CN104335468B - 电压倍增器 - Google Patents
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Abstract
一种电压倍增器10包括一系列倍增器级12a、12b、12c、12d。每个倍增器级，例如12b，包括第一输入端16b、第二输入端14b、第一输出端16c以及第二输出端14c。前面的倍增器级的所述第一输出端和所述第二输出端与随后的倍增器级的第一输入端和第二输入端互相连接。另外，每个倍增器级，例如12b，包括具有相同的电流导电方向的两个串联连接的二极管元件D5、D6。两个串联连接的二极管元件D5、D6将第一输入端16b与第一输出端16c互相连接。第二输出端14c被耦合在两个串联连接的二极管元件D5、D6之间。每个倍增器级，例如12b，包括缓冲电容器C6，缓冲电容器C6将各自的第一输入端16b与各自的第一输出端16c互相连接。至少一些倍增器级，例如12b，包括推挽式电容器C4，推挽式电容器C4将各自的第二输入端14b与各自的第二输出端14c互相连接。第一倍增器级12a的第一输入端16a和最末倍增器级12d的第一输出端16e为负载42提供输出。第一倍增器级12a的第二输入端14a为AC电压源提供输入。第一倍增器级12a的缓冲电容器C3包括两个串联连接的缓冲电容器部分C3a、C3b。用于AC电压源34的输入端20被提供在两个缓冲电容器部分C3a、C3b之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压倍增器、一种高压电源以及一种X射线成像设备。
背景技术
电压倍增器或级联整流器是包括二极管和由AC电流经由二极管进行充电的所谓推挽式电容器的电路。二极管和电容器以这样的方式被布置在倍增器级中，使得来自AC电流的正峰值的电压在每级中被加到负峰值的电压并且输出电压在每级中被加倍。
用于医学X射线成像设备的高压整流器常常包括高压倍增器，该高压倍增器对高压高频变压器的输出电压进行倍增以达到诸如高达160kV的所需高输出电压。这些电路的缺点可能是二极管中的脉冲状电流的均方根值基本上高于担负输出功率的平均电流，并且因此二极管中的损耗显著地被增大。
这些电路的另一缺点可能是推挽式电容器中的总电流向变压器增加，这可能会在变压器侧的推挽式电容器中产生高应力。这可能阻碍将小尺寸陶瓷电容器作为推挽式电容器的使用。
在WO2007/017793A1中，提出了如何通过增加额外的均衡电容器来减轻二极管中的脉冲状电流的方案。该额外的均衡电容器不受DC偏置的影响并且因此可以非常小且便宜。在WO2007/017793A1的设计的情况下，必须经由最末级的二极管和变压器的中心分接头来对推挽式电容器进行充电，因为所有其他DC电流路径现已被电容器所阻断。
另一方案通过不将变压器接地并使其在第一倍增器级的电压的一半的平均值处处于浮动操作中来免去第一级的推挽式电容器。这允许去除头两个推挽式变压器并且因此去除损耗的特定相关部分。
发明内容
本发明的目的是提供具有低损耗的电压倍增器。
该目的通过独立权利要求的主题得以实现。进一步的示范性实施例从从属权利要求和下文描述变得显而易见。
本发明的方面涉及一种包括一系列倍增器级的电压倍增器。
根据本发明的实施例，每个倍增器级包括第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端。前面的倍增器级的所述第一输出端和所述第二输出端与随后的倍增器级的第一输入端和第二输入端互相连接。每个倍增器级包括具有相同的电流传导方向的两个串联连接的二极管元件。所述两个串联连接的二极管元件将所述第一输入端与所述第一输出端互相连接并且所述第二输出端被耦合在所述两个串联连接的二极管元件之间。每个倍增器级包括缓冲电容器，所述缓冲电容器将各自的第一输入端与各自的第一输出端互相连接。至少一些倍增器级包括推挽式电容器，所述推挽式电容器将各自的第二输入端与各自的第二输出端互相连接。第一倍增器级的所述第一输入端和最末倍增器级的所述第一输出端为负载提供输出。所述第一倍增器级的所述第二输入端为AC电压源提供输入。所述第一倍增器级的所述缓冲电容器包括两个串联连接的缓冲电容器部分。用于所述AC电压源的另一输入端被提供在所述两个缓冲电容器部分之间。
本发明的基本构思可以被看作是：通过将所述第一级的所述缓冲电容器实现为分接点被连接到次级变压器绕组的中心分接头的分接式电容器来消去所述变压器与所述第一倍增器级之间的所述推挽式电容器。以这种方式，免去这些变压器的损耗，并且所述第一倍增器级和另外的倍增器级可以被提供有均衡电容器，由此免去所述二极管中的损耗。
