DE102011005446A1 - Circuit arrangement with inverter for powering an X-ray tube and associated method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung gibt eine Schaltungsanordnung und ein zugehöriges Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Uhv) an. Die Anordnung umfasst eine Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (Udc), eine Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung (Udc) in eine hochfrequente Wechselspannung (Uac) und einem Hochspannungserzeuger (6), der die hochfrequente Wechselspannung (Uac) in eine Hochspannung (Uhv) für die Röntgenröhre (5) umwandelt, wobei der Hochspannungserzeuger (6) einen Transformator (3) und einen zur Sekundärwicklung des Transformators (3) parallel geschalteten Hochspannungskondensator (7) aufweist, der zusammen mit der Induktivität der Sekundärwicklung einen Schwingkreis bildet, der im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz seine Resonanzfrequenz hat. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die vorhandene parasitäre Wicklungskapazität des Transformators gegebenenfalls durch einen zusätzlichen Kondensator soweit vergrößert wird, dass sie als Bauelement nutzbringend zur Spannungserhöhung einer Hochspannungsquelle verwendet werden kann.The invention specifies a circuit arrangement and an associated method for generating an X-ray tube voltage (Uhv). The arrangement comprises a mains input circuit (1) for generating an intermediate circuit voltage (Udc), an inverter circuit (2) for converting the intermediate circuit voltage (Udc) into a high-frequency alternating voltage (Uac) and a high-voltage generator (6) which converts the high-frequency alternating voltage (Uac) into converts a high voltage (Uhv) for the X-ray tube (5), the high-voltage generator (6) having a transformer (3) and a high-voltage capacitor (7) connected in parallel to the secondary winding of the transformer (3), which together with the inductance of the secondary winding forms an oscillating circuit forms, which has its resonance frequency in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz. The invention offers the advantage that the existing parasitic winding capacitance of the transformer is, if necessary, increased by an additional capacitor to such an extent that it can be used usefully as a component for increasing the voltage of a high-voltage source.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Eingangsschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung, mit einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung und mit einem Hochspannungserzeuger, der die hochfrequente. Wechselspannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Röntgengenerator mit einer derartigen Schaltungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung.The invention relates to a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage with an input circuit for generating a DC link voltage, with an inverter circuit for converting the DC link voltage into a high-frequency AC voltage and with a high-voltage generator, the high-frequency. AC voltage with a certain gear ratio converted into a high voltage for the X-ray tube. Moreover, the invention relates to an X-ray generator with such a circuit arrangement and to a corresponding method for generating an X-ray tube voltage.
Moderne Generatoren weisen zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung häufig Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art auf. Da die Netzfrequenz zunächst gleichgerichtet und dann wieder in eine hochfrequente Wechselspannung umgewandelt wird, welche schließlich auf die gewünschte Spannung transformiert wird, werden derartige Generatoren auch als Hochfrequenzgeneratoren bezeichnet. Gegenüber konventionellen Generatoren, bei denen die Hochspannung mit der vorliegenden Netzfrequenz zunächst transformiert, dann gleichgerichtet und schließlich der Röntgenröhre zugeführt wird, hat eine solche Schaltungsanordnung den Vorteil, dass sie durch einen schnellen Regelkreis von Änderungen sowohl der Netzspannung als auch des Röhrenstroms nahezu unabhängig gemacht werden kann und daher die Röhrenspannung sehr gut reproduzierbar ist und konstant gehalten werden kann. Gegenüber den ebenfalls bekannten sogenannten Gleichspannungsgeneratoren, bei denen eine mit Netzfrequenz transformierte und gleichgerichtete Hochspannung mit Hilfe von Trioden fein geregelt wird, haben die Hochfrequenzgeneratoren den Vorteil eines relativ kleinen Bauvolumens und niedrigerer Herstellungskosten. Diese Vorteile sind der Grund für den bevorzugten Einsatz solcher Schaltungsanordnungen in den heutigen Röntgengeneratoren.Modern generators often have circuit arrangements of the type mentioned for generating an X-ray tube voltage. Since the mains frequency is first rectified and then converted back into a high-frequency AC voltage, which is finally transformed to the desired voltage, such generators are also referred to as high-frequency generators. Compared with conventional generators, in which the high voltage is first transformed with the present network frequency, then rectified and finally fed to the X-ray tube, such a circuit arrangement has the advantage that they are made almost independent by a fast control loop of changes in both the mains voltage and the tube current can and therefore the tube voltage is very well reproducible and can be kept constant. Compared to the well-known so-called DC voltage generators, in which a transformed with mains frequency and rectified high voltage is finely controlled by means of triodes, the high-frequency generators have the advantage of a relatively small volume and lower manufacturing costs. These advantages are the reason for the preferred use of such circuitry in today's X-ray generators.
