CN102823135B

CN102823135B - 用于切换电位的切换电路

Info

Publication number: CN102823135B
Application number: CN201180015467.8A
Authority: CN
Inventors: H·米勒
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-03-21
Also published as: WO2011117796A1; US8823422B2; JP2013522854A; CN102823135A; EP2550739A1; US20130135031A1; JP5878516B2

Abstract

本发明涉及一种切换电路（1），其用于切换电位，例如X射线发生器（14）中的电容性高压负载。切换电路构造为具有电子开关（6、M1-M3）的多个级（2），其中，串联布置不同级的电子开关，以便形成用于切换电位的串联传导线路。多个级在阻断串联传导线路的时间段期间从串联传导线路取得能量，并为能量存储器充电。这个存储的能量可以用于闭合串联传导线路，并保持这个闭合状态。进一步地，本发明涉及用于借助切换电路对电负载进行放电的方法，和具有这个切换电路的高压发生器、X射线发生器和医学成像系统。

Description

用于切换电位的切换电路

技术领域

本发明涉及：一种用于切换电位的切换电路，一种用于切换电位的方法，及一种具有这种切换电路的高压发生器、X射线发生器和医学成像系统。优选地，本发明涉及一种用于对X射线发生器内的电负载进行放电的高压切换电路。

背景技术

已知使用半导体技术的高压切换电路用于切换高电压。为了能够以相对容易受损的半导体来切换高压，将这些切换电路分为几个级，每一级仅经受总电压的一部分。

已知几类切换电路（短路器）。然而，它们大多数都使用多个环形磁心或复杂的辅助电源来驱动半导体。其余的实现了一种主从结构或级联布置，在其中仅驱动一级（主级），其他级相继地跟随。

EP2040379A2介绍了一种电路，用于服务可与电源连接的负载。该电路包括多个三端子开关和一个控制电源。三端子开关定义可连接在电源与负载之间的一系列传导通路。所述三端子开关包括源极端子、漏极端子和栅极端子。该电路进一步包括隔离电路，布置在控制电源与每一个开关的栅极端子之间。隔离电路连同控制电源和控制器一起运行，在每一个开关的栅极端子提供隔离电压，以使得开路开关电位不超过闭合连接所需的控制电压。

然而，这个设计相当复杂，以至于需要具有更简化设计的切换电路。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有更简化设计的切换电路。

以根据独立权利要求所述的切换电路实现这个目的。更进一步的有利发展是从属权利要求的主题。

根据本发明的一个实施例，提供了用于切换电位的切换电路，特别是用于对电负载（例如高压电缆的电容性高压负载）进行放电的切换电路。在本说明书中，术语“高压”指代大于4kV的电压。所述切换电路包括多个级，每一级都包括电子开关，其优选地是晶体管，尤其是N沟道MOSFET或IGBT。每一个电子开关都具有可借助控制端子（例如，晶体管的栅极/基极）控制的可切换通路，其中，电子开关的可切换通路串联连接在待切换的电位之间，或者在待放电的电负载之间。在晶体管的情况下，可切换通路是漏极-源极通道或者集电极-发射极通道。更具体地，实现串联布置，以使得一个晶体管的源极（或发射极）与相连晶体管的漏极（或集电极）相连接。可切换通路的串联布置形成用于连接待切换的电位的“串联传导线路”。每一级进一步包括能量存储器，例如电容器或蓄电池，在各自的电子开关处于断开状态（高电阻可切换通路）时，所述能量存储器被从所述级内的可切换通路分支出来的且由横跨断开的可切换通路的压降引起的电流充电。在此背景下，能量存储器优选地在相应的电子开关处于断开状态时，仅仅以从所述级内的可切换通路分支出来的电流充电。进一步地，切换电路包括驱动器级，用于通过向电子开关的控制端子提供存储在能量存储器中的能量来切换电子开关，以便闭合电子开关的可切换通路并至少暂时地保持闭合状态（低电阻可切换通路）。优选地，相同地设计每一级。这个设计提供了除了连接到相应的电子开关的可切换通路的线路以外，无任何提供能量的电源线的级。它还提供了除了沿电子开关的可切换通路的连接以外，彼此之间无连接线的级。

这个实施例提供了能够减少必需的布线的优点。无需额外的电源来提供输入电子开关的控制端子的电力。因此，由于其自给自足、自供给的级而能够提供自给自足、自供给的切换电路。

