CN101902140A - 发电系统和x射线发生器系统 - Google Patents

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Abstract

发电系统(10，56)包括电源(12)、将电源提供的低压电转换成较高压电的变压器模块(14，58)、和对变压器模块提供的较高电压进行放大的电压倍增器模块(16，60)。变压器模块包含N个变压器单元(15，62)。每个变压器单元至少包含1部变压器(28)，每部变压器包括磁芯(30)、初级线圈(32)和次级线圈(34)。在变压器模块中，变压器的初级线圈以并联方式同电源进行连接，变压器的次级线圈包含一对输出端子。N为2或大于2的整数。电压倍增器模块包含N个倍增器(40)。每个倍增器模块包含正、负输入端子(50，52)和正、负输出端子(53，55)。每个倍增器的正、负端子分别与相应的变压器单元的正、负输出端子相连接，倍增器的正、负输出端子相互串联。

Description

发电系统和X射线发生器系统
技术领域
本发明涉及一种发电系统。具体而言，本发明涉及用于如X-射线发生器系统之类的高压发电系统。
背景技术
高压发电系统用于，例如为真空管提供调制高压直流电，使电子从阴极流到阳极并产生X射线。发电系统一般包括一个次级对初级匝数比高并将较低压交流电转换为较高频高压交流电的变压器模块。发电系统可能还包括一个变极器或倍增器模块，其可以利用电容器及二极管将变压器模块次级线圈的高压交流电转换增压调制为所需要的为高压直流电。
一种类型的高压发电系统主要依赖于变压器模块来调制高压直流电，因此需要很高的次级对初级匝数比。此类型的高压发电系统存在的问题包括高次级对初级匝数比会在次级线圈中产生较大的寄生阻抗(parasiticimpedances)和较高的交流应力(AC stress)，因此要求较高绝缘性能以及较大的封装体积。
另一种类型的高压发电系统主要依赖倍增器模块来调制高压，其包括一个较低压变压器和一个具有高放大系数的倍增器模块。此类型的高压发电系统的优点是：仅需要变压器具有较低的次级对初级匝数比。但是，为输入高压直流电，倍增器模块的串联电容器需要很高的容量，因此会造成成本较高。储有大量的能量的为数众多的高容量电容器也会导致较慢的反应速度。
因此，需要一种改进的高压发电系统，该系统变压器次级线圈的交流应力较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的发电系统和X射线发生器系统。
一方面，本发明涉及发电系统，其包括：电源；将电源提供的低压电转换成较高压电的变压器模块，变压器模块包含N个变压器单元，N为2或大于2的整数，每个变压器单元至少包含1部变压器，每部变压器包括磁芯、初级线圈和次级线圈，变压器的初级线圈以并联方式同电源进行连接，变压器的次级线圈包含一对输出端子；对变压器模块提供的较高电压进行放大的电压倍增器模块，电压倍增器模块包含N个倍增器，每个倍增器模块包含正、负输入端子和正、负输出端子，每个倍增器的正、负端子分别与相应的变压器单元的正、负输出端子相连接，并且倍增器的正、负输出端子相互串联。
另一方面，本发明涉及X射线发生器系统，包括：电源，其提供低压交流电；变压器模块，其将来自所述电源的低压交流电转换为较高压交流电，所述变压器模块包括数量为N的变压器单元，每一个变压器单元包括至少一个变压器，并且每一个变压器包括磁芯、初级线圈和次级线圈；其中所述变压器模块中的各变压器的各初级线圈并联地电连接到所述电源，一个变压器单元的变压器的次级线圈包括正输出端子和负输出端子，N等于或大于二；电压倍增器模块，其将来自所述变压器模块的较高压交流电转换为高压直流电，所述电压倍增器模块包括数量为N的倍增器模块，每一个倍增器模块包括正输入端子和负输入端子、以及正输出端子和负输出端子，其中每一个倍增器的正端子和负端子电连接到相应的变压器单元的正输出端子和负输出端子，并且所述倍增器的正输出端子和负输出端子串联连接；以及X射线管，具有分别电连接到所述电压倍增器模块的正输出端子和负输出端子的阳极和阴极。