本发明的另外的方面涉及一种高压电源和一种具有这样的电压倍增器的X射线成像设备。本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例中变得显而易见，并将参考下文描述的实施例得以阐述。
附图说明
下面，参考附图更详细地描述本发明的实施例。
图1示出根据本发明的实施例的电压倍增器的电路图；
图2示意性地示出根据本发明的实施例的X射线成像设备的高压部件。
具体实施方式
图1示出包括四个倍增器级12a、12b、12c、12d的电压倍增器10。
第一倍增器级12a包括串联连接并具有相同的导电方向的第一对二极管元件D1、D2。二极管元件D1、D2每个可以包括一个二极管或串联连接的多个单个二极管。
第一倍增器级12a的缓冲电容器C3被连接在该倍增器级的第一输入端16a与第一输出端16b之间。串联连接的二极管元件对D1、D2的一端被连接到第一倍增器级12a的第一输入端16a。串联连接的二极管元件对D1、D2的另一端被连接到第一倍增器级12a的第一输出端16b。
串联连接的二极管元件对D1、D2被布置使得正电流可以从第一输入端16a流向第一输出端16b。选择这种极性以便于更容易理解。电压倍增器10在负极性的情况下同样工作，因为在X射线系统中可能选择负极性。在下文中，描述继续基于正输出极性。
均衡电容器C13的一端被耦合在两个二极管元件D1、D2之间。均衡电容器C13的另一端被连接到第一倍增器级12a的第二输入端14a并被连接到第一倍增器级12a的第二输出端14b，第一倍增器级12a的第二输入端14a和第一倍增器级12a的第二输出端14b直接彼此连接。
第一倍增器级12a可以包括与二极管元件D3、D4和均衡电容器C13对称地布置的第二对串联连接的二极管元件D3、D4和第二均衡电容器C14。图1中示出的电压倍增器10可以被看作是双极型电压倍增器10，因为对于每一级而言，双极型电压倍增器10包括两对二极管元件D1、D2，D3、D4。然而，电压倍增器也能够是仅具有一对二极管元件D1、D2的单极型电压倍增器。
第二对二极管D3、D4的一端被连接到第一输入端16a。第二对二极管元件D3、D4的另一端被连接到第一输出端16b。类似于二极管元件对D1、D2，二极管元件对D3、D4被布置使得正电流可以从第一输入端16a流向第一输出端16b。
另外，均衡电容器C14的一端被耦合在两个二极管元件D3、D4之间。均衡电容器C14的另一端被连接到第一倍增器级12a的第三输入端18a并被连接到第一倍增器级12a的第三输出端18b，第一倍增器级12a的第三输入端18a和第一倍增器级12a的第三输出端18b直接彼此互相连接。
第二、中间倍增器级12b(或第三、中间倍增器级12c)也具有这些部件，具体而言，具有第一对二极管元件D5、D6(D9、D10)，并且可能具有第二对二极管元件D7、D8(D11、D12)，具有缓冲电容器C6(C9)以及均衡电容器C15(C17)，并且可能具有C16(C18)。
第一倍增器级12a的输出端14b、16b、18b是第二倍增器级的输入端14b、16b、18b，第二倍增器级具有输出端14c、16c、18c，输出端14c、16c、18c是第三倍增器级12c的输入端14c、16c、18c。类似地，输出端14d、16d、18d是第四、最末倍增器级12d的输入端14d、16d、18d。
第二倍增器级12b与第一倍增器级12a的不同在于第一推挽式电容器C4被连接在输入端14b与均衡电容器C15的一端之间。以这样的方式，输入端14b与输出端14c被电容器C4解耦合。第二倍增器级12b也具有第二推挽式电容器C5，第二推挽式电容器C5被连接到均衡电容器C6的一端并且第二推挽式电容器C5将输入端18b从输出端18c解耦合。
第三倍增器级12c同样被设计得与第二倍增器级12b一样并且也具有两个推挽式电容器C7、C8。
最末倍增器级12d类似于中间倍增器级12b、12c并且具有一对串联连接的二极管元件D13、D14，并且可能具有由缓冲电容器C12互相连接的第二对串联连接的二极管元件D15、D16。然而，最末倍增器级12d不具有均衡电容器，而是仅具有推挽式电容器C10，并且可能具有推挽式电容器C11。
最末倍增器级12d的输出端16e和第一倍增器级12a的输入端16a提供电压倍增器10的输出端16a、16e。负载(例如，X射线管)可以被连接到这些输出端16a、16e，输出端16a、16e可以提供高达约160kV的电压。
