DE102011005446A1 - Circuit arrangement with inverter for powering an X-ray tube and associated method - Google Patents

Circuit arrangement with inverter for powering an X-ray tube and associated method Download PDF

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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:

Figure 00020001
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:
Figure 00020001
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 IavgWR = It·2·ü (2) Consequently, for a desired tube current I t , the average current load I avgWR is for the primary side of the high-voltage generator and for the inverter circuit connected upstream I avgWR = I t · 2 · ü (2)

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:

1: ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung gemäß Stand der Technik, 1 FIG. 1 is a block diagram of a high voltage generating circuit according to the prior art;

2: ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung mit einem sekundärseitigen Hochspannungskondensator, 2 FIG. 2 is a block diagram of a high voltage generating circuit including a secondary high voltage capacitor.

3: ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hochspannung mit einem primärseitigen Schwingkreiskondensator und einer primärseitigen Schwingkreisspule, 3 FIG. 2 is a block diagram of a circuit arrangement for generating a high voltage with a primary-side resonant circuit capacitor and a primary-side resonant circuit coil;

4: ein Diagramm der Röhrenspannung in Abhängigkeit der Wechselrichterfrequenz für unterschiedliche Röhrenströme, 4 FIG. 2: a diagram of the tube voltage as a function of the inverter frequency for different tube currents, FIG.

5: ein Blockschaltbild eines Hochspannungserzeugers und 5 a block diagram of a high voltage generator and

6: ein Blockschaltbild eines weiteren Hochspannungserzeugers. 6 : a block diagram of another high voltage generator.

1 zeigt in einem Blockschaltbild die typischen Komponenten und ihre Verschaltung eines Hochfrequenz-Röntgengenerators zur Erzeugung der Hochspannung für eine Röntgenröhre gemäß Stand der Technik, wie beispielsweise in der DE 10227841 A1 angegeben. 1 shows in a block diagram the typical components and their interconnection of a high-frequency X-ray generator for generating the high voltage for an X-ray tube according to the prior art, such as in DE 10227841 A1 specified.

Hierzu gehört netzeingangsseitig eine Netzeingangsschaltung 1, die aus der zwei- oder dreiphasigen Eingangsspannung eine gleichgerichtete Zwischenkreisspannung Udc erzeugt. Diese gleichgerichtete Zwischenkreisspannung Udc wird dann auf den Eingang einer Wechselrichterschaltung 2 gegeben, welche die Zwischenkreisspannung Udc in eine hochfrequente Wechselspannung umwandelt. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Rechteckwechselrichter gezeigt. Anstelle eines solchen Rechteckwechselrichters werden oft auch Schwingkreiswechselrichter eingesetzt.For this purpose, a network input circuit belongs on the input side 1 , which generates a rectified intermediate circuit voltage U dc from the two- or three-phase input voltage. This rectified DC link voltage U dc is then applied to the input of an inverter circuit 2 given, which converts the intermediate circuit voltage U dc into a high-frequency AC voltage. In the in 1 illustrated embodiment, a rectangular inverter is shown. Instead of such a rectangular inverter, resonant circuit inverters are often used.

Die am Ausgang der Wechselrichterschaltung 2 vorliegende, hochfrequente Wechselspannung wird dann an einen Hochspannungserzeuger 6 weitergeleitet, der im Wesentlichen aus einem Transformator 3 und einer dem Transformator 3 sekundärseitig angeschalteten Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 besteht. Die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 ist häufig als Verdopplerschaltung ausgeführt. Die am Ausgang des Hochspannungserzeugers 6 anliegende, gleichgerichtete Hochspannung Uhv wird dann an die Röntgenröhre 5 angelegt.The at the output of the inverter circuit 2 present high-frequency AC voltage is then to a high voltage generator 6 relayed, essentially from a transformer 3 and one to the transformer 3 secondary rectifier and rectifier 4 consists. The rectifying and smoothing device 4 is often designed as a doubler circuit. The at the output of the high voltage generator 6 adjacent, rectified high voltage U hv is then applied to the x-ray tube 5 created.