本发明所涉及的方法解决了现有技术的技术问题。
附图说明
当参考附图阅读随后的详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点可被更好地理解，各个附图中相同的标号表示相同的部分，附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的、用于为X射线管供电的高压发电系统的示例性等效电路。
图2是根据本发明的另一个实施例的高压发电系统的示例性电路图。
图3是根据本发明的一个实施例的变压器组件的示例性分解视图。
图4是图3的变压器组件的透视图。
图5和图6分别是在组装底部安装板和顶部安装板之前和之后的、根据本发明的一个实施例的发电组件的示例性横截面视图。
图7是没有底部安装板和顶部安装板的、图5和图6所示的发电组件的俯视图。
图8是在组装底部安装板和顶部安装板之前的、根据本发明的另一实施例的发电组件的示例性横截面视图。
具体实施方式
本发明涉及的发电系统包括一个变压器模块和一个电压倍增器模块，用于将低压交流电转换为高压直流电。变压器模块包括有“N”个变压器单元。每个变压器单元包括至少一个变压器，“N”为2或大于2的整数。电压倍增器模块包括“N”个倍增器，每个倍增器包括正负倍增器部分。各变压器单元的输出端子与倍增器正负倍增部分电连接。因此，变压器模块的高压输出由变压器模块的多个变压器产生，每个变压器拥有最小化的交流应力(AC Stress)。发电系统从而可获得较高的工作频率。本发明的实施方案将在下文中对照附图进行详细说明。为达到简要介绍的目的，不同实施方案中的相同元件将使用相同的标号。
参考图1，根据本发明的一个实施例，高压发电系统10(“系统10”)包括电源12、变压器模块14以及电压倍增器模块16，其中电源12提供低压交流电(AC)，变压器模块14电连接到电源12以用于将低压交流电变换为较高压交流电，而电压倍增器模块16电连接到变压器模块14，以用于将来自变压器模块14的交流电进一步升压到更高电压交流电，并将高电压交流电转换为目标高电压直流电。
在图1所示的实施例中，系统10被用在X射线发生器18中为X射线管20提供目标高电压直流电。X射线管20包括真空管22、阳极24和阴极26，该阳极24和阴极26电连接到系统10的电压倍增器模块16。来自系统10的高电压推动电子从阴极26流到阳极24，以引起X射线发射。在特定实施例中，施加在阳极24和阴极26上的目标高电压直流电范围为从40kV到160kV以用于医疗应用，并且X射线强度在20mA到1A之间。
继续参考图1，电源12是可以将低电压交流信号提供到变压器模块14的交流电电源。在未图示的另一实施例中，电源12可包括直流电源和逆变器，该逆变器将来自直流电源的低电压直流电转换为低电压交流电。在特定实施例中，电源12还可包括在电源和变压器模块14之间的滤波电路(未图示)。在一个实施例中，电源12的低电压交流电的电压幅度可以为约几百伏特。在一个实施例中，电源12的低电压交流电的频率范围可以为从数十KHz到几个mHz。
在本发明的特定实施例中，变压器模块14包括至少两个变压器单元15，并且每一个变压器单元15包括至少一个变压器28。在图1所示的实施例中，每一个变压器单元15仅包括一个变压器28，该变压器28包括磁芯30、初级线圈32和次级线圈34。在所述至少两个变压器单元15中的变压器28的各初级线圈32并联连接到电源12。在一个实施例中，每一个变压器28的次级-初级匝数比范围为4∶1到12∶1之间。在一个具体实施例中，每一个变压器的次级-初级匝数比范围为6∶1到10∶1之间。因此，每一个变压器28将来自电源12的较低电压交流电转换为较高电压交流电，并通过次级线圈34的一对输出端子36和38输出该较高电压交流电。在一个实施例中，每一个变压器28包括相同的次级-初级匝数比，并因此通过次级线圈34的该对输出端子36、38输出基本相同的交流电电压。
