CN102761270A - 一种用于产生励磁电流的扫描电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重离子肿瘤治疗设备技术领域，尤其是涉及一种用于产生励磁用扫描电流的电源。包括功率变换器和电源控制器，其特点在于：所述的功率变换器前端与三相交流电源相连，功率变换器后端与负载相连，功率变换器为多级，多级功率变换器组成串联和并联结构，单级功率变换器由整流器和全桥开关变换器组成；所述的电源控制器与功率变换器相连，电源控制器由PI调节器和脉冲产生与移相模块组成，其作用是实现电源的调节和控制，生成脉冲宽度调制信号并按照串联级数进行错相分配。该发明可以实现连续扫描需要，也可以满足点扫描需要，能实现扫描磁铁所需扫描电流波形的幅值、频率、精度、误差，产生所需的扫描磁场。

Description

一种用于产生励磁电流的扫描电源

技术领域

本发明涉及重离子肿瘤治疗设备技术领域，尤其是涉及一种用于产生励磁用扫描电流的电源。

背景技术·

重离子治癌是放射治疗中最新发展起来的一种方法，其工作原理是利用高能重离子束对肿瘤进行照射从而杀死肿瘤细胞。重离子束流在加速完成之后配送至治疗终端时，一般都是很细的一束（又称为笔束）。肿瘤病灶一般是无固定形状的，但是总可以用空间三维坐标来精确描述肿瘤形状。一般情况下Z方向定义为肿瘤深度，X和Y方向定义为肿瘤长度和宽度。为了提高治疗效率，减小副作用，需要将配送系统送过来的笔束进行变换，即将束流按照被照射肿瘤的XYZ三个方向的尺寸进行控制和变换，以适应肿瘤的形状，此过程又称为适形。其中深度方向即Z方向控制是由束流能量决定的。X方向和Y方向控制是通过扫描系统实现的，X方向扫描磁铁和Y方向扫描磁铁与其励磁电源一起组成扫描了系统。扫描磁铁与其励磁电流是通过考扫描系统中的扫描电源供电。

重离子肿瘤治疗中一般有两种扫描方式，一种为被动扫描，又称为连续扫描；另外一种为主动扫描，又称为点扫描。所谓被动扫描就是离子束流在X方向和Y方向上、在特定波形、特定频率和特定幅度的连续磁场的控制下，在长度和宽度方向上形成一个连续的、均匀的束流平面，同时与Z方向束流能量相结合之后，使得束流在空间的分布形状与被照射肿瘤的形状变得一致，这样束流只会对肿瘤产生作用，而对肿瘤之外的正常细胞和组织不造成影响。主动扫描在深度方向上与被动扫描一样，但在长度和宽度方向上完全不同，离子束在一系列阶跃脉冲磁场的控制下，在长度和宽度方向上形成一个由一系列点组成的束流平面，如果点足够密集，则形成的束流平面也足够均匀。两种扫描的不同可以与在一张白纸上切出一个圆片来相比，被动扫描就像拿剪子在纸上直接剪出一个圆片，主动扫描就像拿一根针沿着一个圆圈扎出一个个眼，当眼足够密时，也会得到圆片片。不论是被动扫描还是主动扫描，都需要磁场来控制束流的运动，扫描电源就是用来产生励磁电流的供电系统。

