CN104221270A - 医学成像设备 - Google Patents

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CN104221270A CN201380016466.4A CN201380016466A CN104221270A CN 104221270 A CN104221270 A CN 104221270A CN 201380016466 A CN201380016466 A CN 201380016466A CN 104221270 A CN104221270 A CN 104221270A
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Abstract

一种医学成像设备10，包括：具有半导体开关26的逆变器12，其用于生成要供应到负载20、22的AC电压；线圈32，其电感耦合到与逆变器12的半导体开关26连接的逆变器12的导体34；以及该监测电路60，其用于利用来自线圈32的信号来监测导体34中的电流。

Description

医学成像设备
技术领域
本发明涉及医学成像设备以及用于操作医学成像设备的方法。
背景技术
通常在像CT(计算机断层摄影)之类的X射线设备中，将来自电网的电压变换成供应到X射线管的高压。高压发生器可以包括其中IGBT或者MOSFET用作开关元件的逆变器。
此外，在像MRT(磁共振断层摄影)之类的其它医学成像设备中，类似的逆变器可以被用于生成线圈的供电电流，其生成用于测量的磁场。
在这样的逆变器中，可以通过监测跨过开关元件的电压来实现短路或者过电流检测。跨过开关元件的电压可以是流过开关元件的电流的良好指标，因为一般而言，电流越高，跨过开关元件的电压越高。
在医学成像设备中，尤其为了降低可移动部件(例如具有检测器的臂或机架)的重量，逆变器可能在高频率(多达100kHz或者更高)下工作，因为像变压器和电感器之类的部件的重量可以随着提高的频率而降低。此外，使用全谐振高频率模式，其中，谐振负载与逆变器耦合以用于产生更正弦的输出电流。
发明内容
如果逆变器以全谐振高频率模式工作，那么利用开关元件的集电极-发射极电压的监测，可能仅在某个延迟之后适当地测量电流。此外，寄生电感可能导致监测电流的问题，因为它们可能使电压与电流之间的关系失真。
本发明的目的可以是给医学成像设备提供准确的过电流检测。
通过独立权利要求的主题实现该目的。其它示例性实施例根据从属权利要求和下面的描述将是显而易见的。
本发明的一方面涉及医学成像设备，例如X射线、CT或者MRT设备。
根据本发明的实施例，所述医学成像设备包括：具有半导体开关的逆变器，其用于生成要供应到负载的AC电压；线圈，其电感耦合到与所述逆变器的半导体开关连接的逆变器的导体；以及监测电路，其用于利用来自所述线圈的信号来监测半导体开关中的电流。例如，所述线圈可以是空心线圈或者罗可夫斯基线圈(Rogowski coil)。
本发明的关键可以视为来自电感耦合到半导体开关的供电线的线圈的信号可以被用于半导体开关中的过电流检测。具体而言，过电流检测可能针对高速开关逆变器尤其准确。例如，所述半导体开关可以是IGBT，并且所述线圈可以被布置于IGBT的集电极-发射极路径周围。
本发明的又一方面涉及一种用于操作医学成像设备的方法，例如上文和下文中所描述的医学成像设备。
根据本发明的实施例，所述方法包括以下步骤：对医学成像设备的逆变器的半导体开关进行切换以生成要供应到负载的AC电压；在电感耦合到与所述逆变器的半导体开关连接的逆变器的电感器的线圈中生成信号；并且从所述线圈的信号确定用于所述半导体开关的电流信号。
应理解到，如上文和下文中所描述的方法的特征可以是如上文和下文中所描述的系统的特征。
本发明的这些以及其它方面根据下文所描述的实施例将是显而易见的并且参考其得以阐述。
附图说明
在下文中，参考附图更详细地描述了本发明的实施例。
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的医学成像设备。
图2示出了图1的医学成像设备的线圈的三维视图。
图3示意性地示出了图1的医学成像设备的细节。
图4示意性地示出了根据本发明的实施例的半导体模块的侧视图。
具体实施方式
图1示出了医学成像设备10，其包括具有两个逆变器臂14的逆变器12、谐振电路16和变压器18。在所述医学成像设备是X射线设备的情况下，它还可以包括高压发生器20以及X射线管22。如果所述医学成像设备10是MRT，那么部件20、22可以包括用于生成磁场的线圈22，其被用于执行MRT 10的测量。在这两种情况中，来自变压器18的AC电流被用于对负载20、22供电。
