блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток схемы резонансного силового преобразователя, в частности преобразователя постоянного тока в постоянный ток, для использования в цепях генератора высокого напряжения современного устройства компьютерной томографии или рентгенографической системы

Формула изобретения

1. Блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток схемы (400) резонансного силового преобразователя, содержащей два независимых каскада (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора (404) с множеством первичных обмоток, при этом каскады (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток индуктивно связаны первой и второй обмотками межфазного трансформатора (406), предназначенного для уравновешивания рассогласований в выходных токах (I₁, I₂ ) двух каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток.

2. Блок управления по п.1, в котором схема (400) резонансного силового преобразователя является преобразователем постоянного тока в постоянный ток для использования в цепях генератора высокого напряжения.

3. Блок управления по п.2, в котором трансформатор (404) с множеством первичных обмоток предназначен для работы на высоком напряжении.

4. Блок управления по п.3, в котором цепи генератора высокого напряжения служат для подачи выходной мощности к системе формирования рентгенографических изображений, устройству трехмерной поворотной ангиографии или устройству рентгеновской компьютерной томографии с веерным или конусным лучом.

5. Блок управления по любому из пп.1-4, в котором блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток выполнен с возможностью минимизации величины ( I) рассогласования выходных токов инвертора до значения, которое гарантирует, что межфазный трансформатор (406) не работает в насыщенном состоянии посредством управления состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от этого рассогласования ( I) токов, таким образом обеспечивая работу при нулевом токе.

6. Блок управления по п.5, в котором первая обмотка межфазного трансформатора (406) подключена последовательно, по меньшей мере, к одному резонансному контуру (403а, 403а'), последовательно подключенному к первой первичной обмотке трансформатора (404) со множеством обмоток на выходе первого из каскадов (402а) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, и в котором вторая обмотка межфазного трансформатора (406) подключена последовательно, по меньшей мере, к одному дополнительному резонансному контуру (403b, 403b'), последовательно подключенному ко второй первичной обмотке трансформатора (404) со множеством обмоток.

7. Схема (400) резонансного силового преобразователя, содержащая два независимых каскада (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора (404) с множеством первичных обмоток, причем каскады (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток индуктивно связаны первой и второй обмотками межфазного трансформатора (406), который предназначен для уравновешивания рассогласований в выходных токах (I₁, I₂ ) двух каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток.

8. Схема (400) резонансного силового преобразователя по п.7, в которой схема (400) резонансного силового преобразователя является преобразователем постоянного тока в постоянный ток для использования в цепях генератора высокого напряжения.

9. Схема (400) резонансного силового преобразователя по п.8, в которой трансформатор (404) с множеством первичных обмоток предназначен для работы на высоком напряжении.

10. Схема (400) резонансного силового преобразователя по п.9, в которой цепи генератора высокого напряжения служат для подачи выходной мощности к системе формирования рентгенографических изображений, устройству трехмерной поворотной ангиографии или устройству рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или конусным лучом.

11. Схема (400) резонансного силового преобразователя по любому из пп.7-10, содержащая блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток, который выполнен с возможностью минимизации величины значения ( I) рассогласования выходных токов инвертора до значения, которое гарантирует, что межфазный трансформатор (406) не работает в насыщенном состоянии, посредством управления состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от этого рассогласования ( I) токов, таким образом обеспечивая работу при нулевом токе.

12. Схема (400) резонансного силового преобразователя по п.11, в которой первая обмотка межфазного трансформатора (406) подключена последовательно, по меньшей мере, к одному резонансному контуру (403а, 403а'), последовательно подключенному к первой первичной обмотке трансформатора (404) с множеством обмоток на выходе первого из каскадов (402а) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, и вторая обмотка межфазного трансформатора (406) подключена последовательно, по меньшей мере, к одному дополнительному резонансному контуру (403b, 403b'), последовательно подключенному ко второй первичной обмотке трансформатора (404) со множеством обмоток.

13. Система формирования рентгенографических изображений, устройство трехмерной ротационной ангиографии или устройство рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или коническим лучом, содержащие схему (400) резонансного силового преобразователя для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения, которые снабжают устройство компьютерной томографии или рентгенографическую систему напряжением питания для работы рентгеновской трубки, при этом схема (400) силового преобразователя содержит два независимых каскада (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора (404) с множеством первичных обмоток, и при этом каскады (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток индуктивно связаны первой и второй обмотками межфазного трансформатора (406), который предназначен для уравновешивания рассогласований выходных токов (I₁ , I₂) двух каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток.

14. Система формирования рентгенографических изображений, устройство трехмерной ротационной ангиографии или устройство рентгеновской компьютерной томографии по п.13,

содержащие блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток, который выполнен с возможностью минимизации величины значения ( I) рассогласования выходных токов инвертора до значения, которое гарантирует, что межфазный трансформатор (406) не работает в насыщенном состоянии, посредством управления состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от этого рассогласования ( I) токов, таким образом обеспечивая работу при нулевом токе.

