CN104052269B - 具有振幅因数控制的恒定功率逆变器 - Google Patents

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Abstract

提供一种电外科产生器。该产生器包括：被配置为输出DC波形的DC‑DC降压转换器，该DC‑DC降压转换器包含以第一占空比操作的至少一个第一切换元件；与DC‑DC降压转换器耦合并包含以第二占空比操作的至少一个第二切换元件的DC‑AC升压转换器，DC‑AC升压转换器被配置为转换DC波形以产生至少一个电外科波形；和与DC‑DC降压转换器和DC‑AC升压转换器耦合并被配置为调整第一占空比和第二占空比以在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式中的至少一种中操作至少一个电外科波形的控制器。

Description

具有振幅因数控制的恒定功率逆变器
技术领域
本公开涉及用于操作电外科产生器的电外科系统和方法。更具体地，本公开涉及用于控制由具有DC-DC降压转换器和DC-AC升压转换器的电外科产生器产生的电外科波形的系统、方法和装置。
背景技术
电外科包含向手术部位施加高射频电流以切割、切除或凝结组织。在单极电外科中，源电极或活动电极将来自电外科产生器的射频交变电流传输到目标组织。病人返回电极的位置远离活动电极以将电流传导回产生器。
在双极电外科中，返回电极和活动电极的位置相互接近，使得在两个电极之间形成电路（例如，在电外科镊子的情况下）。以这种方式，施加的电流限于位于电极之间的体组织。因此，双极电外科一般包含使用仪器，这里，希望在位于例如为镊子等的仪器上的两个电极之间实现电外科能量的聚焦传输。镊子是依赖于其钳口之间的机械作用以抓紧、夹紧和限制血管或组织的钳子状的仪器。电外科镊子（开口或内窥镜）利用机械夹紧作用和电气能量以影响夹紧组织上的止血。镊子包含向夹紧组织施加电外科能量的电外科传导表面。通过控制通过传导板向组织施加的电外科能量的强度、频率和持续期，外科医生可凝结、烧灼和/或密封组织。但是，以上的例子仅是出于解释的目的，并且存在处于本公开的范围内的许多其它已知的双极电外科仪器。
以上概括的电外科过程可在基于反馈的控制系统中利用各种组织和能量参数。不断要求改善向组织的能量传输。
发明内容
根据一个实施例，本公开提供电外科产生器。产生器包含被配置为输出DC波形的DC-DC降压转换器，该DC-DC降压转换器包含以第一占空比操作的至少一个第一切换元件；与DC-DC降压转换器耦合并包含以第二占空比操作的至少一个第二切换元件的DC-AC升压转换器，DC-AC升压转换器被配置为转换DC波形以产生至少一个电外科波形；和与DC-DC降压转换器和DC-AC升压转换器耦合并被配置为调整第一占空比和第二占空比以在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式中的至少一种中操作至少一个电外科波形的控制器。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为在电流程序模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100%以在恒定电流模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为在非线性载流子控制模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100%以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，在非线性载流子控制模式中，控制器基于经过时间与DC波形的各循环的周期长度的比计算设定点电流。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为在电流程序模式中控制DC-AC升压转换器并使第一占空比保持在约100%以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为使第一占空比保持在约100%且第二占空比小于100%，以在恒定电压模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为调整第一占空比以控制至少一个电外科波形的功率。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为调整第二占空比以控制至少一个电外科波形的振幅因数。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为基于第一占空比在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式中的至少一种之间切换至少一个电外科波形的操作。