在特定实施例中，电压倍增器模块16包括与变压器模块14中的变压器单元15数量相同的倍增器40。在图1所示的实施例中，电压倍增器模块16包括两个倍增器40。每一个倍增器40是双极性倍增器，并且包括正倍增器部分41和负倍增器部分43。正倍增器部分41和负倍增器部分43包括正输入端子42和负输入端子44，该正输入端子42和负输入端子44通过该对输出端子36、38电连接到相应的变压器单元15。正倍增器部分41和负倍增器部分43中每一个是包括多个二极管46和多个电容器48的单向倍增器电路，并且正倍增器部分41和负倍增器部分43分别将相应变压器28的高交流电电压输出整流并放大为在正直流电输出50处的高电压正直流和在负直流输出52处的高电压负直流。相邻的倍增器40的输出端子50、52串联连接，电压倍增器模块16的总输出因此可表示为电压倍增器模块16的两个倍增器40的输出电压之和。
在特定实施例中，至少两个倍增器40具有来自变压器模块14的相同电压输入和相同放大系数，因此具有相同直流电输出。在一个实施例中，每一个倍增器40的放大系数范围可以从3到12。在图示的实施例中，在电压倍增器模块16中的两个倍增器40包括接地的中性点54。因此，在电压倍增器模块16的正输出端53和负输出端55处的电压电势具有基本相同的电压幅度和相反的极性。例如，如果施加到X射线管的目标直流高压为150kV，则在正输出端子50和负输出端子52处的电势分别为+75kV和-75kV。
图2所示为本发明的另一实施例。其中，高压发电系统56包括电源12、变压器模块58和电压倍增器模块60。电压倍增器模块60包括两个倍增器40。每一个倍增器40具有与图1中所示的倍增器40相似的架构，正倍增器部分41和负倍增器部分43均用方块图示意。
在一些实施例中，变压器模块58包括至少两个变压器单元62，并且每一个变压器单元62包括至少一个变压器。在图2所示的实施例中，变压器模块58包括两个变压器单元62，并且每一个变压器单元62包括两个变压器28。每一个变压器28具有与图1所述的变压器相似的架构。变压器模块58中的变压器28的初级线圈32并联连接到电源12。相同变压器单元62内的次级线圈34进行串联。每一个变压器单元62包括电连接到电压倍增器模块60的一对输出端63、64。因此，变压器单元62的总输出是在相同变压器单元62内的两个变压器28的输出之和。
图1和图2中所示的实施例是示意性的，并不意味着对本发明进行限制。在其他实施例中，变压器模块可以包括多于两个的变压器单元，并且电压倍增器模块包括多于两个的电压倍增器模块。每一个变压器单元具有电连接到相应的双极性倍增器模块的次级线圈。在特定实施例中，每一个变压器单元包括相同数量的变压器。例如，每一个变压器单元可以包括三个变压器。在其他实施例中，变压器单元可以包括不同数量的变压器。
图3和图4所示为成套变压器设备70的示意图，其上可设置如图1和图2所述的变压器28。如图3所示，成套变压器设备70包括具有下部磁芯80和上部磁芯81的磁芯72、初级线圈74、次级线圈76、以及在初级线圈74和次级线圈76之间的绝缘平板78。在图示的实施例中，初级线圈74和次级线圈76分别围绕下部磁芯80和上部磁芯81绕线。绝缘平板78包括底部平面77和顶部平面79。下部磁芯80和上部磁芯81被分别安装到绝缘平板76的底部表面77和顶部表面79以形成闭环磁路。绝缘平板76在磁路中形成绝缘间隙，并使初级线圈74和次级线圈76之间的高压绝缘。在一个实施例中，绝缘平板76可以包括聚丙烯(PP)。
在图示的实施例中，每一个下部磁芯80和上部磁芯81均是平面的E形磁芯(“E-芯”)，该E形磁芯包括一对臂部82和中轴84。在一个实施例中，下部磁芯80和上部磁芯81的均是ER-芯，并且包括圆柱形中轴84。初级线圈74和次级线圈76分别被绕在下E-芯和上E-芯的中轴84上，或被绕在臂部82之一上。在其他实施例中，下部磁芯80和上部磁芯81可以包括除了E-芯之外的架构。例如，下部磁芯80和上部磁芯81的每一个可以是半环形芯(C-芯或U-芯)，下部磁芯80和上部磁芯81中的一个可以是半环形芯而另一个可以是I形芯，或者下部磁芯80和上部磁芯81中的一个可以是E-芯而另一个可以是I形芯。