15. Система формирования рентгенографических изображений, устройство трехмерной ротационной ангиографии или устройство рентгеновской компьютерной томографии по п.14,

в которых первая обмотка межфазного трансформатора (406) подключена последовательно, по меньшей мере, к одному резонансному контуру (403а, 403а'), последовательно подключенному к первой первичной обмотке трансформатора (404) со множеством обмоток на выходе первого из каскадов (402а) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, и вторая обмотка межфазного трансформатора (406) подключена последовательно, по меньшей мере, к одному дополнительному резонансному контуру (403b, 403b'), последовательно подключенному ко второй первичной обмотке трансформатора (404) с множеством обмоток.

16. Способ управления схемой (400) резонансного силового преобразователя для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения системы формирования рентгенографических изображений, устройства трехмерной ротационной ангиографии или устройства рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или коническим лучом, причем схема (400) резонансного силового преобразователя содержит два независимых каскада (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора (404) с множеством первичных обмоток, и каскады (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток являются индуктивно связанными первой и второй обмотками межфазного трансформатора (406) для уравновешивания рассогласований резонансных выходных токов (I₁, I ₂) двух каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, при этом первая обмотка последовательно подключена к первой первичной обмотке трансформатора (404) со множеством обмоток на выходе первого из каскадов (402а) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, и вторая обмотка последовательно подключена ко второй первичной обмотке трансформатора (404) с множеством обмоток, при этом способ содержит этапы, на которых:

- непрерывно детектируют (S2a) резонансные выходные токи (I₁, I₂ ) двух инверторов в течение инициированного сеанса рентгенографии при симметрировании (S2b) электрических токов, протекающих на выходах двух каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток посредством использования межфазного трансформатора (406),

- вычисляют (S3) величину рассогласования ( I) токов, которую получают вычитанием резонансного тока (I₂) на выходе второго (402b) из двух каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток из резонансного тока (I₁) на выходе первого (402а) из этих двух каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, и

- управляют (S4) состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации двух каскадов (402а+b) силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от вычисленного рассогласования ( I) детектированных выходных токов (I₁, I ₂) инвертора так, чтобы рассогласование тока принимало минимальное значение, которое гарантирует, что межфазный трансформатор (406) не работает в насыщенном состоянии, таким образом обеспечивая работу при нулевом токе.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к блоку управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток схемы силового преобразователя резонансного типа, в частности, преобразователя постоянного тока в постоянный ток, для подачи выходной мощности, например, для использования в цепях генератора высокого напряжения системы формирования рентгенографических изображений, устройства трехмерной (3D) ротационной ангиографии или устройства рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или конусным лучом. Более точно, настоящее изобретение направлено на схему силового преобразователя резонансного типа, которая содержит межфазный трансформатор, последовательно подключенный, по меньшей мере, к одному последовательно соединенному резонансному контуру на выходе двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, питающих трансформатор высокого напряжения с множеством первичных обмоток, при этом, межфазный трансформатор служит для устранения рассогласования резонансных выходных токов каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток. Дополнительно, настоящее изобретение касается способа управления, который гарантирует, что межфазный трансформатор не насыщается. Этот способ управления обеспечивает работу при нулевом токе и предусматривает, что потери мощности на входе могут быть минимизированы.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Генераторы высокого напряжения источников питания рентгеновских трубок, которые используются в медицинской рентгенографии, обычно содержат, по меньшей мере, один многофазный трансформатор высокого напряжения, который обеспечивает требуемую мощность для работы рентгеновской трубки на катод и анод трубки. В традиционных цепях генераторов высокого напряжения, устройство регулирования напряжения переменного тока, например, такое как автотрансформатор, подводит линию питания к многофазной первичной обмотке трансформатора высокого напряжения. Коммутационное устройство, например, такое как кремниевый триодный тиристор (SCR) в соединении с мостовым выпрямителем, размыкает и замыкает нейтральную точку звезды первичной многофазной обмотки, чтобы включать и выключать подачу высокого напряжения на рентгеновскую трубку. Индуктивные и емкостные явления в трансформаторе и связанных в ним компонентах источника питания обычно заставляют высокое напряжение подниматься выше своего установившегося уровня в течение периода непосредственно за размыканием цепи. Известно, что значительность этого превышения увеличивается с повышением напряжения рентгеновской трубки и уменьшается с повышением тока рентгеновской трубки. В частности, питаемые инвертором со сдвинутой по фазе широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, PWM) силовые преобразователи постоянного тока в постоянный ток с паразитным резонансным контуром трансформатора высокого напряжения, которые используются для рентгеновского силового генератора, таким образом, демонстрируют жесткие нелинейные характеристики, обусловленные регулированием сдвинутого по фазе напряжения и работой диода отсечки в высоковольтном выпрямителе вследствие широких диапазонов установок нагрузки в конкретных применениях.