由于除第一倍增器级12a外的所有倍增器级包括(单个)缓冲电容器C6、C9、C12以及两个(单个)推挽式电容器C4、C5、C7、C8、C10、C11，并且倍增器级12b、12c、12d可以被看作是串联连接的，所以电压倍增器包括三个电容器链：缓冲电容器C6、C9、C12的链22、推挽式电容器C4、C7、C10的第一链24a以及推挽式电容器C5、C8、C11的第二链24b。
第一倍增器级12a的输入端14a、18a提供倍增器级10的第二输入端14a和第二输入端18a。通过对缓冲电容器C3进行分接来提供第一输入端20。
具体而言，第一倍增器级12a与倍增器级12b、12c、12d的另外的不同在于缓冲电容器C3包括两个电容器部分C3a和C3b，两个电容器部分C3a和C3b可以是串联连接的电容器C3a、C3b。缓冲电容器C3也可以被看作是分接式电容器C3。两个电容器C3a、C3b之间的分接点20或点20提供电压倍增器10的第一输入端20。
输入端20、14a、18a可以被连接到AC电压源，所述AC电压源为输入端14a、18a提供交流电压并为输入端20提供中性点电压。利用输入端14a、18a处的交流电压，级联的倍增器级12a到12d利用上升的电压值对电容器C3到C12进行充电以在输出端16a、16e处产生DC输出电压。
电压倍增器10可以被用于X射线成像设备(例如，医学成像设备、材料分析成像设备和/或行李检查成像设备)的高压整流器模块以及其他高压发生器中，例如静电颗粒过滤器中。
例如，图2示出了包括具有电压倍增器10的高压源32的X射线成像设备30。输入端14a、20、18a被连接到高压源32的变压器34，变压器34具有一个初级绕组36和串联连接的两个次级绕组38a、38b。电压倍增器10的中性点输入端20被连接在次级绕组38a、38b之间，连接到变压器34的中心分接头40。因此，变压器中心分接头40被连接到两个电容器C3a、C3b之间的分接头20。其他两个输入端14a、18a被连接到次级绕组38a、38b的另一端。变压器34的初级绕组可以由来自电网的电压供电。
通过将缓冲电容器C3分成两个单独的电容器(C3a和C3b)，电压倍增器10可以使用均衡、电流整形电容器C13到C18，而在第一倍增器级12a中不需要推挽式电容器，即，不需要将输入端14a、18a与均衡电容器C13、C14互相连接的推挽式电容器。
在免去了第一倍增器级12a的推挽式电容器的情况下，也可以免去关于这些电容器的损耗。利用均衡电容器C13到C18(均衡电容器C13到C18可以是小的AC电容器C13到C18)可以降低二极管元件中的另外的损耗。如WO2007/017793A1中所描述的，电容器C13到C18仅暴露于AC负载而不受DC偏置的影响，同时实现对整个推挽式链的适当的充电。这可以允许对并不相应地贡献系统的尺寸和成本的非常小的电容器C13到C18的使用。
然而，如果变压器34的中心分接头40没有被连接到接地输入端20，则为了去除第一倍增器级12a的以上提及的推挽式电容器，电容器C13到C18上的偏置状况可能再次出现。这种效应的根本原因是没有沿着推挽式电容器链建立偏置充电的能力，因为该链中的所有DC电流路径被电容器所阻断。
所有推挽式电容器C4、C5、C7、C8、C10、C11可以具有相同的电容器值，例如值C。所有缓冲电容器C6、C9、C12也可以具有相同的电容值，所述电容值可以与推挽式电容器的电容值C相等。
第一倍增器级12a的均衡电容器C13、C14可以具有电容值C/6。第二倍增器级12b的均衡电容器C15、C16可以具有电容值C/3。第三倍增器级12c的均衡电容器C17、C18可以具有电容值C。
连接到接地端20的电容器C3a可以具有值6C，而电容器C3b可以具有值2C。电容器大小的这种设计与剩余的推挽式电容器C4、C5、C7、C8、C10、C11的偏置充电相组合，来使两个电容器C3a和C3b上的电压相等，并且还使推挽式链的所有电容器处的电压适当，由此免去了均衡电容器上的偏置电压。
在电压倍增器10的启动期间，所有DC偏置电容器C4到C12(即，缓冲电容器和推挽式电容器)被充电到输出端16e、16a之间的输出电压V的额定分数(例如，1/4)，这需要DC电流在电容器C4到C12中流动特定时间。在该阶段结束之后，所有电容器C4到C12应当具有输出电压V的分数的电压。也就是说，分接式电容器C3应当在两个部分C3a和C3b中的每个处具有该电压的一半。还可以假定，在启动完成之后，均衡、电流整形电容器C13到C18不具有DC偏置。