扫描电源或类似装置广泛应用于辐照领域，包括材料辐照、生物辐照、医疗辐照等领域。医疗辐照主要有质子辐射治疗装置、电子辐射治疗装置等。在实际科研及工业应用中，都需通过扫描装置要将一束射线或离子均匀分布于一个平面上，以便更好地发挥辐照的作用，或者方便于操作等。因此扫描电源也广泛应用与辐照行业中。目前常用辐照用扫描电源，主要应用于电子束应用中，一般采用单方向扫描或双方向扫描，所用波形主要是三角波、锯齿波、正弦波等，电子质量小，因此扫描电源电流及功率都较小，且常应用于被动扫描方式。在肿瘤治疗放射治疗领域，电子束、质子束都是常用离子，都已有成熟产品应用于临床中。以碳束为代表的重离子治疗是近几年才开始发展起来的一种新的放射治疗方法，目前国内还未有一家医院进行商业化的临床应用。相比碳而言、电子和质子质量都要轻的多，其加速后的能量也要小得多。因此应用于重离子肿瘤治疗的扫描电源扫描电流、功率都要大10-100倍。另外重离子治疗一般有主动扫描和被动扫描两种工作方式，两种扫描方式完全不同，对扫描电源的要求也完全不一样，现有做法一般是两种电源分别实现。综上所述，现有的用于产生励磁电流的扫描电源存在电源功率小、电源输出波形少，功能不完备，主动扫描与被动扫描工作模式不能一体化实现，误差较大等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中电源功率小、电源输出波形少，功能不完备等缺陷，提供了一种用于产生励磁电流的扫描电源，其电源主拓扑采用了多个全桥式功率变换器串联和并联拓扑结构，可以有效解决现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案，所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，包括功率变换器和电源控制器，其特点在于：所述的功率变换器前端与三相交流电源相连，功率变换器后端与负载相连，功率变换器为多级，多级功率变换器组成串联和并联结构，单级功率变换器由整流器和全桥开关变换器组成，功率变换器主要功能是对来自电网的能量功率的控制和变换，按照负载所需要的方式传送至负载；所述的电源控制器与功率变换器相连，电源控制器由PI调节器和脉冲产生及移相模块组成，其作用是实现电源的调节和控制，生成脉冲宽度调制信号并按照串联级数进行错相分配。

所述的功率变换器的全桥开关变换器由四个开关管组成，每个开关管均以脉宽调制方式工作于开关状态；所述的功率变换器的整流器包含整流变压器、整流桥和低频LC滤波器，主要是为后级的全桥开关变换器提供所需直流电压。

所述的全桥开关变换器的开关管为大功率绝缘栅场效应晶体管（IGBT），工作于脉冲宽度调制方式，即工作频率固定，脉冲宽度可变，通过改变脉冲宽度来调节输出电压；全桥开关变换器在输出端通过一组电感电容组成的滤波器后串联连接，然后与负载相连。

所述的电源控制器的PI调节器是以集成电路为核心的比例积分电路，功能是PI对给定和反馈信号进行比较得到电流误差信号，在对误差信号进行放大并积分得到调节信号，调节信号送往脉冲产生及移相模块用于产生脉宽调制信号。

所述的PI调节器中同相输入端输入信号为波形给定信号，给定波形为幅度不大于±10V连续的波，电源将跟随给定信号输出电流；PI调节器反相输入端输入信号为负载电流信号，PI调节器输出调节信号为△vt，直接送入脉冲产生及移相模块中；脉冲产生及移相模块是由两个比较器组成的，主要功能是将PI调节器送来的误差调节信号变换为脉宽调制信号，也就是产生一个固定频率的信号，脉宽调制器输入信号为PI调节器物超调制信号△vt，同时送入比较器A的同相输入端和比较器B的反相输入端。所述的给定波形为三角波、锯齿波、正弦波或梯形波。

本发明的有益效果是：所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，其电源主拓扑采用多个全桥式功率变换器（以下简称为H桥）串联，同时串联H桥采用相互移相驱动，采用比例—积分（PI）调节控制策略。可以实现连续扫描需要，也可以满足点扫描需要，能实现扫描磁铁所需扫描电流波形的幅值、频率、精度、误差，产生所需的扫描磁场。本发明还有以下几个特点：第一，电源功率大。电源输出电流峰值可达±800A，输出电压可达±2000V。第二，电源输出波形多。电源可输出正负对称的三角波、正弦余输出弦波、锯齿波、梯形波等电流波形，也可以输出非正负对称的三角波、正弦余弦波、锯齿梯形波等电流波形，各波形之间可以连续切换。第三，功能完善。每一种波形都可以对电流幅度、频率进行连续调节，电流调节范围0—±800A，频率调节范围0—200Hz。第四，主动扫描与被动扫描工作模式一体化实现。被动扫描与主动扫描是两种完全不同的工作方式，主动扫描输出电流波形是连续的，其结果是形成束流平面，对电源的主要求是线性要好，均匀性要好。主动扫描电流波形是一系列的方波，对电源的要求是上升下降沿要陡，平顶误差要小。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的整体原理框图；