Eine Regelung erfolgt üblicherweise derart, dass der an der Röntgenröhre 5 anliegende Wert der Hochspannung Uhv als Ist-wert einem Regler (nicht dargestellt) zugeführt wird, dort mit einem vom Bediener des Röntgengeräts vorgegebenen Spannungssollwert verglichen wird und entsprechend ein Korrekturwert erzeugt wird, der beispielsweise als Stellgröße an die Wechselrichterschaltung gegeben wird, so dass dort entsprechend die Frequenz und damit letztlich die Hochspannung in der gewünschten Weise verändert wird.A control is usually such that the at the X-ray tube 5 applied value of the high voltage U hv as an actual value to a controller (not shown) is supplied there compared with a predetermined by the operator of the X-ray voltage setpoint and correspondingly a correction value is generated, which is given for example as a control variable to the inverter circuit, so that there according to the frequency and thus ultimately the high voltage is changed in the desired manner.

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 4 als Verdopplerschaltung ausgebildet ist, ist das notwendige Übersetzungsverhältnis ü durch die eingangs genannte Gleichung (1) gegeben.The transformer must be selected in its transmission ratio ü so that the highest required tube voltage U hv is achieved at a given by the network intermediate circuit voltage U dc . Unless the rectifying and smoothing device 4 is formed as a doubler circuit, the necessary gear ratio ü by the above-mentioned equation (1) is given.

Im folgenden Rechenbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Spannungsversorgung der Röntgenröhre 5 über einen Spannungsbereich zwischen 40 und 160 kV eine konstante Leistung von 40 kW zur Verfügung stellen muss. Bei 40 kV beträgt dann der maximale Strom Itmax, der an der Röntgenröhre zur Verfügung stehen muss 1 A.In the following calculation example it is assumed that the power supply of the X-ray tube 5 over a voltage range between 40 and 160 kV must provide a constant power of 40 kW. At 40 kV then the maximum current I tmax , which must be available at the X-ray tube 1 A.

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 3:

Figure 00080001
If it is further assumed that U dc = 500 V are available as a rectified intermediate circuit voltage , equation (1) results for the required transformation ratio u of the transformer 3 :
Figure 00080001

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: IavgWRmax = Itmax – 2·ü = 1 A·2·160 = 320 A (4) Gleichung (4) zeigt, dass beim maximalen Röhrenstrom der Wechselrichterschaltung 2 ein sehr hoher Strom entnommen werden muss. Um den maximalen Stormbedarf zu reduzieren, muss daher das Übersetzungsverhältnis ü reduziert werden. Dies gelingt durch die erfindungsgemäße Anordnung wie in 2 dargestellt.According to equation (2), at the transmission ratio u = 160 and at a maximum current I tmax = 1 A at the X-ray tube for the maximum current load I avgWR on the primary side of the transformer and the inverter: I avgWRmax = I tmax - 2 · ü = 1 A · 2 · 160 = 320 A (4) Equation (4) shows that at the maximum tube current of the inverter circuit 2 a very high current must be taken. In order to reduce the maximum Stormbedarf, therefore, the transmission ratio ü must be reduced. This is achieved by the arrangement according to the invention as in 2 shown.

