WO2010025815A1 - Softgenerator - Google Patents

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WO2010025815A1
WO2010025815A1 PCT/EP2009/005889 EP2009005889W WO2010025815A1 WO 2010025815 A1 WO2010025815 A1 WO 2010025815A1 EP 2009005889 W EP2009005889 W EP 2009005889W WO 2010025815 A1 WO2010025815 A1 WO 2010025815A1
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WO
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output
stage
generator
input
capacitance
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/005889
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Schall
Florian Eisele
Original Assignee
Erbe Elektromedizin Gmbh
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Publication date
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Priority to JP2011525430A priority patent/JP5675616B2/ja
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/04—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating
    • A61B18/12—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating by passing a current through the tissue to be heated, e.g. high-frequency current
    • A61B18/1206—Generators therefor
    • A61B18/1233—Generators therefor with circuits for assuring patient safety
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B2018/00636—Sensing and controlling the application of energy
    • A61B2018/00696—Controlled or regulated parameters
    • A61B2018/00702—Power or energy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B2018/00636—Sensing and controlling the application of energy
    • A61B2018/00773—Sensed parameters
    • A61B2018/00892—Voltage

Definitions

  • the invention relates to an RF-surgery generator for generating high-efficiency output power according to the preamble of claim 1 having a first stage for generating an RF power coupled to a second stage, the second stage having an input (A, B). and an output (C, D), and wherein there is a series resonance circuit between the input (A, B) and the output (C, D) of the second stage.
  • FIGS 4a and 5a show various prior art topologies of resonant circuits used to generate RF power.
  • an (scattered) transformer can be integrated for an additional resistance-independent impedance transformation by the structure L p , L 2 .
  • Figs. 4 b, c and 5b, c show that belong to the respective topology profiles of the resonance frequency f r, the filter input resistor RE, and the maximum output power P a, max and - voltage U a, max as a function of the load resistor RL. The latter two are additionally dependent on the type of feed.
  • the power supply operates in the current limit and for RE> REopt in the voltage limit.
  • SRK series resonant circuit
  • PRK parallel resonant circuit
  • FIGS. 4b, c and 5b, c show series resonances with a broken line and parallel resonances with a solid line.
  • FIGS. 4b and 5b each show all possible resonance points for the filter, but only the operating frequencies actually occurring in the respectively selected type of frequency feedback are shown with a continuous line. Only for these frequencies are shown in FIGS. 4c and 5c, the filter input resistance RE with a solid line and the maximum output power P a , m ax with a broken line and the maximum output peak voltage U ama ⁇ p shown with dotted line.
  • the branching as shown here, then takes place exactly at a point when the resonant frequencies of the individual resonant circuits match.
  • FIG. 4a shows a known from the prior art resonant circuit for generating output power with a lying at the input A, B parallel resonant circuit (PRK) consisting of a capacitance C p and an inductance L p , a series resonant circuit with an inductance L 2 and capacitance C 2 and a load R L at the output C, D.
  • PRK parallel resonant circuit
  • 5a shows a resonant circuit known from the prior art for generating output powers with a series resonant circuit SRK located at the input A, B, consisting of an inductance L 1 and a capacitance Ci, a parallel resonant circuit PRK with a capacitance C p and an inductance L p a series resonant circuit SRK having an inductance L 2 and capacitance C 2 and a load R L at the output C, D.
  • the present invention is therefore the object of developing an RF generator for generating output power such that the known from the prior art and discussed above problems and disadvantages and in particular a high RF power output with high efficiency in the largest possible load resistance range can be achieved at the same time good EMC properties.
  • This object is achieved by an RF generator of the type mentioned above in that in parallel to the input (A, B) an inductance (L p ) and parallel to the output (C, D), a capacitance (C p ) are connected such that the RF generator is resonant over a wide load resistance range.
  • An essential point of the invention is that due to the parallel inductance at the input the effect of an otherwise usually used in their place parallel resonant circuit (PRK) and thus the splitting of the resonances at a certain operating frequency is prevented and that the capacitance connected in parallel to the output is, a series resonance ensured over a wide load resistance range.
  • PRK parallel resonant circuit
  • the output capacitance C p has a capacitance which is large in magnitude compared to the capacitance of a capacitor C 2 of the series resonant circuit. This dimensioning allows the generator frequency to have only a small dependence on the load resistance. Due to the magnitude of the output capacitance C p compared to capacitive loads occurring in practice, as caused for example by output lines or endoscopes, in particular no significant dependence of the RF generator characteristics occurs at different capacitive load.
