DE102019130602A1 - Island network power supply for a CT scanner - Google Patents
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Abstract
Eine Stromversorgung für Röntgenröhren eines CT-Scanners umfasst eine Inverterschaltung und eine Filterschaltung. Die Inverterschaltung umfasst vier Halbleiter, die eine Vollbrücke bilden. Die Filterschaltung umfasst zwei Serienspulen der ersten Filterstufe, einen parallelen Kondensator einer ersten Filterstufe und einen Saugkreis umfassend eine Serienresonanzschaltung einer Spule und eines Kondensators. Der Filter umfasst weiterhin eine erste Gleichtaktdrossel und einen Ausgangsfilter.A power supply for X-ray tubes of a CT scanner comprises an inverter circuit and a filter circuit. The inverter circuit comprises four semiconductors that form a full bridge. The filter circuit comprises two series coils of the first filter stage, a parallel capacitor of a first filter stage and a suction circuit comprising a series resonance circuit of a coil and a capacitor. The filter further comprises a first common mode choke and an output filter.
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf Computertomographie-Scanner (CT-Scanner) und eine Stromversorgung für solche CT-Scanner. In CT-Scannern werden Röntgenröhren mit vergleichsweise hoher Leistung eingesetzt. Eine verbesserte Stromversorgung stellt eine Versorgungsspannung an solche Röntgenröhren bereit.The invention relates to computed tomography scanners (CT scanners) and a power supply for such CT scanners. X-ray tubes with a comparatively high output are used in CT scanners. An improved power supply provides a supply voltage to such X-ray tubes.
Stand der TechnikState of the art
Ein drehbarer Transformator für CT-Scanner ist in der
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgung für CT-Scanner mit einem Inverter bereitzustellen, um eine Last wie eine Röntgenröhre zu speisen, jedoch ohne einen Trenntransformator zu benötigen.The invention has for its object to provide a power supply for CT scanners with an inverter to feed a load such as an X-ray tube, but without the need for an isolating transformer.
Lösungen des Problems werden in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Verbesserungen der Erfindung.Solutions to the problem are described in the independent claims. The dependent claims relate to further improvements of the invention.
Die meisten Inverter stellen ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal bereit. Solch ein PWM-Signal hat höhere Frequenzkomponenten, die elektromagnetische Interferenz verursachen können und daher in einer CT-Scanner-Umgebung unerwünscht sind. Die Entfernung dieser hohen Frequenzkomponenten erfordert ein Filtern. Eine breite Auswahl an Invertern ist auf dem Markt für Motorsteuerungsanwendungen erhältlich. Ein standardmäßiger elektrischer Motor hat eine vergleichsweise hohe Induktivität, was Hochfrequenzströme blockiert. Daher kann in den meisten Motorsteuerungsanwendungen ein einfacher Inverter direkt mit einem Motor ohne weiteren Filter verbunden werden.Most inverters provide a pulse width modulated (PWM) signal. Such a PWM signal has higher frequency components that can cause electromagnetic interference and are therefore undesirable in a CT scanner environment. The removal of these high frequency components requires filtering. A wide range of inverters are available in the motor control application market. A standard electric motor has a comparatively high inductance, which blocks high-frequency currents. Therefore, in most motor control applications, a simple inverter can be connected directly to a motor without an additional filter.
Eine standardmäßige Stromversorgung für Röntgenröhren, wie sie beispielsweise in einem CT-Scanner verwendet wird, stellt nicht solch eine hohe Induktivität wie ein Motor bereit. Daher ist die Stromversorgung nicht in der Lage, Ströme höherere Frequenzen zu unterdrücken und/oder zu filtern. Weiterhin können elektrische Leitungen zwischen dem Inverter und der Stromversorgung sein, die HF-Signale ausstrahlen können. Demgemäß kann zusätzliches Filtern am Ausgang des Inverters notwendig sein. Dieses Filtern kann mit Standard-Filtern, genannt Sinus-Filter, ausgeführt werden. Diese Filter filtern die Spannung zwischen den Phasenleitungen des Inverters, aber es kann eine Hochfrequenzspannung zwischen den Phasen und der Schutzerde verbleiben. Um dieses Spannungssignal höherer Frequenz abzutrennen und/oder zu unterdrücken, kann ein Trenntransformator verwendet werden. Dieser Trenntransformator kann eine Masse von bis zu 15 Kilogramm für CT-Scanner-Anwendungen haben. Es kann Verluste geben, die Erhitzen des Transformators verursachen, und er ist teuer.A standard X-ray tube power supply, such as that used in a CT scanner, does not provide as high an inductance as a motor. Therefore, the power supply is unable to suppress and / or filter currents at higher frequencies. Furthermore, there can be electrical lines between the inverter and the power supply, which can radiate RF signals. Accordingly, additional filtering at the output of the inverter may be necessary. This filtering can be done with standard filters called sine filters. These filters filter the voltage between the phase lines of the inverter, but a high frequency voltage can remain between the phases and the protective earth. An isolating transformer can be used to separate and / or suppress this higher frequency voltage signal. This isolating transformer can have a mass of up to 15 kilograms for CT scanner applications. There can be losses causing the transformer to heat up and it is expensive.
