DE3546213A1

DE3546213A1 - Wechselrichter-roentgenvorrichtung

Info

Publication number: DE3546213A1
Application number: DE19853546213
Authority: DE
Inventors: Takanobu Ryugasaki Hatakeyama; Hirofumi Noda Hino; Kazuo Omiya Kaneko; Hideki Kashiwa Uemura; Kazuo Ibaraki Yamamoto
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1985-12-27
Publication date: 1986-07-03
Also published as: JPH0523040B2; US4742535A; JPS61158698A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenstrahlvorrichtung mit Wechselrichter und insbesondere eine Schaltung zur Absenkung des Wechselrichterstroms in einer derartigen Vorrichtung.

In einer herkömmlichen, an eine handelsübliche Wechselspannungs-Leistungsquelle angeschlossenen Röntgenstrahlvorrichtung ist es üblich, eine gesteuerte Spannung, die man durch entsprechende Veränderung der Position von auf der Sekundärseite eines Spannungs-Regeltransformators angeordneten, verschiebbaren Bürsten oder durch entsprechende Veränderung von auf der Sekundärseite eines Spannungs-Regeltransformators angeordneten Ausgangsabgriffen erhält, durch einen Hochspannungstransformator anzuheben und diese Spannung nach einer Gleichrichtung an eine Röntgenröhre anzulegen.

Andererseits wurde in letzter Zeit aufgrund der beträchtlichen Fortschritte bei den Leistungs-Halbleiterbauelementen ein Wecnselrichter-Röntgengerät entwickelt, in dem derartige Halbleiterbauelemente für die Leistungssteuerung Anwendung finden. Der Vorteil dieses neu entwickelten Wechselrichter-Röntgengerätes gegenüber den herkömmlichen Röntgengeräten liegt darin, daß es, verglichen mit der oben beschriebenen, herkömmlichen Röntgenstrahlvorrichtung mit einem Spannungs-Regeltransformator, sehr schnell auf die Leistungssteuerung anspricht, da für die Durchführung der Leistungssteuerung Halbleiterbauelemente Anwendung finden. Die WechseIrichter-Röntgensträtzvorrichtung hat daher unter anderem den Vorteil, daß auch während der Röntgenstrahlbelichtung eine Röhrenspannung ohne weiteres gesteuert werden kann, so daß eine genaue Einstellung der Röhrenspannung auf jeden beliebigen, für die Röntgenbelichtung geeigneten Wert erfolgen kann.

ORIGINAL

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Der Aufbau einer Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung nach dem Stand der Technik ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 54-118787 (1979) beschrieben. Der Aufbau eines Teiles dieser bekannten Röntgenstrahlvorrichtung wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert.

Entsprechend Fig. 8 ist eine mit einer herkömmlichen Wechselspannungs-Leistungsquelle verbundene Vollweg-Gleichrichterschaltung 1 aus Tnyristoren 1a, 1b, 1c und 1d aufgebaut. Die Ausgabe dieser Vollweg-Gleichrichterschaltung 1 wird mit einer Glättungs-Drosselspule 2 und einem Glättungskondensator 3 geglättet. Die an der Glättungs-Drosselspule 2 auftretende Spannung wird mit einer Zerhacker- oder Gleichstromsteller-Schaltung 4 zerhackt und geglättet, um eine vorgegebene Gleichspannung zu liefern. Diese Gleichstromsteller-Schaltung 4 ist aus einem Zerhackertransistor 4b, einer Glättungs-Drosselspule 4a, einer Freilauf-Diode 4c und einem Glättungskondensator 4d aufgebaut. Sie ist so geschaltet, daß in der Abschaltperiode des Zerhackertransistors 4b ein Strom von der Glättungs-Drosselspule 4a durch folgende Masche fließt: Glättungs-Drosselspu-Ie 4a - Glättungskondensator·4d - Freilauf-Diode 4c - Glättungs-Drosselspule 4a. Ein Wechselrichter 5 formt die Ausgangs-Gleichspannung des Glättungskondensators 4d in eine entsprechende Wechselspannung um. Dieser Wechselrichter 5 ist aus Transistoren 5a bis 5d sowie Dioden 5e bis 5h aufgebaut.

In dem Wechselrichter 5 erfolgt ein sich alternierend wiederholendes gleichzeitiges Einschalten der Transistoren 5a, 5d und gleichzeitiges Einschalten der Transistoren 5b, 5c, um eine Wechselspannung an einen Hochspannungstransformator 6 anzulegen. Die von diesem Hochspannungstransformator 6 angehobene Spannung wird nach der Gleichrichtung in einer Vollweg-Gleichrichterschaltung 7 an eine Röntgenröhre 8 angelegt.

Bei der bekannten Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung, deren Autbau oben beschrieben wurde, wird die Gleichstromsteller-

Schaltung 4 für die Einstellung der Röhrenspannung verwendet. Zwischen einer Eingangsspannung V_R und einer Ausgangsspannung V_c dieser Gleichstromsteller- oder Zerhackerschaltung 4 besteht folgende Beziehung:

^VC ~ Tc ^VR ■' ^l1)

In Gleichung (1) ist mit Tc die Periode der Arbeitsfrequenz fc der Zerhackerschaltung 4 und mit Ton die Einschaltdauer des Transistors 4b bezeichnet. Demnach erhält man durch Veränderung des Wertes von Ton eine gewünschte vorgegebene Ausgangsspannung. Das Verhältnis Ton/Tc wird im folgenden als "Tastverhältnis" bezeichnet.

