CN104104243A

CN104104243A - 模块式高压发电系统

Info

Publication number: CN104104243A
Application number: CN201310112892.XA
Authority: CN
Inventors: 毛赛君; N.库马尔; 曹震; 褚旭
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-10-15

Abstract

本发明涉及一种模块式高压发电系统，电压源及若干高电压输出模块。每一高电压输出模块包括谐振器、变压器及整流器。该谐振器包括一个谐振电感，该若干高电压输出模块的谐振器中的谐振电感相互耦合。该变压器通过该谐振器电性耦合至该电压源，用于将该电压源输出的相对低的交流电转换为相对高的交流电。该整流器用于将该相对高的交流电转换为直流电。本发明还涉及一种X射线发生器及一种系统。

Description

模块式高压发电系统

技术领域

本发明涉及一种高压发电系统，特别涉及一种具有多个高电压输出模块的高压发电系统。

背景技术

高压发电系统用于，例如为X光球管(X-ray tube)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。高压发电系统一般主要包括一个逆变器单元(Inverter)、一个变压器单元(Transformer)及一个整流器单元(Rectifier)。该逆变器单元典型的用于将一个相对低的直流电转换成一个相对低的交流电。该变压器单元典型的用于将该相对低的交流电转换成一个相对高的交流电。该整流器单元典型的用于将该相对高的交流电转换成一个相对高的直流电，该相对高的直流电即可作为调制高压直流电提供给X射线管来产生X射线，该整流器单元典型的可包括电压倍增器（Voltage multiplier），该逆变器单元也可省去，直接由一个交流电压源替代。

在一些高压设备中，其所需的电压非常高。例如，产生X射线所需的电压范围通常在40KV到500KV之间，并且同时对X射线发生器本身设备的体积重量小型化要求、高稳定性要求、高性能要求及低成本要求也越来越高。一些模块式的高压发电系统被设计出来，用于解决上述问题。但是，在这些模块式高压发电系统中，各个模块之间的功率不平衡问题是一个需要解决的问题。具体来说，由于各个模块中的变压器中元件参数的不一致，如寄生电容参数的不一致，会导致各个模块的电流或/和电压分配可能会不均匀，从而导致系统的整体性能降低，倘若增加附属的其他补偿电路，一方面会提高成本，另外也占据了系统一定的空间，较难实现系统的小型化、低成本化设计要求。

所以，需要提供一种新的模块式高压发电系统来解决上述问题。

发明内容

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个方面在于提供一种模块式高压发电系统。该模块式高压发电系统包括：

电压源；及

若干高电压输出模块，每一高电压输出模块包括：

谐振器，该谐振器包括一个谐振电感，其中该若干高电压输出模块的谐振器中的谐振电感相互耦合；

变压器，通过该谐振器电性耦合至该电压源，用于将该电压源输出的相对低的交流电转换为相对高的交流电；及

整流器，用于将该相对高的交流电转换为直流电。

本发明的另一个方面在于提供一种X射线发生器。该X射线发生器包括：

电压源；

若干高电压输出模块，每一高电压输出模块包括：

整流器，用于将该相对高的交流电转换为直流电；及

X射线管，用于接收该若干高电压输出模块输出的总的电压，以产生X射线。

本发明的再一个方面在于提供一种系统，该系统包括：

X射线发生器，包括：

电压源；

若干高电压输出模块，每一高电压输出模块包括：

整流器，用于将该相对高的交流电转换为直流电；及

本发明的模块式高压发电系统，通过在每一个高电压输出模块中设置具有谐振电感的谐振器，并将该若干个高电压输出模块中的谐振器中的谐振电感进行耦合设计，如此通过耦合电感的作用可共同平均分担变压器的电流及电压，使每一个高压输出模块上承受的功率均相同，消除它们之间因元件参数存在差异而引起的功率不平衡，进而提高模块式高压发电系统整体的性能。另外，由于该若干谐振电感被设计为相互耦合的结构，而非各自独立设计，故可共用一个磁芯，如此还可节省空间及降低成本。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明模块式高压发电系统的较佳实施方式应用在X射线发生器的框图。