Die Schaltungsanordnungen müssen hierbei so dimensioniert sein, dass sie über einem sehr großen Spannungsbereich eine konstante Leistung zur Verfügung stellen. Üblicherweise reicht der bei Röntgenröhren in der medizinischen Diagnostik genutzte Spannungsbereich von 40 kV bis 150 kV. Um über diesen Bereich eine konstante Leistung abzugeben, muss der Strom bei dem untersten Spannungswert von 40 kV nahezu viermal so hoch sein wie bei einer Einstellung am obersten Grenzbereich von 150 kV.The circuit arrangements must in this case be dimensioned such that they provide a constant power over a very large voltage range. The voltage range used in medical diagnostics for x-ray tubes usually ranges from 40 kV to 150 kV. In order to deliver constant power over this range, the current at the lowest voltage level of 40 kV must be nearly four times as high as at the upper limit of 150 kV.
Der Hochspannungserzeuger muss dabei in seinem Übersetzungsverhältnis so gewählt werden, dass die höchste geforderte Röhrenspannung bei einer durch die zur Verfügung stehende Netzspannung gegebenen Zwischenkreisspannung erreicht wird. Das Übersetzungsverhältnis des Hochspannungserzeugers wird bei solchen Röntgengeneratoren üblicherweise als das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Hochspannungserzeugers definiert. In der Regel besteht der Hochspannungserzeuger im Wesentlichen aus einem Transformator und einer nachgeschalteten Gleichricht- und Glättungsschaltung. Wird davon ausgegangen, dass die effektive Spannung nahe der Wechselrichterschaltung in etwa der Zwischenkreisspannung entspricht und dass der Hochspannungserzeuger so ausgeführt ist, dass durch eine geeignete, dem Transformator nachgeschaltete Gleichrichterschaltung eine Spannungsverdopplung erreicht wird, so ergibt sich für das Übersetzungsverhältnis ü des Transformators des Hochspannungserzeugers: wobei Udc die gleichgerichtete Zwischenkreisspannung und Ut die an der Röntgenröhre anliegende, gleichgerichtete Hochspannung ist.The high voltage generator must be chosen in its transmission ratio so that the highest required tube voltage is achieved at a given by the available mains voltage DC link voltage. The transmission ratio of the high voltage generator is usually defined in such X-ray generators as the ratio of the output voltage to the input voltage of the high voltage generator. In general, the high voltage generator consists essentially of a transformer and a downstream rectifying and smoothing circuit. If it is assumed that the effective voltage close to the inverter circuit corresponds approximately to the intermediate circuit voltage and that the high voltage generator is designed such that a voltage doubler is achieved by a suitable rectifier circuit connected downstream of the transformer, the transmission ratio ü of the transformer of the high voltage generator results: where U dc is the rectified DC link voltage and U t is the rectified high voltage applied to the X-ray tube.
Bei einem gewünschten Röhrenstrom It ist damit folglich die mittlere Strombelastung IavgWR für die Primärseite des Hochspannungserzeugers und für die davor geschaltete Wechselrichterschaltung
Daraus ist ersichtlich, dass bei einer konstanten Ausgangsleistung Pt = Ut·Itder Schaltungsanordnung der Wechselrichter mit einem hohen Strom belastet ist, und zwar insbesondere dann, wenn die Röntgenröhrenspannung Ut relativ niedrig eingestellt ist. Dies hat zur Folge, dass der Wechselrichter mit seinen passiven Bauteilen und Leistungshalbleitern sowie der Zwischenkreis und der Hochspannungserzeuger für diese Ströme ausgelegt werden müssen. Neben höheren Kosten für die Bauteile führt dies dazu, dass neben der Wirkleistung auch viel Blindleistung im Wechselrichter und Transformator verarbeitet wird.It can be seen that at a constant output power P t = U t · I t of the circuit arrangement of the inverter is loaded with a high current, in particular when the X-ray tube voltage U t is set relatively low. As a result, the inverter with its passive components and power semiconductors as well as the intermediate circuit and the high voltage generator must be designed for these currents. In addition to higher costs for the components, this leads to the fact that in addition to the active power and much reactive power in the inverter and transformer is processed.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu dem genannten Stand der Technik zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet. It is therefore an object of the present invention to provide an alternative to the cited prior art, which avoids these disadvantages.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Schaltungsanordnung und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst.According to the invention, the stated object is achieved with the circuit arrangement and the method of the independent claims.