  • the first stage generates a square-wave voltage whose phase position is synchronized with an input current flowing into the input (A, B) of the second stage.
  • This ensures that the HF generator in the selected load resistance range can be operated in resonance and a zero voltage and zero current switching (ZVS and ZCS) of the power semiconductors is ensured by a minimum inductive detuning.
  • the phase synchronization can be realized in a simple manner with a PLL circuit.
  • the HF generator according to the invention if the HF surgical generator has a voltage regulator for monitoring an output voltage U A at the output (C, D) of the second stage. Because especially for large load resistors, the maximum output voltage rises sharply, which must be prevented by an appropriate circuitry. One, but not limited, possibility is to reduce the power supply voltage accordingly.
  • the voltage regulator can thus be used to control a power supply that supplies the first stage.
  • an overvoltage protection device which may be designed as a varistor, is inserted between the point of connection of L 2 and C 2 and the patient mass (D or B). In this way, care is taken to ensure that the output voltage U A is limited to uncritical values until a regulator intervention takes effect in the event of a sudden load drop for protection against overvoltage.
  • a surgical system is provided with an RF surgery generator with a surgical tissue treatment device, which represents a load (R L ) with a capacitive component, which is applied to the output (C, D) of the second stage.
  • the capacitance of the output capacitor (C p ) is in terms of magnitude large compared to the capacitive component of the load (R L ).
  • FIGS. 1a-1c illustrate a topology of a resonant circuit for RF power generation and associated waveforms of various outputs in accordance with the present invention
  • Fig. 2 is a detailed circuit of an embodiment of the present invention.
  • 5a-5c show a known from the prior art topology of a resonant circuit for RF power generation with an input series resonant circuit with the associated curves of different output variables.
  • FIG. 1 a shows a resonant circuit according to the present invention having an inductance L p / a series resonant circuit SRK with an inductance L 2 and capacitance C 2 and a capacitor C p in parallel at the output C, D and a load R L.
  • the disadvantages of the topologies described in FIGS. 4a and 5a and known from the prior art can be avoided with the topology according to FIG. 1a by replacing the effect of a PRK by the parallel inductance Lp and thus preventing the splitting of the resonances ,
  • the additional addition of the capacitance C p ensures operation of the circuit in series resonance even for large load resistances R L.
  • An input SRC is then no longer absolutely necessary.
  • the series resonant capacitance C 2 can be partially and the Series resonance inductance L 2 can also be completely shifted taking into account the transmission ratio of an existing transformer on the primary side.
  • the topologies resulting from the displacement of the series dummy elements C 2 and L 2 on the primary side of a transformer basically show no other properties and are to be regarded as having the same effect in the sense of the invention.
  • the topology shown in Fig. Ia has a continuous series resonance whose load dependence can be kept low when C P >> C 2 is selected.
  • This embodiment of the resonant circuit can be operated in resonance, for example, by a square-wave voltage generated with a half or full bridge whose phase position is synchronized with the filter input current, in the entire load resistance range.
  • Zero voltage and zero current switching (ZVS and ZCS) of the power semiconductors is ensured by minimally inductive detuning.
  • the phase synchronization can be easily realized with a PLL circuit.
  • the resonance operation can be ensured even with a direct feedback of the current signal to the drive.
  • Symmetrical, continuous control generates an output signal with a very low degree of distortion. This allows the evaluation of harmonics as a measure of tissue properties and to ensure a high process quality.
  • Fig. 2 shows an embodiment of an RF generator according to the invention.
  • This consists of a power supply 7 and a first stage 2, which is coupled to a second stage 3.
  • the first stage 2 has in the illustrated embodiment, a driver stage 9, which is designed as a full bridge and generates a square wave voltage and a PLL circuit 11 for phase synchronization of the generated by the driver stage square-wave voltage with an input current I rk on.
  • the second stage 3 has an input A, B and an output C, D, wherein between the input A, B and the output C, D of the second stage 3, a series resonance circuit 4 with an inductance L 2 (200 ⁇ H) and a capacitance C 2 (1 nF).
  • an overvoltage protection device 8 with an overvoltage protection for voltages up to 1 kV, which may be formed for example as a varistor.
  • the output voltage U A at the output C, D is monitored.