Da jedoch die Beziehung Ton < Tc gilt, ist in dem beschriebenen Aufbau die Ausgangs spannung V-, notwendigerweise kleiner als die Eingangsspannung V_, wie sich aus Gleichung (1) er-

gibt. Um eine vorgegebene Röhrenspannung zu liefern, muß daher das Wicklungs- oder Übersetzungs-Verhältnis (im folgenden als"Transformationsverhältnis" bezeichnet) des Hochspannungstransformators 6 hinreichend groß gewählt werden. Andererseits muß der Primärwicklung des Hochspannungstransformators 6 ein Eingangsstrom zugeführt werden, der so groß wie ein Wert ist, den man durch Multiplizieren des Röhrenstroms mit dem Übersetzungsverhältnis des Hochspannungstransformators 6 erhält, um vom Hochspannungstransformator 6 einen vorgegebenen Ausgangsstrom zu erhalten. Je größer das Übersetzungsverhältnis des Hochspannungstransformators 6 ist, desto größer wird damit der Eingangsstrom, der dem Hochspannungstransformator 6 zugeführt werden muß, um den festgelegten Ausgangsstrom zu liefern, d.h. der Strom, der durch die Transistoren 5a bis 5d des Wechselrichters 5 fließt.

Im folgenden wird beispielhaft angenommen, daß das Röntgengerät mit einer handelsüblichen Wechselleistungsquelle verbunden

ist, die einphasig 2 00 V liefert. Der Wert der geglätteten Ausgangsspannung der Vollweg-Gleichrichterschaltung 1 ist im allgemeinen ein Durchschnitt der Werte der unter Last angelegten Eingangs-Wechselspannung. Die Kleunenspannung V_R des Glättungskondensators 3 unter der Lastbedingung ist daher durch folgenden Ausdruck gegeben:

V₀ = 200 Vx ^- = 180 V (2)

Der Maximalwert des Tastverhältnisses (Ton/Tc) der Zerhackerschaltung 4 soll 0,9 betragen. Damit ergibt sich folgende Ausgangsspannung V_r der Zerhackerschaltung 4:

V_c = 0,9 x V_R = 162 V (3)

Um an die Röntgenröhre 8 eine Röhrenspannung von 150 kV anzulegen, wenn die Ausgangsspannung V_c der Zerhackerschaltung

162 V beträgt, ist das übersetzungsverhältnis K des Hoch-Spannungstransformators 6 entsprechend folgender Gleichung einzustellen:

K = = 926 (4)

Die Ausgangsleistung eines derartigen Röntgengerätes wurde bis heute stark erhöht. Um der Röntgenröhre 8 einen Röhrenstrom von 1000 mA zuzuführen, muß dem Hochspannungstransformator 6 ein Eingangsstrom I-.. zugeführt werden, der sich nach folgender Gleichung berechnet:

I_T1 = 1000 mA χ K = 926 A (5)

Die Transistoren 5a bis 5d des Wechselrichters 5 müssen daher geeignet sein, einen Strom in der Größenordnung von 1000 A zu steuern. Für die Steuerung derartig großer Ströme geeignete Halbleiterbauelemente sind sehr teuer. Zusätzlich erhöht

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der Widerstand RSL der mit dem Wechselrichter 5 und den Eingängen des Hochspannungstransformators 6 verbundenen Leitungen eine Verlustleistung WJl, die sich folgendermaßen ergibt:

WiI = Rl χ I_T1 ² (6)

Damit ergibt sich bei der Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung nach dem Stand der Technik das Problem, daß ein Anstieg des dem Hochspannungstransformator 6 zugeführten Eingangsstroms Im₁ zu einem entsprechenden Anstieg der Verlustleistung WJl aufgrund des Leitungswiderstandes RA auf den Eingangsseiten des Wechselrichters 5 und des Transformators 6 sowie zu einer entsprechenden Verringerung des Betriebs-Wirkungsgrades der Röntgenstrahlvorrichtung führt.

Die generelle Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine Röntgenstrahlvorrichtung mit Wechselrichter anzugeben, mit

1b der die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere soll in einer erfindungsgemäßen Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung eine Schaltung zur Verringerung des Wechselrichterstroms vorgesehen werden, so daß sowohl die Strombelastbarkeit der schaltenden Halbleiterbauelemente im Wechselrichter als auch die Verlustleistung aufgrund des Leitungswiderstandes abgesenkt werden können.

Die Zielsetzung, die wesentlichen Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erfolgt.