Die Erfindung beansprucht eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Netzeingangsschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung, mit einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung und mit einem Hochspannungserzeuger, der die hochfrequente Wechselspannung in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt, wobei der Hochspannungserzeuger einen Transformator und einen zur Sekundärwicklung des Transformators parallel geschalteten Hochspannungskondensator aufweist, der zusammen mit der Induktivität der Sekundärwicklung einen Schwingkreis bildet, der im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 50 kHz seine Resonanzfrequenz hat. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die vorhandene parasitäre Wicklungskapazität des Transformators gegebenenfalls durch einen zusätzlichen Kondensator soweit vergrößert wird, dass sie als Bauelement nutzbringend zur Spannungserhöhung einer Hochspannungsquelle verwendet werden kann. Dadurch kann der Wechselrichter für kleinere Ströme ausgelegt werden. Ebenfalls werden die Übertragungsleistungen zwischen Wechselrichter und Transformator entlastet.The invention claims a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage with a mains input circuit for generating a DC link voltage, with an inverter circuit for converting the DC link voltage into a high-frequency AC voltage and with a high voltage generator, which converts the high-frequency AC voltage into a high voltage for the X-ray tube, wherein the high voltage generator is a transformer and has a parallel to the secondary winding of the transformer high voltage capacitor, which forms a resonant circuit together with the inductance of the secondary winding, which has its resonant frequency in the frequency range between 10 kHz and 50 kHz. The invention has the advantage that the existing parasitic winding capacitance of the transformer is optionally increased by an additional capacitor so far that it can be used as a useful element for increasing the voltage of a high voltage source. This allows the inverter to be designed for smaller currents. Also, the transmission power between the inverter and transformer are relieved.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Kapazität des Hochspannungskondensators derart gewählt sein, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre bei der Resonanzfrequenz der Wechselspannung die Spannung an der Röntgenröhre sich mindestens verdoppelt.In one development of the invention, the capacitance of the high-voltage capacitor can be selected such that at a predeterminable operating point of the x-ray tube at the resonant frequency of the alternating voltage, the voltage at the x-ray tube at least doubles.
Die Erfindung beansprucht auch eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Netzeingangsschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung, einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung und einem Hochspannungserzeuger, der die hochfrequente Wechselspannung in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt, wobei der Hochspannungserzeuger einen Transformator und einen zur Primärwicklung des Transformators parallel geschalteten Schwingkreiskondensator und einen zur Primärwicklung und dem Schwingkreiskondensator in Reihe geschaltete Schwingkreisspule aufweist, die einen Schwingkreis bildet, der im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz seine Resonanzfrequenz hat.The invention also claims a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage with a mains input circuit for generating a DC link voltage, an inverter circuit for converting the DC link voltage into a high-frequency AC voltage and a high voltage generator, which converts the high-frequency AC voltage into a high voltage for the X-ray tube, wherein the high voltage generator comprises a transformer and a resonant circuit capacitor connected in parallel with the primary winding of the transformer and a resonant circuit coil connected in series with the primary winding and the resonant circuit capacitor, which forms a resonant circuit having its resonant frequency in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz.
In einer weiteren Ausführungsform können die Kapazität des Schwingkreiskondensators und die Induktivität der Schwingkreisspule derart gewählt sein, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre bei der Resonanzfrequenz der Wechselspannung die Spannung an der Röntgenröhre sich mindestens verdoppelt.In a further embodiment, the capacitance of the resonant circuit capacitor and the inductance of the resonant circuit coil can be selected such that at a predeterminable operating point of the x-ray tube at the resonant frequency of the AC voltage, the voltage at the x-ray tube at least doubles.
Die Erfindung beansprucht auch einen Röntgengenerator mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.The invention also claims an X-ray generator with a circuit arrangement according to the invention.
Die Erfindung beansprucht auch eine Röntgeneinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Röntgengenerator.The invention also claims an X-ray device with an X-ray generator according to the invention.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung, bei dem aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreisspannung erzeugt und aus der Zwischenkreisspannung eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt wird, die mit einem Hochspannungserzeuger mit einem Transformator in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umgewandelt wird, wobei ein zur Sekundärwicklung des Transformators parallel geschalteter Hochspannungskondensator zusammen mit der Induktivität der Sekundärwicklung im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz in Resonanz gebracht wird.The invention also claims a method for generating an X-ray tube voltage in which generates a DC link voltage from a mains input voltage and from the DC link voltage, a high-frequency AC voltage is converted with a high voltage generator with a transformer in a high voltage for the X-ray tube, one to the secondary winding of the Transformer parallel-connected high voltage capacitor is brought together with the inductance of the secondary winding in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz in resonance.