Современные резонансные преобразователи постоянного тока в постоянный ток, такие как используемые в цепях генератора высокого напряжения для снабжения рентгеновских трубок высокими напряжениями питания, работают на высоких частотах коммутации. Очевидно, что любые коммутационные потери, возникающие вследствие связанных силовых ключей в одиночном цикле коммутации, должны уменьшаться, для того чтобы ограничивать общие потери мощности.

Признанным способом выполнения этого является коммутация при нулевом токе (ZCS), где включение и выключение силовых ключей разрешено только на или возле перехода через нуль резонансного тока. Этот способ является установившейся практикой в программно управляемых импульсных преобразователях, но имеет недостаток в том, что он ухудшает управляемость выходной мощности. Коммутация при нулевом токе и хорошая управляемость являются практически несовместимыми требованиями, так как хорошая управляемость обычно достигается непрерывным управлением временем включенного состояния силовых ключей, и в этом случае, ZCS не может гарантироваться во всех рабочих точках. Поэтому, появляются коммутационные потери, так между коммутационными потерями и управляемостью выходной мощности может быть достигнут компромисс.

В последнее время, было разработано многообразие высоковольтных импульсных источников питания постоянного тока, использующих резонансные инверторы с высокочастотными трансформаторами, питаемые напряжением или питаемые током, с биполярными силовыми транзисторами с изолированным затвором (IGBT) МОП (металл-оксид-полупроводник, MOS) для рентгеновских генераторов высокой мощности медицинского применения. Вообще, рентгеновские генераторы высокой мощности и высокого напряжения, использующие питаемые напряжением высокочастотные инверторы в соединении через трансформаторную связь высокого напряжения, должны удовлетворять следующим требованиям: (i) короткий период нарастание в пусковом переходном процессе напряжения рентгеновской трубки, (ii) отсутствие превышения переходной характеристики напряжения на трубке, и (iii) сведенные к минимуму пульсации напряжения в периодическом установившемся состоянии в условиях крайне широких колебаний нагрузки и флуктуации тока нити накала рентгеновской трубки.

Цепи генератора высокого напряжения для использования в устройствах CT (компьютерной томографии) или рентгеновских устройствах предпочтительно состоят из последовательного резонансного контура для возбуждения трансформатора высокого напряжения. Традиционные регуляторы мощности постоянного тока в постоянный ток, которые используются в рамках таких цепей генератора высокого напряжения, например, такого как описанный в WO 2006/114719 A1, в силу этого, требуют, чтобы модулятор коммутировал каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, отличные друг от друга, что, приводит к разным резонансным током в каскадах силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, работающих совместно на одном трансформаторе со множеством обмоток. Как следствие, коммутация при нулевом токе больше не обеспечивается для всех рабочих точек, что приводит к добавлению нежелательных потерь. Традиционно, специальный способ управления применяется для обеспечения коммутации при нулевом токе в любое время наряду с поддержкой управляемости высокого выходного напряжения. Если каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток работают совместно, способ управления может давать в результате асимметричное распределение токов. Как следствие, однако, коммутация при нулевом токе больше не обеспечивается для всех рабочих точек, что вызывает нежелательные потери.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить эффективное управление подводимой выходной мощностью при обеспечении работы при нулевом токе в каждом цикле коммутации, так чтобы исключить нежелательные потери.

Для достижения этой задачи, первый примерный вариант осуществления настоящего изобретения направлен на блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток схемы резонансного силового преобразователя. Схема силового преобразователя, в силу этого, содержит два независимых каскада силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора с множеством первичных обмоток, причем, каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток являются индуктивно связанными первой и второй обмоткой межфазного трансформатора, который предназначен для уравновешивания рассогласований выходных токов двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток. В этой связи, должно быть отмечено, что схема резонансного силового преобразователя может быть реализована в качестве преобразователя постоянного тока в постоянный ток для использования в цепях генератора высокого напряжения, и что трансформатор с множеством первичных обмоток может быть предназначен для работы на высоком напряжении. Цепи генератора высокого напряжения могут служить для подачи выходной мощности к системе формирования рентгенографических изображений, устройству трехмерной ротационной ангиографии или устройству рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или конусным лучом.

Согласно настоящему изобретению, блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток может быть выполнен с возможностью минимизации величины значения рассогласования выходных токов инвертора до значения, которое гарантирует, что межфазный трансформатор не работает в насыщенном состоянии, посредством управления состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от этого рассогласования токов, таким образом, обеспечивая работу при нулевом токе.

В этом контексте, должно быть отмечено, что первая обмотка межфазного трансформатора предпочтительно может быть подключена последовательно, по меньшей мере, к одному резонансному контуру, последовательно подключенному к первой первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток на выходе первого из каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, а вторая обмотка межфазного трансформатора предпочтительно может быть подключена последовательно, по меньшей мере, к одному дополнительному резонансному контуру, последовательно подключенному ко второй первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток.