根据另一实施例，本公开提供一种电外科产生器。产生器包括：被配置为输出DC波形的DC-DC降压转换器，该DC-DC降压转换器包含以第一占空比操作的至少一个第一切换元件；与DC-DC降压转换器耦合并包含以第二占空比操作的至少一个第二切换元件的DC-AC升压转换器，DC-AC升压转换器被配置为转换DC波形以产生至少一个电外科波形；和与DC-DC降压转换器和DC-AC升压转换器耦合并被配置为调整第一占空比和第二占空比以基于第一占空比在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式中的至少一种之间切换至少一个电外科波形的操作的控制器。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为在电流程序模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100%以在恒定电流模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为在非线性载流子控制模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100%以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，在非线性载流子控制模式中，控制器基于经过时间与DC波形的各循环的周期长度的比计算设定点电流。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为在电流程序模式中控制DC-AC升压转换器并使第一占空比保持在约100%以在恒定电流模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为使第一占空比保持在约100%且第二占空比小于100%，以在恒定电压模式中操作至少一个电外科波形
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为调整第一占空比以控制至少一个电外科波形的功率。
根据以上的实施例的一个方面，控制器被配置为调整第二占空比以控制至少一个电外科波形的振幅因数。
根据一个实施例，本公开提供一种用于控制电外科产生器的方法。该方法包括：以第一占空比操作DC-DC降压转换器的至少一个第一切换元件以输出DC波形；以第二占空比操作与DC-DC降压转换器耦合的DC-AC升压转换器的至少一个第二切换元件以转换DC波形以产生至少一个电外科波形；和调整第一占空比和第二占空比以在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式中的至少一种中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，方法还包括：在电流程序模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100%以在恒定电流模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，方法还包括：在非线性载流子控制模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100%以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
根据以上的实施例的一个方面，在非线性载流子控制模式中控制DC-DC降压转换器还包含基于经过时间与DC波形的各循环的周期长度的比计算设定点电流。
根据以上的实施例的一个方面，方法还包括在电流程序模式中控制DC-AC升压转换器并使第一占空比保持在约100%以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
附图说明
这里参照附图描述本公开的各种实施例，其中，
图1是根据本公开的电外科系统的一个解释性的实施例的部件的透视图；
图2是根据本公开的电外科产生器的一个实施例的前视图；
图3是根据本公开的图2的电外科产生器的实施例的示意性框图；
图4是根据本公开的图2的电外科产生器的DC-AC转换器和DC-AC逆变器的示意性框图；
图5是根据本公开的希望输出特性的图示；
图6是根据本公开的作为阻抗的函数的图2的产生器的DC-DC降压转换器的占空比的图示；
图7是根据本公开的DC-DC降压转换器的作为占空比的函数的振幅因数的图示；
图8是根据本公开的DC-DC降压转换器的未修改波形输出的图示；
图9是根据本公开的DC-DC降压转换器的修改波形输出的图示。
具体实施方式
以下参照附图描述本公开的特定实施例。在以下的描述中，不详细描述公知的功能或结构以避免在不必要的细节上混淆本公开。
根据本公开的产生器可执行单极和/或双极电外科过程，包括例如切割、凝结、切除和血管密封过程。产生器可包含多个用于与各种电外科仪器（例如，单极仪器、返回电极、双极电外科钳、脚踏开关等）连接的输出。并且，产生器包含被配置为产生特别适于各种电外科模式（例如，切割、混合、凝结、通过止血的分割、电灼、喷射等）和过程（单极仪、血管密封）的射频能量的电子电路。在实施例中，为了提供一体化电外科装置，产生器可嵌入电外科仪器中或者与其集成或以其他方式耦合。
图1是根据本公开的双极和单极电外科系统1的示意图。系统1可包含具有用于治疗病人的组织的一个或多个活动电极3（例如，电外科切割探针、切除电极等）的一个或多个单极电外科仪器2。通过与产生器200的活动端子230（图3）连接的供给线4，电外科交变电流通过产生器200被供给到仪器2，从而允许仪器2切割、凝结、切除和/或以其他方式治疗组织。通过产生器200的返回端子32（图3）上的返回线8，交变电流通过返回电极焊盘6返回到产生器200。对于单极操作，系统1可包含多个返回电极焊盘6，这些返回电极焊盘6在使用中被设置在病人身上，以通过使与病人的总体接触面积最大化使组织的损伤的机会最小化。另外，产生器200和返回电极焊盘6可被配置为用于监视组织与病人接触，以确保在其间存在足够的接触。