In einer Ausführungsform sind eine Stromversorgungsschaltung und ein Filter bereitgestellt, die keinen Trenntransformator benötigen. Eine Inverterschaltung, die mehrere Halbleiterschalter umfasst, erzeugt ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal. Es kann zwei, vier, sechs, oder jede andere geeignete Anzahl von Halbleiterschaltern geben, die in einer Zwei-Quadranten- oder Vier-Quadranten-Brückenschaltung, oder einer Drei-Phasen-Brückenschaltung verbunden sein können. Die Halbleiterschalter können Leistungs-MOSFETs oder IGBTs sein. Die Halbleiterschalter sind der Kern des Inverters, auch Frequenzumrichterstufe genannt. Sie werden mit Gleichstrom versorgt, der von einer Wechselstromquelle durch einen Gleichrichter, welcher ein Brückengleichrichter sein kann, erzeugt werden kann. Alternativ kann eine Gleichstromquelle bereitgestellt werden. Solch eine Gleichstromquelle kann eine Wechselstrom- Netzleitung sein, die mit einem Gleichrichter verbunden ist, welcher ein Brückengleichrichter oder ein Drei-Phasen-Brückengleichrichter sein kann. Vorzugsweise ist mindestens ein Glättungskondensator an den mit den Halbleiterschaltern verbundenen Stromversorgungsleitungen bereitgestellt. Es können weitere Filterkondensatoren zum Filtern der HF-Signalkomponenten vorhanden sein, die entweder zwischen den Eingangsstromleitungen mit den Halbleiterschaltern, oder von den Eingangsstromleitungen mit einer Schutzerde verbunden sein können. Die Eingangsstromleitungen können eine positive Stromleitung und eine negative Stromleitung umfassen. Weiterhin ist eine Schutzerde bereitgestellt, die mit dem Chassis oder dem Gehäuse des CT-Scanners verbunden ist. Die Halbleiterschalter können von einer Treiberschaltung betrieben werden, welche mit den Gates der einzelnen Halbleiterschalter verbunden sein können und welche die Schalter zum Ein- und Ausschalten steuern können. Die Treiberschaltung kann eine Steuerschaltung umfassen, die weiterhin einen geschlossenen Regelkreis umfassen kann, zum Steuern von zumindest einem von der Ausgangsfrequenz, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom der Inverterschaltung oder der Stromversorgung. Die Treiberschaltung kann ebenso einen Pulsweitenmodulator umfassen, der PWM-Steuersignale für die Halbleiterschalter bildet.In one embodiment, a power supply circuit and a filter are provided that do not require an isolation transformer. An inverter circuit, which comprises a plurality of semiconductor switches, generates a pulse-width-modulated output signal. There can be two, four, six, or any other suitable number of semiconductor switches that can be connected in a two-quadrant or four-quadrant bridge circuit, or a three-phase bridge circuit. The semiconductor switches can be power MOSFETs or IGBTs. The semiconductor switches are the core of the inverter, also called the frequency converter stage. They are supplied with direct current, which can be generated from an alternating current source by a rectifier, which can be a bridge rectifier. Alternatively, a DC power source can be provided. Such a DC power source can be an AC power line connected to a rectifier, which can be a bridge rectifier or a three-phase bridge rectifier. At least one smoothing capacitor is preferably provided on the power supply lines connected to the semiconductor switches. There may be further filter capacitors for filtering the RF signal components, which can either be connected to the semiconductor switches between the input current lines or to a protective earth from the input current lines. The input power lines may include a positive power line and a negative power line. Protective earth is also provided, which is connected to the chassis or the housing of the CT scanner. The semiconductor switches can be operated by a driver circuit which can be connected to the gates of the individual semiconductor switches and which can control the switches for switching on and off. The driver circuit may include a control circuit, which may further include a closed loop, for controlling at least one of the output frequency, output voltage, and output current of the inverter circuit or the power supply. The driver circuit can also include a pulse width modulator that forms PWM control signals for the semiconductor switches.
