DE10227841A1 - Circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (U¶t¶) mit einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (U¶dc¶), einer Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung (U¶dc¶) in eine hochfrequente Wechselspannung sowie einem Hochspannungserzeuger (6) beschrieben, welcher die hochfrequente Wechselspannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung (U¶t¶) für die Röntgenröhre (5) umwandelt. Der Hochspannungserzeuger (6) ist dabei derart ausgebildet, dass er zwischen zumindest zwei Betriebszuständen mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist. Darüber hinaus wird ein Röntgengenerator mit einer solchen Schaltungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (U¶t¶) beschrieben.A circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage (U¶t¶) with a mains 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 AC voltage and a high-voltage generator (6) is described, which converts the high-frequency AC voltage with a specific transmission ratio into a high voltage (U¶t¶) for the X-ray tube (5). The high-voltage generator (6) is designed such that it can be switched between at least two operating states with different transmission ratios. In addition, an X-ray generator with such a circuit arrangement and a corresponding method for generating an X-ray tube voltage (U¶t¶) are described.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Eingangsschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung, einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung und einem Hochspannungserzeuger, welcher die hochfrequente Wechselspannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Röntgengenerator mit einer solchen 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 an intermediate circuit voltage, an inverter circuit for converting the intermediate circuit voltage into a high frequency AC voltage and a high voltage generator, which is the high-frequency AC voltage with a certain gear ratio in a high voltage for converts the x-ray tube. About that In addition, the invention relates to an X-ray generator with one Circuit arrangement and a corresponding method for generation 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 Vortei- le sind der Grund für den bevorzugten Einsatz solcher Schaltungsanordnungen in den heutigen Röntgengeneratoren.Modern generators point to generation an x-ray tube voltage frequently Circuit arrangements of the type mentioned. Because the grid frequency first rectified and then back into a high-frequency AC voltage which is eventually converted to the desired one Such transformers are also called voltage transformers High frequency generators called. Compared to conventional generators, in which the high voltage is initially transformed with the existing mains frequency, then rectified and finally the X-ray tube is fed Such a circuit arrangement has the advantage that it can a quick loop of changes both the mains voltage and the tube current are made almost independent can be and therefore the tube voltage is very reproducible and can be kept constant. Compared to the also known DC voltage generators, at which one is rectified and transformed with mains frequency High voltage is regulated with the help of triodes High frequency generators have the advantage of a relatively small construction volume and lower manufacturing costs. These advantages are the reason for the preferred use of such Circuit arrangements 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 here be dimensioned so that it over a very wide voltage range constant power available put. Usually is that enough for X-ray tubes in voltage range of 40 kV used in medical diagnostics up to 150 kV. To over this area must deliver a constant power, the current at the lowest voltage value of 40 kV almost four times as high be like a setting 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 transmission ratio of the high-voltage generator must be chosen so that the highest required tube voltage is achieved at a DC link voltage given by the available mains voltage. The transmission ratio of the high voltage generator in such X-ray generators is usually defined as the ratio of the output voltage to the input voltage of the high voltage generator. As a rule, the high-voltage generator essentially consists of a transformer and a rectification and smoothing circuit connected downstream. If it is assumed that the effective voltage near the inverter circuit corresponds approximately to the intermediate circuit voltage and that the high-voltage generator is designed so that a voltage doubling is achieved by a suitable rectifier circuit connected downstream of the transformer, the transformation ratio ü of the transformer of the high-voltage generator results in: where U dc is the rectified intermediate circuit 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⋅It der 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 from this that with a constant output power P t = U t ⋅I t of the circuit arrangement, 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 means that in addition to the active power, a lot of reactive power is processed in the inverter and transformer.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu dem genannten Stand der Technik zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet.It is therefore the task of the present Invention, an alternative to the prior art mentioned create that avoids these disadvantages.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hochspannungserzeuger derart ausgebildet ist, dass er zwischen zumindest zwei Betriebszuständen mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen umschaltbar ist. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Hochspannungserzeuger bei einer Einstellung der Röntgenröhre auf einen gewünschten Arbeitspunkt in einen Betriebszustand geschaltet wird, in dem der Hochspannungserzeuger ein dem betreffenden Arbeitspunkt zugeordnetes Übersetzungsverhältnis aufweist.This object is achieved by a circuit arrangement of the type mentioned at the outset, which is characterized in that the high-voltage generator is designed in such a way that it can be switched over between at least two operating states with different transmission ratios. In terms of the method, the object is achieved in that the high-voltage generator is switched to an operating state in which the high-voltage generator is set when the x-ray tube is set to a desired operating point has a gear ratio assigned to the relevant operating point.
Durch die Umschaltung des Hochspannungserzeugers mittels entsprechender Umschaltmittel auf verschiedene Betriebszustände mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen kann so eine optimale Anpassung an die jeweilige Last, d.h. an den Arbeitspunkt der Röntgenröhre erreicht werden. Daher ist es nicht mehr notwendig, den Zwischenkreis, die Wechselrichterschaltung sowie den Transformator für die oben genannten hohen Ströme auszulegen.By switching the high voltage generator by means of appropriate switching means with different operating states different gear ratios can optimally adapt to the respective load, i.e. to the X-ray tube operating point reached become. Therefore, it is no longer necessary to use the DC link Inverter circuit as well as the transformer for the above mentioned high currents interpreted.
Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims contain particularly advantageous refinements and developments the invention.
Eine Einstellungsmöglichkeit des Übersetzungsverhältnisses des Hochspannungserzeugers kann auf verschiedene Weise realisiert werden.A setting option of the gear ratio of the high voltage generator can be realized in different ways become.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Hochspannungserzeuger einen Transformator, welcher primär- und/oder sekundärseitig eine Mehrzahl von Teilwicklungen aufweist. Zum Umschalten in einen bestimmten Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis werden dann die Teilwicklungen passend beschaltet bzw. zusammengeschaltet. Hierzu weist die Schaltungsanordnung – vorzugsweise auch als Teil des Hochspannungserzeugers – eine entsprechende Umschalteinrichtung auf.In a particularly preferred embodiment the high voltage generator comprises a transformer which is primary and / or secondary side has a plurality of partial windings. To switch to one certain operating condition with a certain gear ratio then the partial windings connected or connected appropriately. For this purpose, the circuit arrangement - preferably also as part of the high voltage generator - one corresponding switchover device.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Hochspannungserzeuger einen Transformator mit zumindest einer Primärwicklung und/oder zumindest einer Sekundärwicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen auf. Hierbei werden dann zum Umschalten in einen Betriebszustand mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis die Anzapfungen passend – auf der Primärseite mit der Primärspannung bzw, auf der Sekundärseite zum Abgriff der Sekundärschaltung – beschaltet. Auch hierzu weist die Schaltungsanordnung eine entsprechende Umschalteinrichtung, vorzugsweise ebenfalls als Teil des Hochspannungserzeugers, auf.In another preferred embodiment the high-voltage generator has at least one transformer a primary winding and / or at least one secondary winding with a plurality of taps. This then becomes Switch to an operating state with a specific gear ratio Taps suitable - on the primary side with the primary voltage or, on the secondary side to tap the secondary circuit - wired. Here too, the circuit arrangement has a corresponding switchover device, preferably also as part of the high voltage generator.
Weiterhin ist es möglich, die beiden Methoden zu kombinieren, d. h. sowohl mit zusammenschaltbaren Teilwicklungen als auch mit Anzapfungen zu arbeiten, wobei vorzugsweise sämtliche Schaltvorgänge zum Einschalten eines bestimmten Betriebszustands durch eine einzige Umschalteinrichtung durchgeführt werden.It is also possible to use the to combine both methods, d. H. both with interconnectable partial windings to work with taps, preferably all switching operations for switching on a certain operating state by a single one Switching device carried out become.
Eine Umschalteinrichtung zum Umschalten zwischen den Betriebszuständen des Hochspannungserzeugers ist vorzugsweise so ausgeführt, dass die Umschaltung automatisch in Abhängigkeit von einem gewählten Arbeitspunkt der Röntgenröhre erfolgt, d. h. bei einer Einstellung des Arbeitspunkts der Röntgenröhre wird automatisch auch die Einstellung des zugehörigen Betriebszustands des Hochspannungserzeugers durchgeführt.A switching device for switching between the operating states of the high voltage generator is preferably designed such that switching automatically depending on a selected working point the x-ray tube, d. H. when the working point of the X-ray tube is set automatically the setting of the associated operating status of the High voltage generator performed.
Vorzugsweise ist der Arbeitsbereich der Röntgenröhre hierzu in mehrere Teilarbeitsbereiche unterteilt. Den einzelnen Teilarbeitsbereichen werden dann bestimmte Betriebszustände des Hochspannungserzeugers mit bestimmten Übersetzungsverhältnissen zugeordnet. Der Hochspannungserzeuger wird dann jeweils in den Betriebszustand geschaltet, der dem Teilarbeitsbereich zugeordnet ist, in den der eingestellte Arbeitspunkt der Röntgenröhre fällt.Preferably the work area the x-ray tube for this divided into several sub-areas. The individual sub-areas then certain operating states of the high voltage generator certain gear ratios assigned. The high voltage generator is then in the operating state switched that is assigned to the sub-work area in which the set working point of the x-ray tube falls.
Eine solche erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung kann prinzipiell in jeden herkömmlichen Röntgengenerator eingesetzt werden, unabhängig davon, wie der Röntgengenerator bezüglich seiner weiteren Komponenten wie beispielsweise der Regeleinrichtungen, der verschiedenen Messeinrichtungen oder der Heizstromversorgung aufgebaut ist.Such a circuit arrangement according to the invention can generate an X-ray tube voltage in principle in any conventional X-ray generator be used independently of how the x-ray generator in terms of its other components such as control devices, of the various measuring devices or the heating power supply is constructed.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Aus den beschriebenen Beispielen sowie den Zeichnungen ergeben sich weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung. Es zeigen:The invention is described below Reference to the attached Figures based on exemplary embodiments again closer explained. The examples described and the drawings show further advantages, features and details of the invention. 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 Ut 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 Formel (1) für das erforderliche Üersetzungsverhältnis ü des Transformators
Nur mit diesem Übersetzungsverhältnis ü kann bei der gegebenen Eingangsspannung die maximale Röntgenröhrenspannung von 160 kV erreicht werden.Only with this ratio u can given the given input voltage the maximum x-ray tube voltage of 160 kV is reached become.