系统1还可包含一个或多个双极电外科仪器，例如，具有用于治疗病人的组织的一个或多个电极的双极电外科钳10。电外科钳10包含外壳11和设置在轴12的远端上的相对的钳口部件13和15。钳口部件13和15分别具有设置在其中的一个或多个活动电极14和返回电极16。活动电极14和返回电极16分别通过电缆18与产生器200连接，该电缆18包含与活动和返回端子230、232耦合的供给线和返回线4、8（图3）。电外科钳10通过设置在电缆18的端部上的插头在具有与活动端子230和返回端子232的连接（例如，销）的连接器上与产生器200耦合，其中，如后面更详细地描述的那样，插头包含来自供给线和返回线4、8的触头。
参照图2，示出产生器200的前面240。产生器200可以是任何适当的类型（例如，电外科、微波等），并且可包含多个连接器250～262，以容纳各种类型的电外科仪器（例如，电外科钳10等）。
产生器200包含用户界面241，该用户界面241具有用于向用户提供各种输出信息（例如，强度设置、治疗完成指示等）的一个或多个显示画面或信息面板242、244、246。画面242、244、246中的每一个与相应的连接器250～262相关。产生器200包含用于控制产生器200的适当的输入控制（例如，按钮、激活器、开关、触摸屏等）。显示画面242、244、246还被配置为显示电外科仪器（例如，电外科钳10等）的相应的菜单的触摸屏。用户然后通过简单地触摸相应的菜单选项调整输入。
画面242控制单极输出和与连接器250和252连接的装置。连接器250被配置为与单极电外科仪器（例如，电外科仪器2）耦合，并且，连接器252被配置为与脚踏开关（未示出）耦合。脚踏开关提供附加的输入（例如，重复产生器200的输入）。画面244控制单极和双极输出和与连接器256和258连接的装置。连接器256被配置为与其它的单极仪器耦合。连接器258被配置为与双极仪器（未示出）耦合。
画面246控制由可插入连接器260和262中的钳10执行的双极密封过程。产生器200通过适于密封由钳10掌握的组织的连接器260和262输出能量。具体地，画面246输出允许用户输入用户限定的强度设置的用户界面。用户限定设置可以是允许用户调整诸诸如功率、电流、电压、能量等的一个或多个能量传输参数或诸如能率限制器、密封持续期等的密封参数的任何设置。用户限定设置被传送到控制器224，在该控制器224中，设置可保存于存储器226中。在实施例中，强度设置可以是诸如例如1～10或1～5的数标。在实施例中，强度设置可与产生器200的输出曲线相关。强度设置可以是利用的各钳10特有的，使得各种仪器向用户提供与钳10相关的特定的强度标量。
图3表示被配置为输出电外科能量的产生器200的示意性框图。产生器200包含控制器224、电源227和射频（RF）放大器228。电源227可以是与AC源（如线电压）连接的高电压DC电源，并且通过引线227a和227b向RF放大器228提供高电压DC功率，该RF放大器228然后将高电压DC功率转换成治疗能量（例如，电外科或微波），并且将能量传输到活动端子230。能量通过返回端子232返回到它。活动端子230和返回端子232通过隔离变压器229与RF放大器228耦合。RF放大器228被配置为在多个模式中操作，在此期间，产生器200输出具有特定的占空比、峰值电压、振幅因数等的相应的波形。可以设想，在其它的实施例中，产生器200可基于其它类型的适当的电源布局。
控制器224包含与存储器226操作连接的处理器225，该存储器226可包含暂时型存储器（例如，RAM）和/或非暂时性存储器（例如，快擦写媒体、盘媒体等）。处理器225包含与电源227和/或RF放大器228操作连接的输出端口，从而允许处理器225根据开环和/或闭环控制方案控制产生器200的输出。闭环控制方案是反馈控制环，其中，多个传感器测量多个组织和能量性能（例如，组织阻抗、组织温度、输出功率、电流和/或电压等），并且向控制器224提供反馈。控制器224然后信令电源227和/或RF放大器228，信令电源227和/或RF放大器228分别调整DC和/或电源。本领域技术人员可以理解，可通过使用包含但不限于场可编程门阵列、数字信号处理器和它们的组合的适于执行这里描述的计算和/或一组指令的任何逻辑处理器（控制电路），替代处理器225。
根据本公开的产生器200包含多个传感器280，例如，RF电流传感器280a和RF电压传感器280b。产生器200的各种部件，即，RF放大器228、RF电流和电压传感器280a和280b，可被设置在印刷电路板（PCB）上。RF电流传感器280a与活动端子230耦合，并且提供由RF放大器228供给的RF电流的测量。RF电压传感器280b与活动和返回端子230和232耦合，并且提供由RF放大器228供给的RF电压的测量。在实施例中，RF电流和电压传感器280a和280b可与活动引线和返回引线228a和228b耦合，活动引线和返回引线228a和228b分别断开活动端子和返回端子230和232与RF放大器228。