Ein typisches Merkmal der Erfindung wird in folgenden kurz dargestellt:

Danach wird der in der bekannten Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, vorgesehene Gleich-

stromsteller 4 durch eine Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformschaltung (im folgenden als "Gleichspannungswandler" bezeichnet) ersetzt, die eine Ausgangsspannung erzeugen kann, die größer als ihre Eingangsspannung ist, und die eine Spannungs-Steuerfunktion aufweist. Durch die Verwendung eines derartigen Gleichspannungswandlers wird eine hohe Eingangsspannung an den Wechselrichter angelegt, und der Wechselrichterstrom wird so verringert, daß die Strombelastbarkeit der schaltenden Halbleiterbauelemente des Wechselrichters sowie die Leitungsverluste verringert werden können.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in Anwendung auf eine Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung werden im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden für die Bezeichnung von Bauteilen mit übereinstimmenden Funktionen dieselben Bezugsziffern verwendet/ um Wiederholungen in der Beschreibung zu vermeiden. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Rontgensträtzvorrichtung;

Fig. 2 ein Wellenform-Diagramm zur Verdeutlichung des Betriebs dieses ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3

und 4 ein Ersatzschaltbild und ein zugehöriges Wellenform-Diagramm zur Verdeutlichung des Prinzips des ersten

Ausführungsbeispiels der Vorrichtung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung;

Fig. 6 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung;

Fig. 7 ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung; und

Fig. 8 ein Schaltbild des Aufbaus einer Wechselrichter—Röntgenstrahlvorrichtung nach dem Stand der Technik zur Verdeutlichung der diesem anhaftenden Probleme.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Verdeutlichung des Pr inzips eines Gleichspannungswandlers, wie er in einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung Anwendung findet. Fig. 4 zeigt ein Wellenform-Diagramm, das den Betrieb der Schaltung nach dem Ersatzschaltbild in Fig. 3 verdeutlicht.

Entsprechend Fig. 3 hat die Ersatzschaltung des im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Gleichspannungswandlers eine Induktivität L, eine Diode D und eine Last Rx, die mit einer Gleichspannungsleistungsquelle Es in Serie geschaltet sind, sowie einen VerstärJcungsschalter Sw und einen Kondensator C, die mit der Gleichspannungsleistungsquelle Es bzw. der Last Rx parallelgeschaltet sind.

In Fig. 4 sind die Wellenformen der Spannung und des Stromes, die an verschiedenen Teilen der Ersatzschaltung nach Fig. 3 auftreten, mit Sw, iT(t), iD(t), xL(t) und eo(t) bezeichnet. Im einzelnen wird ein Steuersignal Sw mit der gezeigten Wellenform zur EIN-AUS-Steuerung des Schalters Sw angelegt, ein Strom iT(t) mit der dargestellten Wellenform fließt zur Zeit t durch den Schalter Sw, ein Strom iD-(t) mit der dargestellten Wellenform fließt zur Zeit t durch die Diode D, ein Strom iL(t) mit der dargestellten Wellenform fließt zur Zeit t durch die Induktivität L,und eine Spannung eo(t) mit der dargestellten Wellenform tritt zur Zeit t über dem Kondensator C auf. Die Symbole ti , t2, t3, t4 ... bezeichnen Zeitpunkte.

Das Prinzip des im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Gleich-Spannungswandlers wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben.

Wird zu einem Zeitpunkt ti der Verstärkungsschalter Sw eingeschaltet, fließt ein Strom von der Gleichspannungsquelle Es über den Strompfad: Gleichspannungsquelle Es - Induktivität L - Schalter Sw - Gleichspannungsquelle Es, wodurch der durch die Induktivität L fließende Strom iL(t) erhöht wird. Andererseits nimmt die Klemmenspannung eo(t) des Kondensators C ab, da durch die Entladung des Kondensators C der Last Rx Leistung zugeführt wird.

Wird anschließend zu einem Zeitpunkt t2 der Schalter Sw abgeschaltet, wird der durch den Schalter Sw fließende Strom iT(t) zur Diode D umgeleitet, und der Strom von der Gleichspannungsquelle Es fließt jetzt über den Strompfad: Gleichspannungsquelle Es - Induktivität L - Diode D - Kondensator C und Last Rx - Gleichspannungsquelle Es. Der Kondensator C wird durch die Energie der Induktivität L und die Gleichspannungsquelle Es geladen, so daß die Spannung des Kondensators C höher als die der Gleichspannungsquelle ist.

Wird anschließend zu einem Zeitpunkt t3 der Schalter Sw wieder eingeschaltet, wird der durch die Diode D fließende Strom iD(t) zum Schalter Sw umgeleitet. Anschließend wiederholt sich der oben beschriebene Betrieb.

Unter Verwendung eines Verstärkungs-Gleichspannungswandlers, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, läßt sich daher eine Ausgangsspannung erhalten, die höher als seine Eingangsspannung ist.

Fig. 1 ist ein Schaltbild, das schematisch den Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels der Wechselrichter-Röntgenstrahlvorrichtung zeigt, die einen Spannungsverstärkungs-Gleichspannungswandler enthält, der auf Grundlage des unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschriebenen Prinzips aufgebaut ist. Fig. 2 zeigt ein Wellenform-Diagramm zur Verdeutlichung des Betriebs der Vorrichtung.