Дополнительно, второй примерный вариант осуществления настоящего изобретения относится к схеме резонансного силового преобразователя. Как описано выше со ссылкой на первый вариант осуществления, схема силового преобразователя содержит два независимых каскада силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора с множеством первичных обмоток, причем, каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток являются индуктивно связанными первой и второй обмоткой межфазного трансформатора, который предназначен для уравновешивания рассогласований выходных токов двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток. Вновь должно быть отмечено, что схема резонансного силового преобразователя может быть реализована в качестве преобразователя постоянного тока в постоянный ток для использования в цепях генератора высокого напряжения, и что трансформатор с множеством первичных обмоток может быть предназначен для работы на высоком напряжении. Цепи генератора высокого напряжения могут служить для подачи выходной мощности к системе формирования рентгенографических изображений, устройству трехмерной ротационной ангиографии или устройству рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или конусным лучом. Согласно настоящему изобретению, схема резонансного силового преобразователя может содержать блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток, который может быть выполнен с возможностью минимизации величины рассогласования выходных токов инвертора до значения, которое гарантирует, что межфазный трансформатор не работает в насыщенном состоянии, посредством управления состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от этого рассогласования токов, таким образом, обеспечивая работу при нулевом токе.

Как описано выше, первая обмотка межфазного трансформатора предпочтительно может быть подключена последовательно, по меньшей мере, к одному резонансному контуру, последовательно подключенному к первой первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток на выходе первого из каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, а вторая обмотка межфазного трансформатора предпочтительно может быть подключена последовательно, по меньшей мере, к одному дополнительному резонансному контуру, последовательно подключенному ко второй первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток.

Третий примерный вариант осуществления настоящего изобретения направлен на систему формирования рентгенографических изображений, устройство трехмерной ротационной ангиографии или устройство рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или конусным лучом, содержащим схему резонансного силового преобразователя для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения, которые обеспечивают устройство компьютерной томографии или рентгенографическую систему напряжением питания для работы с рентгеновской трубкой. В силу этого, схема силового преобразователя содержит два независимых каскада силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора с множеством первичных обмоток, причем, каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток являются индуктивно связанными первой и второй обмоткой межфазного трансформатора, который предназначен для уравновешивания рассогласований выходных токов двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток.

Согласно настоящему изобретению, система формирования рентгенографических изображений, устройство трехмерной ротационной ангиографии или устройство рентгеновской компьютерной томографии могут содержать блок управления силовым инвертором преобразования постоянного тока в переменный ток, который может быть выполнен с возможностью минимизации величины рассогласования выходных токов инвертора до значения, которое гарантирует, что межфазный трансформатор не работает в насыщенном состоянии, посредством управления состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от этого рассогласования токов, таким образом, обеспечивая работу при нулевом токе.

Как уже описано выше, первая обмотка межфазного трансформатора предпочтительно может быть подключена последовательно, по меньшей мере, к одному резонансному контуру, последовательно подключенному к первой первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток на выходе первого из каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, а вторая обмотка межфазного трансформатора предпочтительно может быть подключена последовательно, по меньшей мере, к одному дополнительному резонансному контуру, последовательно подключенному ко второй первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток.

Четвертый примерный вариант осуществления настоящего изобретения имеет отношение к способу управления схемой резонансного силового преобразователя для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения системы формирования рентгенографических изображений, устройства трехмерной ротационной ангиографии или устройства рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или конусным лучом. Как описано выше со ссылкой на второй вариант осуществления, схема резонансного силового преобразователя содержит два независимых каскада силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора с множеством первичных обмоток, при этом, эти каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток могут быть индуктивно связанными первой и второй обмоткой межфазного трансформатора для уравновешивания рассогласований резонансных выходных токов двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток. В силу этого, вторая обмотка может быть последовательно подключена к первой первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток на выходе первого из каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, а вторая обмотка может быть последовательно подключена ко второй первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток. Согласно основной идее настоящего изобретения, способ может содержать этапы, на которых непрерывно детектируют резонансные выходные токи двух инверторов в течение инициированного сеанса рентгенографии при симметрировании электрических токов, протекающих на выходах двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток посредством использования межфазного трансформатора, вычисляют величину рассогласования токов, полученную вычитанием резонансного тока на выходе второго из двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток из резонансного тока на выходе первого из этих двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток и управляют состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от вычисленного рассогласования детектированных выходных токов инвертора, так, чтобы рассогласование токов принимало минимальное значение, которое гарантирует, что межфазный трансформатор не работает в насыщенном состоянии, таким образом, обеспечивая работу при нулевом токе.