RF电流和电压传感器280a和280b分别向控制器224提供感测RF电压和电流信号，该控制器224可响应感测的RF电压和电流信号调整电源227和/或RF放大器228的输出。控制器224还从产生器200、仪器2和/或钳10的输入控制接收输入信号。控制器224利用输入信号，以调整通过产生器200输出的功率并且/或者在其上面执行其它的控制功能。
图4表示被配置为通过近直进控制操作以保持产生器200的希望的AC输出的产生器200的另一实施例。如这里使用的那样，术语“直进（deadbeat）”或“近直进”指的是产生器200对波形的约1循环到约100循环、实施例中的约10循环到约25循环的输出的调整。术语循环指的是具有正负半循环的电外科交变波形的整个循环。根据本公开的产生器200可具有约100kHz～约1000kHz的操作频率并且在某些实施例中具有约200kHz～约500kHz的操作频率，因此，在100kHz的预定频率下操作的产生器200输出每秒具有100000个循环的波形。可在相同的频率（例如，电外科波形的1循环）或约0.1的因子（例如，电外科波形的每10循环）下进行对于输出的调整。根据示例性实施例，近直进控制通过确保只有希望的量的功率被传输到电外科仪器使意外的炭化最小化。在现有的产生器中，转换器对负载阻抗变化的较慢的瞬时响应可导致对于500个或更多个循环不能检测的功率的过量传输。
产生器200还被配置为在恒定电压限制模式、恒定电流限制模式、恒定功率模式和它们的组合中的任一个中操作。模式选择一般基于与切割的组织相关的阻抗。诸如肌肉和脂肪的不同类型的组织具有不同的阻抗。关于电外科手术，恒定功率输出趋于均匀地使组织汽化，从而导致干净的解剖。而恒定电压输出趋于爆发式地汽化或炭化组织（“黑凝结”），并且，恒定电流输出趋于在没有汽化的情况下热凝结组织（“白凝结”）。如果外科医生希望迅速地破坏表面组织则炭化是在外科上有用的，并且，热凝结与机械压力有规律地耦合以密封肝或淋巴封闭。但是，外科医生一般希望通过使用恒定功率输出操作，并且，重要的是，如果存在偏离，则尽可能快地返回使用恒定功率输出。
参照产生器200的AC输出，并且，在示例性实施例中，“恒定功率”被定义为意味着在各切换循环中传输的平均功率基本上恒定。类似地，“恒定电压”和“恒定电流”被定义为分别将AC电压或电流的均方根（RMS）值调节到基本上固定的值的模式。在图5中示出希望的输出特性的示例性图示。在示例性实施例中，随着负载阻抗增加和电压增加，相应的增加的输出电压触发从区域A所示的恒定电压模式向区域B所示的恒定功率模式和区域C所示的恒定电压模式的转变。类似地，在示例性实施例中，随着负载阻抗减小和电流增加，相应的减小的输出电压触发从恒定电压区域C向恒定功率区域B和恒定电流区域A的相反的转变。
参照图4所示的方案，产生器200包含DC-DC降压转换器101、DC-AC升压转换器102、感应器103、变压器104和控制器224。在实施例中，DC-DC降压转换器101和DC-AC升压转换器102是RF输出段228的一部分。在示例性实施例中，诸如电源227的DC电压源Vg与DC-DC降压转换器101连接。并且，感应器103电气耦合于DC-DC降压转换器101与DC-AC升压转换器102之间。DC-AC升压转换器102的输出将功率传送到变压器104的初级绕组，该功率通过变压器104的次级绕组转送到负载Z（例如，治疗的组织）。
DC-DC降压转换器101包含开关元件101a，并且，DC-AC升压转换器102包含以H桥布局配置的多个开关元件102a～102d。在实施例中，可根据包含但不限于半桥、全桥和推拉等的任何适当的布局配置DC-AC升压转换器102。适当的开关元件包含诸如晶体管、场效应晶体管（FET）和它们的组合等的电压控制器件。在示例性实施例中，控制器224分别与DC-DC降压转换器101和DC-AC升压转换器102特别是开关元件101a和102a～102d通信。如后面进一步参照电压模式控制器112描述的那样，控制器224被配置为向开关元件101a和102a～102d输出控制信号，这些控制信号可以是脉冲宽度调制信号。具体地，控制器224被配置为控制供给到DC-DC降压转换器101的开关元件101a的控制信号的占空比d1和供给到DC-AC升压转换器102的开关元件102a～102d的控制信号的占空比d2。另外，控制器224被配置为测量产生器200的功率特性，并且至少部分地基于测量的功率特性控制产生器200。测量的功率特性的例子包含通过感应器103的电流和DC-AC升压转换器102的输出上的电压。在示例性实施例中，控制器224通过对于每个循环基于感应器电流与非线性载流子控制电流的比较产生占空比d1控制降压转换器101。
根据示例性实施例，控制器224包含电流模式控制器111、电压模式控制器112、模式选择器113和转向逻辑114。为了确定产生器200的希望的操作模式，模式选择器113比较输出电压Vout（t）和感应器电流iL（t），以设定极限。操作模式可以是恒定（或最大）电流Imax（例如，恒定电流区域A）、来自DC-DC降压转换器101的恒定功率P1、来自DC-AC升压转换器102的恒定功率P2（例如，恒定功率区域B）或图5所示的恒定（或最大）电压Vmax（例如，恒定电压区域C）或它们的组合。模式选择器113的输出选择被传送到转向逻辑114。在示例性实施例中，转向逻辑114控制启用电流模式控制器111和电压模式控制器112中的至少哪一个。并且，转向逻辑114选择哪个转换阶段接收电流模式控制器111和/或电压模式控制器112的输出。
