CN106134511B - 一种用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，其配电盘将民用电网的交流电供给整流电路；整流电路将交流电转换成直流电输出给变换电路；变换电路将整流电路输出的直流电转换成充电脉冲，获取输出电流采样信号并发送给控制电路，控制电路将采样值和基准值比较然后根据比较结果控制充电脉冲的宽度，令充电脉冲的宽度跟随赋能脉冲信号的宽度；充电电路将变换电路输出的充电脉冲进行升压后送给线性脉冲发生器；线性脉冲发生器将升压后的充电脉冲包含的能量转换成一个固定宽度的窄高压脉冲提供给脉冲变压器；脉冲变压器将线性脉冲发生器产生的窄高压脉冲转换成磁控管所需要的幅值并输出。本发明能实现医用电子直线加速器中功率的线性调节。

Description

一种用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器

技术领域

本发明涉及放射治疗器械的技术领域，具体涉及一种用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器。

背景技术

医用电子直线加速器采用磁控管作为微波发生器件，磁控管工作时需要输入幅值几十千伏、脉冲宽度几微秒的高压脉冲，而脉冲调制器能将市电转换成磁控管所需的高压脉冲信号。

大功率脉冲调制器本质上是一种功率转换器，其任务是为磁控管提供性能合符要求的调制脉冲。它将电网送来的交流功率转换成合适电压的直流功率，然后通过脉冲形成网络产生负载所需要的脉冲功率。

现有的医用直线加速器上所用的大功率脉冲调制器基本上都采用几档固定的功率输出，这样导致了加速器输出能档单一而且不可线性调节；再者脉冲调制器本身是一个强干扰源，控制电路又比较复杂，现有的控制电路一般采用普通的性能单一的TTL(晶体管-晶体管逻辑门)或者CMOS(互补金属氧化物半导体)芯片来实现，这样导致电路设计时大大增加了电路板的面积，抗干扰能力减弱而不得不增加其他的抗干扰的措施，影响到整机的稳定性。

发明内容

本发明提供了一种用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，能够实现医用电子直线加速器中功率的线性调节。

该大功率脉冲调制器包括配电盘、整流电路、变换电路、充电电路、线性脉冲发生器、脉冲变压器、低压电源和控制电路；

所述配电盘，用于将民用电网的交流电供给所述整流电路和所述低压电源；

所述整流电路，用于将配电盘输出的交流电转换成直流电输出给所述变换电路；

所述变换电路，用于将整流电路输出的直流电转换成充电脉冲，输出给充电电路；获取自身的输出电流采样信号并发送给所述控制电路，从所述控制电路接收根据所述输出电流采样信号和一基准值进行比较得到的赋能脉冲信号，根据该赋能脉冲信号的宽度调整所述充电脉冲的宽度，令充电脉冲的宽度跟随赋能脉冲信号的宽度；

所述充电电路，用于将所述变换电路输出的充电脉冲进行升压后送给所述线性脉冲发生器；

所述线性脉冲发生器，用于将所述充电电路升压后输出的充电脉冲所包含的能量转换成一个固定宽度的窄高压脉冲提供给所述脉冲变压器；

所述脉冲变压器，用于将所述线性脉冲发生器产生的窄高压脉冲转换成磁控管所需要的幅值并输出；

所述低压电源，用于将民用电网的交流电转换成所述控制电路工作所需的低压直流电，输出给控制电路；

所述控制电路，用于接收来自外部的基准值，该基准值可以为预设功率范围内的任意功率对应的基准值；接收所述变换电路输出的输出电流采样信号，将接收的输出电流采样信号与所接收的基准值进行比较，根据比较结果调整所述赋能脉冲信号的宽度然后输出给所述变换电路，调整原则为：当输出电流采样信号小于基准值时，令赋能脉冲信号的脉冲宽度变宽；当输出电流采样信号大于基准值时，令赋能脉冲信号的脉冲宽度变窄；当输出电流采样信号等于基准值时，令赋能脉冲信号的脉冲宽度变窄。

其中，所述控制电路包括信号源、比较电路和逻辑控制电路；

所述信号源，产生用于控制变换电路输出充电脉冲的宽度的原始脉冲、线性脉冲发生器中闸流管开通所需的触发同步脉冲，将产生的原始脉冲和触发同步脉冲发送给所述逻辑控制电路；

