CN111200373A - 用于ct扫描仪的隔离式网络电源 - Google Patents

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Abstract

一种用于CT扫描仪X射线管的电源包括逆变器电路和滤波器电路。所述逆变器电路包括形成全桥的四个半导体。所述滤波器电路包括两个串联的第一级滤波电感器、并联的第一级滤波电容器以及吸收电路，该吸收电路包括电感器和电容器的串联谐振电路。所述滤波器进一步包括第一共模扼流圈和输出滤波器。

Description

用于CT扫描仪的隔离式网络电源
技术领域
本发明涉及计算机断层摄影扫描仪(CT扫描仪)和用于这样的CT扫描仪的电源。在CT扫描仪中，使用具有比较高的功率的X射线管。改进的电源向这样的X射线管提供供电电压。
背景技术
在US 7,717,619 B2中公开了一种用于CT扫描仪的可旋转变压器。在逆变器和可旋转变压器之间设置隔离式变压器。这样的隔离式变压器具有比较大的质量、需要空间并且增加成本。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种用于CT扫描仪的电源，该电源具有向负载例如X射线管馈电的逆变器，而不需要隔离式变压器。
在独立权利要求中描述了该问题的解决方案。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
大多数逆变器提供脉冲宽度调制(PWM)信号。这样的PWM信号具有较高频率的分量，较高频率的分量可能引起电磁干扰，因此在CT扫描仪环境中是不希望的。去除这些高频分量需要滤波。对于马达控制应用，在市场上可获得逆变器的广泛选择。标准电马达具有比较高的电感，比较高的电感阻止高频电流。因此，在大多数马达控制应用中，简单的逆变器可以直接连接到马达，而无需任何其他滤波器。
可以例如在CT扫描仪中使用的标准X射线管电源不像马达那样提供如此高的电感。因此，该电源不能够抑制较高频率的电流和/或对较高频率的电流滤波。此外，在逆变器和电源之间可能存在电线，这些电线可能辐射RF信号。因此，在逆变器的输出处可能需要附加滤波。可以使用可以被称为正弦滤波器(sinus filter)的标准滤波器来完成此滤波。这些滤波器对逆变器的相位线之间的电压滤波，但是在相位和保护性接地之间可能保留高频电压。为了隔离和/或为了抑制此较高频率的电压信号，可以使用隔离式变压器。对于CT扫描仪应用，此隔离式变压器可以具有高达15公斤的质量。它可能具有导致变压器变热的损耗，并且它是昂贵的。
在一个实施方案中，提供了不需要隔离式变压器的电源电路和滤波器。包括多个半导体开关的逆变器电路生成脉冲宽度调制输出信号。可以存在两个、四个、六个或任何其他合适数目的半导体开关，所述半导体开关可以连接在二象限或四象限桥式电路、或三相桥式电路中。所述半导体开关可以是功率MOSFET或IGBT。所述半导体开关是逆变器的核心，也称为频率逆变器级。它们由可以通过整流器从AC电力源生成的DC电力供电，该整流器可以是桥式整流器。替代地，可以设置DC电力源。这样的DC电力源可以是连接到整流器的AC电力线，该整流器可以是桥式整流器或三相桥式整流器。优选地，至少一个平滑电容器被设置在连接到所述半导体开关的电源线处。可以存在用于对RF信号分量滤波的另一些滤波电容器，所述另一些滤波电容器可以在输入电力线之间连接到所述半导体开关，或从输入电力线连接到保护性接地。所述输入电力线可以包括正电力线和负电力线。此外，设置保护性接地，该保护性接地可以连接到CT扫描仪的机架或壳体。所述半导体开关可以由驱动器电路驱动，该驱动器电路可以连接到各个半导体开关的栅极，并且可以控制所述开关接通和关断。该驱动器电路可以包括控制电路，该控制电路还可以包括闭环控制，以控制该逆变器电路或该电源的输出频率、输出电压和输出电流中的至少一个。该驱动器电路还可以包括脉冲宽度调制器，该脉冲宽度调制器形成用于所述半导体开关的PWM控制信号。
该逆变器电路的输出——其也是所述半导体开关的输出——连接到滤波器电路，该滤波器电路进一步连接到负载电路。在该滤波器电路的输入处，可以存在到自该逆变器电路的AC线的为串联电感器的形式的第一级滤波电感器。这些第一级滤波电感器之后可以是并联的第一级滤波电容器。这之后可以是连接AC线的吸收电路。此吸收电路可以包括可以调谐到逆变器的开关频率的、电感器和电容器的串联电路。对于不希望的高频分量它可以形成短路。