也能够通过这个切换电路或者具备这种切换电路的高压发生器、X射线发生器或医学成像系统，用切换电位的方法，来实现这些优点。

根据进一步的实施例，每一级都具有光元件，例如光敏晶体管，用于启动电子开关的切换。由于分别将光元件集成在各级中，能够节省用于控制电路的布线。此外，该布置实现了诸如高压切换电路等高压发生器的高压部件与低压控制单元的电流阻断。

此外，可以设想每一级进一步包括至少一个光伏元件，用于额外地对能量存储器进行充电。当开启用于驱动光元件的光源，并导致能量存储器的放电时，由光源发出的光能够被至少一个光伏元件接收，并被提供给能量存储器。其优点在于能够在延长的时间段内将电流提供给电子开关的控制端子。

提供一种具有多个级的高压切换电路可以视为本发明的要旨，所述多个级全部从用于对高压负载进行放电的串联传导线路取得其能量。在阻断串联传导线路的时间段期间，以稍后用于闭合串联传导线路并保持其闭合状态的能量为各级的能量存储器充电。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的高压切换电路的示意图；

图2示出了根据本发明的实施例的切换电路的两个级；

图3示出了更详细的根据本发明的实施例的切换电路的级；

图4示出了根据本发明的实施例的用于对电负载进行放电的方法；及

图5示出了医学成像系统。

具体实施方式

本发明涉及高压切换电路，也称为短路器，具有每一级都具有自供给特性的多个级。为每个单一级提供其自己的光敏晶体管，以使得能够借助开启中心光源而同时启动所有级，所述中心光源的光由光敏晶体管接收。

图1示出了根据本发明实施例的高压切换电路1的示意图。切换电路1包括多个级2，其中一个级以虚线示例性地框出，它们串联连接到待放电的高压负载。参考标记3标明了横跨级2施加的最终的高压电位。

在（结合图5说明的）X射线高压发生器中，存在高达140kV的电位。当运行X射线发生器时，需要高压的快速切换（在μs内），以便降低用于待检查病人的X射线剂量。为了实现具有这个量值的电压的快速切换，必须对从高压发生器向X射线管（其全部都是X射线发生器的部件）提供能量的电力电缆的残余电容性负载进行放电。能够用高压切换电路来实现它。更准确地，在每一级2中提供的电子开关6从断开状态切换到闭合状态，以使得切换电路2形成低电阻通路，通过该通路能够对高压负载进行放电。由于单个半导体元件仅能够切换特定的电压，例如高达4kV，串联布置多个级2以便在全体多个级2上相等地分割将待放电的负载的总电压。在本说明书中，术语电子开关的“断开状态”指代这个电子开关的可切换通路是高电阻的，即在电子开关是晶体管的情况下，集电极-发射极通道或者漏极-源极通道是高电阻的，以使得基本上没有电流能够通过。相应地，术语电子开关的“闭合状态”指代这个电子开关的可切换通路是低电阻的，即在电子开关是晶体管的情况下，集电极-发射极通道或者漏极-源极通道是低电阻的，以使得电流能够基本上未受阻碍地通过。

能够调整级2的数量以适应施加到切换电路1的电压的量值。在该情况下，待放电的电负载的电压高达140kV，其需要45到200级，这取决于所使用的MOSFET或IGBT开关及其最大击穿电压。然而，本发明的范围不局限于特定数量的级，而应覆盖任何数量。

能够借助在每一级2中提供的光元件4来控制每一级2的电子开关6的开关状态，即，闭合或断开状态。布置使用了光敏晶体管的光元件4，以使其能够接收从高频光源5发出的光。光源5优选地是多个发光二极管，但也可以是单个或几个灯。当X射线高压发生器中需要对负载进行放电时，光源5由控制器（未示出）开启。发出的光由光元件4接收，该光元件又使相应的单个级2的电子开关6开始调整其闭合状态。通过使用光源5和光元件4，能够同时切换所有级2。此外，这个布置能够实现X射线发生器的高压部件（例如高压切换电路）同与光源相关联的控制电路的电流阻断。