图2为图1模块式高压发电系统中的一个高压输出模块的较佳实施方式的电路图。

图3a及图3b为图1的模块式高压发电系统分别在未设有耦合电感结构及设有耦合电感结构时谐振电流的波形图。

图4a及图4b为图1的模块式高压发电系统分别在未设有耦合电感结构及设有耦合电感结构时输出直流高电压的波形图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

请参考图1，为本发明模块式高压发电系统10的较佳实施方式的框图。该模块式高压发电系统10包括一个电压源11、若干高电压输出模块及两个电压输出端A及B。作为一个例子，在图1中，该若干高电压输出模块的数量为四个，即包括第一至第四高电压输出模块12、13、14、15。其他实施方式中，该若干高电压输出模块的数量可以根据具体的输出电压需要相应的增加或减少。

该电压源11用于提供一个相对低的交流电。在一个实施方式中，该电压源11为一个交流电压源，用于直接提供该相对低的交流电给每一个高电压输出模块12、13、14、15。在另一个实施方式中，该电压源11包括一个直流电压源及一个逆变器（未示出）。该直流电压源用于提供一个相对低的直流电，该逆变器用于将该相对低的直流电转换为该相对低的交流电，再提供给每一个高电压输出模块12、13、14、15。在一些实施方式中，该相对低的交流电的电压幅值范围大概在几百伏特到几千伏特，而频率范围大概在几万赫兹到几兆赫兹之间。

该第一高压输出模块12包括一个第一谐振器121、一个第一变压器122及一个第一电压倍增器123。该第一高压输出模块12用于输出一个第一高电压信号HV1。同样地，该第二高压输出模块13包括一个第二谐振器131、一个第二变压器132及一个第二电压倍增器133。该第二高压输出模块13用于输出一个第二高电压信号HV2。该第三高压输出模块14包括一个第三谐振器141、一个第三变压器142及一个第三电压倍增器143。该第三高压输出模块14用于输出一个第三高电压信号HV3。该第四高压输出模块15包括一个第四谐振器151、一个第四变压器152及一个第四电压倍增器153。该第四高压输出模块15用于输出一个第四高电压信号HV4。该模块式高压发电系统10通过该四个高电压输出模块12、13、14、15输出一个总的电压信号HV，即该总的电压信号HV=HV1+HV2+HV3+HV4。该若干高电压输出模块的数量越多，该总的电压信号HV也就越高，也正是由于该模块式高压发电系统10采用的是模块化的设计，故可获得足够大的电压信号提供给需要的设备，如提供在X射线发生器上。

作为一个例子，在图1所示的框图中，该模块式高压发电系统10的电压输出端A及B用于输出足够大的电压信号给一个X射线管20。该X射线管20主要包括一个X光球管22、一个阳极24及一个阴极26。该阳极24及阴极26分别电性连接至该电压输出端A及B上。从该电压输出端A及B输出的电压信号HV使电子从阴极26流到阳极24，进而产生所需的X射线。在一些实施方式中，该电压信号HV的电压范围通常在40KV到500KV之间，该X射线强度在20μA至1A之间。在其他实施方式中，该模块式高压发电系统10还可应用在其他需要高电压的设备中，例如激光发生器、静电除尘器、复印机、光电倍增器等等。

本实施方式中，该四个高电压输出模块12、13、14、15的电路结构相同，因此后面仅对其中一个高电压输出模块12进行详细的说明。参见图2，为该高电压输出模块12的电路图。该第一谐振器121电性耦合在该电压源11及第一变压器122之间，用于将该电压源11输出的交流电传递至该第一变压器122。该第一变压器122用于将接收到的交流电转换为一个电压相对高的交流电。该第一电压倍增器123用于进一步提升该第一变压器122输出的交流电的电压，并同时将其转换为一个具有较高电压水平的直流电，即该第一高电压信号HV1。

在图2的具体实施方式中，该第一谐振器121包括一个谐振电容C_s1及一个与该谐振电容C_s1串联电性连接的谐振电感L_s1。该第一变压器122包括一个变压单元T_r1，该变压单元T_r1主要包括一个磁芯、一个初级线圈及一个次级线圈（图中未标号）。该第一变压器122还包括一些附加元件，例如本实施方式中包括一个漏感L_lk1、一个励磁电感L_m1及一个寄生电容C_p1。其他实施方式中，该第一谐振器121及该变压器122中包括的元件不局限于图2给出的例子。