该吸收电路之后是第一共模扼流圈(stromkompen-sierte Leistungsdrossel)，该第一共模扼流圈包括在同一磁芯上的两个线圈，所述线圈在差动电流补偿该芯内的磁场的方向上缠绕，所述差动电流可以是流出第一AC线并且流回到第二AC线的电流。因此，对于差动信号电感是低的，而对于共模信号电感是高的。因此，该第一共模扼流圈对共模信号具有高滤波效果。该第一共模扼流圈可以包括铁氧体材料的磁芯。通常，一般的共模扼流圈使用损耗材料来增加在较高频率下的损耗。在一个实施方案中，该第一共模扼流圈可以使用宽带功率铁氧体材料，该宽带功率铁氧体材料可以考虑信号的电压-时间-面积来定尺寸。
在该第一共模扼流圈之后可以是具有相同基本属性的第二共模扼流圈。在一个实施方案中，该第一共模扼流圈被配置用于对低频分量滤波，而该第二共模扼流圈被配置用于对高频分量滤波。低频分量可以是PWM调制频率的分量，而高频分量可以具有PWM信号斜率。高频分量可以在是低频分量的十倍或更多倍的频率范围内。
负电力线或正电力线在可以靠近DC或AC源的点处连接到保护性接地。在负电力线或正电力线与保护性接地之间可以仅存在单个连接。
附图说明
在下文中，将参照附图关于实施方案的实施例以示例而非限制总体发明构思的方式描述本发明。
图1示出了第一实施方案的电路图。
具体实施方式
在图1中，第一实施方案以电路图的形式被示出。用于CT扫描仪的电源可以包括逆变器电路200，之后是滤波器电路300。该电源可以由DC源100馈电，并且其输出功率可以被提供给负载电路400，该负载电路400可以包括或可以是X射线管电源的一部分。
逆变器电路200可以包括多个半导体开关。在一个实施方案中，设置形成全桥或H桥的四个半导体开关241、242、243、244。第一半导体开关241可以连接在正电力节点291和第一AC线201之间。第二半导体开关242可以连接在第一AC线201和负电力节点292之间。第三半导体开关243可以连接在正电力节点291和第二AC线202之间。第四半导体开关244可以连接在第二AC线202和负电力节点292之间。因此，该桥具有正电力节点291和负电力节点292的输入。输出在第一AC线201和第二AC线202处。
通常，可以成组地操作所述开关，诸如在第一状态下，开关241和244可以闭合，而开关242和243断开。在第二状态下，开关242和243可以闭合，而开关241和244断开。在正电力节点291和负电力节点292之间，可以设置平滑电容器230。该电容器可以是电解质电容器，并且该电容器可以具有比较高的电容。此外，可以设置从负电力节点292到保护性接地103的接地电容器231。逆变器电路200可以具有包括正电力线101和负电力线102的输入，该正电力线101和该负电力线102可以经由包括四个二极管221、222、223、224的输入桥式整流器耦合到正电力节点291和负电力节点292。在一些情况下，正电力线101可以直接连接到正电力节点291，并且负电力线102可以直接连接到负电力节点292。桥式整流器可以提供较高的灵活性，因为它允许为逆变器电路馈入任何极性的DC信号或甚至AC信号。在逆变器电路的输入处，在桥式整流器之前，可以存在至少一个输入滤波电容器。第一输入滤波电容器211可以连接在正电力线101和保护性接地103之间。第二输入滤波电容器212可以连接在负电力线102和保护性接地103之间。
DC或AC源100可以提供通过正电力线101和负电力线102耦合到逆变器电路200的DC或AC电力。在一个实施方案中，DC或AC源100是直接的DC电源或电池，或是逆变器电路的整流输出，或是连接到整流器的电力线的输出。在最后一种情况下，整流器可以是简单的桥式整流器或三相整流器。替代地，也可以存在可以连接到逆变器电路的AC源，例如50Hz电力线。
滤波器电路300可以通过第一AC线201和第二AC线202连接到逆变器电路200。该滤波器电路包括多级。第一滤波器级可以包括为串联电感器的形式的一对滤波电感器。与第一AC线201串联的第一级滤波电感器311连接到第一滤波器节点301，并且与第二AC线202串联的第一级滤波电感器312连接到第二滤波器节点302。第一级滤波电容器313可以连接在第一滤波器节点301和第二滤波器节点302之间。