Der in Fig. 1 mit Bezugsζiffer 9 bezeichnete Spannungsverstärker-Gleichspannungswandler ist aus einer Drosselspule 9a, einem Transistor 9b, einer Diode 9c und einem Kondensator 9d aufgebaut. Während der Einschaltperiode des Transistors 9b wird der der Drosselspule 9a zugeführte Strom als magnetische Energie darin gespeichert, und während der Ausschaltperiode des Transistors 9b wird die gespeicherte Energie von der Drosselspule 9a dem Kondensator 9d und dem Wechselrichter 5 durch die Diode 9c zugeführt, wodurch eine Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung entsteht. Eine Zündwinkel-Steuerung 10 erzeugt ein Signal, das den Zündwinkel der Thyristoren 1a bis 1d auf Grundlage der Einstellung der Röhrenspannung und des Röhrenstroms vorgibt. Das Ausgangssignal der Zündwinkel-Steuerung 10 wird an eine Gate-Schaltung 11 angelegt, die die Phase der handelsüblichen Wechselspannungs-Leistungsquelle erfaßt. Die Gate-Schaltung 11 steuert die Thyristoren 1a bis 1d der Vollweg-Gleichrichterschaltung 1 an, wobei sie auf das Anlegen eines Belichtungs-Vorbereitungssignals vor der Röntgenstrahlbelichtung anspricht. Eine Tastverhältnis-Steuerung 12 bestimmt das Tastverhältnis des Transistors 9b auf Grundlage der Einstellwerte der Röhrenspannung und des Röhrenstroms und erzeugt ein Ausgangssignal, das das bestimmte Tastverhältnis angibt. Eine erste Basisschaltung 13, die den Transistor 9b unter Führung des Ausgangssignals der Tastverhältnis-Steuerung 12 ansteuert, startet die Ansteuerung des Transistors 9b in Antwort auf ein an sie angelegtes Röntgenstrahl-Belichtungssignal.

Eine zweite Basisschaltung 14 steuert die Transistoren 5a bis 5d des Wechselrichters 5 in Antwort auf ein an sie angelegtes Röntgenstrahl-Belichtungssignal an. Der Glättungskondensator 3 und der Kondensator 9d entladen sich über die Widerstände 15 bzw. 16.

Fig. 2 zeigt die Wellenformen der Versorgungsspannung AC, des Belichtungs-Vorbereitungssignals XS1, der Klemmenspannung V_R

des Glättungskondensators 3, des Röntgenstrahl-Belichtungssignals XG, der Klemmenspannung des Kondensators 9d, der Röhrenspannung KV, eines die Thyristoren 1a und 1c einschaltenden Signals a, eines die Thyristoren 1b und 1d einschaltenden Signals b, eines den Transistor 9b, der die angehobene Spannung erzeugt, einschaltenden Signals c, eines die Transistoren 5a und 5c des Wechselrichters 5 einschaltenden Signals d und eines die Transistoren 5b und 5d des Wechselrichters 5 einschaltenden Signals e.

Der Betrieb des in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.

Vor dem Beginn der Röntgenstrahlbelichtung werden die Einstellwerte der Röhrenspannung und des Röhrenstroms an die Zündwinkel-Steuerung 10 und die Tastverhältnis-Steuerung 12 angelegt.

Die Zündwinkel-Steuerung 10 und die Tastverhältnis-Steuerung 12 legen den Zündwinkel der Vollweg-Gleichrichterschaltung 1 bzw. das Tastverhältnis des Transistors 9b fest, und ihre Ausgangssignale, die den festgelegten Zündwinkel und das festgelegte Tastverhältnis angeben, werden an die Gate-Schaltung 11 bzw. die Basisschaltung 13 angelegt.

Wenn das Belichtungs-Vorbereitungssignal XS1 an die Gate-Schaltung 11 zum Zeitpunkt to angelegt wird, erzeugt die Gate-Schaltung 11 die Signale a und b, um die Ansteuerung der Vollweg-Gleichrichterschaltung 1 zu beginnen. Es wird angenommen, daß zu diesem Zeitpunkt to der Zündwinkel α ist. Dann werden die Thyristoren 1a bis 1d nur während der Periode der Leistungsquellenspannung AC eingeschaltet, die in Fig. 2 schraffiert ist, wodurch der Glättungskondensator 3 geladen wird. Nach vollständiger Aufladung des Glättungskondensators 3 ist die Spannung V₇, des Glättungskondensators 3 annähernd gleich

dem Spitzenwert der schraffierten Periode der Leistungsquellenspannung AC. Die Durchschnittsspannung V_R a(α), die vom

Glättungskondensator 3 unter einer Lastbedingung zugeführt werden kann, drückt sich folgendermaßen aus:

V_R a(o) = ¹^f- (1 + cosa) (7)

wobei E der Effektivwert der Leistungsquellenspannung AC ist. Durch Steuerung des Zündwinkels α kann daher die Klemmenspannung V_. des Glättungskondensators 3, d.h. die Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers 9, gesteuert werden. In diesem Zustand wird der Kondensator 9d über die Drossel 9a und die Diode 9c geladen, und die Klemmenspannung V-, des Kondensators 9d ist daher gleich der Klemmenspannung V des Glättungskondensators 3.

Wenn das Röntgenstrahl-Belichtungssignal XS zum Zeitpunkt ti an die Basisschaltungen 13 und 14 angelegt wird, beginnt die erste Basisschaltung 13 mit der Ansteuerung des Transistors 9b, und die zweite Basisschaltung 14 mit der Ansteuerung der Transistoren 5a bis 5d. Zum Zeitpunkt ti wird damit die Ansteuerung des Transistors 9b durch das Signal c, die Ansteuerung der Transistoren 5a und 5d durch das Signal d und die Ansteuerung der Transistoren 5b und 5c durch das Signal e in Gang gesetzt.