推挽式链24a、24b的充电电流现从最末整流器级12d前进通过推挽式电容器的每个链24a、24b并通过变压器34和电容器C3a，到达接地端20。如果电容器C3a相较于其他电容器没有被增大，则这将导致电容器C3a处的电压的额外增大。电容器C3a通常必须将缓冲链22和两个推挽式链24a、24b的电荷的总和存储在第一倍增器级12a的电压的一半处。
一般地，第一缓冲电容器部分C3a的电容值与推挽式电容器C4、C5、C7、C8、C10、C11的串联连接件24a、24b的电容值和除第一级外的所有级的缓冲电容器C6、C9、C12的串联连接件的电容值的总和成比例。
在如图1所示出的双极型电压倍增器10的情况下并且在所有电容器具有相同的电容值C的情况下，对于链24a、24b和22而言，这些值为C/(n-1)，从而使得总和为3C/(n-1)，其中n是级的数量。
在单极型电压倍增器的情况下，仅存在链24a和22并且总和为2C/(n-1)。
由于假定第一倍增器级12a处于电压的一半处并且必须存储电荷的总和，所以上面的总和被倍增2(n-1)倍，从而得到对于双极型电压倍增器的6C的值或者对于单极型电压倍增器的4C的值。
第二缓冲电容器部分C3b的电容值与除第一级外的所有级的缓冲电容器C6、C9、C12的串联连接件的电容值成比例。在所有电容器具有相同的电容值C的情况下，对于链22而言，该值为C/(n-1)。类似于电容器C3a，对于C3b而言，这得到对于电容器C3b的2C。
因为电压性能的原因，电压倍增器10中的缓冲电容器C3、C6、C9、C12可以由若干串联的电容器形成，所以当使用偶数个串联电容器来实现C3时，电容器C3的中心分接头在所有情况下可能已经存在。尽管部分C3b保持不变，但部分C3a的电容可能必须增至三倍。
实际上，这类似将先前的推挽式电容器从其AC位置移动到与最低缓冲电容器的一半的并联连接。然而，DC缓冲链22中的纹波电流负载比推挽式链24a、24b中的小得多，使得AC电容器C13到C18中的损耗几乎可以完全被消去。代替大而昂贵的AC电容器C13到C18，小得多(例如，陶瓷的)或便宜得多的DC型电容器C13到C18可以被使用。
总之，公开了推挽式电容器C4、C5、C7、C8、C10、C11和缓冲电容器C6、C9、C12的布置，所述布置消去了一定数量的推挽式电容器，同时维持整流器二极管元件D1到D16中的低应力波形。可以降低高压整流器的成本，可以改进效率并且可以实现更小的尺寸，这对于医学X射线成像，具体而言，对于CT和CV应用可以特别有意义。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述应被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域技术人员在实践所主张的本发明时能够理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且量词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可以实现权利要求书中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不得被解释为对范围的限制。
Claims (14)
1.一种电压倍增器(10)，包括一系列倍增器级(12a、12b、12c、12d)，
其中，每个倍增器级(12b)包括第一输入端(16b)、第二输入端(14b)、第一输出端(16c)以及第二输出端(14c)，前面的倍增器级的所述第一输出端和所述第二输出端与随后的倍增器级的第一输入端和第二输入端互相连接；
其中，每个倍增器级(12b)包括具有相同的电流传导方向的两个串联连接的二极管元件(D5、D6)，所述两个串联连接的二极管元件(D5、D6)将所述第一输入端(16b)与所述第一输出端(16c)互相连接，并且所述第二输出端(14c)被耦合在所述两个串联连接的二极管元件(D5、D6)之间；
其中，每个倍增器级(12b)包括缓冲电容器(C6)，所述缓冲电容器将各自的第一输入端(16b)与各自的第一输出端(16c)互相连接；
其中，至少一些倍增器级(12b)包括推挽式电容器(C4)，所述推挽式电容器将各自的第二输入端(14b)与各自的第二输出端(14c)互相连接；
其中，第一倍增器级(12a)的所述第一输入端(16a)和最末倍增器级(12d)的所述第一输出端(16e)为负载(42)提供输出；
