DE4412766C1

DE4412766C1 - Hochfrequenz-Hochspannungsgenerator

Info

Publication number: DE4412766C1
Application number: DE4412766A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Beyerlein; Werner Prof Dr Kuehnel; Peter Dipl Ing Tichy
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-04-13
Filing date: 1994-04-13
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2014-04-14

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Hochspannungsgene rator mit einem Netzgleichrichter, einem nachgeschalteten Wechselrichter und einem diesem nachgeschalteten Hochspan nungstransformator für die Speisung einer Last, bei dem zwi schen dem Wechselrichter und dem Hochspannungstransformator ein LC-Reihenschwingkreis liegt. Die Last kann von einer Röntgenröhre gebildet sein. Der Generator ist auch zur Spei sung anderer Hochspannungsverbraucher (z. B. Laser, Radarröh ren, Staubfilter) geeignet.

Der Wechselrichter hat die Aufgabe, eine aus dem Netz gewon nene Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung um zusetzen, die dann hochtransformiert wird. Weiter ist der Wechselrichter ein Stellglied zur Steuerung der Hochspannung. Dazu wird die Last über einen Serienschwingkreis an den Wech selrichter angekoppelt. Die Steuerung geschieht durch die Variation der Ansteuerfrequenz des Wechselrichters im Ver hältnis zur Resonanzfrequenz des Schwingkreises.

Diese bekannte Technik wird gewählt wegen der folgenden Vor teile:

- selbständiges Ausklingen des Schwingstromes,
- Vorteile wegen des sinusförmigen Stromes bezüglich elek tromagnetischer Verträglichkeit und geringerer Bauteilbe lastung (Hochspannungsdioden) und
- geringe Schaltverluste der Leistungsschalter.

Dem stehen folgende Nachteile gegenüber, da der Lastbereich der Röntgenröhre in der Regel 0,1 mA bis 1 A und 40 kV bis 150 kV beträgt.

- Sehr großer Variationsbereich der Ansteuerfrequenz, ca. 1 : 10 000 (z. B. 2 Hz bis 20 kHz).
- Der Hochspannungstransformator muß für einen sehr großen Frequenzbereich ausgelegt sein.
- Die Welligkeit der Hochspannung nimmt mit abnehmender An steuerfrequenz zu.
- Das Verhältnis Laststrom-Trafoverluste wird mit abnehmen der Frequenz ungünstiger und
- Der Arbeitsbereich liegt größtenteils im Hörbereich.

Diese Nachteile konnten bisher nur durch die Verwendung einer Vorregelung der Versorgungsspannung des Wechselrichters um gangen werden. Dies ist mit erheblichem Aufwand verbunden:

Netzdrosseln, aktive Bauelemente (Thyristoren), Zündstu fen, Regelung, erhöhter Aufwand für die Siebung der Wech selrichter-Versorgungsspannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenz- Hochspannungsgenerator der eingangs genannten Art so auszu bilden, daß die genannten Nachteile mit geringem schaltungs technischen Aufwand vermieden werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Der erfindungsgemäße Hochfrequenz- Hochspannungsgenerator weist parallel zu dem vorhandenen Schwingkreiskondensator eine Induktivität auf, wodurch ein Parallelschwingkreis gebildet wird. Dieser Parallelschwingkreis und der aus der Induktivität und der Wicklungskapazität des Hoch spannungstransformators gebildete Parallelschwingkreis sind hinsichtlich der Resonanzfrequenz etwa gleich, wo durch die Verluste sehr gering sind.

Dieses Prinzip bietet für die Anwendung in der medizinischen Technik neue Möglichkeiten:

- Es wird erreicht, daß die Energiepakete, die auf die Hoch spannungsseite transportiert werden, sehr fein quantisiert werden können.
- Dies ergibt auch bei kleiner Glättungskapazität eine ge ringe Welligkeit, sowohl bei kleinem wie auch bei großem Laststrom.
- Die kleine Glättungskapazität ermöglicht eine geringe Störaussendung bei Röhrenüberschlägen wegen der geringen gespeicherten Energie, sowie
- einen schnellen nachfolgenden Röhrenspannungsanstieg, der bei Computertomographie zu geringen Bilddatenverlusten und mit einem Korrekturalgorithmus zur Vermeidung von Artefak ten führt. Die durch die Strahlung gewonnenen Bilder wür den sonst nutzlos.
- Die feine Quantisierung ermöglicht auch die hohe Reprodu zierbarkeit bei kleinen Pulsbreiten. Dies ist z. B. bei der neuen Technik, der Verwendung von einem Detektorsystem auf der Basis von amorphem Silizium sowie der Anwendung von hochempfindlichen Film-Folien-Systemen, zwingend nötig.