逆变器臂14并联连接到电压源24，例如DC连接。每个逆变器臂14包括两个半导体开关26，例如串联连接的IGBT 26或者MOSFET 26。续流二极管28并联连接到每个半导体开关26。
谐振电路16和变压器18与半导体开关24之间的逆变器臂14连接。所述谐振电路16具有与变压器18串联连接的电容器C和电感L。
逆变器12适于在变压器18处将来自电压源24的DC电压变换为AC电压。通过利用栅极驱动对半导体开关26进行切换来生成AC电压。逆变器臂14的输出部38处的脉冲整形的电压被谐振电路16变换为正弦AC电压。
变压器18适于将来自逆变器的AC电压变换为供应到负载20、22(例如，可以包括给X射线管22供应DC电压的高压级联的高压发生器20)的较高电压的AC电压。
半导体开关26可以位于半导体模块30中。这样的半导体模块30可以容存逆变器臂14的半导体开关26以及任选地相对应的续流二极管28中的一者或两者。
根据本发明的实施例，医学成像设备10包括具有用于生成要供应到负载20、22的AC电压的半导体开关26的逆变器12。
根据本发明的实施例，医学成像设备10包括连接到逆变器12的输出部38的谐振电路16。所述谐振电路16可以被视为逆变器12上的谐振负载。
根据本发明的实施例，医学成像设备10包括用于将来自逆变器12的AC电压变换为第一较高AC电压的变压器18。
根据本发明的实施例，医学成像设备10包括用于生成要供应到X射线管22的第二较高电压的高压发生器20。
根据本发明的实施例，半导体开关26包括IGBT。
此外，每个逆变器臂14与线圈32电感耦合以用于过电流检测。如图1中所示，线圈32可以与逆变器臂14的负输入部34耦合。然而，线圈32还可以与正输入部36或者输出部38耦合，即处于半导体开关26之间。输入部34、36和输出部38可以包括像线路、电缆或者汇流条之类的电导体。
根据本发明的实施例，医学成像设备10包括线圈32，线圈32电感耦合到与逆变器12的半导体开关26连接的逆变器12的导体34、36、38。
根据本发明的实施例，逆变器12包括具有至少两个半导体开关26的逆变器臂14，并且线圈32耦合到逆变器臂14的输入部34、36或者输出部38。
根据本发明的实施例，用于电流监测的线圈32电感耦合到逆变器12的每个逆变器臂14。
图2示出了可以被用于医学成像设备10中的过电流检测的线圈32。图2中所示的线圈32是环形线圈32，也称为罗可夫斯基线圈32。所述线圈32可以具有环形磁芯40，其可以是铁磁体。所述线圈32的导体42可以缠绕环形磁芯。所述线圈32可以是空心线圈32。
为了测量导体34、36、38中的电流，通过由线圈32围绕的开口44引导导体34、36、38。
根据本发明的实施例，线圈32是围绕导体34、70的环形线圈。
图3示出了与线圈32耦合的医学成像设备10的半导体模块30。例如，半导体模块30是容存IGBT 26的IGBT模块30。IGBT 26的集电极46和发射极48经由接合线与具有寄生电阻RB和寄生电感LB的模块30的输入部34、36连接。
根据本发明的实施例，线圈32电感耦合到与IGBT 26的发射极46或者集电极48连接的导体34、36。
根据本发明的实施例，线圈32电感耦合到经由接合线连接到半导体开关26的导体34、36。
IGBT 26的栅极50连接到控制逆变器12的栅极驱动52。
监测通过半导体开关26的电流ICE的一种方式是监测在输入部34、36之间的电压VCE。然而，当在使用IGBT 26作为开关元件26的全谐振高频率逆变器中使用VCE监测方法时，可能出现几个问题。
IGBT 26可能需要时间以实际到达它的指定VCE电压。换句话说，VCE电压可能仅随着增加的负载电流而缓慢降低。所述降低可以持续长达3μs，这取决于所使用的IGBT 26类型。假设具有10μs的周期的100kHz逆变器12，开关IGBT 26可以正好在开关操作的末尾处到达它的指定VCE(例如假设3μs电导率调制)。
IGBT模块30的寄生电感LB(例如归因于接合线的集电极-发射极电感)可能导致电压降。由于以高频率(例如以高频率全谐振模式)的逆变器12中的电流(di/dt)的改变可能相当高，因而所得的电压降可能合计到测得的VCE。测得的电压VCE测得可以是电压降和半导体26处的实际电压VCE的总和：
由于高频正弦波电流导致的额外的电压降，因而IGBT 26自身处的实际VCE电压的监测可能变得复杂。
利用放置在IGBT 26的集电极-发射极路径中的线圈32，可以执行监测电流ICE的又一方法。具体而言，可以直接监测通过IGBT 26的集电极-发射极电流ICE，这可以克服上文提及的VCE饱和方法的缺点，因为监测了电流ICE自身。