Die Erfindung beansprucht des Weiteren auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung, bei dem aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreisspannung erzeugt und aus der Zwischenkreisspannung eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt wird, die mit einem Hochspannungserzeuger mit einem Transformator in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umgewandelt wird, wobei ein zur Primärwicklung des Transformators parallel geschalteter Schwingkreiskondensator zusammen mit einer zur Primärwicklung und zum Schwingkreiskondensator in Reihe geschalteten Schwingkreisspule im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz in Resonanz gebracht werden.The invention further claims a method for generating an X-ray tube voltage in which generates a DC link voltage from a mains input voltage and from the DC link voltage, a high-frequency AC voltage is converted with a high voltage generator with a transformer in a high voltage for the X-ray tube, wherein a Primary winding of the transformer connected in parallel resonant circuit capacitor together with a primary coil and the resonant circuit capacitor in series resonant circuit coil in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz are brought into resonance.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre bei der Resonanzfrequenz die Spannung an der Röntgenröhre mindestens verdoppelt werden.In a further embodiment of the method, at a predeterminable operating point of the x-ray tube at the resonance frequency, the voltage at the x-ray tube can be at least doubled.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich. Other features and advantages of the invention will become apparent from the following explanations of several embodiments with reference to schematic drawings.
Es zeigen:Show it:
Hierzu gehört netzeingangsseitig eine Netzeingangsschaltung
Die am Ausgang der Wechselrichterschaltung
Eine Regelung erfolgt üblicherweise derart, dass der an der Röntgenröhre
Der Transformator muss in seinem Übersetzungsverhältnis ü so gewählt werden, dass bei einer durch die letztlich aus dem Netz vorgegebene Zwischenkreisspannung Udc die höchste geforderte Röhrenspannung Uhv erreicht wird. Sofern die Gleichricht- und Glättungseinrichtung
Im folgenden Rechenbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Spannungsversorgung der Röntgenröhre
Wird weiterhin davon ausgegangen, dass als gleichgerichtete Zwischenkreisspannung Udc = 500 V zur Verfügung stehen, ergibt sich aus Gleichung (1) für das erforderliche Übersetzungsverhältnis ü des Transformators
Nur mit diesem Übersetzungsverhältnis ü kann bei der gegebenen Eingangsspannung die maximale Röntgenröhrenspannung von 160 kV erreicht werden.Only with this transmission ratio ü can be achieved at the given input voltage, the maximum X-ray tube voltage of 160 kV.
Gemäß Gleichung (2) ergibt sich bei dem Übersetzungsverhältnis ü = 160 und bei einem maximalen Strom Itmax = 1 A an der Röntgenröhre für die maximale Strombelastung IavgWR auf der Primärseite des Transformators und des Wechselrichters:
Wird der Serienschwingkreis bei oder in der nähe seiner Resonanzfrequenz betrieben, verhält er sich wie eine Konstantleistungsquelle. Durch die entsprechende Dimensionierung des Schwingreises kann die Röhrenspannung Uhv höher als die Sekundärspannung des Transformators
Die Lastkennlinie A zeigt das Spannungsverhältnis s für einen Röhrenstrom von 0,5 A. Die Resonanzfrequenz des durch den Röhrenwiderstand bedämpften Schwingkreis ist etwa 35 kHz. Die Spannungsüberhöhung bei der Resonanzfrequenz beträgt mehr als das zweifache. Über eine Variation der Ansteuerfrequenz des Wechselrichters kann die Röhrenspannung entlang der Lastkennlinie A auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Es ist auch möglich, den Wechselrichter mit der Resonanzfrequenz anzusteuern und die Spannungsregelung über eine Pulsweitenmodulation bzw. Phasenverschiebung zu realisieren.The load characteristic A shows the voltage ratio s for a tube current of 0.5 A. The resonant frequency of the resonant circuit damped by the tube resistance is about 35 kHz. The voltage overshoot at the resonant frequency is more than twice. Via a variation of the drive frequency of the inverter, the tube voltage along the load characteristic A can be set to the desired value. It is also possible to control the inverter with the resonance frequency and to realize the voltage regulation via a pulse width modulation or phase shift.
Die Lastkennlinie B in der
Bevorzugt wird die Erfindung bei Röntgengeneratoren und Röntgeneinrichtungen verwendet.The invention is preferably used in X-ray generators and X-ray devices.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- NetzeingangsschaltungPower input circuit
- 22
- WechselrichterschaltungInverter circuit
- 33
- Transformatortransformer
- 44
- Gleichricht- und GlättungseinrichtungRectification and smoothing device
- 55
- RöntgenröhreX-ray tube
- 66
- HochspannungserzeugerHigh voltage generator
- 77
- HochspannungskondensatorHigh voltage capacitor
- 88th
- SchwingkreiskondensatorResonant circuit capacitor
- 99
- SchwingkreisspuleResonant circuit coil
- AA
- LastkennlinieLoad line
- BB
- LastkennlinieLoad line
- CC
- LastkennlinieLoad line
- ff
- WechselspannungsfrequenzAC frequency
- ss
- Spannungsverhältnistension
- Uac U ac
- Hochfrequente WechselspannungHigh-frequency AC voltage
- Udc U dc
- ZwischenkreisgleichspannungIntermediate circuit voltage
- Uhv U hv
- Röhrenspannungtube voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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