2 zeigt ein Blockschaltbild wie in 1 beschrieben. Zusätzlich ist in dem Hochspannungserzeuger 6 zur Sekundärwicklung des Transformators 3 ein Hochspannungskondensator 7 parallel und in Serie zur Primärwicklung ein Schwingkreiskondensator 8 geschaltet. Der Hochspannungskondensator 7 und der Schwingkreiskondensator 8 bilden mit der Streuinduktivität des Transformators 3 einen Serienschwingkreis. Die Kapazität des Hochspannungskondensators 7 wird so gewählt, dass die Resonanzfrequenz des Schwingreises für Röhrenströme zwischen 0,5 und 1 A im Bereich 10 kHz bis 500 kHz liegt. Alternativ kann die parasitäre Kapazität des Transformators 3 durch bauliche Maßnahmen vergrößert werden. 2 shows a block diagram as in 1 described. In addition, in the high voltage generator 6 to the secondary winding of the transformer 3 a high voltage capacitor 7 parallel and in series with the primary winding a resonant circuit capacitor 8th connected. The high voltage capacitor 7 and the resonant circuit capacitor 8th form with the stray inductance of the transformer 3 a series resonant circuit. The capacity of the high voltage capacitor 7 is chosen so that the resonant frequency of the oscillating tube for tube currents between 0.5 and 1 A in the range 10 kHz to 500 kHz. Alternatively, the parasitic capacitance of the transformer 3 be enlarged by structural measures.

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 3 sein. Dies kann nun dafür genutzt werden, bei geringeren Röhrenströmen eine höhere Röhrenspannung Uhv zu erzielen. Dadurch kann ein kleineres Übersetzungsverhältnis ü des Transformators 3 gewählt werden, wodurch der Strom in der Wechselrichterschaltung 2 wesentlich reduziert wird. Wie aus 4 abzulesen ist, kann eine Verdoppelung der Spannung erreicht werden, wodurch das Übersetzugsverhältnis u halbiert werden kann. Dies bedeutet nach Gleichung (4) eine Halbierung der maximalen Strombelastung IavgWR des Wechselrichters 2. Die erforderliche Kapazität des Hochspannungskondensators beträgt etwa 100 pF. Sie ist einer immer vorhandenen Streukapazität des Transformators 3 parallel geschaltet.When the resonant circuit is operated at or near its resonant frequency, it behaves like a constant power source. By appropriate dimensioning of the oscillating circuit, the tube voltage U hv higher than the secondary voltage of the transformer 3 be. This can now be used to achieve a higher tube voltage U hv at lower tube currents . This allows a smaller transmission ratio ü of the transformer 3 be selected, reducing the current in the inverter circuit 2 is significantly reduced. How out 4 can be read, a doubling of the voltage can be achieved, whereby the Übersetzungsugsverhältnis u can be halved. This means according to equation (4) halving the maximum current load I avgWR of the inverter 2 , The required capacity of the high voltage capacitor is about 100 pF. It is an always existing stray capacitance of the transformer 3 connected in parallel.

3 zeigt ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform zu 2. Anstelle des parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 3 geschalteten Hochspannungskondensators 7 in 2 wird auf der Primärseite des Transformators 3 ein Schwingkreis ausgebildet, der seine Resonanzfrequenz für Röhrenströme zwischen 0,5 A und 1 A im Bereich 10 kHz bis 500 kHz hat. Dazu wird ein Schwingkreiskondensator 8 parallel zur Primärwicklung des Transformators 3 geschaltet. Zusätzlich wird in Reihe zu der Primärwicklung und dem Schwingkreiskondensator 8 eine Schwingkreisspule 9 eingefügt. Diese Ausführungsform erzielt die gleiche erfindungsgemäße Wirkung wie die Ausführungsform nach 2. 3 shows a block diagram of an alternative embodiment 2 , Instead of parallel to the secondary winding of the transformer 3 switched high-voltage capacitor 7 in 2 will be on the primary side of the transformer 3 a resonant circuit is formed, which has its resonant frequency for tube currents between 0.5 A and 1 A in the range 10 kHz to 500 kHz. For this purpose, a resonant circuit capacitor 8th parallel to the primary winding of the transformer 3 connected. In addition, in series with the primary winding and the resonant circuit capacitor 8th a resonant circuit coil 9 inserted. This embodiment achieves the same inventive effect as the embodiment of 2 ,