  • the overvoltage protection 8 limits the output voltage U A until a regulator intervention takes effect on uncritical values.
  • the embodiment shown provides that the voltage regulator 6 regulates the power supply unit 7 via the fed-back output voltage U A, which supplies the first stage 2.
  • FIGS. 3a and 3b respectively show the resonant frequency characteristic and the output characteristic of the HF generator illustrated in FIG.
  • a broken line in FIG. 3a shows a tolerance scheme for the output power, as is desired for a generator for the bipolar TUR. In the expanded representation of the lower load resistance range of FIG. 3b, it can be seen that the tolerance scheme is fulfilled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen HF-Chirurgiegenerator (1) zur Erzeugung von Ausgangsleistungen mit hohem Wirkungsgrad, mit einer ersten Stufe (2) zur Erzeugung einer HF-Leistung, die mit einer zweiten Stufe (3) gekoppelt ist, wobei die zweite Stufe (3) einen Eingang (A, B) und einen Ausgang (C, D) aufweist, und wobei sich zwischen dem Eingang (A, B) und dem Ausgang (C, D) der zweiten Stufe (3) ein Serienresonanz-Schaltkreis (4) befindet. Mit dem Ziel, einen HF- Generator (1) auszubilden, der über einen breiten Lastwiderstandsbereich in Resonanz betreibbar ist und gute EMV-Eigenschaften aufweist, ist parallel zum Eingang (A, B) eine Induktivität (Lp) und parallel zum Ausgang (C, D) eine Kapazität (Cp) geschaltet sind.

Description

Softgenerator
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen HF-Chirurgiegenerator zur Erzeugung von Ausgangsleistungen mit hohem Wirkungsgrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer ersten Stufe zur Erzeugung einer HF-Leistung, die mit einer zweiten Stufe gekoppelt ist, wobei die zweite Stufe einen Eingang (A, B) und einen Ausgang (C, D) aufweist, und wobei sich zwischen dem Eingang (A, B) und dem Ausgang (C, D) der zweiten Stufe ein Serienresonanz-Schaltkreis befindet.
Die stetige Entwicklung der HF-Chirurgie in den letzten Jahren führte zu Verfahren zur Kontaktkoagulation (Tumordevitalisierung), zu Methoden für (Unterwasser-) Gewebeschnitte und für (Unterwasser-) Gewebevaporisation. Zur Durchführung dieser Verfahren werden HF-Generatoren eingesetzt, die mit hohen Dauerleistungen und mit sehr hohen Pulsleistungen und/oder langen Aktivierungszeiten arbeiten. Zugleich steigen jedoch auch die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der eingesetzten HF-Generatoren, weil die Störung anderer elektromedizinischer Geräte, beispielsweise für das Patientenmonitoring oder zur Diagnostik, immer weniger akzeptabel wird. Die notwendigen Maßnahmen zur Gewährleistung der Eigenstörfestigkeit solcher HF- Generatoren, die trotzdem die geforderten hohen HF-Leistungen erzielen, sind dadurch nur noch unter einem hohem entwicklungstechnischen Aufwand zu realisieren.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur HF-Leistungserzeugung Schaltungsanordnungen bestehend aus Serien- und/oder Parallelresonanzkreisen zu verwenden, die von Leistungshalbleitern im Schaltbetrieb gespeist werden. Für die Ausgangscharakteristik der HF-Generatoren sind neben den Netzteileigenschaften (inklusive ggf. vorhandener Regelungen) vor allem die Gestaltung dieser Resonanzkreise und die Art ihrer Speisung - die ebenso als Stellgröße für Regelungen dienen kann - von entscheidender Bedeutung. Dabei ist bekannt, dass die Resonanzfrequenz sowie der Eingangswiderstand und mithin das Übersetzungsverhältnis solcher Resonanzkreise im wesentlichen von dem Lastwiderstand abhängig sind. Dies führt bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen zur Realisierung von HF-Generatoren mit Resonanzkreisen dazu, dass sich je nach Betriebsart bei einer bestimmten Frequenz die Resonanz aufspaltet, da die im HF-Generator verwendeten Serien- und Parallelresonanzkreise ab einem bestimmten Lastwiderstandsbereich miteinander interagieren. Um dennoch die geforderte hohe Ausgangsleistung zu erzielen, wären jedoch unter anderem ungünstig hohe Netzteilströme notwendig. Dies wirkt sich einerseits negativ auf den Wirkungsgrad des HF-Generators aus und führt andererseits zu einem Betrieb des HF-Generators mit nicht-sinusförmigen Eingangsstrom, wodurch sich auch die EMV-Eigenschaften des HF-Generators verschlechtern.