图2示出了切换电路1的两个级2。能够将每一级2分组为光元件4、优选为晶体管的电子开关6、包括能量存储器的高压源7和低功率驱动器级8。

图3更详细地示出了切换电路1的级2。以参考标记4、7和8标明的虚线框指示将哪些电子部件分配给图2所示的相应模块。为简单起见，仅在一个级2中提供这些虚线框，然而，由于所有级2都是相同设计的，该指示适用于所有的级。

根据图3所示的实施例，提供N沟道MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）M1-M3作为每一级2中的电子开关6。然而，也能够使用IGBT（绝缘栅双极晶体管，例如，IXGH25N160或IXGT25N160）来代替MOSFET（例如，IXTH12N120）。如同已经提及的，串联布置级2的MOSFETM1-M3，即，一个MOSFET（例如，M3）的源极（或者如果使用IGBT的话是集电极）与相连的MOSFET（例如，M2）的漏极相连接（或者如果使用IGBT的话是发射极）。串联结构最外侧的MOSFETM3的漏极与正电位9相连接，正电位9例如从高压电缆携带的电负载得到，与此远离的在串联结构末端的最外侧MOSFETM1的源极接地（例如，电缆的负电位）。串联布置的MOSFETM1-M3从而构成串联传导线路，用于连接待放电或切换的电缆或者任何其它负载的电位。在串联结构中的任意位置处，可以提供阻尼电阻R1（例如100Ω），其在所有MOSFETM1-M3都处于其闭合状态的状态下，限制流过串联传导线路的电流，以便避免MOSFETM1-M3受损。与MOSFETM1-M3并联地提供各自的电阻R10、R19、R28（例如，10000kΩ），以使得电阻R10、R19、R28的一个端子连接到各自的MOSFETM1-M3的漏极，电阻R10、R19、R28的另一端子连接到各自的MOSFETM1-M3的源极。这些电阻R10、R19、R28起到静态对称电阻器的作用，其在MOSFETM1-M3处于其断开状态时，将施加到切换电路1的高压相等地划分到所有级2上。在本实施例中，这是每个级2（即在任一断开的MOSFETM1-M3的漏极与源极之间）800V的电位。

在以下的说明中，仅描述一个级2。由于级2是相同的，该说明适用于所有级2及其电子部件，即使在图3中以不同参考标记来标明不同级2中的相同电子部件。

连接电阻器R26（例如，10000kΩ）、晶体管Q12（NPN型晶体管）和齐纳二极管D8（例如，BZX84C15L），以使得电阻器R26的一个端子连接到MOSFETM3的漏极以及晶体管Q12的集电极。晶体管Q12的基极连接到电阻器R26的另一端子和齐纳二极管D8的阴极。齐纳二极管D8的阳极连接到MOSFETM3的源极。在这个结构中，齐纳二极管D8导致在其阴极与阳极之间的15V的电位差。施加到MOSFETM3的漏极-源极通道的剩余电位差施加到电阻器R26两端。电阻器R26还起到限流元件的作用，用于保护齐纳二极管D8。晶体管Q12的发射极与二极管D9（例如，1N4148）的阳极相连。二极管D9的阴极经由电阻器R24（例如，470Ω）与电容器C3（能量存储器）的一个端子相连。电容器C3的另一端子连接到MOSFETM3的源极。当晶体管Q12处于其闭合状态时（集电极-发射极低电阻），由从MOSFETM3的漏极流经晶体管Q12的集电极-发射极通道、二极管D9和电阻器R24的电流为电容器C3充电。为电容器C3充电越多，晶体管Q12的发射极的电位就越高，直到达到特定基极-发射极电位差时晶体管Q12断开其集电极-发射极通道。当电容器C3如下所解释地放电时，在晶体管Q12的发射极的电位再次下降，并启动其集电极-发射极通道的闭合。电阻器R24起到限流元件和/或电流调整元件的作用，因为否则当电容器C3处于完全放电状态时，初始充电电流可能会过高。二极管D9防止电容器C3经由晶体管Q12放电。代替刚刚介绍的高压源7的设计，也可以串联布置类似于刚刚说明的电路的两个电路，其中两个电路中的每一个输送高压源7的电压输出的一半。此外，可以设想，使用降压转换器作为高压源7，以代替图3中所示的设计。也可以使用蓄电池来代替电容器C3。