所述比较电路，接收来自外部的所述基准值，将变换电路送来的输出电流采样信号和所述基准值比较后，将比较结果发送给所述逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路，控制信号源工作；通过修改所述原始脉冲的宽度，根据所述比较结果和所述调整原则调整所述赋能脉冲信号的宽度，将调整后的赋能脉冲信号输出给所述变换电路；将触发同步脉冲发送给线性脉冲发生器。

较佳地，所述控制电路进一步包括故障连锁电路，用于接收来自所述大功率脉冲调制器所在直线加速器整机各部件状态以及所述逻辑控制电路的状态，当检测到一个或多个部件故障时，不允许所述逻辑控制电路执行根据输出电流采样信号调整赋能脉冲信号的宽度的操作和将触发同步脉冲发送给线性脉冲发生器的操作。

较佳地，所述逻辑控制电路进一步接收来自外部的触发频率，并设置给信号源，以改变所在大功率脉冲调制器的输出重复频率。

较佳地，所述充电电路为赋能变压器；所述变换电路包括双端他激式电路和电流传感器；所述电流传感器对所述赋能变压器的初级电流进行采样，得到输出电流采样信号输出给所述控制电路；所述双端他激式电路中开关管的控制极连接所述控制电路，根据接收自控制电路的赋能脉冲信号控制所述开关管的开通时间。

较佳地，所述控制电路采用PLD实现。

由以上方案可以看出，本发明技术方案带来如下效果：

1)本发明的控制电路接收来自上位机的基准值，该基准值可以为预设功率范围内的任意值，而非几个固定的能档值，控制电路根据基准值调节开关管开通时间，继而达到调制器脉冲输出功率的连续控制，避免了现有技术中能档单一，不可线性调节的问题。

2)本发明的充电电路采用赋能变压器，结构简单，性能可靠，而且控制电路通过采样赋能变压器的初级电流，并根据初级电路与基准值的比较控制赋能脉冲的宽度，从而不仅实现了稳压控制，而且实现简单。

3)本发明的控制电路采用PLD实现，原本几十个芯片只需要两三个芯片就能实现，大大缩小了电路的面积，避免了现有技术中的控制电路采用普通的性能单一的TTL或者CMOS芯片来实现，导致电路板面积大、抗干扰能力不佳的问题，无需增加其他的抗干扰的措施。

4)本发明对民用电网的电压进行简单的整流、变换从而通过赋能变压器提供给线性脉冲发生器，这与直接采用高压直流电源向线性脉冲发生器供能相比较，避免使用结构复杂且易受干扰的高压直流电源，从而简化的调制器设计，降低了设备干扰。

附图说明

图1为本发明调制器的结构示意图。

图2为本发明控制电路的结构示意图。

图3为本发明实施例中变换电路、充电电路、线性脉冲发生器和脉冲变压器的组合结构。

图4为本发明控制电路中各信号波形的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，该大功率脉冲调制器包括配电盘、整流电路、变换电路、充电电路、线性脉冲发生器、脉冲变压器、低压电源和控制电路。其中整流电路、变换电路、充电电路线形脉冲发生器和脉冲变压器构成了系统的主回路部分。

配电盘，将民用电网的交流电供给主回路(整流电路)和低压电源，并做出基本的过流保护。

整流电路，将配电盘发送过来的380伏交流电转换成直流电平V输出给变换电路。

变换电路，把整流电路送来的直流电转换成脉冲，称为充电脉冲，输出给充电电路。该转换电路还采样变换电路的输出电流，称为输出电流采样信号并发送给控制电路，从控制电路接收根据输出电流采用信号和一基准值进行比较得到的控制信号，本发明称为赋能脉冲信号，根据赋能脉冲信号的宽度调整充电脉冲的宽度，令充电脉冲的宽度跟随赋能脉冲信号的宽度。

一个周期内赋能脉冲信号出现多个脉冲。假设赋能脉冲信号如图4所示，通过变换电路的处理，变换电路输出的充电脉冲信号与赋能脉冲信号宽度相同，只是幅度上有所差异。

充电电路，将变换电路输出的充电脉冲进行升压后送给线性脉冲发生器。在实际中，充电脉冲大致为几百伏的电压升至几万伏。

线性脉冲发生器，又称脉冲形成网络，它可以将充电电路升压后输出的充电脉冲所包含的能量转换成一个固定宽度的窄高压脉冲提供给脉冲变压器。线性脉冲发生器为常规器件，这里不详述。如图4所示，一个周期内出现一个窄高压脉冲。