Gemäß Formel (2) ergibt sich bei
einem solchen 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:
Wie die
Die Netzeingangsschaltung
Ein wesentlicher Unterschied zum
Stand der Technik ist jedoch, dass der Hochspannungserzeuger
In den
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Die Umschalteinrichtungen
Hierzu wird der Arbeitsbereich der
Röntgenröhre
Die Steuereinrichtung sorgt dann
dafür,
dass mittels der Umschalteinrichtung automatisch der Hochspannungserzeuger
Auf diese Weise kann die maximale
Strombelastung für
die Primärseite
des Transformators sowie für die
Wechselrichterschaltung
Dies wird an folgendem Vergleichsbeispiel
gezeigt, welches wie bei dem oben genannten Rechenbeispiel betreffend
eine herkömmliche
Schaltungsanordnung gemäß
In dem folgenden Rechenbeispiel wird
dabei der einfacheren Rechnung wegen davon ausgegangen, dass der
Arbeitsbereich nur in zwei Stufen aufgeteilt wird, wobei die untere
Stufe von 40 bis 80 kV und die obere Stufe von 80 bis 160 kV reicht.
Dementsprechend reicht es aus, wenn der Hochspannungserzeuger zwischen
zwei Betriebszuständen
hin- und hergeschaltet werden kann. Für die Ausführungsbeispiele gemäß den
Um die gewünschte Leistung Pt = 40 kw an der Röntgenröhre zu gewährleisten, muss im unteren Arbeitsbereich mit einer Röntgenröhrenspannung Ut von 40 bis 80 kV ein maximaler Röhrenstrom Itmaxa = 1 A zur Verfügung stehen. Im oberen Arbeitsbereich der Röntgenröhrenspannung Ut von 80 bis 160 kV reicht es aus, wenn der maximale Röhrenstrom Itmaxb = 0,5 A beträgt.In order to ensure the desired power P t = 40 kw on the X-ray tube, a maximum tube current I tmaxa = 1 A must be available in the lower working area with an X-ray tube voltage U t of 40 to 80 kV. In the upper working range of the X-ray tube voltage U t of 80 to 160 kV, it is sufficient if the maximum tube current I tmaxb = 0.5 A.
Für
den unteren Arbeitsbereich bis 80 kV ergibt sich für das benötigte Übersetzungsverhältnis üa des zugehörigen Betriebszustands des
Hochspannungserzeugers
Hieraus ergibt sich gemäß Formel
(2) für
den maximalen Strom auf der Primärseite
des Transformators:
Im oberen Arbeitsbereich zwischen
80 kV und 160 kV ergibt sich für
das benötigte Übersetzungsverhältnis üb des zugeordneten Betriebszustands des erfindungsgemäßen Hochspannungserzeugers
Bei einem solchen Übersetzungsverhältnis ergibt
sich unter Berücksichtigung
des in diesem Arbeitsbereich maximal erforderlichen Röntgenröhrenstroms
Itmax = 0,5 A gemäß Formel 2 für die maximale
primärseitige
Strombelastung des Transformators:
In beiden Arbeitsbereichen liegt folglich die maximale Strombelastung auf der Primärseite bei nur 160 A, wogegen gemäß Formel (4) bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung die maximale Strombelastung auf der Primärseite 320 A beträgt. Es ist klar, dass die maximale Strombelastung auf der Primärseite noch geringer gehalten werden kann, wenn entsprechend eine feinere Aufteilung des Gesamtarbeitsbereichs der Röntgenröhre in mehrere Teilarbeitsbereiche erfolgt.In both work areas consequently the maximum current load on the primary side only 160 A, whereas according to the formula (4) in a conventional one Circuit arrangement the maximum current load on the primary side 320 A is. It is clear that the maximum current load on the primary side is still can be kept lower if there is a finer distribution the total working area of the x-ray tube into several Partial work areas.
Die Reduzierung der maximalen Strombelastung hat den Vorteil, dass der Wechselrichter und insbesondere die dort verwendeten Leistungshalbleiter und passiven Bauteile sowie der Zwischenkreis und der Transformator nur für einen geringeren Strom ausgelegt werden müssen. Daher können kostengünstigere Bauteile verwendet werden.The reduction of the maximum current load has the advantage that the inverter and especially those there used power semiconductors and passive components as well as the DC link and the transformer are only designed for a lower current Need to become. Therefore can cheaper components be used.
Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den in den Figuren dargestellten Schaltungen nur um Ausführungsbeispiele handelt und für den Fachmann eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bestehen.It is pointed out again that it is only in the circuits shown in the figures to examples acts and for the skilled person a variety of possible variations for implementation a circuit arrangement according to the invention consist.
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