4 zeigt in Form eines Diagramms die durch den erfindungsgemäßen Schwingkreis in den Schaltungen nach den 2 und 3 verursachte Spannungsüberhöhung in Abhängigkeit der Wechselstromfrequenz f (in kHz) des Wechselrichters für drei verschiedene Arbeitspunkte (Röhrenströme). Die Größe des Röhrenstroms wird bei Röntgenröhren durch die der Kathode zugeführte Heizleistung bestimmt. In y-Richtung ist in 4 das Verhältnis s der Röhrenspannung zur Sekundärspannung des Transformators aufgetragen. 4 shows in the form of a diagram through the resonant circuit according to the invention in the circuits according to the 2 and 3 caused voltage overshoot as a function of the AC frequency f (in kHz) of the inverter for three different operating points (tube currents). The size of the tube current is determined in x-ray tubes by the heating power supplied to the cathode. In y-direction is in 4 the ratio s of the tube voltage applied to the secondary voltage of the transformer.

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 4 zeigt des Verlauf des Spannungsverhältnisses s für einen Röhrenstrom von 0,75 A und die Lastkennlinie C den Verlauf für 1 A Röhrenstrom.The load curve B in the 4 shows the course of the voltage ratio s for a tube current of 0.75 A and the load curve C the course for 1 A tube current.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hochspannungserzeugers 6 ähnlich der Schaltungsanordnung in 2, wobei lediglich keine primärseitige Schwingkreiskapazität vorhanden ist. 5 shows a further embodiment of a high voltage generator 6 similar to the circuit arrangement in 2 , where only no primary-side resonant circuit capacitance is present.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hochspannungserzeugers 6 ähnlich der Schaltungsanordnung in 3, wobei die Serienschaltung der primärseitigen Spule und Kondensator durch eine Parallelschaltung eines Schwingkreiskondensators 8 und eine Schwingkreisspule 9 ersetzt wurden. 6 shows a further embodiment of a high voltage generator 6 similar to the circuit arrangement in 3 , wherein the series connection of the primary-side coil and capacitor by a parallel circuit of a resonant circuit capacitor 8th and a resonant circuit coil 9 have been replaced.

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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Claims (9)