该第一电压倍增器123为一个交流转直流电压的转换设备，其包括若干二极管D及若干电容C，用于将一个相对低的交流电转换为一个相对高的直流电。该第一电压倍增器123包括若干级（stage），每一级包括一个二极管D(也可以是一串互相串联的二极管)及一个电容C(也可以是一串互相串联的电容)。作为一个例子，图2中的第一电压倍增器123为一个双极性的倍增器，其包括一个正极倍增部1231及一个负极倍增部1232。该正极及负极倍增部1231及1232包括一个正极输入端‘a’及一个负极输入端‘b’，分别电性连接至该第一变压器122的两输出端。该正极及负极倍增部1231及1232分别包括一个单向倍增电路并用于将一个相对低的交流电转换为一个相对高的直流电，并通过输出端‘c’、‘d’输出。在其他实施方式中，该第一电压倍增器123也可变更为其他类型的电压倍增器，或其他不具电压倍增功能的整流器。

请再次参考图1，其他的电压倍增器133、143及153与该第一电压倍增器123具有相同的功能。在一些实施方式中，该四个电压倍增器123、133、143及153具有相同的电压输入及电压输出。即HV1=HV2=HV3=HV4,HV=4HV1。因此，每一个变压器及每一个电压倍增器仅需承受四分之一的电压及电流压力，故可降低对每一变压器及每一个电压倍增器的设计要求，提高系统的性能。

进一步地，对于该四个变压器122、132、142及152中的附加元件来说，它们的参数可能会存在差异，不会做到完全的一致。在图1的实施方式中，该四个谐振器121、131、141、151中的四个谐振电感L_s1、L_s2、L_s3、L_s4被设计为相互耦合的结构，通过这种耦合设计可共同平均分担变压器的电流及电压，使每一个高压输出模块12、13、14、15上承受的功率均相同，消除它们之间因元件参数存在差异引起的功率不平衡，进而提高本发明模块式高压发电系统10整体的性能。另外，由于该四个谐振电感L_s1、L_s2、L_s3、L_s4被设计为相互耦合的结构，而非各自独立设计，故可共用一个磁芯，如此还可节省空间及降低成本。在一些实施方式中，该互相耦合的谐振电感L_s1、L_s2、L_s3、L_s4为集中式气隙磁芯结构（centralized gap core structure）或分布式气隙磁芯结构（distributed gap core structure）。该集中式气隙磁芯结构的可能包括铁氧体磁芯或纳米晶磁芯，该分布式气隙磁芯结构可能包括MPP磁芯、Senduct磁芯、Kool Mu磁芯、高磁通磁芯或铁粉磁芯。

请参考图3a及图3b，为图1的模块式高压发电系统10分别在未设有耦合电感结构及设有耦合电感结构时谐振电流的波形图。图3a示意了该四个电压倍增器123、133、143、153在未设有耦合电感结构时的谐振电流波形31、32、33、34。该未设有耦合电感结构为该四个谐振电感L_s1、L_s2、L_s3、L_s4被设计为各自独立非耦合的结构。根据该图3a的波形图可以得出，该四个谐振电流波形31、32、33、34之间最大的电流差异达到15.07%之多。图3b示意了该四个电压倍增器123、133、143、153在设有耦合电感结构时的谐振电流波形35、36、37、38。该设有耦合电感结构为该四个谐振电感L_s1、L_s2、L_s3、L_s4被设计为相互耦合的结构（见图1）。根据该图3b的波形图可以得出，该四个谐振电流波形35、36、37、38之间最大的电流差异仅为3.66%，远远小于15.07%。