在一个示例性实施例中，转向逻辑114根据产生希望的输出特性的哪个部分通过用于恒定功率的电流模式控制在操作DC-DC降压转换器101或DC-AC升压转换器102之间切换。电压模式控制器112和/或电流模式控制器111针对电流模式控制调整占空比d1和/或d2。并且，转向逻辑114选择DC-DC降压转换器101和/或DC-AC升压转换器102中的每一个接收的占空比。
电流模式控制器111比较感应器电流iL（t）与非线性载流子控制电流iC（t）（例如，希望的设定点电流）。在示例性实施例中，非线性载流子控制电流iC通过由用户完成的Pset（例如，希望的功率设定点）的选择被设定，或者由查找表提供。在示例性实施例中，电流模式控制器111使用锁存电路，以比较感应器电流iL（t）与电流极限信号（I）或功率极限信号（Pl）。用于锁存电路的控制信号是从转向逻辑114传送的模式信号。锁存电路的输入是时钟信号和电流极限信号（I）或功率极限信号（Pl）。电流模式控制器111输出的选择响应产生器200的电流模式。可通过模式选择器113传送产生器200的操作模式。在示例性实施例中，如果感应器电流iL（t）比非线性载流子控制电流iC（t）低，那么切换波形d（t）在切换周期的开始被切换为“高”。并且，在示例性实施例中，响应感应器电流iL（t）超过非线性载流子控制电流iC（t），切换波形d（t）被切换为“低”。换句话说，如上所述，感应器电流iL（t）与非线性载流子控制电流iC（t）的比较有利于调整降压转换器101的占空比d1的脉冲持续期。
为了产生和控制来自产生器200的恒定电流，感应器电流iL（t）的平均值被设为基本上等于固定控制电流极限K*Pset。对于较小的感应器纹波电流，换句话说，对于ΔiL<<IL，电流模式控制器将感应器电流iL（t）调节到大致恒定的值，该值基本上等于固定控制电流极限。根据示例性实施例，电流模式控制器111能够通过在约1循环～约100循环内、在实施例中在约2循环～约20循环内并且在其它的实施例中在约3循环～约10循环内调整电流以保持感应器电流iL（t）的大致恒定值。该低循环调整提供上述的近直进或直进控制。
在示例性实施例中，并且，继续参照图4，控制器224的电压模式控制器112包含比较器121、补偿器122和脉冲宽度调制器（PWM）123。在示例性实施例中，电压模式控制器112在比较器121上比较输出电压Vout（t）与基准电压Vmax。比较器121的输出被传送到补偿器122，该补偿器122又输出驱动PWM123的误差信号。在示例性实施例中，补偿器122的输出通过PWM123，该PWM123设定某些模式中的信号的占空比d2。
并且，在示例性实施例中，模式选择器113包含编码器，并且执行多个比较。参照图5，模式选择器113使用电压比较信号和电流比较信号以确定产生器200是否在恒定电流输出区域（A）、恒定功率输出区域（B）的区域P1、恒定功率输出区域（B）的区域P2或恒定电压输出区域（C）中操作。并且，来自模式选择器113的输出模式信号控制转向逻辑114中的切换位置。当输出电压Vout（t）超过第一电压极限Vlimit_1、第二电压极限Vlimit_2和第三电压极限Vlimit_3时，编码器选择恒定电压模式。来自模式选择器113的恒定电压模式信号导致转向逻辑114的切换的位置为图4和下表1所示的“V”位置，下表1通过操作模式表示DC-DC降压转换器101和DC-AC升压转换器102的占空比。
表1
在各种替代性实施例中，操作模式的选择部分地基于占空比。例如，如果产生器200通过使用DC-DC降压转换器101在恒定功率模式中操作并且占空比达到100%活动，那么控制器224可被配置为通过使用DC-AC升压转换器102切换到恒定功率区域A。切换到升压转换器使得产生器200能够在较高的阻抗范围上操作。
参照恒定功率输出模式，通过将占空比d1和占空比d2中的一个或两个设为希望的值实现恒定AC功率输出。并且，产生器200通过在第一恒定功率区域P1或第二恒定功率区域P2中输出的恒定AC功率操作。在各种实施例中，转换器根据负载的阻抗通过使用DC-DC降压转换器101或DC-AC升压转换器102在产生恒定功率之间切换转向逻辑114。并且，在各种实施例中，产生器200可同时操作DC-DC降压转换器101和/或DC-AC升压转换器102，这导致具有较高的电压和较低的功率的恒定功率输出。
在稳态中，并且当在第一恒定功率区域P1中操作时，在电流模式控制器111中，感应器电流iL（t）与非线性载流子控制电流iC（t）相比较。通过使用电流模式控制器111改变DC-DC降压转换器的占空比d1的脉冲持续期。占空比的改变的脉冲持续期控制响应与降压转换器接触的负载的感应器电流iL（t）。当负载的阻抗改变时，跨着感应器103的电压和通过它的电流也改变。如上所述，在工作周期的开始，工作周期的活动部分被激活。响应感应器反馈信号超过非线性载流子控制电流，工作周期切换到非活动部分。工作周期停留在非活动部分中，直到工作周期的结束，此时，下一工作周期在活动部分中开始。在替代性实施例中，在感应器反馈信号与非线性载流子控制电流的比较中，一旦控制电流超过感应器电流，工作周期就切换到活动部分。根据示例性实施例，产生器200通过使用DC-DC降压转换器101产生恒定功率。