Пятый примерный вариант осуществления настоящего изобретения относится к компьютерному программному продукту для выполнения способа управления схемой резонансного силового преобразователя, подающей выходную мощность для использования в цепях генератора высокого напряжения системы формирования рентгенографических изображений, устройства трехмерной ротационной ангиографии или устройства рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или конусным лучом при работе в блоке оперативного управления такой системы или устройства. Как описано выше со ссылкой на второй вариант осуществления, схема резонансного силового преобразователя может содержать два независимых каскада силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора с множеством первичных обмоток, причем каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток являются индуктивно связанными первой и второй обмоткой межфазного трансформатора для уравновешивания рассогласований резонансных выходных токов двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, при этом, первая обмотка может быть последовательно подключена к первой первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток на выходе первого из каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, и при этом, вторая обмотка может быть последовательно подключена ко второй первичной обмотке трансформатора со множеством обмоток. Согласно настоящему изобретению, компьютерный программный продукт может быть предусмотрен для выполнения этапов, на которых вычисляют величину рассогласования токов, полученную вычитанием резонансного тока, детектированного на выходе второго из двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, из резонансного тока, детектированного на выходе первого из этих двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, при этом токи симметрируют посредством межфазного трансформатора, и управляют состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток в зависимости от рассчитанного рассогласования детектированных выходных токов инвертора, так, чтобы рассогласование токов принимало минимальное значение, которое гарантирует, что межфазный трансформатор не работает в насыщенном состоянии, таким образом, обеспечивая работу при нулевом токе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 показывает структурную схему для иллюстрации принципиальных компонентов многоимпульсных генераторов высокого напряжения, которые широко применяются согласно предшествующему уровню техники для обеспечения напряжения питания рентгеновской трубки;

фиг.2 показывает схему управления с обратной связью для иллюстрации принципа управления напряжением рентгеновской трубки и током трубки, который известен из предшествующего уровня техники;

фиг.3 показывает аналоговую реализацию генератора высокого напряжения типа инверторного типа согласно предшествующему уровню техники, как описанный со ссылкой на фиг.1, которая может использоваться в медицинской рентгеновской системе;

фиг.4 показывает аналоговые цепи схемы резонансного силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения с двумя независимыми каскадами силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, как известные из WO 2006/114719 A1;

фиг.5 показывает аналоговые цепи схемы резонансного силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения системы формирования рентгенографических изображений, устройства трехмерной ротационной ангиографии или устройства рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или коническим лучом, при этом, цепи силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток содержат два независимых каскада силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток для питания трансформатора высокого напряжения с множеством первичных обмоток, и при этом, каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток индуктивно связаны межфазным трансформатором;

фиг.6 показывает таблицу истинности для возможных комбинаций режимов работы для двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, работающих на одиночном трансформаторе высокого напряжения, как известно из WO 2006/114719 A1;

фиг.7 показывает таблицу истинности для алгоритма управления, который может выполняться для минимизации наблюдаемого рассогласования двух резонансных выходных токов инвертора, как предложено в способе управления согласно настоящему изобретению;

фиг.8 показывает две синусоидальных формы кривой тока для резонансных выходных токов инвертора, которые являются следствием применения одного из набора предопределенных режимов работы, а также форму кривой для рассогласования выходных токов инвертора;

фиг.9 показывает блок-схему последовательности операций способа для иллюстрации способа для управления схемой резонансного силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения системы формирования рентгенографических изображений, устройства трехмерной ротационной ангиографии или устройства рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или коническим лучом, который заявлен в настоящем изобретении.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последующих разделах, примерный вариант осуществления заявленной схемы силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток, а также примерный вариант осуществления заявленного способа управления согласно настоящему изобретению, будут пояснены более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи.

На Фиг.1 показан принцип технологии высокочастотного инвертора, которая также известна как прямое преобразование напряжения. В силу этого, она показывает принципиальные компоненты традиционного многоимпульсного генератора высокого напряжения, используемого для подачи напряжения питания рентгеновской трубки 112. Прежде всего, промежуточное напряжение U_LPF постоянного тока с большими или меньшими пульсациями формируется посредством выпрямления и фильтрации нижних частот напряжения U_Mains переменного тока, которое подводится питающей сетью, с использованием каскада 101 преобразователя переменного тока в постоянный ток, следующего за первым каскадом 102 фильтрации нижних частот, при этом, последний может быть реализован просто одиночным сглаживающим конденсатором. Хотя электрическая выходная мощность, как и следовало ожидать, будет отличаться, из однофазного источника питания может быть получено такое же качество высокого напряжения, как из трехфазного источника питания. Каскад 103 силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, подключенный за каскадом 102 фильтрации нижних частот, затем использует промежуточное напряжение постоянного тока для формирования высокочастотного переменного напряжения U_inv, питающего трансформатор 104 высокого напряжения, который подключен на своей вторичной стороне к высоковольтному выпрямителю 105 и последующему второму каскаду 106 фильтрации нижних частот, при этом, последний также может быть реализован одиночным сглаживающим конденсатором. Полученное выходное напряжение U_out затем может использоваться в качестве высокочастотного многоимпульсного напряжения трубки для генерирования рентгеновского излучения в рентгеновской трубке 112.