图2为本发明图1中的单级变换器原理及多级H桥串联原理；

图3为本发明图1中的电源控制器原理图；

图4为本发明图1中的多路错相方波信号原理图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，包括功率变换器和电源控制器，其特点在于：所述的功率变换器前端与三相交流电源相连，功率变换器后端与负载相连，功率变换器为多级，多级功率变换器组成串联和并联结构，单级功率变换器由整流器和全桥开关变换器组成，功率变换器主要功能是对来自电网的能量功率的控制和变换，按照负载所需要的方式传送至负载；所述的电源控制器与功率变换器相连，电源控制器由PI调节器和脉冲产生及移相模块组成，其作用是实现电源的调节和控制，生成脉冲宽度调制信号并按照串联级数进行错相分配。

如图2所示所述的功率变换器的全桥开关变换器由四个开关管组成，每个开关管均以脉宽调制方式工作于开关状态；所述的功率变换器的整流器包含整流变压器、整流桥和低频LC滤波器，主要是为后级的全桥开关变换器提供所需直流电压。所述的全桥开关变换器的开关管为大功率绝缘栅场效应晶体管（IGBT），工作于脉冲宽度调制方式，即工作频率固定，脉冲宽度可变，通过改变脉冲宽度来调节输出电压；全桥开关变换器在输出端通过一组电感电容组成的滤波器后串联连接，然后与负载相连。

所述的电源控制器的PI调节器是以集成电路为核心的比例积分电路，如附图3所示，功能是PI对给定和反馈信号进行比较得到电流误差信号，在对误差信号进行放大并积分得到调节信号，调节信号送往脉冲产生及移相模块用于产生脉宽调制信号。

PI调节器中同相输入端（标示为+）输入信号为波形给定信号，给定波形可以是幅度不大于±10V连续的三角波、锯齿波、正弦波、梯形波等，电源将跟随给定信号输出电流。PI调节器反相输入端（标示为—）输入信号为负载电流信号。PI调节器输出调节信号为△vt，直接送入脉冲产生及移相模块中。脉冲产生及移相模块是由两个比较器组成的，主要功能是将PI调节器送来的误差调节信号变换为脉宽调制信号，也就是产生一个固定频率（本例中为10KHz）的方波信号，但是方波的脉冲宽度与误差调节信号△vt成正比，且占空比（脉冲宽度与周期之比）可从0-100％连续变化。主要工作原理如附图3所示。脉冲产生及移相模块输入信号为PI调节器物超调制信号△vt，同时送入比较器A的同相输入端和比较器B的反相输入端。三角波1接入比较器A的反相端，是幅度为±5V的频率固定的（本例为10KHz）的调制三角波，三角波2接入比较器B的同相端，其频率幅度与三角波A完全一样，只是相位与三角波A正好相差180°。比较器A的输出脉冲为开关管V1、V4（见附图2）驱动信号，比较器B的输出脉冲为开关管V2、V3（见附图2）驱动信号。

多路错相方波信号原理图见附图4，该部分电路主要功能为根据H桥串联的数量、开关管工作频率、相位条件，确定每一路移相信号移相角度，产生每一级中每一个开关管的脉宽调制信号，移相角度θ=π/N，N为串联级数，为便于实现期间，N一般选为偶数，结合功率变换器级数选择原则，一般情况下串联级数选择为二级、四级、六级。附图4中以二级移相为例描述了移相原理，其他多级移相与两级移相原理完全一致。以第一级为例，定义全桥变换器输出正向电流时，V11、V14位置开关管同时工作，同时V12、V13位置开关管完全截止，不工作，V11、V14称为H桥正向工作对管；定义全桥变换器输出负向电流时，V12、V13位置开关管工作，同时V11、V14位置开关管完全截止，不工作，V12、V13称为第一级H桥负向工作对管。其他各级以此类推，如VN1、VN4位置开关管工作，VN2、VN3位置开关管完全截止时，意为第N个变换桥输出正向电流。在两级串联时在开关管开关频率保持固定的前提下，等效开关频率是开关管工作频率2倍，同理如果在N级串联式，通过及间移相，等效开关频率将会是开关管工作频率的N倍。这样一方面通过H桥串联提高了电压等级，增加了输出功率，另外通过级间移相，成倍增加负载上的等效开关频率，此种方法特别是适合应用与大功率、高响应速度的场合，例如大功率扫描电源中。