具体而言，在适于可能具有移动臂或者移动X射线源/检测器设置的计算机断层摄影(CT)和磁共振断层摄影(MRT)的医学成像设备10中，电气设备的重量与所生成的高电压成比例。在这些情况下，逆变器12可以被配置为产生高达100kHz或者更高频率的输出电压，并且利用线圈32监测电流ICE可以是有利的。
根据本发明的实施例，对医学成像设备10的逆变器12的半导体开关26进行切换以用于生成要供应到负载的AC电压。
根据本发明的实施例，对半导体开关26进行切换使得AC电压的频率高于10kHz，例如高于30kHz。
根据本发明的实施例，对半导体开关26进行切换使得逆变器12以谐振模式工作。
为了处理线圈32的信号，X射线设备10还包括具有积分器62和比较器64的电流监测电路60或者过电流检测电路60。
根据本发明的实施例，医学成像设备10包括监测电路60，所述监测电路60用于通过确定来自线圈32的信号的电流来监测导体34、36、38中的电流。来自线圈32的信号可以是由电流ICE在线圈中感应的电压和/或电流。导体34、36、38可以是电气线路，尤其是将半导体开关26与逆变器12的输入部34、36互连的线路。
积分器62包括运算放大器OA1。运算放大器OA1的逆变输入部和输出部与电阻R1和电容器C1并联连接。与线圈32并联的分流电阻器R4将线圈32中的电流变换为供应到运算放大器OA1的电压。线圈32的该电压信号经由电阻器R3被供应到运算放大器OA1的逆变输入部，并且直接供到非逆变输入部。线圈32的信号与集电极-发射极电流ICE的改变成比例。积分器62可以被用于合计线圈信号以将它变换为与电流ICE成比例的信号。
根据本发明的实施例，监测电路60包括用于对来自线圈32的信号进行积分的积分器62。
比较器64包括具有连接到运算放大器的输出部的非逆变输入部的运算放大器OA2。运算放大器OA2的逆变输入部连接到参考电压V参考。
由线圈32产生的信号与通过IGBT的集电极-发射极电流ICE的di/dt成比例。在线圈32之后的积分器52(以及其它信号调节，如果必要的话，例如放大器、逆变器等)将di/dt信号转移到与通过IGBT 26的电流ICE成比例的电流信号。
比较器64将电流信号比作参考信号V参考。所得信号被供应到栅极驱动52，其如果检测到过电流，那么断开IGBT 26。
根据本发明的实施例，监测电路60包括用于将积分信号与参考信号V参考进行比较的比较器64。
应注意到，备选地，模块30可以容存一个或多个MOSFET 26。在这种情况下，在上文和下文中，电流ICE可以由IDS(漏源电流)代替，并且电压VCE由VDS代替(漏源电压)。
综上，在其中逆变器12被栅极驱动52切换以生成AC输出电流的医学成像设备10的操作中，可以监测电流ICE并且可以确定半导体开关26中的过电流。
根据本发明的实施例，在电感耦合到与逆变器12的半导体开关26连接的逆变器12的导体34、36、38的线圈32中生成信号。
根据本发明的实施例，由线圈32的信号确定电流信号，其中，电流信号指示半导体开关26中的电流或者与其成比例。
根据本发明的实施例，通过对来自线圈32的电压信号进行积分来确定电流信号。
根据本发明的实施例，通过将积分信号与参考信号V参考进行比较来检测过电流。
图4示意性地示出了半导体模块30的侧视图。例如，半导体模块30可以容存逆变器臂14的两个半导体开关26。
半导体模块30的输入部/输出部34、36、38中的每一个经由机械式连接器70、72、74(例如螺丝)与供电线76、78、80连接(例如汇流条、铜棒、电缆或者电路板)。
机械式连接器70导电，并且线圈32放置在供电线76与模块30之间。因此，机械式连接器70将线圈32和供电线76固定到模块34，并且线圈32适于监测来自通过模块30中的机械式连接器76的供电线76的电流ICE。
根据本发明的实施例，医学成像设备10包括容存至少一个半导体开关26的半导体模块30。
根据本发明的实施例，线圈32与半导体模块30的输入部34处的导体70电感耦合。
根据本发明的实施例，半导体模块30的供电线76利用机械式连接器70连接到半导体模块30。
根据本发明的实施例，机械连接器70导电，并且线圈32被布置于机械式连接器70周围。
根据本发明的实施例，线圈32容纳在供电线76与半导体模块30的输出部之间，并且机械式连接器70将线圈32固定到半导体模块30。