В этом контексте, должно быть отмечено, что высокочастотные инверторы обычно применяют широтно-импульсную модуляцию или действуют в качестве резонансного контура, в зависимости от используемых силовых ключей. При допущении, что изображенные цепи многоимпульсного генератора высокого напряжения предусматривают уменьшение поперечного сечения сердечника трансформатора, трансформация высокочастотных напряжений переменного тока дает очень небольшой объем трансформатора высокого напряжения. С такими цепями, напряжение и ток рентгеновской трубки могут управляться независимо, при этом они практически не подвержены флуктуациям напряжения источника питания. Электронные блоки управления напряжением рентгеновской трубки, в силу этого, типично демонстрируют время отклика в 0,1 мс или менее.

Схема управления с обратной связью для иллюстрации принципа управления напряжением рентгеновской трубки и током трубки, который известен из предшествующего уровня техники, показана на фиг.2.Типично, действующее значение U_act напряжения рентгеновской трубки измеряется и сравнивается с номинальным значением U_nom, выбранным оператором на пульте управления, в схеме сравнения. В зависимости от этой информации, силовые ключи настраиваются предопределенным образом (например, таким как описанный в WO 2006/114719 A1). Быстродействие этого управления, главным образом, зависит от частоты инвертора. Хотя оно является не настолько быстрым как у генераторов высокого напряжения с постоянным потенциалом, инвертор легко превосходит быстродействие традиционных многопиковых выпрямителей. Пульсация в результирующем напряжении на вторичной стороне трансформатора, главным образом, находятся под влиянием частоты инвертора, внутренней сглаживающей емкости, емкости высоковольтных кабелей питания и уровня промежуточного напряжения U_LPF постоянного тока.

Аналоговая реализация генератора высокого напряжения инверторного типа согласно предшествующему уровню техники, как описанный со ссылкой на фиг.1, который, например, может использоваться в медицинской рентгеновской системе, показана на фиг.3. Как показано на фиг.3, напряжение переменного тока, поданное из питающей сети, выпрямляется и сглаживается двухполупериодным выпрямителем 302 и сглаживающим конденсатором 303 в промежуточное напряжение постоянного тока, а затем, подается в каскад 304 полномостового силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, состоящий из четырех биполярных ключевых транзисторов большой мощности. Более того, плавкая вставка 305 подключена к одному концу входной стороны схемы 304 инвертора, и детектор 306 тока подключен к другому концу схемы 304 инвертора.

Прежде всего, входное напряжение постоянного тока преобразуется в высокочастотное напряжение переменного тока (например, 200 кГц) посредством схемы 304 инвертора. После того, напряжение переменного тока трансформируется в напряжение переменного тока более высокого уровня (например, 150 кВ) посредством трансформатора 307 высокого напряжения, которое затем выпрямляется и сглаживается высоковольтным выпрямителем 308 и сглаживающим конденсатором 309. Высоковольтный выпрямитель 308 может быть обеспечен кремниевым диодом с напряжением пробоя около 150 кВ, и т.д. В заключение, полученное высокое напряжение постоянного тока прикладывается к рентгеновской трубке 310. Резистор 311 деления напряжения подключен параллельно с конденсатором 309. В качестве значения детектирования напряжения трубки (то есть, значения детектирования, соответствующего прикладываемому к рентгеновской трубке напряжению), напряжение на резисторе 311 деления напряжения возвращается в схему 312 возбуждения инвертора, которая используется для управления временными характеристиками коммутации схемы 304 инвертора.

В схему 312 возбуждения инвертора подаются значение детектирования детектора 306 тока инвертора, значение детектирования напряжения трубки, уставка для установки напряжения трубки, а также уставка (длительность воздействия) для установки таймера. Эти значения соответственно вводятся через пульт (не показан) рентгеновской системы. Как изображено на фиг.3, схема 312 возбуждения инвертора генерирует выходной сигнал, который возбуждает ключевые транзисторы схемы 304 инвертора.

Рентгеновские генераторы высокого напряжения или генераторы высокого напряжения для компьютерной томографии предпочтительно состоят из каскадов полномостового силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, которые подключены к последовательному резонансному контуру для возбуждения трансформатора высокого напряжения (сравните с фиг.4). На этом чертеже показаны аналоговые цепи схемы резонансного силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения с двумя независимыми каскадами силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, как известные из WO 2006/114719 A1. Показано, каким образом две схемы 402a+b инвертора могут работать на одном трансформаторе 404 высокого напряжения с многочисленными обмотками. Может быть показано, что размер дискретных промежутков выходного напряжения U_out силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток может быть уменьшен, давая в результате даже еще боле низкую пульсацию выходного напряжения. Вследствие связи двух резонансных контуров общим трансформатором, реализована функция делителя напряжения. Вместо коммутации между тремя режимами работы, как описано выше в отношении первого примерного варианта осуществления настоящего изобретения, здесь достижимы пять значимых режимов. Пять уровней напряжения, создаваемых этими режимами, категоризированы +1, +1/2, 0, -1/2, -1, и имеют в качестве результата комбинации режимов «+», «-» и «0» двух независимых инверторов 402a+b.