为了承受高电压，功率变换器采用了多级串联结构，串联级数根据输出电压确定，正常情况下每一级承受电压以不超过300V为宜，这样承受电压与串联级数成正比，串联的越多可承受电压越高。但是电路复杂程度也急剧增加，一般情况下，串联级数不超过六级。每一级功率变换器原理和结构完全相同，详见附图2。

所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，其电路拓扑结构如附图1所示，包括四级H桥串联的大功率扫描电源，将四个单独的H桥输出通过母排串联起来，串联的级数取决于频率、幅值及所用负载参数。本例中需要电源输出电流±800A的三角波，频率为0—200Hz可调，此时电源电压需要为1200V。据此选择四个H桥串联，每个H桥输出电压350V，输出电流800A，PWM可以采用π/4即45°移相，H桥中每一只开关管可选用3只400A/1200V的IGBT模块并联实现，开关管工作频率选择为典型10KHz，此时相应负载等效频率为40KHz电源具体工作方式如下：

电源合闸后，整流电路工作，LC滤波储能，合闸完成后，电源正常。用小信号三角波（以三角波为例）做基准电源给定送入PI调节器做运算，得到误差调节信号并送往脉宽调制单元，在此部分内，将误差信号进行调制得到与频率固定、脉宽变化的脉冲信号，并在脉冲分配器里得到每个H桥中的功率开关管所需的驱动信号，这一驱动信号在经过驱动器放大后送入每只对应的开关管，控制开关管的工作，继而控制输出电流的变化。在整个过程中，电源输出始终跟踪给定信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于产生励磁电流的扫描电源，包括功率变换器和电源控制器，其特征在于：所述的功率变换器前端与三相交流电源相连，功率变换器后端与负载相连，功率变换器为多级，多级功率变换器组成串联和并联结构，单级功率变换器由整流器和全桥开关变换器组成，功率变换器用于对来自电网的能量功率的控制和变换，按照负载所需要的方式传送至负载；所述的电源控制器与功率变换器相连，电源控制器由PI调节器和脉冲产生及移相模块组成，用于实现电源的调节和控制，生成脉冲宽度调制信号并按照串联级数进行错相分配。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，其特征在于：所述的功率变换器的全桥开关变换器由四个开关管组成，每个开关管均以脉宽调制方式工作于开关状态；所述的功率变换器的整流器包含整流变压器、整流桥和低频LC滤波器，为后级的全桥开关变换器提供所需直流电压。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，其特征在于：所述的全桥开关变换器的开关管为大功率绝缘栅场效应晶体管，工作于脉冲宽度调制方式，即工作频率固定，脉冲宽度可变，通过改变脉冲宽度来调节输出电压；全桥开关变换器在输出端通过一组电感电容组成的滤波器后串联连接，然后与负载相连。

4.根据权利要求1所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，其特征在于：所述的电源控制器的PI调节器是以集成电路为核心的比例积分电路，功能是PI对给定和反馈信号进行比较得到电流误差信号，在对误差信号进行放大并积分得到调节信号，调节信号送往脉冲产生及移相模块用于产生脉宽调制信号。

5.根据权利要求4所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，其特征在于：所述的PI调节器中同相输入端输入信号为波形给定信号，给定波形为幅度不大于±10V连续的波，电源将跟随给定信号输出电流；PI调节器反相输入端输入信号为负载电流信号，PI调节器输出调节信号为△vt，直接送入脉冲产生及移相模块中；脉冲产生及移相模块是由两个比较器组成的，主要功能是将PI调节器送来的误差调节信号变换为脉宽调制信号，也就是产生一个固定频率的信号，脉宽调制器输入信号为PI调节器物超调制信号△vt，同时送入比较器A的同相输入端和比较器B的反相输入端。

6.根据权利要求5所述的一种用于产生励磁电流的扫描电源，其特征在于：所述的给定波形为三角波、锯齿波、正弦波或梯形波。

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