在图3所示的实施例中，初级线圈74和次级线圈76中的每一个包括设置在电路板86上的电路87。在该实施例中，每一个电路板86均包括通孔88，并且电路87是以围绕通孔88的平面螺旋或卷绕形状进行设置。E形芯80、81的中轴84延伸通过相应的印刷电路86的通孔88，因此电路87被绕在中轴84上以形成初级线圈74和次级线圈76。在其他实施例中，初级线圈74和次级线圈76中的每一个均可以包括围绕两个E形芯80、81的中轴84或臂部82上的线圈。
图5、图6和图7所示为成套发电设备90的示意图，其可装载如图1和图2所示的发电系统10和56。如图5所示，在本实施例中，成套发电设备90包括至少两个成套变压器设备92、印刷电路94和安装在印刷电路94上的复数个电子组件96从而形成电压倍增器电路。在一个实施例中，成套发电设备90包括四个成套变压器设备92，并且该四个成套变压器设备92包括一个共用的绝缘平板98。类似于图3所示成套变压器设备70，在图6所示的实施例中，每一个成套变压器设备92包括安装在绝缘平板98的底部表面97上的下磁芯部分80和安装在绝缘平板98的顶部表面99上的上磁芯部分81，以及包括被绕在下磁芯部分80上的初级线圈74和被绕在上磁芯部分81上的次级线圈76。从而，成套变压器设备92可为平面配置，并具有大的散热面积。
在图5、图6和图7图示的实施例中，印刷电路94包括具有印刷电路线路(未示出)的绝缘平板98的一部分。在一个实施例中，电子组件96包括电容器和二极管，这些电容器和二极管安装在安装有次级线圈76的绝缘平板98的相同表面上。电子组件96通过导体(未图示)或通过印刷电路94上的印刷电路线路而与成套变压器设备92的次级线圈76电连接。在其他实施例中，印刷电路94可以包括相对于绝缘平板98分离的组件(未图示)，并且该印刷电路94通过粘合剂安装到绝缘平板98。
在图5和图6图示的实施例中，成套发电设备90还包括底板102和顶板104。组装成套发电设备90时，在成套变压器设备92和电子组件96全部被安装到印刷电路94上之后，底板102和顶板104彼此紧固，以将绝缘板98和成套变压器设备92紧固于它们之间。底板102和顶板104通过例如螺栓106和螺母108(图6)彼此附接以完成套发电设备90的安装。
如图7所示，在该实施例中，成套发电设备90还包括设置在绝缘板98上、并且位于两个相邻成套变压器设备92的相邻次级线圈76之间的多个肋部100，以用来进行电绝缘。
图8所示为本发明的在组装底板102和顶板104之前的发电组件110的实施例的示意图。在该实施例中，印刷电路94包括被附接到与成套变压器设备92的次级线圈相邻的顶板104的下表面的分立组件。成套变压器设备92的次级线圈可以通过导线或导体112电连接到设置在印刷电路94上的电子组件96。
虽然上述本发明的实施例中的发电系统和发电组件用于X射线发生器，然而其还可以用来将高电压提供到电子设备或机器上。所述电子设备或机器可包括，诸如乳房X射线造影系统的医疗仪器、移动计算机X射线断层成像设备(CT)或多源CT、诸如行李预扫描机的安全设备、用于维护飞行器发动机的无损检测(NDT)设备，用于水处理行业的设备或油气传输设备。
尽管在具体实施方式中对本发明的部分特征进行了详细的说明和描述，但在不脱离本发明精神的前提下，可以对本发明进行各种改变和替换。同样的，本领域熟练技术人员也可以根据常规实验获得本发明公开的其它改变和等同物。所有这些改变，替换和等同物都在本发明所定义的权利要求的构思和范围之内。
组件表：
10高压发电系统
12电源
14变压器模块
15变压器单元
16电压倍增器模块
18X射线系统
20X射线管
22真空管
24、26X射线管的阳极与阴极
28变压器
30磁芯
32、34变压器的初级与次级线圈
36、38各变压器次级线圈的端子对
40倍增器
41、43正负倍增器部分