Для снижения потерь, каскады силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток предпочтительно коммутируется при нулевом токе. WO 2006 /114719A1, в силу этого, описывает способ управления, который осуществляет коммутацию при нулевом токе при всех обстоятельствах в комбинации с технически прогрессивным контроллером для одновременного управления высоким выходным напряжением.

На Фиг.5 показана принципиальная схема двух независимо управляемых каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, чьи выходы последовательно подключены к последовательному резонансному контуру и первой или второй обмотке межфазного трансформатора, при этом, последний обеспечивает симметрирование токов между двумя независимо работающими каскадами силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток.

Здесь, межфазный трансформатор 406 обеспечивает симметрирование выходных переменных токов инвертора до тех пор, пока отсутствует явление насыщения. В своей основе, межфазный трансформатор действует в качестве индуктивного делителя напряжения. Так как он не имеет воздушного зазора, рассогласование выходных токов инвертора очень мало до тех пор, пока обеспечивающий параллельную работу выпрямителей трансформатор не насыщен. Этот ток соответствует току намагничивания для обычного трансформатора. Насыщение может порождаться, если интеграл по времени разностей напряжений двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток превышает предел, определенный максимальным потокосцеплением межфазного трансформатора. Когда это происходит, рассогласование токов между двумя каскадами силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток будет возрастать.

Для сохранения размера межфазного трансформатора 406 как можно меньшим, введен алгоритм управления для минимизации рассогласования токов у токов инвертора, который приводит к тому, что интеграл разности напряжений выходных напряжений двух каскадов силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток по времени минимизируется. В силу этого, могут быть сохранены все преимущества конструкции контроллера, описанной в WO 2006/114719 A1. В WO 2006/114719 A1, описаны три разных режима работы, обозначенных символом плюса (для увеличения амплитуды резонансного тока, например, режима, имеющего напряжение инвертора в фазе с резонансным током), символом нуля (например, режима, прикладывающего нулевое напряжение, и имеющего эффект поддержания амплитуды резонансного тока), и символом минуса (для уменьшения амплитуды резонансного тока, например, режима, имеющего напряжение инвертора, противоположное току).

На Фиг.4 (соответствует фиг.11, которая описана в документе WO 2006/114719 A1), показана принципиальная схема того, каким образом две схемы инвертора могут работать на одном трансформаторе, имеющем множество обмоток. Это обеспечивает возможность двух дополнительных режимов коммутации, являющихся следствием комбинации состояния плюс или состояния минус в одном инверторе с состоянием ноль в другом инверторе. Получающиеся в результате пять уровней категоризируются в качестве +1, +1/2, 0, -1/2 и -1. Все возможные комбинации режимов работы, имеющих два каскада силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, работающих на одном трансформаторе высокого напряжения, изображены в таблице, которая представлена на фиг.6 (соответствует фиг.12 документа WO 2006/114719 A1).

Очевидно, есть некоторые комбинации, которые приводят к одинаковому действующему выходному напряжению, но составлены по-разному. Есть избыточные комбинации 2 и 7, приводящие к уровню +1/2, и избыточные комбинации 4 и 9, приводящие к уровню -1/2, которые приводят к некоторой степени свободы для выбора потенциально возможных моделей коммутации. Описанный в последствии алгоритм управления использует эти степени свободы уже для обеспечения некоторого уравновешивания токов инвертора и, таким образом, снижает риск насыщения межфазного трансформатора. Также есть комбинации 8 и 10, которые обычно нежелательны, так как они создают нулевое выходное напряжение с добавлением коммутационных потерь в преобразователе. Несмотря на то, что таковые здесь не рассматриваются, кроме того, они также могут служить в качестве состояний балансировки для межфазных трансформаторов.

Один из способов для симметрирования токов инвертора состоит в том, чтобы сравнивать их рассогласование, например, вычитанием выходного тока ( I₂) второго инвертора из выходного тока первого инвертора (I₁) с помощью простой схемы операционного усилителя и сравнением его с нулем, либо непосредственным сравнением обоих сигналов. Результирующий цифровой сигнал указывает, какой из токов больше. На Фиг.7 показана таблица истинности, которая иллюстрирует предложенный алгоритм управления для минимизации рассогласования токов.

Из этой таблицы, может быть понятно, что алгоритм контроллера использует избыточные режимы работы для управления каскадами силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток некоторым образом, при котором результирующее рассогласование токов уменьшается. Это, конечно, возможно только для уровня +1/2 и -1/2.