进一步地，提供光敏晶体管Q9作为光元件，并将其布置为用于接收从光源5发出的光。光敏晶体管Q9的集电极经由电阻器R20（例如，2200Ω）连接到电容器C3与电阻器R24相连的一个端子。光敏晶体管Q9的发射极与电阻器R21（例如，100kΩ）的一个端子、晶体管Q10（例如，2N5089）的基极和晶体管Q11（例如，2N4126）的基极相连。晶体管Q10是NPN型，晶体管Q11是PNP型。电阻器R21的另一端子与MOSFETM3的源极相连。由于高电阻器R21，在由光源5发出的光将光敏晶体管Q9切换到其闭合状态的情况下，横跨经充电的电容器C3的电位差的一特定部分施加到晶体管Q10和Q11的基极。结果，晶体管Q10切换到其闭合状态，晶体管Q11切换到其断开状态。这个布置被称为推挽级。借助晶体管Q10的闭合集电极-发射极通道，电流能够从电容器C3（从与电阻器R20相连的电容器端子）流向MOSFETM3的栅极。因此，MOSFETM3切换到其闭合状态，在其中，漏极-源极通道是低电阻的。由于同时切换所有MOSFETM1-M3，因此整个串联传导线路是低电阻的，并能够将电位9接地。

当关闭光源5时，光敏晶体管Q9切换到其断开状态，这将晶体管Q10和Q11的基极的电位拉升到MOSFETM3的源极上的电位。结果，晶体管Q10切换到其断开状态，晶体管Q11切换到其闭合状态。随后，可以经由电阻器R25（例如，10Ω）将MOSFETM3的栅极拉升到MOSFETM3的源极上的电位。另外，在MOSFETM3的栅极与MOSFETM3的源极之间提供电阻器R23（例如，10kΩ），用于本领域中公知的台阶（ledging）目的。栅极电阻器R22（例如，10Ω）连接在MOSFETM3的栅极与晶体管Q10发射极之间。栅极电阻器R22允许MOSFET导通速度的调整。在截止期间，与电阻器R22反向并联的肖特基二极管D7（例如，1N5818）对电阻器R22进行分流，以便提高MOSFET栅极放电的速度。

根据再进一步的实施例，除了图3中所示的以及上述的设计以外，每一级2都可以包括光伏元件（例如，CPC1831），用于额外地为电容器C3充电。此外，可以使用多个光伏元件并将它们串联布置。与电容器C3并联地提供该单个光伏元件或者串联的光伏元件。当如上所述那样开启光源5并使电容器C3放电时，由光源5发出的光由光伏元件接收，并提供给电容器C3。这具有能够在延长的时间段内将电流从电容器C3提供给MOSFETM3的栅极的效果。

图4示出了根据上述实施例的用于对电负载进行放电的方法。由于电子开关6、M1、M2、M3的断开的切换通路，横跨每一个电子开关6、M1、M2、M3施加一特定的电位差，即在MOSFETM1、M2、M3的漏极与源极之间，或者IGBT的集电极与发射极之间的电压。从每一级2内的这个可切换通路，特别是在MOSFET（或IGBT）的漏极（或集电极）处，分流出电流。这个电流输入到每一级2的能量存储器C1、C2、C3。为了能够分流电流，相应的电子开关6、M1、M2、M3必须处于断开状态，以便获得用于驱动电流流动的电压。当如上述地借助光源5启动切换电路的切换时，将存储在能量存储器C1、C2、C3中的能量提供给电子开关6、M1、M2、M3的控制端子。这使得电子开关6、M1、M2、M3的可切换通路切换到其闭合状态，并随后至少暂时保持该闭合状态。

图5示意性地示出了用于产生合成的医学视图/图像的医学成像系统10，在其中能够使用上述的切换电路。医学成像系统10包括图像获取装置11、数据处理单元12和显示装置13。例如，医学成像系统是X射线成像系统，包括X射线发生器14。X射线发生器14包括：X射线管19，其用于产生X射线辐射；和高压发生器21，其经由高压电缆20向X射线管19供电。在图5中，示意性地将X射线管19和高压发生器21显示为分离的装置，然而它们也可以集成在单一的外壳中。提供工作台15以容纳待检查的病人16。进一步地，与X射线发生器14相对地设置X射线图像检测模块17。X射线发生器14向连接到检测模块17和X射线发生器14二者的数据处理单元12发送数据。数据处理单元12位于工作台15附近。进一步地，显示器13布置在工作台15附近，以便向操作X射线成像系统的人员显示信息。此外，布置接口单元18以便由用户输入信息或命令。基本上，图像检测模块17通过使受试者暴露于X射线辐射而产生图像数据，其中，在数据处理单元12中进一步处理所述图像。应注意，所示的实例是所谓的CT型X射线图像获取装置。本发明还涉及其它类型的X射线图像获取装置，例如CV型X射线图像获取装置。特别地，上述切换电路适用于CV和CT应用的双重能量X射线系统和高速网格开关。