Eine Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem Patent anspruch 2. Bei dieser Weiterbildung sind die Verluste in den Freilaufdioden, die den Schaltern des Wechselrichters paral lelgeschaltet sind, äußerst gering.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Hochfrequenz-Röntgengenerators zur Erläuterung des Erfindungsgedankens,

Fig. 2 Kurven zur Erläuterung der Fig. 1, und

Fig. 3 schaltungstechnische Einzelheiten des Hochfrequenz- Röntgengenerators gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein Drehstrom-Netzgleichrichter 1 darge stellt, dem ein Zwischenkreis 2, ein Wechselrichter 3, ein Koppelnetzwerk 4, ein Hochspannungstransformator 5, ein Hoch spannungsgleichrichter 6, ein Hochspannungssiebglied 7 und schließlich eine Röntgenröhre 8 nachgeschaltet sind.

Das Koppelnetzwerk 4 enthält einen LC-Serienschwingkreis 9, 10. Der Kapazität 9 dieses LC-Serienschwingkreises 9, 10 ist eine Induktivität 11 parallelgeschaltet.

In der Fig. 2 ist auf der waagerechten Achse die Ansteuerfre quenz des Wechselrichters 3 und auf der senkrechten Achse das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Wechselrichters 3 für verschiedene Lastströme dargestellt. Das Koppelnetzwerk 4 weist in der Übertragungsfunktion eine Nullstelle sowie eine Polstelle auf. Durch eine geringe Fre quenzvariation zwischen diesen Grenzwerten (hier Frequenzver hältnis 1 : 2,3) kann für alle Lastfälle die Ausgangsspannung voll gesteuert werden. Es ist somit möglich, die Vorteile des Serienschwingkreises zu nutzen, ohne die angesprochenen Nach teile bzw. den Aufwand für einen geregelten Zwischenkreis in Kauf zu nehmen.

Im dargestellten Diagramm der Fig. 2 ergibt sich aufgrund der gewählten Bauteildaten für die Bauteile 9, 10 und 11 die Fre quenz der Nullstelle bei ca. 47 kHz und die der Polstelle bei ca. 114 kHz.

Der beschriebene Hochfrequenz-Röntgengenerator eignet sich für hohe Arbeitsfrequenzen, durch die eine geringere Glät tungskapazität auf der Hochspannungsseite bei gleicher Wel ligkeit, eine kleine Baugröße des Hochspannungstransformators 5 sowie eine bessere Regeldynamik gegenüber Hochspannungs generatoren mit niedrigen Frequenzen erreicht werden.

Speziell ist an Anwendung von IGBTs (insulated gate bipolar transistor) als Schaltelemente gedacht, die sehr preisgünstig sind, aber üblicherweise nur bis maximal 20 kHz eingesetzt werden können. Durch die Prinzipbedingte verlustleistungslose Entlastung beim Ausschalten sind Schaltfrequenzen über der 100 kHz-Schwelle nahezu ohne Leistungsreduktion möglich.

Der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Röntgengenerator ist auch mit allen anderen Leistungshalbleitern (Thyristoren, MOS- Transistoren, MCT (Mos-controlled Thyristor), Bipolar-Transi stor) vorteilhaft verwendbar. Eine Umschaltung zwischen Halb- und Vollbrückenbetrieb des Wechselrichters 3 zur Grobanpas sung an die Netzspannung bzw. den Lastbereich ist je nach An wendung sinnvoll. Die Erzeugung der Ansteuerfrequenz kann durch einen VCO (voltage controlled oscillator) erfolgen, oder durch eine variable Verzögerung des Einschaltzeitpunktes nach dem Stromnulldurchgang
Bei bestimmten Anwendungen wird über zwei Wechselrichter eine getrennte Plus- und Minusversorgung erzeugt, die unterschied lich belastet ist. Hier würden sich bei den Wechselrichtern mit getrennter Regelung unterschiedliche Ansteuerfrequenzen ergeben und damit in der Summe der Spannungen eine Schwebung auftreten. Hier wäre es sinnvoll, beide Wechselrichter mit der gleichen Frequenz zu steuern und die Feinregelung der Differenz durch bekannte Verfahren wie Phasen- oder Pulsweiten-Modulation eines der beiden Wechselrichter zu erreichen.

Durch die Anpassung des Transformators 5 ist die Anordnung auch für die Leistungsversorgung von Verbrauchern im Nieder spannungsbereich geeignet.