在稳态中，并且当在第二恒定功率区域P2中操作时，响应恒定的输入电压Vg，Vl（t）的平均电压是恒定的，DC-DC降压转换器101也被禁用，原因是在感应器103两端不存在电压。使用电流编程模式控制导致iL（t）的平均电流通过直进或近直进控制被调节到大致固定值。为了调节iL（t），通过电流模式控制器改变占空比d2，以使iL（t）保持在固定值。给定固定的电压和电流，DC-AC升压转换器102的输入上的功率也恒定。在示例性实施例中，DC-AC升压转换器102几乎没有损失，从而导致输出功率大致等于输入功率。由于输入功率是恒定的，因此，DC-AC升压转换器102的输出功率也是恒定的。
参照恒定电压输出模式，通过将DC-DC降压转换器101的占空比d1设为固定值实现恒定电压输出，并且，DC-AC升压转换器102的占空比d2被电压模式控制。在示例性实施例中，电压模式控制包含用传感器网络测量DC-AC升压转换器102的输出电压、将感测的输出电压馈送到电压模式控制器112中的控制循环和基于测量的输出电压与基准输出电压之间的相对差值调整转换器的占空比命令。换句话说，占空比d2被设定以增加或减小输出电压以匹配Vlimit。在示例性实施例中，Vlimit可由用户设定或者基于查找表中的值被设定。在替代性实施例中，升压转换器在固定的占空比下操作，没有输出电压的反馈。
参照恒定电流输出模式，通过在固定占空比d2下操作DC-AC升压转换器102并且电流模式控制DC-DC降压转换器101实现恒定电流输出。在示例性实施例中，电流模式控制器精确地控制平均感应器电流，使得降压转换器的输出是恒定的电流。在一个恒定电流实施例中，电流模式控制器111比较感应器电流iL（t）与由K*Pset设定的恒定电流ic，这里，K*Pset是在使用中由用户设定的恒定电流。在各种实施例中，Pset在设计阶段中被设定。
换句话说，为了使感应器电流iL（t）保持在固定值，控制器224被配置为改变占空比d1。作为结果，恒定电流输出模式产生通过近直进速度调节其大小的AC输出电流。在示例性实施例中，实现恒定功率、恒定电压或恒定电流这三种模式的产生器200产生AC输出特性的非常快、非常精确的调节。各种模式受监视的特性影响，而其它的模式不需要响应相同的监视特性。具体地，控制器224可部分地基于诸如感应器电流和电压的监视的特性在操作模式之间切换。换句话说，通过最小的反馈并且在不需要输出的外来测量、平均化或反馈的情况下实现转换器的哪个级用于电流模式控制的选择。并且，如上所述，控制器224通过将感应器电流调节到等于基准电流的大致恒定值执行近直进控制。
在示例性实施例中，通过监视变压器104的初级绕组的电压和感应器电流确定三种模式之间的转变。并且，模式之间的转变的确定也基于感应器103的电压和电流。当输出电压增加时，控制器224从恒定电流转变为恒定功率，再到恒定电压。具体地，在示例性实施例中，如果输出电压小于第一电压极限（Vlimit_1），那么产生器200在恒定电流模式中操作。如果输出电压超过第一电压极限，那么产生器200转变为第一恒定功率模式（PI）。如果输出电压超过第二电压极限（Vlimit_2），那么产生器200转变到第二恒定功率模式（P2）。如果输出电压超过第三电压极限（Vlimit_3），那么产生器200转变为恒定电压模式，在该恒定电压模式中，输出电压受到限制并且保持恒定。在示例性实施例中，第一电压极限（Vlimit_1）、第二电压极限（Vlimit_2）和第三电压极限（Vlimit_3）由用户设定或者通过产生器200被设定（例如，从查找表）。
类似地，当感应器电流iL（t）增加时，示例性控制器224从恒定电压模式转变为恒定功率模式和恒定电流模式。具体地，在示例性实施例中，如果感应器电流不超过第一电流极限（Ilimit_1），那么产生器200在恒定电压模式中操作。如果感应器电流超过第一电流极限（Ilimit_1），那么模式转变到第二恒定功率模式（P2）。如果感应器电流超过第二电流极限（Ilimit_2），那么模式转变到第一恒定功率模式（P1）。如果感应器电流超过第三电流极限（Ilimit_3），那么产生器200转变到恒定电流模式，在该恒定电流模式中，感应器电流受到限制并且保持恒定。在示例性实施例中，第一电流极限（Ilimit_1）、第二电流极限（Ilimit_2）和第三电流极限（Ilimit_3）由用户设定或者通过产生器200被设定（例如，从查找表）。
如上所述，为了实现恒定电流区域A，DC-DC降压转换器101在电流程序模式（CPM）中被控制，并且，DC-AC升压转换器102固定于约100%占空比d2。为了实现恒定功率区域B，在一个实施例中，DC-DC降压转换器101在非线性载流子控制（NLC）模式中被控制，并且，DC-AC升压转换器102固定于约100%占空比d2。在另一实施例中，DC-DC降压转换器101固定于约100%占空比d1，并且，DC-AC升压转换器102在CPM中被控制。为了实现恒定电压区域B，DC-DC降压转换器101固定于约100%占空比d1，并且，DC-AC升压转换器102固定于可小于100%的预定的占空比d2。