Die Fig. 4a und Fig. 5a zeigen verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Topologien von Resonanzkreisen, wie sie zur Erzeugung von HF-Leistungen eingesetzt werden. In diesen Fällen lässt sich für eine zusätzliche lastwiderstandsunabhängige Impedanztransformation durch die Struktur Lp, L2 ein (streuungsbehafteter) Transformator integrieren.
Die Fig. 4b, c und Fig. 5b, c zeigen die zur jeweiligen Topologie gehörigen Verläufe der Resonanzfrequenz fr, des Filtereingangswiderstandes RE, sowie der maximalen Ausgangsleistung Pa,max und - Spannung Ua,max als Funktion des Lastwiderstandes RL. Die beiden letzteren sind zusätzlich von der Art der Speisung abhängig.
Hier wurde eine Speisung mit einer Rechteckspannung der entsprechenden Resonanzfrequenz und ein Netzteil mit einer maximalen Ausgangsspannung U0 und einem maximalen Ausgangsstrom I0 angenommen. Unter diesen Bedingungen transformiert sich der optimale Lastwiderstand Ropt=Uo/Io in den optimalen Filtereingangswiderstand REopt=8/piA2*Ropt.
Für RE<REopt arbeitet das Netzteil in der Strombegrenzung und für RE>REopt in der Spannungsbegrenzung. In Anlehnung an die Eigenschaften idealer Resonanzkreise werden Resonanzstellen, an welchen sich das Filter wie ein Serienresonanzkreis (SRK) bzw. Parallelresonanzkreis (PRK) verhält, als Serienresonanzen (SR) bzw. Parallelresonanzen (PR) bezeichnet. In den Fig. 4b,c und Fig. 5b, c sind Serienresonanzen mit unterbrochener Linie und Parallelresonanzen mit durchgezogene Linie dargestellt.
Darüber hinaus zeigen die Fig. 4b und 5b jeweils alle für das Filter möglichen Resonanzstellen, aber nur die bei der jeweils gewählten Art der Frequenzrückkopplung tatsächlich auftretenden Betriebsfrequenzen sind mit durchgehender Linie dargestellt. Nur für diese Frequenzen sind in den Fig. 4c und 5c der Filtereingangswiderstand RE mit durchgehender Linie sowie die maximale Ausgangsleistung Pa,max mit unterbrochener Linie und die maximale Ausgangsspitzenspannung Uamaχp mit strichpunktierter Linie dargestellt.
Zur Charakterisierung der Kurvenverläufe sind die belasteten Güten der Einzelresonanzkreise Ql = l/RL*sqrt(Ll/Cl), Q2=l/RL*sqrt(L2/C2) und Qp=RL*sqrt(Cp/Lp) hilfreich.
Die Verzweigung der Resonanzkurven findet beim Lastwiderstand R0 statt, der sich in Fig. 4b aus Qp=Q2 und in Fig. 5b aus Qp=Ql+Q2 ergibt. Die Verzweigung findet, wie hier dargestellt, dann genau in einem Punkt statt, wenn die Resonanzfrequenzen der Einzelresonanzkreise übereinstimmen.
Die Fig. 4a zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Resonanzkreis zur Erzeugung von Ausgangsleistungen mit einem am Eingang A, B liegenden Parallelresonanzschwingkreis (PRK) bestehend aus einer Kapazität Cp und einer Induktivität Lp, einem Serienresonanzschwingkreis mit einer Induktivität L2 und Kapazität C2 und einer Last RL am Ausgang C, D. Diese Anordnung ist in Zusammenhang mit der gängigerweise angewandten Spannungsspeisung ungeeignet zur Erfüllung der Anforderungen nach hoher HF-Leistungsabgabe und gutem Wirkungsgrad, weil sich dabei ein stark nichtsinusförmiger Eingangsstrom einstellt. Zwar würde hier eine Stromspeisung entsprechende Abhilfe schaffen. Die Speisung mit einer Stromquelle ist jedoch vergleichsweise aufwändig. Aus der Fig. 4b ist ersichtlich, dass sich die Resonanzfrequenz für kleine Lastwiderstände aufspaltet, weil der Parallelresonanzschwingkreis PRK und Ausgangs-Serienresonanzschwingkreis SRK interagieren. Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz mit abnehmendem Lastwiderstand.