显然，本发明的教导旨在覆盖上述实施例的任意组合。

尽管在附图和前述说明中详细示出并介绍了本发明，但这些图示和说明应认为是说明性或者示例性的，而非限制性的，其并非旨在将本发明局限于所公开的实施例。在相互不同的从属权利要求中描述特定措施的事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考标记都不应解释为对本发明的范围的限制。

Claims

1.一种切换电路(1)，包括：

多个级(2)，每一级都包括电子开关(6、M1、M2、M3)，所述电子开关具有能够借助控制端子控制的可切换通路，其中，所述电子开关(6、M1、M2、M3)的可切换通路串联连接在待切换的电位之间；

每一级(2)进一步包括能量存储器(C1、C2、C3)，在相应的电子开关(6、M1、M2、M3)处于断开状态时，以从所述级(2)内的可切换通路分支出来的且由横跨断开的可切换通路的压降导致的电流为所述能量存储器充电；

驱动器级(8)，用于通过如下方式切换所述电子开关(6、M1、M2、M3)：向所述电子开关(6、M1、M2、M3)的控制端子提供存储在所述能量存储器(C1、C2、C3)中的能量，以便闭合所述电子开关(6、M1、M2、M3)的可切换通路，并至少暂时保持闭合状态，

其中，每一级(2)都进一步包括光元件(4，Q9)，用于启动所述电子开关(6、M1、M2、M3)的切换，

并且其中，每一级(2)都进一步包括至少一个光伏元件，用于对所述能量存储器(C1、C2、C3)进行额外充电，其中，布置所述光元件(4，Q9)和所述至少一个光伏元件，以便从适于同时启动所有的所述电子开关(6、M1、M2、M3)的切换的光源(5)接收光。

2.根据权利要求1所述的切换电路(1)，其中，每一级(2)的设计相同。

3.根据权利要求1所述的切换电路(1)，其中，除了沿所述电子开关(6、M1、M2、M3)的可切换通路的连接以外，所述级(2)之间没有连接线。

4.根据权利要求1所述的切换电路(1)，其中，每一级(2)都仅包括用于连接线的两个端子，其中，在所述两个端子之间布置所述电子开关(6、M1、M2、M3)。

5.一种用于借助切换电路来切换电位的方法，所述切换电路(1)包括多个级(2)，每一级都包括电子开关(6、M1、M2、M3)，所述电子开关具有能够借助控制端子控制的可切换通路，其中，所述电子开关(6、M1、M2、M3)的可切换通路串联连接在待切换的电位之间；所述方法包括如下步骤：

从每一级(2)内的可切换通路分支出由横跨断开的可切换通路的压降所导致的电流；

在相应的电子开关(6、M1、M2、M3)处于断开状态时，以分支出来的电流为每一级(2)的能量存储器(C1、C2、C3)充电；

向所述电子开关(6、M1、M2、M3)的控制端子提供存储在所述能量存储器(C1、C2、C3)中的能量，以便将所述电子开关(6、M1、M2、M3)的可切换通路切换到其闭合状态，并至少暂时保持闭合状态；

借助在每一级(2)中设置的光元件(4、Q9)启动所述电子开关(6、M1、M2、M3)的切换；

借助至少一个光伏元件对所述能量存储器(C1、C2、C3)进行额外充电，

其中布置所述光元件(4，Q9)和所述至少一个光伏元件，以便从适于同时启动所有的所述电子开关(6、M1、M2、M3)的切换的光源(5)接收光。

6.一种高压发生器(21)，包括根据权利要求1所述的切换电路(1)。

7.一种X射线发生器(14)，包括根据权利要求1所述的切换电路(1)。

8.一种医学成像系统(10)，包括根据权利要求1所述的切换电路(1)。