恒定电流区域A、恒定功率区域B和恒定电压区域C之间的切换可基于特定电流极限、功率设定和电压极限的占空比d1和d2的确定（例如，在实验上或在经验上）和将值存储于控制器224可访问的查找表中。通过观察被控制的DC-DC降压转换器101和/或DC-AC升压转换器102的占空比改变各区域的控制方案。一旦占空比d1或d2达到预定阈值，控制器224就变为相应的新方案。该控制方案依赖于对于存储于查找表中的给定电流、功率或电压设定点具有预编程的占空比值的控制器224。但是，这需要复杂的表（例如，三维表），该表需要在实验上针对各单个产生器200被导出。这不是劳动和成本有效的，并且，由于产生器200的部件容限以及人为误差，因此，易于出现误差。另外，为了当在CPM中操作DC-AC升压转换器102时实现精确的功率控制，感应器103需要具有足够大的电感。
本公开提供用于以更低的复杂性确定占空比d1和d2的系统和方法，并且增加功率控制精度，同时减小感应器103的所需要的感应器尺寸，并且还允许独立地、动态地控制传输的电外科波形的振幅因数（CF）和功率。具体地，DC-AC升压转换器102可被用于控制波形的CF，而DC-DC降压转换器101被用于控制输出功率。在本实施例中，DC-AC升压转换器102固定于给定的循环，该给定的循环可以为0%～100%、在实施例中为20%～90%，而DC-DC降压转换器101在NLC控制中运行。
本公开提供用于基于由模式选择器113确定的DC-DC降压转换器101的占空比d1在恒定电流区域A、恒定功率区域B和恒定电压区域C之间切换，同时保持DC-AC升压转换器102的占空比d2固定而不是使用电压极限（Vlimit_1、Vlimit_2、Vlimit_3）和电流极限（Ilimit_1、Ilimit_2、Ilimit_3）的系统和方法。为了确定DC-DC降压转换器101是否可在DC-AC升压转换器102的占空比d2被固定时控制功率，可以在稳态中使用DC-DC降压转换器101和DC-AC升压转换器102中的每一个的平均切换模型，以确定作为负载的函数的DC-DC降压转换器101的占空比d1。可通过使用下式（I）通过模式选择器113计算用于在DC-AC升压转换器102的占空比d2被固定的同时在CPM中操作DC-DC降压转换器101的占空比d1：
可通过使用下式（II）通过模式选择器113计算用于在DC-AC升压转换器102的占空比d2被固定的同时在NLC中操作DC-DC降压转换器101的占空比d1：
可通过使用下式（III）通过模式选择器113计算用于在DC-AC升压转换器102的占空比d2也针对特定的Vout极限被固定的同时在固定模式中操作DC-DC降压转换器101的占空比d1：
在式（I）、（II）和（III）中，d1是DC-DC降压转换器101的占空比，iC是时间平均感应器控制电流，d2是DC-AC升压转换器102的占空比，Rload是负载（即，被治疗的组织）的电阻，n是变压器104的匝比，Vg是由电源227供给的输入DC电压，Vout是变压器104两端的电压。
式（I）、（II）和（III）可实现为模式选择器113内的软件函数，以通过DC-AC升压转换器102的固定占空比确定希望的电流、功率或电压极限的希望断裂点上的DC-DC降压转换器101的占空比。
图6表示作为以上定义的式（I）、（II）和（III）的极限中的每一个的阻抗即处于CPM、NLC和电压极限模式中的占空比d1的阻抗极限的函数的DC-DC降压转换器101的占空比的示图。示图内的部分示出DC-DC降压转换器101的动态范围。图6的示图还示出，DC-DC降压转换器101的占空比可在达到电流或电压极限时饱和，而不是使控制器224计算DC-DC降压转换器101的占空比d1。并且，这允许在固定DC-AC升压转换器102的同时使DC-DC降压转换器101控制功率，使得占空比d2如图7所示的那样与占空比d1无关地控制振幅因数，该图7表示作为占空比d1的函数的振幅因数的示图。
通过将占空比d2设为固定值以实现希望的振幅因数，只要占空比d1不饱和，控制器224就可独立地设定振幅因数以及Vrms。可通过控制器224动态改变占空比d1和d2以实现不同的组织效果。改变波形的振幅因数允许在不同的RF模式之间改变，诸如切割和凝结或各种混合模式。
本公开还提供用于控制DC-DC降压转换器101的改进的NLC波形。虽然通过固定的DC-AC升压转换器102在NLC控制中操作DC-DC降压转换器101，但是，随着负载电阻的增加，功率下降。这与感应器103中的较少的DC电流对应。本公开提供增加负载电阻上的DC电流，由此修改NLC波形。
未修改的NLC波形遵循下式（IV）：
在式（IV）中，Pset是功率设定点，Ts是切换元件101的切换周期，Vg是由电源227供给的输入DC电压，t是时间。在图8中表示DC-DC降压转换器101的得到的未修改的波形800，该波形在较小t内饱和并且对于切换周期的剩余部分遵循式（IV）。图8还示出感应器103的电流波形iL（t）802。
图9所示的修改的NLC波形900包括包含时间变量即时间周期的比的功率设定点。具体地，可通过使用下式（V）定义Pset：
在式（V）中，P是标称设定点，Pcomp是用于补偿下降的功率的式（V）的线性部分的增益。式（VI）包含时间变量Pset，并且在下面被列出：