Als Folge davon übersteigt die Klemmenspannung V_ des Kondensators 9d die Klemmenspannung V_n des Glättungskondensators 3, und der Wechselrichter 5 formt die angehobene Spannung V des Kondensators 9d in eine Wechselspannung mit vorgegebener Frequenz um und legt diese Wechselspannung an den Hochspannungstransformator 6 an.

Die vom Verstärker-Gleichspannungswandler 9 angehobene Spannung Vp drückt sich unter Vernachlässigung des Innenwiderstandes des Verstärker-Gleichspannungswandlers 9 folgendermaßen aus:

wobei D das Tastverhältnis des Transistors 9b ist.

Damit arbeitet der Verstärker-Gleichspannungswandler 9 mit dem optimalen Tastverhältnis, so daß eine zur Befriedigung des Röhrenspannungs-Einstellwertes erforderliche Eingangsspannung an den Hochspannungs-Transformator 6 angelegt werden kann. In der Anlaufstufe der Röntgenstrahlbelichtung tritt unter dem Einfluß einer Streuinduktivität des Hochspannungs-Transformators 6 und einer elektrostatischen Kapazität eines Kabels, das die Vollweg-Gleichrichterschaltung 7 mit der Röntgenröhre 8 verbindet, jedoch leicht ein Einschwingvorgang auf. In der Anlaufstufe der Röntgenstrahlbelichtung ist es daher notwendig, das Tastverhältnis D durch die Tastverhältnis-Steuerung so einzustellen, daß die Vorgabespannung trotz eines derartigen Einschwingvorgangs an die Röntgenröhre 8 angelegt werden kann.

Die durch den Wechselrichter 5 in die Wechselspannung umgeformte Gleichspannung wird durch den Hochspannungs-Transformator 6 hinauftransformiert, und die Ausgangsspannung des Hochspannungs-Transformators 6 wird in der Gleichrichterschaltung 7 einer Vollweg-Gleichrichtung unterzogen, um wieder in eine Gleichspannung umgeformt zu werden. Diese Gleichspannung wird auf die Röntgenröhre 8 gegeben.

Wenn das Röntgenstrahl-Belichtungssignal XS zum Zeitpunkt t2 abfällt, um die Röntgenstrahlbelichtung zu beenden, stellen die Basisschaltungen 13 und 14 die Erzeugung der Signale c, d und e ein. Der Verstärker-Gleichspannungswandler 9 und der Wechselrichter 5 hören zu arbeiten auf, und die Röntgenstrahlbelichtung wird zum Zeitpunkt t3 beendet, zu dem die Ladungen der elektrostatischen Kapazität des die Vollweg-Gleichrichterschaltung 7 mit der Röntgenröhre 8 verbindenden Kabels vollständig abgeführt sind.

Wenn das Belichtungs-Vorbereitungssignal XS1 zum Zeitpunkt t4 verschwindet_Λ beendet die Gate-Schaltung 11 die Ansteuerung der Vollweg-Gleichrichterschaltung 1. Die Thyristoren 1a bis 1d können jedoch nicht abgeschaltet werden, bis der Zeitpunkt t5 erreicht ist, zu dem die Phase der Versorgungsspannung AC invertiert wird. Bis zum Erreichen des Zeitpunkts t5 wird der Glättungskondensator 3 auf denselben Spannungspegel geladen, auf den er vor dem Beginn der Röntgenstrahlbelichtung geladen wurde. Der Kondensator 9d entlädt sich über den Entladewider-

Lo stand 16, bis seine Spannung gleich der des Glättungskondensator s 3 wird. Die Vollweg-Gleichrichterschaltung 1 wird zum Zeitpunkt t5 abgeschaltet, und das Laden des Glättungskondensators 3 hört zum selben Zeitpunkt auf. Danach entladen sich beide Kondensatoren 3 und 9d über die Entladewiderstände 15 bzw. 16, wodurch sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückgesetzt werden.

Aus obiger Beschreibung wird deutlich, deiß in dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem Verstärker-Gleiehspannungswandlor 9 eine Eingangsspannung, die höher als eine Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 ist, an den Wechselrichter 5 angelegt werden kann, und daß das übersetzungsverhältnis des Hochspannungstransformators 6 verringert werden kann. Damit kann die Strombelastbarkeit der schaltenden Halbleiterbauelemente des Wechselrichters 5 verringert werden, und der Leistungsverlust aufgrund des Widerstandes der Leitung des Wechselrichters 5 und der Primärwicklung des Hochspannungstransformators 6 läßt sich ebenfalls absenken.