脉冲变压器，用于将线性脉冲发生器产生的窄高压脉冲转换成磁控管所需要的幅值并输出。

低压电源，用于将民用电网的交流电转换成控制电路工作所需的低压直流电，输出给控制电路；

控制电路，用于接收来自外部的基准值，该基准值可以为预设功率范围内的任意功率对应的基准值；接收变换电路输出的输出电流采样信号，将输出电流采样信号与所接收的基准值进行比较，根据比较结果调整赋能脉冲信号的宽度然后输出给变换电路，调整原则为：当输出电流采样信号小于基准值时，令控制脉冲宽度变宽；当输出电流采样信号大于基准值时，令控制脉冲宽度变窄。

由本发明的技术方案可以看出，控制电路接收来自上位机的基准值，该基准值可以为预设功率范围内的任意值，而非几个固定的能档值，控制电路根据基准值调节开关管开通时间，继而达到调制器脉冲输出功率的连续控制，避免了现有技术中能档单一，不可线性调节的问题。

其中，图2中的控制电路主要由以下几个部分组成：

信号源，用于产生控制变换电路输出充电脉冲的宽度的原始脉冲、线性脉冲发生器中闸流管开通所需的触发同步脉冲，将产生的原始脉冲和触发同步脉冲发送给所述逻辑控制电路。

比较电路，接收来自外部的所述基准值，将变换电路送来的输出电流采样信号和基准值比较后，将比较结果发送给逻辑控制电路。

逻辑控制电路，控制信号源工作；根据所接收的比较结果和前述的调整原则调整控制脉冲的宽度，将调整后的赋能脉冲信号输出给变换电路，将触发同步脉冲发送给线性脉冲发生器。调整规则为：当输出电流采样信号小于基准值时，说明电网电压降低，此时需要令变换电路中开关管的开通时间变长，因此令控制脉冲宽度变宽；当输出电流采样信号大于基准值时，说明电网电压升高，此时需要令开关管的开通时间变短，则令控制脉冲变窄，这样保证输出功率稳定在设定值。

输出功率的设定值由基准值决定，因此改变基准值，就可以改变调制器的脉冲输出功率。本发明的控制电路接收来自上位机的基准值，该基准值可以为预设功率范围内的任意值，而非几个固定的能档值，控制电路根据基准值调节控制管开通时间，继而达到调制器脉冲输出功率的连续控制。如果上位机下发的基准值为频率信号，则这里还需要将频率信号转换为电压信号。

上述控制脉冲变窄或变宽的控制是对原始脉冲的宽度进行修改实现的。赋能脉冲变窄或变宽的变化量与电网变化量有关，当电压变化量大时，赋能脉冲宽度变化量大，反之变化量小。

此外，改变信号源的触发频率，就可以改变调制器的输出重复频率，从而改变其输出平均功率。因此控制电路接收来自外部(上位机)的触发频率，并设置给信号源，以改变所在大功率脉冲调制器的输出重复频率。

上述控制电路中的控制逻辑比较复杂，因此本发明采用PLD(可编程逻辑器件)实现控制部分，原本几十个芯片只需要两三个芯片就能实现，大大缩小了电路的面积，避免了现有技术中的控制电路采用普通的性能单一的TTL或者CMOS芯片来实现，导致电路板面积大、抗干扰能力不佳的问题，无需增加其他的抗干扰的措施。

较佳地，该控制电路进一步包括故障连锁电路，用于接收来自所在大功率脉冲调制器所在直线加速器整机各部件状态以及逻辑控制电路的状态，当检测到一个或多个部件故障时，不允许逻辑控制电路执行根据输出电流采样信号调整赋能脉冲信号的宽度的操作和将触发同步脉冲发送给线性脉冲发生器的操作。

图3示出了本发明变换电路、充电电路、线性脉冲发生器和脉冲变压器一种实施的结构示意图。

如图3所示，充电电路为赋能变压器。变换电路包括双端他激式电路和电流传感器；电流传感器对赋能变压器U的初级电流进行采样，得到输出电流采样信号输出给控制电路；所述双端他激式电路中开关管的控制极连接所述控制电路，根据接收自控制电路的所述赋能脉冲信号控制所述开关管的开通时间，两个开关管的开通时间相同。在本实施例中，开关管采用IGBT实现。