参照图9，与当电阻高时吸取更多的电流的未修改的NLC波形800相比，修改的NLC波形900包含扩展的周期，由此减小功率下降。当t小时，例如，在周期的开始，修改的NLC波形900紧密地遵循未修改NLC波形800，并且，类似地对重负载被调节。对于轻负载，与电流波形iL（t）802相比，电流波形iL（t）902的感应器电流如图9所示的那样具有较小的斜率，并且花费更长时间以到达NLC波形。对于接近Ts的t，例如，接近周期的结束的t，有效功率命令增加，并且，观察到更小的功率下降。具体地，与未修改的感应器电流波形相比，修改的感应电流波形具有更高的DC值。较高的DC值允许在高负载电阻下具有更大的功率。
修改的NLC波形还允许较小值（例如，电感）感应器103通过使用未修改NLC波形实现相同的功率调节。对于较大感应器103的电流的相同DC水平，较小的感应器103还具有更大的穿过其中的纹波电流。通过允许更大的纹波，新的NLC波形可继续在较高的负载电阻下控制电流和功率。并且，较小的感应器103还有益于成本和空间有效的制造。
虽然在附图中表示并且/或者在这里描述了本公开的几个实施例，但本公开不限于此，并且，本公开要具有本领域允许的较宽的范围，并且要类似地阅读说明书。因此，上述的描述不应解释为限制，而只是特定实施例的示例。本领域技术人员可以在所附的权利要求的范围和精神内设想其它的修改。

Claims (10)

1.一种电外科产生器，包括：
被配置为输出DC波形的DC-DC降压转换器，该DC-DC降压转换器包含以第一占空比操作的至少一个第一切换元件；
与DC-DC降压转换器耦合并包含以第二占空比操作的至少一个第二切换元件的DC-AC升压转换器，DC-AC升压转换器被配置为转换DC波形以产生至少一个电外科波形；和
与DC-DC降压转换器和DC-AC升压转换器耦合的控制器，并被配置为：
调整第一占空比和第二占空比以在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式中的至少一种中操作至少一个电外科波形，以及
调整第二占空比以与第一占空比无关地控制至少一个电外科波形的振幅因数。
2.根据权利要求1的电外科产生器，其中，控制器被配置为在电流程序模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100％以在恒定电流模式中操作至少一个电外科波形。
3.根据权利要求1的电外科产生器，其中，控制器被配置为在非线性载流子控制模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100％以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
4.根据权利要求1的电外科产生器，其中，控制器被配置为在电流程序模式中控制DC-AC升压转换器并使第一占空比保持在约100％以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
5.一种电外科产生器，包括：
被配置为输出DC波形的DC-DC降压转换器，该DC-DC降压转换器包含以第一占空比操作的至少一个第一切换元件；
与DC-DC降压转换器耦合并包含以第二占空比操作的至少一个第二切换元件的DC-AC升压转换器，该DC-AC升压转换器被配置为转换DC波形以产生至少一个电外科波形；和
与DC-DC降压转换器和DC-AC升压转换器耦合的控制器，并被配置为：
调整第一占空比和第二占空比以基于第一占空比在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式中的至少一种之间切换至少一个电外科波形的操作，以及
调整第二占空比以与第一占空比无关地控制至少一个电外科波形的振幅因数。
6.根据权利要求5的电外科产生器，其中，控制器被配置为在电流程序模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100％以在恒定电流模式中操作至少一个电外科波形。
7.根据权利要求5的电外科产生器，其中，控制器被配置为在非线性载流子控制模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100％以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
8.一种用于控制电外科产生器的方法，该方法包括：
以第一占空比操作DC-DC降压转换器的至少一个第一切换元件以输出DC波形；
以第二占空比操作与DC-DC降压转换器耦合的DC-AC升压转换器的至少一个第二切换元件以转换DC波形以产生至少一个电外科波形；和
调整第一占空比和第二占空比以在恒定电流、恒定电压或恒定功率模式中的至少一种中操作至少一个电外科波形，以及
调整第二占空比以与调整第一占空比无关地控制至少一个电外科波形的振幅因数。
9.根据权利要求8的方法，还包括：
在电流程序模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100％以在恒定电流模式中操作至少一个电外科波形。
10.根据权利要求8的方法，还包括：
在非线性载流子控制模式中控制DC-DC降压转换器并使第二占空比保持在约100％以在恒定功率模式中操作至少一个电外科波形。
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