连接在第一滤波器节点301和第二滤波器节点302之间的下一个滤波器级可以包括吸收电路(Saugkreis)。它可以包括电感器321和电容器322(它们串联连接)的串联谐振电路，其中串联谐振频率可以与逆变器电路的开关频率相适应。此吸收电路对于由逆变器电路的PWM开关引起的较高频率的分量形成短路。
该吸收电路之后可以是第一共模扼流圈(strom-kompensierteLeistungsdrossel)。输入在第一滤波器节点301和第二滤波器节点302处，而输出在第三滤波器节点303和第四滤波器节点304处。此第一共模扼流圈包括在公共磁芯333上的形成第一电感器的第一绕组331和形成第二电感器的第二绕组332。该第一共模扼流圈包括在同一磁芯上的两个线圈，所述两个线圈是电感器331、332，并且在差动电流引起磁场补偿并且因此引起第一共模扼流圈的磁芯333内的零磁场的方向上缠绕，该差动电流可以是通过该第一线圈流出第一滤波器节点301并流入第三滤波器节点303的电流并且该差动电流通过该第二线圈从第四滤波器节点304流回到第二滤波器节点302。因此，对于差动信号电感是低的，而对于共模信号电感是高的。对于共模信号而言的电感可以高于对于差动信号而言的电感。因此，该第一共模扼流圈对共模信号具有高滤波效果。该第一共模扼流圈可以包括铁氧体材料的磁芯。通常，第一共模扼流圈使用损耗材料来增加在较高频率下的损耗。在此实施方案中，该第一共模扼流圈可以使用宽带功率铁氧体材料，该宽带功率铁氧体材料可以具有低损耗并且可以考虑信号的电压-时间-面积来定尺寸。第一共模扼流圈电感器A 331连接到第一滤波器节点301，并且第一共模扼流圈电感器B 332连接到第二滤波器节点302。所述第一共模扼流圈电感器的另一端连接到第三滤波器节点303和第四滤波器节点304。
输出滤波器由连接到第三滤波器节点303和第四滤波器节点304的部件形成。第一输出滤波电容器A 341连接在第三滤波器节点303和正电力节点291之间。另一个第一输出滤波电容器B 342连接在第四滤波器节点304和正电力节点291之间。又一个第一输出滤波电容器C 343连接在第三滤波器节点303和滤波器节点304之间。另一个第一输出滤波电容器D 344连接在第三滤波器节点303和保护性接地103之间。另一个第一输出滤波电容器E345连接在第四滤波器节点304和保护性接地103之间。
该第一共模扼流圈之后可以是具有相同基本属性的第二共模扼流圈。与第二共模扼流圈芯353一起形成的第二共模扼流圈电感器A 351和第二共模扼流圈电感器B 352，即第二共模扼流圈，连接到节点303和304。这些电感器还连接到滤波器输出305和306。此外，第二输出滤波电容器361和362从第一滤波器输出305和第二滤波器输出306连接到保护性接地103。
负载电路400连接到第一滤波器输出305和第二滤波器输出306。该负载电路可以包括并联连接在该第一滤波器输出和该第二滤波器输出之间的负载输入滤波电容器410。它还可以包括负载桥式整流器，该负载桥式整流器可以包括呈桥式整流器电路的形式的四个二极管421、422、423、424，向正负载线401和负负载线402馈电。在正负载线401和负负载线402之间，可以存在负载滤波电容器430。可以是X射线管电源和/或逆变器电路的一部分的负载440可以与该负载滤波电容器并联连接。
在一个实施方案中，保护性接地103连接到正电力线101或负电力线102，优选地靠近DC或AC源100。在一个实施方案中，电容器341和342连接到正电力线101，并且电容器231、344、345、361、362参考保护性接地线103。在另一个实施方案中，保护性接地103可以连接到正电力线101，而电容器231连接在正电力线101和保护性接地103之间，并且电容器344、345、361和362也连接到保护性接地线103。电容器342和341连接到负电力线102。
附图标记列表
100 DC或AC源
101 正电力线
102 负电力线
103 保护性接地
200 逆变器电路
201 第一AC线
202 第二AC线
211 第一输入滤波电容器
212 第二输入滤波电容器