Der Ausgang der Inverterschaltung, welcher auch der Ausgang der Halbleiterschalter ist, ist mit einer Filterschaltung verbunden, die weiterhin mit einer Lastschaltung verbunden ist. Am Eingang der Filterschaltung können erste Spulen der ersten Filterstufe als Serienspulen zu dem Wechselstromleitungen von der Inverterschaltung sein. Diese Spulen der ersten Filterstufe können gefolgt sein von einem parallelen Kondensator der ersten Filterstufe. Dieser kann gefolgt sein von einem Saugkreis, der die Wechselstromleitungen verbindet. Dieser Saugkreis kann eine Serienschaltung einer Induktivität und eines Kondensators umfassen, welche auf die Schaltfrequenz des Inverters eingestellt sein können. Sie kann einen Kurzschluss für unerwünschte Hochfrequenzkomponenten bilden. The output of the inverter circuit, which is also the output of the semiconductor switch, is connected to a filter circuit, which is also connected to a load circuit. At the input of the filter circuit, first coils of the first filter stage can be series coils to the AC lines from the inverter circuit. These coils of the first filter stage can be followed by a parallel capacitor of the first filter stage. This can be followed by a suction circuit that connects the AC lines. This suction circuit can comprise a series connection of an inductor and a capacitor, which can be set to the switching frequency of the inverter. It can form a short circuit for undesired high-frequency components.
Der Saugkreis ist gefolgt von einer ersten Gleichtaktdrossel, welche zwei Wicklungen auf demselben magnetischen Kern umfasst, die in Richtungen gewunden sind, so dass ein differentieller Strom, welcher ein Strom sein kann, der aus der ersten Wechselstromleitung und zurück in die zweite Wechselstromleitung fließt, die magnetischen Felder innerhalb des Kerns kompensiert. Dementsprechend ist die Induktivität der differentiellen Signale niedrig, während die Induktivität der Gleichtaktsignale hoch ist. Daher hat die erste Gleichtaktdrossel einen hohen Filtereffekt auf Gleichtaktsignale. Die erste Gleichtaktdrossel kann einen magnetischen Kern aus Ferritmaterial umfassen. Normalerweise verwenden gewöhnliche Gleichtaktdrosseln verlustbehaftetes Material, um die Verluste bei höheren Frequenzen zu erhöhen. In einer Ausführungsform der ersten Gleichtaktdrossel kann ein Breitbandleistungsferritmaterial verwendet werden, das unter Beachtung der Spannung-Zeit-Bereiche des Signals dimensioniert sein kann.The suction circuit is followed by a first common mode choke that includes two windings on the same magnetic core that are wound in directions so that a differential current, which may be a current that flows from the first AC line and back into the second AC line, that compensated for magnetic fields within the core. Accordingly, the inductance of the differential signals is low, while the inductance of the common mode signals is high. Therefore, the first common mode choke has a high filtering effect on common mode signals. The first common mode choke may include a magnetic core made of ferrite material. Ordinary common mode chokes typically use lossy material to increase losses at higher frequencies. In one embodiment of the first common mode choke, a broadband power ferrite material can be used, which can be dimensioned taking into account the voltage-time ranges of the signal.
Die erste Gleichtaktdrossel kann von einer zweiten Gleichtaktdrossel gefolgt sein, die dieselben grundlegenden Eigenschaften hat. In einer Ausführungsform ist die erste Gleichtaktdrossel zum Filtern von Niederfrequenzkomponenten konfiguriert, während die zweite Gleichtaktdrossel zum Filtern von Hochfrequenzkomponenten konfiguriert ist. Niederfrequenzkomponenten können Komponenten aus den PMW-Modulationsfrequenz sein, während Hochfrequenzkomponenten aus den PWM-Signalflanken sein können. Die Hochfrequenzkomponenten können in einem Frequenzbereich sein, der um den Faktor 10 der mehr höher ist als die Niederfrequenzkomponenten.The first common mode choke may be followed by a second common mode choke that has the same basic properties. In one embodiment, the first common mode choke is configured to filter low frequency components, while the second common mode choke is configured to filter high frequency components. Low frequency components can be components from the PMW modulation frequency, while high frequency components can be from the PWM signal edges. The high frequency components can be in a frequency range that is 10 times higher than the low frequency components.
Entweder die negative Stromleitung oder die positive Stromleitung sind mit der Schutzerde an einem Punkt nahe der Wechselstrom- oder Gleichstromquelle verbunden. Es kann nur eine einzige Verbindung zwischen der negativen Stromleitung oder der positiven Stromleitung mit der Schutzerde geben.Either the negative power line or the positive power line is connected to the protective ground at a point near the AC or DC power source. There can be only one connection between the negative power line or the positive power line with the protective earth.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
-
1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform.