尽管已在附图和前述描述中详细图示并且描述了本发明，但是这样的说明和描述应被视为说明性或者示例性并且非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。实践所要求专利保护的本发明的本领域技术人员通过研究附图、公开内容和权利要求，可以理解和实现所公开实施例的其它变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或者步骤，并且限定词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或者控制器或者其它单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地组合这些措施。权利要求中的任何参考标记不应解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种医学成像设备(10)，包括：
具有半导体开关(26)的逆变器(12)，其用于生成要供应到负载(20、22)的AC电压；
线圈(32)，其电感耦合到与所述逆变器(12)的半导体开关(26)连接的所述逆变器(12)的导体(34、70)；
监测电路(60)，其用于利用来自所述线圈(32)的信号来监测所述半导体开关(26)中的电流。
2.根据权利要求1所述的医学成像设备(10)，
其中，所述线圈(32)是围绕所述导体(34、70)的环形线圈。
3.根据权利要求1或2所述的医学成像设备(10)，
其中，所述半导体开关(26)包括IGBT，
其中，所述线圈(32)电感耦合到与所述IGBT(26)的发射极(46)或者集电极(48)连接的导体(36、70)。
4.根据前述权利要求之一所述的医学成像设备(10)，
其中，所述逆变器(12)包括具有至少两个半导体开关(26)的逆变器臂(14)；
其中，所述线圈(32)耦合到所述逆变器臂(14)的输入部(34)。
5.根据前述权利要求之一所述的医学成像设备(10)，
其中，用于电流监测的线圈(32)电感耦合到所述逆变器(12)的每个逆变器臂(14)。
6.根据前述权利要求之一所述的医学成像设备(10)，
其中，所述线圈(32)电感耦合到经由接合线连接到所述半导体开关(26)的导体(34)。
7.根据前述权利要求之一所述的医学成像设备(10)，还包括：
半导体模块(30)，其容存至少一个半导体开关(26)；
其中，所述线圈(32)与所述半导体模块(30)的输入部(34)处的导体(70)电感耦合。
8.根据权利要求7所述的医学成像设备(10)，
其中，所述半导体模块(30)的供电线(76)利用机械式连接器(70)连接到所述半导体模块(30)；
其中，所述机械式连接器(70)是导电的，并且所述线圈(32)被布置于所述机械式连接器(70)周围。
9.根据权利要求8所述的医学成像设备(10)，
其中，所述线圈(32)容纳在所述供电线(76)与所述半导体模块(30)的输入部(34)之间，并且所述机械式连接器(70)将所述线圈(32)固定到所述半导体模块(30)。
10.根据前述权利要求之一所述的医学成像设备(10)，
其中，所述监测电路(60)包括用于对来自所述线圈(32)的信号进行积分的积分器(62)；并且/或者
其中，所述监测电路(60)包括用于将经积分的信号与参考信号(V参考)进行比较的比较器(64)。
11.根据前述权利要求之一所述的医学成像设备(10)，还包括：
谐振电路(16)，其连接到所述逆变器(12)的输出部(38)。
12.根据前述权利要求之一所述的医学成像设备(10)，还包括：
变压器(18)，其用于将来自所述逆变器(12)的AC电压变换为第一较高AC电压；以及
高压发生器(20)，其用于生成要供应到X射线管(22)的第二较高电压。
13.一种用于操作医学成像设备(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
对所述医学成像设备(10)的逆变器(12)的半导体开关(26)进行切换以生成要供应到负载的AC电压；
在电感耦合到与所述逆变器(12)的半导体开关(26)连接的所述逆变器(12)的导体(34、70)的线圈(32)中生成信号；
根据所述线圈(32)的所述信号确定电流信号，所述电流信号指示所述半导体开关(26)中的电流。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中，所述半导体开关(26)被切换为使得所述AC电压的频率高于10kHz；并且/或者
其中，所述半导体开关(26)被切换为使得所述逆变器(12)以谐振模式工作。
15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括以下步骤：
通过对来自所述线圈(32)的所述信号进行积分来确定所述电流信号；
通过将经积分的信号与参考信号(V参考)进行比较来检测过电流。
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