221-224 输入桥式整流器
230 平滑电容器
Figure BDA0002277145720000081
231 接地电容器
241-244 半导体开关
291 正电力节点
292 负电力节点
300 滤波器电路
301 第一滤波器节点
302 第二滤波器节点
303 第三滤波器节点
304 第四滤波器节点
305 第一滤波器输出
306 第二滤波器输出
311、312 第一级滤波电感器
313 第一级滤波电容器
321 吸收电路电感器
322 吸收电路电容器
331 第一共模扼流圈电感器A
332 第一共模扼流圈电感器B
333 第一共模扼流圈的磁芯
341 第一输出滤波电容器A
342 第一输出滤波电容器B
343 第一输出滤波电容器C
344 第一输出滤波电容器D
345 第一输出滤波电容器E
351 第二共模扼流圈电感器A
352 第二共模扼流圈电感器B
353 第二共模扼流圈的磁芯
361 第二输出滤波电容器A
362 第二输出滤波电容器B
400 负载电路
401 正负载线
402 负负载线
410 负载输入滤波电容器
421-424 负载桥式整流器
430 负载滤波电容器
440 负载(X射线管电源/逆变器)电路

Claims (17)

1.用于CT扫描仪X射线管的电源，包括逆变器电路(200)和滤波器电路(300)，
所述逆变器电路(200)包括形成全桥的四个半导体开关(241、242、243、244)，所述全桥具有来自正电力节点(291)和负电力节点(292)的输入和到第一AC线(201)和第二AC线(202)的输出，
所述滤波器电路(300)包括：
–一个第一级滤波电感器(311)，其在所述第一AC线(201)和第一滤波器节点(301)之间；以及另一个第一级滤波电感器(312)，其在所述第二AC线(202)和第二滤波器节点(302)之间，
–第一级滤波电容器(313)，其连接在所述第一滤波器节点(301)和所述第二滤波器节点(302)之间，
–吸收电路，其包括连接在所述第一滤波器节点(301)和所述第二滤波器节点(302)之间的电感器(321)和电容器(322)的串联谐振电路，
–第一共模扼流圈，其包括连接在所述第一滤波器节点(301)和第三滤波器节点(303)之间的第一共模扼流圈电感器A(331)和连接在所述第二滤波器节点(302)和第四滤波器节点(304)之间的第一共模扼流圈电感器B(332)，所述第一共模扼流圈电感器A(331)和所述第一共模扼流圈电感器B(332)包括公共磁芯(333)，
–第二共模扼流圈，其包括连接在所述第三滤波器节点(303)和第一滤波器输出(305)之间的第二共模扼流圈电感器A(351)和连接在所述第四滤波器节点(304)和所述第二滤波器输出(306)之间的第二共模扼流圈电感器B(352)，所述第二共模扼流圈电感器A(351)和所述第二共模扼流圈电感器B(352)包括公共磁芯(353)，
–第一输出滤波电容器A(341)，其连接在所述第三滤波器节点(303)和所述正电力节点(291)之间，
–第一输出滤波电容器B(342)，其连接在所述第四滤波器节点(304)和所述正电力节点(291)之间，
–第一输出滤波电容器D(344)，其连接在所述第三滤波器节点(303)和保护性接地(103)之间，
–第一输出滤波电容器E(345)，其连接在所述第四滤波器节点(304)和所述保护性接地(103)之间，
–第二输出滤波电容器A(361)，其连接在所述第一滤波器输出(305)和所述保护性接地(103)之间，
–第二输出滤波电容器B(362)，其连接在所述第二滤波器输出(306)和所述保护性接地(103)之间。
2.根据权利要求1所述的电源，
其特征在于，