На Фиг.8 показаны два синусоидальных сигнала i₁(t ) и i₂(t) для выходных токов I ₁ и I₂, инвертора, соответственно, которые являются следствием применения данных режимов работы, заданных выходным напряжением U₁ первого каскада 402a силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, выходным напряжением U₂ второго каскада 402b силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток и выходным напряжением U _out'=f₂'(U ₁, U₂) заявленной в формуле изобретения схемы 400 резонансного силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток, как показано в верхней части чертежа. В моменты времени выборки, t=kT/2-t_s (причем, t_s kT/2, и k ), может быть показано, что полученное рассогласование i(t) между токами i₁( t) и i₂(t) инвертора (здесь, между заданными их представлениями во временной области) является большим или меньшим, чем ноль. Если контроллер требует неизбыточного режима работы, например, такого как заданный режимом «+1», когда оба силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток переключены в режим «+», то алгоритм управления не может оказывать влияние на симметрию токов. Если контроллер требует избыточного состоянии (например, +1/2), алгоритм управления проверяет разные токи, чтобы выбрать благоприятную комбинацию режимов работы инвертора для минимизации вышеупомянутых разных токов как можно больше. Оставшиеся рассогласования затем компенсируются межфазным трансформатором. Особое преимущество состоит в том, что такой межфазный трансформатор также уравновешивает разброс в других составляющих и неравенства между модулями инвертора.

В этой связи, должно быть упомянуто, что настоящее изобретение не ограничено схемами силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток только с двумя каскадами силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, которые должны симметрироваться, будучи индуктивно связанными первой и второй обмоткой межфазного трансформатора, который предназначен для уравновешивания рассогласований выходных токов двух каскадов инвертора. Может быть преимущественно предположить, что следует симметрировать более чем два каскада силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток установкой соответствующего количества межфазных трансформаторов для индуктивного связывания выходов каждой пары этих каскадов инвертора. Для заданного количества N каскадов силового инвертора, может быть показано, что, по меньшей мере, (N-1) межфазных трансформаторов должно использоваться для выполнения этой задачи.

Блок-схема последовательности операций способа для иллюстрации способа для управления схемой резонансного силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток для подачи выходной мощности для использования в цепях генератора высокого напряжения системы формирования рентгенографических изображений, устройства трехмерной ротационной ангиографии или устройства рентгеновской компьютерной томографии типа с веерным или коническим лучом, который заявлен в настоящем изобретении, показана на фиг.9. После приема (S1) команды коммутации (сигнала включения питания) для инициирования нового сеанса рентгенографии, резонансные переменные выходные токи I₁ и I₂ двух инверторов непрерывно детектируют (S2b) при симметрировании (S2a) электрических токов, протекающих на выходах двух каскадов 402a+b инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток посредством использования межфазного трансформатора 406. Иначе, процедуру продолжают в цикле с этапа S1 через предопределенную временную задержку, I, до тех пор, пока не будет принята такая команда коммутации. В этом случае, вычисляют (S3) величину рассогласования I токов, полученную вычитанием резонансного тока I₂ на выходе второго (402b) из двух каскадов 402a+b инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток из резонансного тока I₁ на выходе первого (402a) из двух каскадов инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток, и далее, что означает, в зависимости от вычисленного рассогласования I детектированных выходных токов I ₁ и I₂ инвертора, состояниями коммутации и/или моментами времени коммутации двух каскадов 402a+b инвертора DC/AC управляют таким образом, что рассогласование токов принимает минимальное значение, которое гарантирует, что межфазный трансформатор 406 не работает в насыщенном состоянии. При приеме (S5) команды коммутации (сигнала выключения питания) для завершения работы сеанса рентгенографии, процедура завершается. Иначе, она продолжается этапами S2a и S2b.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Прямое применение заявленной схемы силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток состоит в деятельности по развитию генераторов высокого напряжения, в частности генераторов напряжения с очень высокой плотностью энергии, которые преимущественно могут использоваться в качестве источника напряжения для рентгеновских трубок следующего поколения. За исключением этого, изобретение также может полезным образом применяться для деятельности по развитию технологии схем силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток в целом.

В этом контексте, должно быть отмечено, что требуемые усилия на аппаратные средства и программное обеспечение для реализации этой идеи являются низкими. Более того, должно быть упомянуто, что предложенная схема силового преобразователя постоянного тока в постоянный ток не вызывает никаких дополнительных коммутационных потерь.

Применение как межфазного трансформатора, так и алгоритма управления, гарантирует хорошо симметрированную работу каскадов полномостового силового инвертора преобразования постоянного тока в переменный ток.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в вышеизложенном описании, такие иллюстрация и описание должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничивающими, что означает, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие варианты для раскрытых вариантов осуществления могут быть осмыслены и реализованы специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения на практике, по изучению чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множественности. Одиночный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, изложенных в формуле изобретения. Простое обстоятельство, что определенные критерии перечислены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не служит признаком того, что комбинация этих критериев не может быть использована с выгодой. Компьютерная программа может храниться/распространяться на пригодном носителе, например, таком как оптический запоминающий носитель или твердотельный носитель, поставляемый вместе с или в качестве части других аппаратных средств, но также может распространяться в других формах, например, таких как через сеть Интернет или другие системы проводной или беспроводной дальней связи. Кроме того, любые символы ссылок в формуле изобретения не должны истолковываться в качестве ограничивающих объем изобретения.