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Uhv) mit – einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (Udc), – einer 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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.Circuit arrangement for generating an x-ray tube voltage (U hv ) with - a network input circuit ( 1 ) for generating an intermediate circuit voltage (U dc ), - an inverter circuit ( 2 ) for converting the intermediate circuit voltage (U dc ) into a high-frequency alternating voltage (U ac ), - and a high-voltage generator ( 6 ), which converts the high-frequency ac voltage (U ac ) into a high voltage (U hv ) for the x-ray tube ( 5 ), characterized in that the high voltage generator ( 6 ) a transformer ( 3 ) and one to the secondary winding of the transformer ( 3 ) parallel-connected high-voltage capacitor ( 7 ), which together with the inductance of the secondary winding forms a resonant circuit which has its resonance frequency in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Hochspannungskondensators (7) derart ist, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre (5) bei der Resonanzfrequenz der Wechselspannung die Spannung (Uhv) an der Röntgenröhre (5) sich mindestens verdoppelt.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the capacitance of the high-voltage capacitor ( 7 ) is such that at a predeterminable operating point of the x-ray tube ( 5 ) at the resonant frequency of the AC voltage, the voltage (U hv ) at the X-ray tube ( 5 ) At least doubled. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Uhv) mit – einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (Udc), – einer 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungserzeuger (6) einen Transformator (3) und einen zur Primärwicklung des Transformators (3) parallel geschalteten Schwingkreiskondensator (8) und einen zur Primärwicklung und dem Schwingkreiskondensator (8) in Reihe geschaltete Schwingkreisspule (9) aufweist, die einen Schwingkreis bildet, der im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz seine Resonanzfrequenz hat.Circuit arrangement for generating an x-ray tube voltage (U hv ) with - a network input circuit ( 1 ) for generating an intermediate circuit voltage (U dc ), - an inverter circuit ( 2 ) for converting the intermediate circuit voltage (U dc ) into a high-frequency alternating voltage (U ac ), - and a high-voltage generator ( 6 ), which converts the high-frequency ac voltage (U ac ) into a high voltage (U hv ) for the x-ray tube ( 5 ), characterized in that the high voltage generator ( 6 ) a transformer ( 3 ) and one to the primary winding of the transformer ( 3 ) resonant circuit capacitor connected in parallel ( 8th ) and one to the primary winding and the resonant circuit capacitor ( 8th ) in series resonant circuit coil ( 9 ), which forms a resonant circuit, which has its resonance frequency in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Schwingkreiskondensators (8) und die Induktivität der Schwingkreisspule (9) derart sind, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre (5) bei der Resonanzfrequenz der Wechselspannung die Spannung (Uhv) an der Röntgenröhre (5) sich mindestens verdoppelt.Circuit arrangement according to Claim 3, characterized in that the capacitance of the resonant circuit capacitor ( 8th ) and the inductance of the oscillating circuit coil ( 9 ) are such that at a predeterminable operating point of the x-ray tube ( 5 ) at the resonant frequency of the AC voltage, the voltage (U hv ) at the X-ray tube ( 5 ) At least doubled. Röntgengenerator mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.X-ray generator with a circuit arrangement according to one of claims 1 to 4. Röntgeneinrichtung mit einem Röntgengenerator nach Anspruch 5.X-ray device with an X-ray generator according to claim 5. Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Uhv), bei dem aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreisspannung (Udc) erzeugt und aus der Zwischenkreisspannung (Udc) eine hochfrequente Wechselspannung (Uac) erzeugt wird, die mit einem Hochspannungserzeuger (6) mit einem Transformator (3) in eine Hochspannung (Uhv) für die Röntgenröhre (5) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Sekundärwicklung des Transformators (3) parallel geschalteter Hochspannungskondensator (7) zusammen mit der Induktivität der Sekundärwicklung im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz in Resonanz gebracht wird.Method for generating an x-ray tube voltage (U hv ) in which a DC link voltage (U dc ) is generated from a mains input voltage and a high-frequency AC voltage (U ac ) is generated from the intermediate circuit voltage (U dc ) which is connected to a high-voltage generator ( 6 ) with a transformer ( 3 ) into a high voltage (U hv ) for the X-ray tube ( 5 ), characterized in that one to the secondary winding of the transformer ( 3 ) parallel-connected high-voltage capacitor ( 7 ) is resonated together with the inductance of the secondary winding in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz. Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Uhv), bei dem aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreisspannung (Udc) erzeugt und aus der Zwischenkreisspannung (Udc) eine hochfrequente Wechselspannung (Uac) erzeugt wird, die mit einem Hochspannungserzeuger (6) mit einem Transformator (3) in eine Hochspannung (Uhv) für die Röntgenröhre (5) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Primärwicklung des Transformators (3) parallel geschalteter Schwingkreiskondensator (8) zusammen mit einer zur Primärwicklung und zum Schwingkreiskondensator (8) in Reihe geschalteten Schwingkreisspule (9) im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz in Resonanz gebracht werden.Method for generating an x-ray tube voltage (U hv ) in which a DC link voltage (U dc ) is generated from a mains input voltage and a high-frequency AC voltage (U ac ) is generated from the intermediate circuit voltage (U dc ) which is connected to a high-voltage generator ( 6 ) with a transformer ( 3 ) into a high voltage (U hv ) for the X-ray tube ( 5 ), characterized in that one to the primary winding of the transformer ( 3 ) parallel resonant circuit capacitor ( 8th ) together with one to the primary winding and the resonant circuit capacitor ( 8th ) in series resonant circuit coil ( 9 ) are resonated in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre (5) bei der Resonanzfrequenz die Spannung (Uhv) an der Röntgenröhre (5) mindestens verdoppelt wird.A method according to claim 7 or 8, characterized in that at a predeterminable operating point of the x-ray tube ( 5 ) at the resonant frequency the voltage (U hv ) at the X-ray tube ( 5 ) is at least doubled.
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