-
1 shows a circuit diagram of a first embodiment.
In
Die Inverterschaltung
In einer Ausführungsform sind vier Halbleiterschalter
Normalerweise können die Schalter in Gruppen betrieben werden, so wie in einem ersten Zustand die Schalter
Weiterhin kann ein Massekondensator
Eine Gleichstrom- oder Wechselstromquelle
Eine Filterschaltung
Die nächste Filterstufe, die zwischen dem ersten Filterknoten
Der Saugkreis kann von einer ersten Gleichtaktdrossel gefolgt sein. Der Eingang ist am ersten Filterknoten
Ein Ausgangsfilter ist durch die Komponenten, die den dritten Filterknoten
Die erste Gleichtaktdrossel kann von einer zweiten Gleichtaktdrossel gefolgt sein, welche die gleichen grundlegenden Eigenschaften hat. Eine Spule A der zweiten Gleichtaktdrossel
Die Lastschaltung
In einer Ausführungsform ist die Schutzerde
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 101101
- Gleichstrom- oder WechselstromquelleDC or AC power source
- 101101
- positive Stromleitungpositive power line
- 102102
- negative Stromleitungnegative power line
- 103103
- SchutzerdeProtective earth
- 200200
- InverterschaltungInverter circuit
- 201201
- erste Wechselstromleitungfirst AC line
- 202202
- zweite Wechselstromleitungsecond AC line
- 211211
- erster Eingangsfilterkondensatorfirst input filter capacitor
- 212212
- zweiter Eingangsfilterkondensatorsecond input filter capacitor
- 221-224221-224
- EingangsbrückengleichrichterInput bridge rectifier
- 230230
- GlättungskondensatorSmoothing capacitor
- 231231
- MassekondensatorGround capacitor
- 241-244241-244
- HalbleiterschalterSemiconductor switch
- 291291
- positiver Versorgungsknotenpositive supply node
- 292292
- negativer Versorgungsknotennegative supply node
- 300300
- FilterschaltungFilter circuit
- 301301
- erster Filterknotenfirst filter node
- 302302
- zweiter Filterknotensecond filter node
- 303303
- dritter Filterknotenthird filter node
- 304304
- vierter Filterknotenfourth filter node
- 305305
- erster Filterausgangfirst filter output
- 306306
- zweiter Filterausgangsecond filter output
- 311, 312311, 312
- Spulen der ersten FilterstufeCoils of the first filter stage
- 313313
- Kondensator der ersten FilterstufeFirst filter stage capacitor
- 321321
- SaugkreisspuleSuction circuit coil
- 322322
- SaugkreiskondensatorSuction circuit condenser
- 331331
- Spule A der ersten GleichtaktdrosselCoil A of the first common mode choke
- 332332
- Spule B der ersten GleichtaktdrosselCoil B of the first common mode choke
- 333333
- magnetischer Kern der ersten Gleichtaktdrosselmagnetic core of the first common mode choke
- 341341
- erster Ausgangsfilterkondensator Afirst output filter capacitor A
- 342342
- erster Ausgangsfilterkondensator Bfirst output filter capacitor B
- 343343
- erster Ausgangsfilterkondensator Cfirst output filter capacitor C
- 344344
- erster Ausgangsfilterkondensator Dfirst output filter capacitor D
- 345345
- erster Ausgangsfilterkondensator Efirst output filter capacitor E
- 351351
- Spule A der zweiten GleichtaktdrosselCoil A of the second common mode choke
- 352352
- Spule B der zweiten GleichtaktdrosselCoil B of the second common mode choke
- 353353
- magnetischer Kern der zweiten Gleichtaktdrosselmagnetic core of the second common mode choke
- 361361
- zweiter Ausgangsfilterkondensator Asecond output filter capacitor A
- 362 362
- zweiter Ausgangsfilterkondensator Bsecond output filter capacitor B
- 400400
- LastschaltungLoad switching
- 401401
- positive Lastleitungpositive load line
- 402402
- negative Lastleitungnegative load line
- 410410
- LasteingangsfilterkondensatorLoad input filter capacitor
- 421-424421-424
- LastbrückengleichrichterLoad bridge rectifier
- 430430
- Last-FilterkondensatorLoad filter capacitor
- 440440
- Lastschaltung (Röntgenröhrenstromversorgungs/inverter)Power circuit (X-ray tube power supply / inverter)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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