Fig. 5a zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Resonanzkreis zur Erzeugung von Ausgangsleistungen mit einem am Eingang A, B liegenden Serienresonanzschwingkreis SRK bestehend aus einer Induktivität L1 und einer Kapazität Ci, einem Parallelresonanzschwingkreis PRK mit einer Kapazität Cp und einer Induktivität Lp, einem Serienresonanzschwingkreis SRK mit einer Induktivität L2 und Kapazität C2 und einer Last RL am Ausgang C, D.
Diese Schaltungstopologie ist zwar für eine Spannungsspeisung geeignet, sie besitzt jedoch den Nachteil, dass sich für große Lastwiderstände die Serienresonanz aufspaltet und dadurch stark verschiebt, wie dies aus Fig. 5b ersichtlich ist, da der Eingangs-SRK und PRK miteinander interagieren und die zugehörigen Eingangswiderstände dabei derart kleine Werte annehmen, dass ungünstig große Netzteilströme nötig wären, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erzielen. Um dies zu vermeiden ist eine Umschaltung auf Parallelresonanz nötig. Dies führt jedoch zu einem Betriebsmodus mit nichtsinusförmigem Eingangsstrom, der die EMV-Eigenschaften der Anordnung negativ beeinträchtigen würde.
Wie obenstehend erläutert, bestehen also die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Minimierung der genannten Nachteile bislang darin, die Schaltungsanordnung eines HF-Generators je nach Anwendungsfall entweder mit einer Strom- oder einer Spannungsspeisung zu versehen. Die schaltungstechnische Realisierung dazu ist jedoch oftmals aufwändig.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen HF- Generator zur Erzeugung von Ausgangsleistungen derart weiterzubilden, dass die aus dem Stand der Technik bekannten und oben diskutierten Probleme und Nachteile vermindert und insbesondere eine hohe HF-Leistungsabgabe mit hohem Wirkungsgrad in einem möglichst großen Lastwiderstandsbereich bei gleichzeitig guten EMV-Eigenschaften erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen HF-Generator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bei dem parallel zum Eingang (A, B) eine Induktivität (Lp) und parallel zum Ausgang (C, D) eine Kapazität (Cp) geschaltet sind, so dass der HF-Generator über einen breiten Lastwiderstandsbereich in Resonanz betreibbar ist.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass durch die parallele Induktivität am Eingang die Wirkung eines sonst üblicherweise an ihrer Stelle eingesetzten Parallelresonanzkreises (PRK) und damit die Aufspaltung der Resonanzen bei einer bestimmten Betriebsfrequenz verhindert wird und dass die Kapazität, die parallel zum Ausgang geschaltet ist, eine Serienresonanz auch über einen breiten Lastwiderstandsbereich gewährleistet.
In einer besonderen Realisierung des HF-Generators ist es vorgesehen, dass die Ausgangskapazität Cp eine Kapazität aufweist, die betragsmäßig groß ist gegenüber der Kapazität eines Kondensators C2 des Serienresonanz-Schaltkreises. Diese Dimensionierung erlaubt es, dass die Generatorfrequenz nur eine geringe Abhängigkeit von dem Lastwiderstand aufweist. Aufgrund der betragsmäßigen Größe der Ausgangskapazität Cp gegenüber in der Praxis auftretenden kapazitiven Lasten, wie sie beispielsweise durch Ausgangsleitungen oder Endoskope verursacht werden, tritt insbesondere auch keine wesentliche Abhängigkeit der HF- Generatoreigenschaften bei unterschiedlicher kapazitiver Belastung auf.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des HF-Generators ist es vorgesehen, dass die erste Stufe eine Rechteckspannung erzeugt, deren Phasenlage mit einem in den Eingang (A, B) der zweiten Stufe hineinfließenden Eingangsstrom synchronisiert ist. Dadurch wird erreicht, dass der HF-Generator im gewählten Lastwiderstandsbereich in Resonanz betrieben werden kann und ein Nullspannungs- und Nullstromschalten (ZVS und ZCS) der Leistungshalbleiter durch eine minimale induktive Verstimmung gewährleistet wird. Die Phasensynchronisation kann dabei auf einfache Weise mit einer PLL-Schaltung realisiert werden. AIs vorteilhaft für den erfindungsgemäßen HF-Generator ist es, wenn der HF- Chirugiegenerator einen Spannungsregler zur Überwachung einer Ausgangsspannung UA am Ausgang (C, D) der zweiten Stufe aufweist. Denn insbesondere für große Lastwiderstände steigt die maximale Ausgangspannung stark an, was durch eine entsprechende Schaltungsanordnung verhindert werden muss. Eine, jedoch nicht darauf beschränkte Möglichkeit besteht darin, die Netzteilspannung entsprechend zu reduzieren. Der Spannungsregler kann also zur Regelung eines Netzteils verwendet werden, welches die erste Stufe versorgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des HF-Generators ist es darüber hinaus vorgesehen, dass eine Überspannungs-Schutzeinrichtung, die als Varistor ausgebildet sein kann, zwischen dem Verknüpfungspunkt von L2 und C2 sowie der Patientenmasse (D bzw. B) eingefügt wird. Auf diese Weise wird dafür Sorge getragen, dass bei einem plötzlichen Lastabfall zum Schutz vor Überspannung die Ausgangsspannung UA bis zum Wirksamwerden eines Reglereingriffs auf unkritische Werte begrenzt wird.