Im folgenden wird beispielhaft angenommen, daß eine durch den Ausdruck (2) gegebene Eingangsspannung von 180 V an den Verstärker-Gleichspannungswandler 9 angelegt wird, und daß das Tastverhältnis D 0,7 beträgt. Dann berechnet sich über den Ausdruck (8) die Ausgangsspannung V_R des Gleichspannungswandlers 9 folgendermaßen:

^VR^{= 18}° ^VXT=Ö77

= 600 V (10)

Um der Röntgenröhre 8 eine Röhrenspannung von 150 kV zu liefern, berechnet sich folgendes Wicklungsverhältnis K des Hochspannungstransformators 6:

_ 150 χ 10³
600

= 250 (11)

Wenn der Einstellwert des Röhrenstroms 1000 mA ist, ergibt sich folgender Eingangsstrom I_T1 des Hochspannungstransfor-ο mators 6:

I_T1 = 1000 mA χ K = 25Q A (12)

Damit wird die für die schaltenden Elemente des Wechselrichters 5 erforderliche Strom-Steuerfähigkeit auf einen Wert von nur 250 A abgesenkt. Dieser Wert beträgt nur etwa 1/4 des Wertes nach dem Stand der Technik, wie er durch den Ausdruck (5) gegeben ist. Der durch den Ausdruck (6) gegebene Leistungsverlust WS, aufgrund des Leitungswiderstandes Rä kann dabei auf etwa 1/16 des Wertes nach dem Stand der Technik verringert werden.

Die Strombelastbarkeit der schaltenden Bauelemente des in Fig. 1 gezeigten Gleichspannungswandlers 9 kann im wesentlichen gleich der der schaltenden Bauelemente des in Fig. 8 gezeigten Zerhackers 4 angenommen werden. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Spannung des Kondensators 3, der mit dem Ausgang der VoIlweg-Gleichrichterschaltung 1 für die Zuführung der Eingangsleistung zu dem in Fig. 1 gezeigten Gleichspannungswandler 9 verbunden ist, im wesentlichen gleich der des Kondensators 3 ist, der mit dem Ausgang der Vollweg-Gleichrichterschaltung

für die Zuführung der Eingangsleistung zu dem in Fig. 8 gezeigten Zerhacker 4 verbunden ist. Die in beiden Schaltungen eine entsprechende Leistung liefernden Ströme sind daher im wesentlichen einander gleich.

Wenn an den Wechselrichter 5 eine Eingangsspannung angelegt werden soll, die geringer als die Versorgungsspannung der handelsüblichen Leistungsquelle ist, wird dies durch geeignete Steuerung der Arbeitsphase der Vollweg-Gleichrichterschaltung erreicht. Durch eine derartige Steuerung der Vollweg-Gleichrichterschaltung 1 kann deren Ausgangsspannung und damit die Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 verringert werden. Damit läßt sich der steuerbare Bereich der Röhrenspannung vergrößern.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Modifikation des in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels ist, sind Rückkoppel-Steuereinrichtungen bzw. Regeleinrichtungen vorgesehen, um die Stabilität und Genauigkeit der Ausgangsspannung des Verstärker-Gleichspannungswandlers zu verbessern.

Fig. 5 ist ein Schaltbild, das schematisch den Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Röntgenvorrichtung zeigt.

Nach Fig. 5 sind Spannungsteiler 20 und 21 vorgesehen, um die Ausgangsspannung des Verstärker-Gleichspannungswandlers 9 zu teilen und dessen Ausgangsspannung zu erfassen. Ein Operationsverstärker 22 formt die durch die Spannungsteiler 20 und 21 erfaßte Spannung in eine Spannung um, die für die Steuerung der Wandler-Ausgangsspannung erforderlich ist. Eine erste Steuereinheit 23 erzeugt ein Ausgangssignal für die Bestimmung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 auf Grundlage des Röhrenspannungs- und des Röhrenstrom-Einstell-

wertes. Eine zweite Steuereinheit 24 gibt auf die Basisschaltung 13 ein Signal, das das optimale Tastverhältnis des Transistors 9b angibt, so daß die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers 22 und dem der ersten Steuereinheit 23 auf Null verringert werden kann.

Der Betrieb des zweiten Ausführungsbeispiels der Wechselrichter-Röntgenvorrichtung ist im allgemeinen dem des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 darin, daß die erfaßte Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 durch den Operationsverstärker 22 rückgekoppelt und in der zweiten Steuereinheit 24 mit dem von der ersten Steuereinheit 23 angelegten Einstellwert verglichen wird, wodurch eine Stabilisierung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 erfolgt.

Im einzelnen wird das Tastverhältnis des Transistors 9b in Fig. 1 auf Grundlage des Röhrenspannungs- und des Röhrenstrom-Einstellwertes bestimmt und konstant gehalten. Im Gegensatz dazu bestimmt im zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 5 die erste Steuereinheit 23 die erforderliche Ausgangsspannung Vset des Gleichspannungswandlers 9 auf Grundlage des Röhrenspannungs- und des Röhrenstrom-Einstellwertes. Die zweite Steuereinheit 24 dient zur Veränderung des Tastverhältnisses des Transistors 9b, so daß die tatsächliche Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 der erforderlichen Ausgangsspannung Vset, die durch die erste Steuereinheit 23 bestimmt wurde, gleich wird. Als Folge davon kann unabhängig von einer möglichen Störung, wie z.B. einer Veränderung der Leistungsquellen-Versorgungsspannung, die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 stabilisiert werden, um eine stabile Röhrenspannungs-Wellenform zu liefern.