42、44负倍增器部分的正负输入端子
46二极管
48电容器
50、52各倍增器的输出端子
53、55电压倍增器模块的输出端
54接地的中性点
56高压发电系统
58变压器模块
60电压倍增器模块
62变压器单元
63、64输出端
70成套变压器设备
72磁芯
74、76初级与次级线圈
78绝缘平板
77、79绝缘平板的底部平面和顶部平面
80、81下部和上部磁芯部分
82E-芯臂部
84E-芯中轴
86PCB
88通孔
90成套发电设备
92成套变压器设备
94PCB
96电子组件
98绝缘平板
97、99绝缘平板的底部平面和顶部平面
100肋部
102、104下部和上部组装底板
106螺栓
108螺母
110成套发电设备
112导线或导体

Claims (10)

1.发电系统包括：
电源；
将电源提供的低压电转换成较高压电的变压器模块，变压器模块包含N个变压器单元，N为2或大于2的整数，每个变压器单元至少包含1部变压器，每部变压器包括磁芯、初级线圈和次级线圈，变压器的初级线圈以并联方式同电源进行连接，变压器的次级线圈包含一对输出端子；
对变压器模块提供的较高电压进行放大的电压倍增器模块，电压倍增器模块包含N个倍增器，每个倍增器模块包含正、负输入端子和正、负输出端子，每个倍增器的正、负端子分别与相应的变压器单元的正、负输出端子相连接，并且倍增器的正、负输出端子相互串联。
2.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于所述每个倍增器包括一个正倍增器部分和一个负倍增器部分，分别将从来自相应变压器的较高电压转换为高压正直流电和高压负直流电。
3.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于所述电压倍增器模块包括接地的中性点。
4.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于每一个变压器单元包括至少两个变压器，在相同变压器单元中的所述至少两个变压器的次级线圈串联连接。
5.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于所述变压器模块包括两个变压器单元，所述电压倍增器模块包括两个倍增器。
6.如权利要求5所述的发电系统，其特征在于每一个变压器单元包括两个变压器，所述两个变压器的次级线圈串联连接，并分别电连接到所述两个倍增器。
7.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于每一个变压器的次级-初级匝数比范围为从4∶1到12∶1。
8.如权利要求7所述的发电系统，其特征在于每一个变压器的次级-初级匝数比范围为从6∶1到10∶1。
9.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于每个倍增器的放大系数范围为3到12。
10.一种X射线发生器系统，包括：
电源，其提供低压交流电；
变压器模块，其将来自所述电源的低压交流电转换为较高压交流电，所述变压器模块包括数量为N的变压器单元，每一个变压器单元包括至少一个变压器，并且每一个变压器包括磁芯、初级线圈和次级线圈；
其中所述变压器模块中的各变压器的各初级线圈并联地电连接到所述电源，一个变压器单元的变压器的次级线圈包括正输出端子和负输出端子，N等于或大于二；
电压倍增器模块，其将来自所述变压器模块的较高压交流电转换为高压直流电，所述电压倍增器模块包括数量为N的倍增器模块，每一个倍增器模块包括正输入端子和负输入端子、以及正输出端子和负输出端子；
其中每一个倍增器的正端子和负端子电连接到相应的变压器单元的正输出端子和负输出端子，并且所述倍增器的正输出端子和负输出端子串联连接；以及
X射线管，具有分别电连接到所述电压倍增器模块的正输出端子和负输出端子的阳极和阴极。
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