其中，所述第一倍增器级(12a)的所述第二输入端(14a)为AC电压源提供输入；
其中，所述第一倍增器级(12a)的所述缓冲电容器(C3)包括两个串联连接的缓冲电容器部分(C3a、C3b)；
其中，用于所述AC电压源(34)的输入端(20)被提供在所述两个缓冲电容器部分(C3a、C3b)之间。
2.根据权利要求1所述的电压倍增器(10)，
其中，除所述第一倍增器级(12a)外的所有倍增器级(12b、12c、12d)包括推挽式电容器(C6、C9、C12)，所述推挽式电容器将各自的第一输入端与各自的第一输出端互相连接。
3.根据权利要求1所述的电压倍增器(10)，
其中，至少一些倍增器级(12a、12b、12c)包括均衡电容器(C13、C15、C17)，所述均衡电容器一端被连接到各自的第二输出端并且另一端被连接在所述两个串联连接的二极管元件之间。
4.根据权利要求1所述的电压倍增器(10)，
其中，除所述最末倍增器级(12d)外的所有倍增器级(12a、12b、12c)包括均衡电容器(C13、C15、C17)，所述均衡电容器一端被连接到各自的输出端并且另一端被连接在所述两个串联连接的二极管元件之间。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的电压倍增器(10)，
其中，所述第一倍增器级(12a)的所述缓冲电容器(C3)包括分接式缓冲电容器，所述分接式缓冲电容器(C3)提供两个缓冲电容器部分并且在第一电容器部分(C3a)与第二电容器部分(C3b)之间具有分接点(20)。
6.根据权利要求1到4中的任一项所述的电压倍增器(10)，
其中，每个倍增器级(12b)包括具有相同的电流传导方向的第二对串联连接的二极管元件(D7、D8)，所述第二对串联连接的二极管元件将所述第一输入端(16b)与所述第一输出端(16c)互相连接，并且第三输出端(18c)被耦合在所述第二对串联连接的二极管元件(D7、D8)之间；
其中，至少一些倍增器级(12b)包括第二推挽式电容器(C5)，所述第二推挽式电容器将各自的第三输入端(18b)与各自的第三输出端(18c)互相连接。
7.根据权利要求6所述的电压倍增器(10)，
其中，至少一些倍增器级(12a、12b、12c)包括第二均衡电容器(C14、C16、C18)，所述第二均衡电容器一端被连接到各自的第三输出端并且另一端被连接在所述第二对串联连接的二极管元件之间。
8.根据权利要求1、2、3、4和7中的任一项所述的电压倍增器(10)，
其中，除所述第一倍增器级外的所有倍增器级的所述缓冲电容器(C6、C9、C12)具有相同的电容器值。
9.根据权利要求1、2、3、4和7中的任一项所述的电压倍增器(10)，
其中，除所述第一倍增器级外的所有倍增器级的所述推挽式电容器(C4、C7、C10)具有相同的电容器值。
10.根据权利要求1、2、3、4和7中的任一项所述的电压倍增器(10)，
其中，除所述最末倍增器级外的所有倍增器级(12a、12b、12c)包括均衡电容器(C13、C15、C17)，并且所述均衡电容器的电容值从倍增器级到倍增器级逐渐增大。
11.根据权利要求1、2、3、4和7中的任一项所述的电压倍增器(10)，
其中，所述第一倍增器级(12a)的将所述第一倍增器级(12a)的所述第一输入端(16a)与用于所述AC电压源(34)的所述输入端(20)进行连接的第一缓冲电容器部分(C3a)的电容值，与所述推挽式电容器(C4、C7、C10)的串联连接件的电容值和除所述第一倍增器级外的所有级的所述缓冲电容器(C6、C9、C12)的串联连接件的电容值的总和成比例。
12.根据权利要求1、2、3、4和7中的一项所述的电压倍增器(10)，
其中，所述第一倍增器级(12a)的将所述第一倍增器级(12a)的所述第一输出端(16b)与用于所述AC电压源(34)的所述输入端(20)进行连接的第二缓冲电容器部分(C3b)的电容值，与除所述第一倍增器级外的所有级的所述缓冲电容器(C6、C9、C12)的串联连接件的电容值成比例。
13.一种高压电源(32)，包括：
根据前述权利要求中的任一项所述的电压倍增器(10)，
作为AC电压源的变压器(34)，
其中，所述变压器(34)的分接点(40)被连接到用于所述AC电压源的所述输入端(20)。
14.一种X射线成像设备(30)，包括:
根据前述权利要求中的任一项所述的电压倍增器(10)，
作为负载的X射线管(42)。
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