所述半导体开关(241、242、243、244)被配置为生成PWM信号。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述半导体开关(241、242、243、244)由驱动器电路驱动，所述驱动器电路能够连接到各个半导体开关的栅极，并且所述驱动器电路能够控制所述开关接通和关断以生成PWM信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述吸收电路(321、322)的串联谐振频率与所述逆变器电路的开关频率相适应。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述半导体开关(241、242、243、244)包括功率MOSFET或IGBT。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述第一共模扼流圈的磁芯(333)包括能够具有低损耗的宽带功率铁氧体材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述第一共模扼流圈包括为所述第一共模扼流圈电感器A(331)的第一线圈和为所述第一共模扼流圈电感器B(332)的第二线圈，其中所述第一线圈和所述第二线圈在所述第一共模扼流圈的同一磁芯(333)上。
8.根据权利要求7所述的电源，
其特征在于，
所述第一线圈和所述第二线圈在差动电流引起所述第一共模扼流圈的磁芯(333)内的零磁场的方向上缠绕，所述差动电流能够是通过所述第一线圈流出所述第一滤波器节点(301)并进入所述第三滤波器节点(303)的电流并且所述差动电流通过所述第二线圈从所述第四滤波器节点(304)流回到所述第二滤波器节点(302)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述第一共模扼流圈(331、332、333)和/或所述第二共模扼流圈(351、352、353)对于差动信号提供低电感并且对于共模信号提供高电感。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述第一共模扼流圈(331、332、333)被配置用于对低频分量滤波，而所述第二共模扼流圈(351、352、353)被配置用于对高频分量滤波。
11.根据权利要求10以及权利要求2到9中任一项所述的电源，
其特征在于，
低频分量能够是PWM调制频率的分量，而高频分量能够具有PWM信号斜率。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
第一输出滤波电容器C(343)连接在所述第三滤波器节点(303)和所述第四滤波器节点(304)之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述正电力节点(291)和所述负电力节点(292)连接到DC电源。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述逆变器电路包括：
–第一输入滤波电容器(211)，其连接在正电力线(101)和所述保护性接地(103)之间，
–第二输入滤波电容器(212)，其连接在负电力线(102)和所述保护性接地(103)之间，
–输入桥式整流器，其包括呈桥式整流器电路的形式的四个二极管(221、222、223、224)、连接到所述正电力线(101)和所述负电力线(102)并且向所述正电力节点(291)和所述负电力节点(292)馈电，
–平滑电容器(230)，其连接到所述正电力节点(291)和所述负电力节点(292)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电源，
其特征在于，
所述负电力线(102)或所述正电力线(101)连接到所述保护性接地(103)。
16.一种计算机断层摄影扫描仪，包括根据前述权利要求中任一项所述的电源和连接到第一滤波器输出(305)和第二滤波器输出(306)的负载电路(400)，所述负载电路(400)进一步包括：
–负载输入滤波电容器(410)，其连接到所述第一滤波器输出(305)和所述第二滤波器输出(306)，
–负载桥式整流器，其包括呈桥式整流器电路的形式的四个二极管(421、422、423、424)、连接至所述第一滤波器输出(305)和所述第二滤波器输出(306)并且馈电：
–负载滤波电容器(430)，
–负载(400)，所述负载滤波电容器与所述负载并联。
17.根据权利要求16所述的计算机断层摄影扫描仪，
其特征在于，
AC或DC电源(100)，其连接到所述正电力线(101)和所述负电力线(102)。
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