Als besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist ein chirurgisches System mit einem HF-Chirurgiegenerator mit einem chirurgischen Gerät zur Behandlung von Gewebe vorgesehen, das eine Last (RL) mit kapazitivem Anteil darstellt, die am Ausgang (C, D) der zweiten Stufe anliegt. Dabei ist die Kapazität des Ausgangskondensators (Cp) betragsmäßig groß gegenüber dem kapazitiven Anteil der Last (RL). Durch eine derartige Dimensionierung wird sichergestellt, dass das chirurgische System mit dem HF-Chirurgiegenerator über einen breiten Lastwiderstandsbereich in Resonanz betrieben werden kann. Zudem wird dadurch eine Verringerung der Abhängigkeit der Generatoreigenschaften bei unterschiedlicher kapazitiver Belastung erreicht.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. Ia - Ic eine Topologie eines Resonanzkreises zur HF-Leistungserzeugung und den dazugehörigen Verläufen verschiedener Ausgangsgrößen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine detaillierte Schaltung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a - 3b einen Resonanzfrequenzverlauf und die Ausgangscharakteristik des erfindungsgemäßen HF-Generators gemäß Fig. 2.
Fig. 4a - 4c eine aus dem Stand der Technik bekannte Topologie eines Resonanzkreises zur HF-Leistungserzeugung mit einem Eingangs- Parallelresonanzschwingkreis mit den dazugehörigen Verläufen verschiedener Ausgangsgrößen; und
Fig. 5a - 5c eine aus dem Stand der Technik bekannte Topologie eines Resonanzkreises zur HF-Leistungserzeugung mit einem Eingangs- Serienresonanzschwingkreis mit den dazugehörigen Verläufen verschiedener Ausgangsgrößen;
Fig. Ia zeigt einen Resonanzkreis gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer am Eingang A, B parallel liegenden Induktivität Lp/ einem Serienresonanzschwingkreis SRK mit einer Induktivität L2 und Kapazität C2 und einer am Ausgang C, D parallel liegenden Kapazität Cp und einer Last RL.
Die Nachteile der in Fig. 4a und Fig. 5a beschriebenen und aus dem Stand der Technik bekannten Topologien lassen sich mit der Topologie gemäß Fig. Ia vermeiden, indem die Wirkung eines PRK durch die Parallelinduktivität Lp ersetzt und damit die Aufspaltung der Resonanzen verhindert wird. Durch das zusätzliche Hinzufügen der Kapazität Cp wird ein Betrieb der Schaltung in Serienresonanz auch für große Lastwiderstände RL gewährleistet wird. Ein Eingangs-SRK ist dann nicht mehr zwingend nötig. Die Serienresonanzkapazität C2 kann teilweise und die Serienresonanzinduktivität L2 kann auch ganz unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses bei einem vorhandenen Transformator auf dessen Primärseite verlagert werden. Die durch die Verlagerung der Serienblindelemente C2 und L2 auf die Primärseite eines Transformators entstandenen Topologien zeigen prinzipiell keine anderen Eigenschaften und sind im Sinne der Erfindung als gleichwirkend anzusehen.
