高和低損耗的操作區域.在低和高輸出功率 范圍內的低效率相應于高損耗，同樣高效率相應于低損耗.具有高效 率的優選操作區域在圖9中的兩個垂直線之間。在優選搮作區域之外 就發生了顯著的開關損耗.
最后，需要注意的是，權利要求中的附圖標記不能被理解為限制 權利要求的范圍。附圖標記僅僅是提供幫助權利要求的理解.
權利要求
1.一種電源，包括DC電壓源、控制單元(6)，以及多個高電壓通路(33a...33d)，其中每個高電壓通路包括逆變器(INV)、諧振電路(L，C)、變壓器(TR)以及整流器，其中該諧振電路(L，C)與該逆變器共同工作，其中該逆變器由第一開關單元(S1，S2)和第二開關單元(S3，S4)組成，由此可以在第一開關狀態提供第一極性的電壓給所述諧振電路，由此可以在第二開關狀態提供第二極性的電壓給所述諧振電路，其中開關狀態可以由控制單元(6)以這樣的方式切換在用于高輸出功率的第一操作模式中，可以通過在諧振頻率的范圍內改變開關頻率(fT)來調整輸出功率，并且在用于低輸出功率的第二操作模式中，能夠通過在基本恒定的開關頻率上改變開關狀態的持續時間來調整輸出功率，其中該恒定的開關頻率比諧振電路的諧振頻率至少低一個預定的系數。
2. 根據權利要求1的電源，其特征在于所述多個高電壓通敏33a… 33d)包含不同類型的通路.
3. 根據權利要求1的電源，其特征在于控制單元(6)以相移的 方式開關不同通路的所述諧振電路.
4. 根據權利要求1的電源，其特征在于控制單元(6)適用于開 關具有不同頻率(fT)的所述諧振電路.
5. 根據權利要求1的電源，其特征在于控制單元(6)用于以脈 沖寬度調制(PWM)模式來開關所述諧振電路.
6. —種用于操作包含多個高電壓通路的電源的方法，其特征在于 通過脈沖寬度調制在固定的開關頻率對所述多個高電壓通路中的一個 進行調制，同時所有其它的髙電壓通路保持不工作.
7. 根據權利要求6的方法，其特征在于在所述多個高電壓通路中 改變工作的高電壓通路的次序.
8. 根據權利要求7的方法，其特征在于通過測量工作的高電壓通 路的溫度并且如果測量到的溫度超過一個預設的閾值溫度則開始改變 該高電壓通路的次序.
9. 根據權利要求7的方法，其特征在于如果工作的高電壓通路已 經工作了預設的時間周期則開始改變該高電壓通路的次序.
全文摘要
提供了一種電源，該電源(30)包括DC電壓源、控制單元(6)以及多個高電壓通路(33a…33d)。每個高電壓通路(33)包括逆變器(IKTV)、諧振電路、變壓器(TR)以及整流器(RECT)。上述諧振電路與上述逆變器(INV)共同工作。逆變器(INV)由第一開關單元和第二開關單元組成，由此可以在第一開關狀態提供第一極性的電壓給諧振電路，同時在第二開關狀態提供第二極性的電壓給諧振電路。開關狀態能夠由該控制單元以這樣的方式來切換在用于高輸出功率的第一操作模式中，可以通過在諧振頻率的范圍內改變開關頻率來調整輸出功率，在用于低輸出功率的第二操作模式中，能夠通過在基本上恒定的開關頻率上改變開關狀態的持續時間來調整輸出功率。
文檔編號H05G1/10GK101111988SQ200680003502
公開日2008年1月23日 申請日期2006年1月26日 優先權日2005年1月28日
發明者B·弗雷黑特-詹森, B·瓦格納, C·保羅, C·沃勒特森, C·洛夫, F·米勒, K·霍夫曼, M·克林格爾霍勒, W·雷克斯豪森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司