Im zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird beispielhaft die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 erfaßt und zum Zwecke der Spannungsregelung rückgekoppelt. Es ist jedoch klar, daß die Genauigkeit der an die Röntgenröhre 8 angelegten Röhrenspannung weiter verbessert werden kann, wenn die Röhrenspannung der Röntgenröhre 8 direkt erfaßt und für die Regelung verwendet wird.

Aus der obigen Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels wird deutlich, daß die Genauigkeit und Stabilität der Röhrenspannung durch die Regelung mit der Rückkopplung verbessert werden können.

Fig. 6 ist ein Schaltbild, das schematisch den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der Wechselrichter-Röntgenvorrichtung zeigt. In diesem dritten Ausführungsbeispiel, das eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels ist, wird statt des Vollbrücken-Wechselrichters 5 ein Gegentakt-Wechselrichter 30 verwendet.

Nach Fig. 6 ist der Gegentakt-Wechselrichter 30 aus Transistoren 30a, 30b und Freilauf-Dioden 30c, 3Od aufgebaut. Die Transistoren 30a und 30b werden alternierend mit einer vorgegebenen Frequenz ein- und ausgeschaltet. Ein Hochspannungstransformator 31 hat in seiner Primärwicklung einen Mittenabgriff.

Wenn die Transistoren 30a und 30 b alternierend ein- und ausgeschaltet werden, ändert sich alternierend die Polarität der Wechselrichter-Ausgangsspannung, die über der Primärwicklung des Hochspannungstransformators 31 anliegt, über der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators 31 fällt eine Wechselspannung ab.

Der Betrieb des dritten Ausführungsbeispiels mit dem abgewandelten Wechselrichter 30 entspricht im wesentlichen dem des

ersten Ausführungsbeispiels, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.

Der Gegentakt-Wechselrichter 30, wie er im dritten Ausführungsbeispiel Verwendung findet, erfordert nur zwei schaltende Bauelemente. Dadurch wird die Anzahl der schaltenden Bauelemente im Vergleich zum Vollbrücken-Wechselrichter 5 auf die Hälfte verringert.

Fig. 7 ist ein Schaltbild, das schematisch den Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wechselrichter-Röntgenvorrichtung zeigt. Auch dieses vierte Ausführungsbeispiel ist eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels.

Nach Fig. 7 ist eine Vollweg-Gleichrichterschaltung 40 aus Dioden 40a bis 4Od aufgebaut. Ein Auf/Ab-Gleichspannungswandler 41 ist aus einem Transistor 41a, einer Drosselspule 41b, einer Diode 41c und einem Kondensator 41d aufgebaut.

In dem Auf/Ab-Gleichspannungswandler 41 wird ein der Drosselspule 41b während der Einschaltperiode des Transistors 41a zugeführter Strom als magnetische Energie in der Drosselspule 41b gespeichert. Wenn der Transistor 41a dann abgeschaltet wird, fließt von der Drosselspule 41b Strom über den Strompfad: Drosselspule 41b - Kondensator 41d und Wechselrichter 5 Diode 41c - Drosselspule 41b, wodurch die Energie zum Kondensator 41d geliefert wird. Die Polarität des Kondensators 41d ist daher der des Glättungskondensators 3 entgegengesetzt. Die Ausgangsspannung Vp des Auf/Ab-Gleichspannungswandlers 41 ist durch folgende Gleichung gegeben:

Dabei bezeichnet V₁, eine Eingangsspannung und D das Tastver-

K.

hältnis des Transistors 41a.

Aus der Gleichung (9) wird deutlich, daß in diesem vierten Ausführungsbeispiel die Ausgangsspannung des Gleichspannungs-Wandlers 41 nicht nur relativ zur Eingangsspannung angehoben, sondern auch abgesenkt werden kann.

Im folgenden wird der Grund für einen derartigen Auf/Ab-Gleichspannungswandler 41 beschrieben, der eine Ausgangsspannung erzeugen kann, die niedriger als seine Eingangsspannung ist. Im to allgemeinen liegt die Ausgangsspannung des Röntgengerätes in einem Bereich von 20 kV bis 150 kV. Das bedeutet, daß das Verhältnis zwischen der maximalen Ausgangsspannung und der minimalen Ausgangsspannung 7,5 beträgt.

Die Eingangsspannung des Inverters 5 muß daher ebenso zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert veränderlich sein, die sich zumindest um den Faktor 7,5 unterscheiden. Die zulässige Eingangsspannung des Wechselrichters 5 ist durch die Haltespannungs-Charakteristik der verwendeten Halbleiterbauelemente begrenzt. Da der Maximalwert der Spannung, den gewöhnliche HaIbleiterbauelemente aushalten können, 1000 V bis 1200 V beträgt, liegt die praktische Obergrenze der Wechselrichter-Eingangsspannung bei etwa 800 V. Es wird angenommen, daß eine Wechselrichter-Eingangsspannung von 800 V erforderlich ist, um eine Röhrenspannung von 150 kV zu liefern. Dann ist eine Wechselrichter-Eingangsspannung von etwa 107 V erforderlich, um eine Röhrenspannung von 20 kV zu liefern. Wenn die Röntgenvorrichtung mit einer handelsüblichen Wechselleistungsquelle verbunden ist, die beispielsweise einphasig 200 V liefert, wird entsprechend dem Ausdruck (2) eine Eingangsspannung von 180 V an den Gleichspannungswandler 41 angelegt. Der Gleichspannungswandler 41 muß daher eine Ausgangsspannung erzeugen können, die niedriger als seine Eingangsspannung ist.