请参考图4a及图4b，为图1的模块式高压发电系统10分别在未设有耦合电感结构及设有耦合电感结构时输出直流高电压的波形图。图4a示意了该四个电压倍增器123、133、143、153在未设有耦合电感结构时的输出电压波形41、42、43、44。根据该图4a的波形图可以得出，该四个输出电压波形41、42、43、44之间最大的电压差异达到32.85%之多。图4b示意了该四个电压倍增器123、133、143、153在设有耦合电感结构时的输出电压波形45、46、47、48。根据该图4b的波形图可以得出，该四个输出电压波形45、46、47、48之间最大的电压差异仅为9.24%，远远小于32.85%。上述图3a、图3b、图4a、图4b的仿真条件如下：该四个变压器122、132、142、152中漏感的电感值分别设定为6.25uH、5.75uH、4.25uH、3.75uH；该四个谐振电感L_s1、L_s2、L_s3、L_s4的电感值均设定为7uH，它们之间的耦合因数为0.99；该模块式高压发电系统10的输出电压设定为140KV，功率为设定为8KW，频率设定为500KHz，而其他参数在仿真中未作考量。

基于上述图3a、图3b、图4a、图4b的仿真结果可知，通过在该模块式高压发电系统10的各个模块12、13、14、15之间设置该耦合电感结构，可平衡各个模块之间的不平衡电压及电流，进而提高系统的整体性能。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种模块式高压发电系统，其特征在于，该模块式高压发电系统包括：

电压源；及

若干高电压输出模块，每一高电压输出模块包括：

整流器，用于将该相对高的交流电转换为直流电。

2.如权利要求1所述的模块式高压发电系统，其中该整流器为电压倍增器。

3.如权利要求1所述的模块式高压发电系统，其中该谐振器进一步包括一个与该谐振电感串联连接的谐振电容。

4.如权利要求1所述的模块式高压发电系统，其中该电压源为一个交流电压源或者包括一个直流电压源及一个逆变器。

5.如权利要求1所述的模块式高压发电系统，其中该变压器包括变压单元及附加元件，该附加元件包括漏感、励磁电感及寄生电容中的一个或多个。

6.如权利要求1所述的模块式高压发电系统，其中该互相耦合的谐振电感为集中式气隙磁芯结构或分布式气隙磁芯结构。

7.如权利要求6所述的模块式高压发电系统，其中该集中式气隙磁芯结构的包括铁氧体磁芯或纳米晶磁芯，该分布式气隙磁芯结构包括MPP磁芯、Senduct磁芯、Kool Mu磁芯、高磁通磁芯或铁粉磁芯。

8.一种X射线发生器，其特征在于，该X射线发生器包括：

电压源；

若干高电压输出模块，每一高电压输出模块包括：

整流器，用于将该相对高的交流电转换为直流电；及

9.如权利要求8所述的X射线发生器，其中该整流器为电压倍增器。

10.如权利要求8所述的X射线发生器，其中该谐振器进一步包括一个与该谐振电感串联连接的谐振电容。

11.如权利要求8所述的X射线发生器，其中该电压源为一个交流电压源或者包括一个直流电压源及一个逆变器。

12.如权利要求8所述的X射线发生器，其中该变压器包括变压单元及附加元件，该附加元件包括漏感、励磁电感及寄生电容中的一个或多个。

13.如权利要求8所述的X射线发生器，其中该互相耦合的谐振电感为集中式气隙磁芯结构或分布式气隙磁芯结构。

14.如权利要求13所述的X射线发生器，其中该集中式气隙磁芯结构的包括铁氧体磁芯或纳米晶磁芯，该分布式气隙磁芯结构包括MPP磁芯、Senduct磁芯、Kool Mu磁芯、高磁通磁芯或铁粉磁芯。

15.一种系统，其特征在于，该系统包括：

X射线发生器，包括：

电压源；

若干高电压输出模块，每一高电压输出模块包括：

整流器，用于将该相对高的交流电转换为直流电；及

16.如权利要求15所述的系统，其中该整流器为电压倍增器。

17.如权利要求15所述的系统，其中该谐振器进一步包括一个与该谐振电感串联连接的谐振电容。

18.如权利要求15所述的系统，其中该电压源为一个交流电压源或者包括一个直流电压源及一个逆变器。

19.如权利要求15所述的系统，其中该变压器包括变压单元及附加元件，该附加元件包括漏感、励磁电感及寄生电容中的一个或多个。

20.如权利要求15所述的系统，其中该互相耦合的谐振电感为集中式气隙磁芯结构或分布式气隙磁芯结构。