线性脉冲发生器为常规器件。

其控制过程如下：电流传感器对赋能变压器TF1初级电流Ifn进行采样并输出给控制电路，控制电路将采样值与基准值比较，然后将控制Q1、Q2开通时间的赋能脉冲信号输出给变换电路就可以达到稳压的目的；改变基准值就可以调整脉冲调制器的输出功率。

Claims (6)

1.一种用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，其特征在于，该大功率脉冲调制器包括配电盘、整流电路、变换电路、充电电路、线性脉冲发生器、脉冲变压器、低压电源和控制电路；

所述配电盘，用于将民用电网的交流电供给所述整流电路和所述低压电源；

所述整流电路，用于将配电盘输出的交流电转换成直流电输出给所述变换电路；

所述变换电路，用于将整流电路输出的直流电转换成充电脉冲，输出给充电电路；获取自身的输出电流采样信号并发送给所述控制电路，从所述控制电路接收根据所述输出电流采样信号和一基准值进行比较得到的赋能脉冲信号，根据该赋能脉冲信号的宽度调整所述充电脉冲的宽度，令充电脉冲的宽度跟随赋能脉冲信号的宽度；

所述充电电路，用于将所述变换电路输出的充电脉冲进行升压后送给所述线性脉冲发生器；

所述线性脉冲发生器，用于将所述充电电路升压后输出的充电脉冲所包含的能量转换成一个固定宽度的窄高压脉冲提供给所述脉冲变压器；

所述脉冲变压器，用于将所述线性脉冲发生器产生的窄高压脉冲转换成磁控管所需要的幅值并输出；

所述低压电源，用于将民用电网的交流电转换成所述控制电路工作所需的低压直流电，输出给控制电路；

所述控制电路，用于接收来自外部的基准值，该基准值可以为预设功率范围内的任意功率对应的基准值；接收所述变换电路输出的输出电流采样信号，将接收的输出电流采样信号与所接收的基准值进行比较，根据比较结果调整所述赋能脉冲信号的宽度然后输出给所述变换电路，调整原则为：当输出电流采样信号小于基准值时，令赋能脉冲信号的脉冲宽度变宽；当输出电流采样信号大于基准值时，令赋能脉冲信号的脉冲宽度变窄；当输出电流采样信号等于基准值时，令赋能脉冲信号的脉冲宽度变窄。

2.如权利要求1所述的用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，其特征在于，所述控制电路包括信号源、比较电路和逻辑控制电路；

所述信号源，产生用于控制变换电路输出充电脉冲的宽度的原始脉冲、线性脉冲发生器中闸流管开通所需的触发同步脉冲，将产生的原始脉冲和触发同步脉冲发送给所述逻辑控制电路；

所述比较电路，接收来自外部的所述基准值，将变换电路送来的输出电流采样信号和所述基准值比较后，将比较结果发送给所述逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路，控制信号源工作；通过修改所述原始脉冲的宽度，根据所述比较结果和所述调整原则调整所述赋能脉冲信号的宽度，将调整后的赋能脉冲信号输出给所述变换电路；将触发同步脉冲发送给线性脉冲发生器。

3.如权利要求2所述的用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，其特征在于，所述控制电路进一步包括故障连锁电路，用于接收来自所述大功率脉冲调制器所在直线加速器整机各部件状态以及所述逻辑控制电路的状态，当检测到一个或多个部件故障时，不允许所述逻辑控制电路执行根据输出电流采样信号调整赋能脉冲信号的宽度的操作和将触发同步脉冲发送给线性脉冲发生器的操作。

4.如权利要求2所述的用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，其特征在于，所述逻辑控制电路进一步接收来自外部的触发频率，并设置给信号源，以改变所在大功率脉冲调制器的输出重复频率。

5.如权利要求1所述的用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，其特征在于，所述充电电路为赋能变压器；

所述变换电路包括双端他激式电路和电流传感器；所述电流传感器对所述赋能变压器的初级电流进行采样，得到输出电流采样信号输出给所述控制电路；所述双端他激式电路中开关管的控制极连接所述控制电路，根据接收自控制电路的赋能脉冲信号控制所述开关管的开通时间。

6.如权利要求1所述的用于医用直线加速器的大功率脉冲调制器，其特征在于，所述控制电路采用可编程逻辑器件PLD实现。