Im ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Gleichspannungswandler 9 selbst nicht geeignet, eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die niedriger als seine Eingangsspannung ist. Es tritt jedoch kein praktisches Problem auf, da die Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers 9 durch Steuerung der Arbeitsphase der Thyristoren der Gleichrichterschaltung entsprechend Ausdruck (7) verringert werden kann.

Im vorhergehenden wurden beispielhaft einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung in keiner Weise auf diese speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Beispielsweise können alle in den Ausführungsbeispielen verwendeten Transistoren durch schaltende Halbleiterbauelemente ersetzt werden, wie z.B. GTO-Thyristoren (Gate Turn-Off - Thyristoren). Weiterhin besteht keinerlei Beschränkung auf einen Vollbrücken- oder Gegentakt-Wechselrichter, sondern es kann auch ein Halbbrücken-Wechselrichter oder ein ähnlicher Typ verwendet werden. Statt der handelsüblichen einphasigen Wechselleistungsquelle kann auch eine dreiphasige Leistungsquelle Anwendung finden. In diesem Fall kann die Anzahl der Halbleiterbauelemente der Gleichrichterschaltung, die mit dem Ausgang der Wechselleistungsquelle verbunden ist, erhöht werden, um einen Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichter zu schaffen.

Aus der obigen detaillierten Beschreibung der Erfindung wird verständlich, daß die Eingangsspannung eines Wechselrichters in einer Wechselrichter-Röntgenvorrichtung höher als die Eingangsspannung eines Gleichspannungswandlers gemacht werden kann, so daß sich das Übersetzungsverhältnis eines Hochspannungstransformators verringern läßt.

Als Folge davon kann ein der Primärwicklung des Hochspannungstransformators zugeführter Eingangsstrom mit einem geringeren Wert in der Sekundärwicklung des Transformators einen Ausgangsstrom mit einem vorgegebenen Wert erzeugen. Damit läßt sich die

Strombelastbarkeit der schaltenden Bauelemente des Wechselrichters verringern, und die Verlustleistung aufgrund des Widerstandes der Leitung des Wechselrichters und der Primärwicklung des Hochspannungstransformators kann abgesenkt werden.

JA/bi

Claims

PATENTANWÄLTE* · ._-.._ STREHL SCHÜBEL-HÖPF SCHULZ 3546213 WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 HITACHI MEDICAL CORP. DRA-27473 27. Dezember 1985 Wechselrichter-Röntgenvorrichtung

1. Wechselrichter-Röntgenvorrichtung, gekennzeichnet durch

einen Gleichspannungswandler (9), der eine erste Gleichspannung in eine sich von der ersten Gleichspannung unterscheidende zweite Gleichspannung umformt,

einen Wechselrichter (5; 30), der die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (9) in eine Wechselspannung umrichtet,

einen Hochspannungstransformator (6) , der die Ausgangs-Spannung des Wechselrichters (5; 30) auf eine höhere Spannung 'transformiert,

eine Gleichrichterschaltung (7), die die Ausgangsspannung des Hochspannungs tr ans formators (6) in eine Gleichspannung umformt, und

eine Röntgenröhre (8), an die die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung (7) angelegt wird,

wobei der Gleichspannungswandler (9) eine Spannungssteuereinrichtung (9a, 9b, 9c, 9d) für eine derartige Steuerung seiner Ausgangsspannung aufweist, daß er eine Ausgangsspannung erzeugen kann, die höher als die Eingangsspannung ist.

2. Wechselrichter-Röntgenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungswandler (41) eine Spannungssteuereinrichtung (41a, 41b, 41c, 41d) für eine derartige Steuerung seiner Ausgangsspannung aufweist, daß er eine Ausgangsspannung erzeugen kann, die wahlweise höher oder niedriger als die Eingangsspannung ist.

3. Wechselrichter-Röntgenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuereinrichtung eine Drosselspule (9a; 41b), ein schaltendes Bauelement (9b; 41a), eine Diode (9c; 41c) und einen Kondensator (9d; 41d) aufweist, die so miteinander verbunden sind, daß während einer Einschaltperiode des schaltenden Bauelements (9b; 41a) der Drossel-

spule (9a; 41b) Strom zugeführt wird, und daß während einer Ausschaltperiode des schaltenden Bauelements (9b; 41a) Strom von der Drosselspule (9a; 41b) an den Kondensator (9d; 41d) geliefert wird.

4. Wechselrichter-Röntgenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß für die Stabilisierung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (9; 41) eine Rückkoppel-Regeleinrichtung (22, 23, 24) vorgesehen ist.

5. Wechselrichter-Röntgenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (5) ein Vollbrücken-Wechselrichter ist.

6. Wechselrichter-Röntgenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (3o) ein Gegentakt-Wechselrichter ist.

7. Wechselrichter-Röntgenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (5) ein Halbbrücken-Wechselrichter ist.