Hinsichtlich der Fig. 3 ergibt sich folgendes:
Der Hochspannungstransformator 5 weist eine unvermeidliche Wicklungskapazität 13 auf. Diese kann zu einer zusätzlichen Strombelastung des Wechselrichters 3 und der Schwingkreisele mente, insbesondere bei hohen Arbeitsfrequenzen, führen, da die Wicklungskapazität 13 bei jeder Ansteuerperiode zweimal um jeweils die halbe Ausgangsspannung umgeladen werden muß, bevor die Dioden 20 des Hochspannungsgleichrichters 6 (Fig. 1) leitend werden können. Der Anteil des Umladestromes kann bei kleiner Last (Durchleuchtung bei langer Betriebs zeit) den Wirkstrom bei weitem überschreiten. Durch geeignete Abstimmung der Induktivität 12 des Hochspannungstransforma tors 5 und der Wicklungskapazität 13 ist es möglich, die Um ladung der Wicklungskapazität 13 durch die Induktivität 12 durchzuführen, ohne den Wechselrichter 3 und die Schwing kreiselemente 9, 10, 11 zu belasten. Dadurch werden deren Verluste reduziert. Der Parallelschwingkreis 12, 13 wird hierzu auf die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises 9, 11 abgestimmt, da dies der Arbeitsfrequenz bei kleiner Leistung entspricht.

Um bei hoher Frequenz eine große Leistung über den Hochspan nungstransformator 5 übertragen zu können, ist es nötig, den Wechselrichter 3 nahe der Serienresonanzfrequenz des Schwing kreises 9, 10 zu betreiben. Dies ergibt sich daraus, daß der Hochspannungstransformator 5 nicht mit beliebig kleiner Streuinduktivität gebaut werden kann. Diese Induktivität hat bei hoher Frequenz eine große Impedanz und widersetzt sich damit dem Energiefluß zur Last. Beim Betrieb nahe der Serien resonanzfrequenz wird das Verhalten durch den Serienkondensa tor 9 kompensiert. Beim Betrieb zwischen der halben und der ganzen Resonanzfrequenz treten hohe Schaltverluste in den den Schaltern 14 des Wechselrichters 3 parallelgeschalteten Frei laufdioden 15 auf. Dies ist bedingt durch die Speicherladung der Freilaufdioden 15. Deshalb ist ein Entlastungsnetzwerk 16 bis 19 zwischen dem Netzgleichrichter 2 und dem Wechselrich ter 3 vorgesehen. Dieses Entlastungsnetzwerk 16 bis 19 be grenzt den Stromanstieg mit Hilfe der in Reihe mit dem Wech selrichtereingang liegenden Induktivität 16 beim Einschalten der Schalter 14 (Schalttransistoren). Die Diode 17, der Widerstand 18 und der Kondensator 19 begrenzen eine even tuelle Überspannung.

Die Fig. 3 zeigt noch gestrichelt einen Kondensator 21, der wahlweise an den Stellen a, b oder c eingefügt werden kann. Er dient zur Unterbrechung etwaiger Gleichstromanteile, be dingt durch Wechselrichter-Unsymmetrien.

Claims

1. Hochfrequenz-Hochspannungsgenerator mit einem Netzgleich richter (1), einem Wechselrichter (3) für die Gleichrichter- Ausgangsspannung und einem diesem nachgeschalteten Hochspan nungstransformator (5) für die Speisung einer Last, bei dem zwischen dem Wechselrichter (3) und dem Hochspannungstrans formator (5) ein LC-Reihenschwingkreis (9, 10) liegt, bei dem parallel zur Kapazität (9) dieses Schwingkreises eine Induk tivität (11) geschaltet ist und bei dem die Resonanzfrequenz des aus der Induktivität (12) und der Wicklungskapazität (13) des Hochspannungstransformators (5) gebildeten Parallel schwingkreises etwa gleich der Resonanzfrequenz des Parallel schwingkreises (9, 11) am Wechselrichterausgang ist.

2. Hochfrequenz-Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1, bei dem zwischen dem Netzgleichrichter (1) und dem Wechselrichter (3) ein Entlastungsnetzwerk (16 bis 19) zur Verringerung der Schaltverluste in den den Schaltern (14) des Wechselrichters (3) parallelgeschalteten Freilaufdioden (15) liegt, und bei dem das Entlastungsnetzwerk (16 bis 19) eine in Reihe mit dem Wechselrichtereingang liegende Induktivität (16) aufweist.

3. Hochfrequenz-Röntgengenerator nach Anspruch 2, bei dem das Entlastungsnetzwerk (16 bis 19) eine Schaltung (17, 18, 19) zur Überspannungsbegrenzung aufweist.

4. Hochfrequenz-Röntgengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der einen Blockkondensator (21) zur Unterbrechung von Gleichstromanteilen am Wechselrichterausgang aufweist.