Die in der Fig. Ia dargestellte Topologie weist eine durchgängige Serienresonanz auf, deren Lastabhängigkeit gering gehalten werden kann, wenn CP> >C2 gewählt wird. Diese Ausführungsform des Resonanzkreises kann beispielweise durch eine mit einer Halb- oder Vollbrücke erzeugten Rechteckspannung, deren Phasenlage mit dem Filtereingangsstrom synchronisiert ist, im gesamten Lastwiderstandsbereich in Resonanz betrieben werden. Durch eine minimal induktive Verstimmung wird Nullspannungs- und Nullstromschalten (ZVS und ZCS) der Leistungshalbleiter gewährleistet. Die Phasensynchronisation kann auf einfache Weise mit einer PLL-Schaltung realisiert werden.
Alternativ kann auch mit einer direkten Rückkopplung des Stromsignals auf die Ansteuerung der Resonanzbetrieb gewährleistet werden. Durch symmetrische, kontinuierliche Ansteuerung wird ein Ausgangssignal mit einem sehr geringen Klirrgrad erzeugt. Dies erlaubt die Auswertung von Oberwellen als Messgröße für Gewebeeigenschaften und zur Sicherung einer hohen Prozeßqualität.
Darüber hinaus lassen sich durch geeignete Dimensionierung hohe Ausgangsleistungen speziell bei kleinen Lastwiderständen und damit hohe Ausgangsströme erzielen, wie sie etwa für Verfahren in der Urologie und zur bipolaren Gefäßkoagulation benötigt werden. Gleichzeitig lässt sich für den gesamten relevanten Lastwiderstandsbereich, insbesondere für den oberen Bereich, ein relativ großer Filtereingangswiderstand realisieren. Dadurch sind keine allzu großen Netzteilströme-erforderlich, was eine wesentliche Voraussetzung für den hohen Wirkungsgrad ist.
Günstiges EMV-Verhalten des HF-Generators kann dadurch gewährleistet werden, da Nullspannungs- und Nullstromschalten (ZCS und ZVS-Betrieb) der Leistungshalbleiter möglich ist und sich im gesamten Betriebsbereich ein sinusförmiger Eingangsstrom einstellt.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen HF-Generator. Dieser besteht aus einen Netzteil 7 und einer ersten Stufe 2, die mit einer zweiten Stufe 3 gekoppelt ist. Die erste Stufe 2 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Treiberstufe 9, die als Vollbrücke ausgebildet ist und eine Rechteckspannung erzeugt und eine PLL-Schaltung 11 zur Phasensynchronisation der von der Treiberstufe erzeugten Rechteckspannung mit einem Eingangsstrom Irk auf. Die zweite Stufe 3 weist einen Eingang A, B und einen Ausgang C, D auf, wobei sich zwischen dem Eingang A, B und dem Ausgang C, D der zweiten Stufe 3 ein Serienresonanz-Schaltkreis 4 mit einer Induktivität L2 (200 μH) und einer Kapazität C2 (1 nF) befindet. Parallel zum Eingang A, B liegt eine Induktivität Lp (196 μH) und parallel zum Ausgang C, D sind eine Kapazität Cp (4 nF) angeordnet und eine Last RL geschaltet. Zwischen dem Verknüpfungspunkt von L2 und C2 sowie dem Ausgang D befindet sich eine Überspannungsschutzeinrichtung 8 mit einem Überspannungsschutz für Spannungen bis zu 1 kV, die beispielsweise als Varistor ausgebildet sein kann.
Über einen Spannungsregler 6 wird die Ausgangsspannung UA am Ausgang C, D überwacht. Bei einem plötzlichen Lastabfall begrenzt zunächst der Überspannungsschutz 8 die Ausgangsspannung UA bis zum Wirksamwerden eines Reglereingriffs auf unkritische Werte. Die gezeigte Ausführungsform sieht vor, dass der Spannungsregler 6 über die rückgekoppelte Ausgangsspannung UA das Netzteil 7 regelt, welches die erste Stufe 2 versorgt.
Fig. 3a und Fig. 3b zeigen jeweils den Resonanzfrequenzverlauf und die Ausgangscharakteristik des in Fig. 2 dargestellten HF-Generators. Die Parameter des für die Ausgangscharakteristik zugrunde gelegten Netzteils sind U0=300V und I0=4A. Der optimale Filtereingangswiderstand für max. Ausgangsleistung ergibt sich zu: REopt=60.8Ω.
Da die Kapazität Cp am Ausgang C, D groß gegenüber der Kapazität C2 des Serienresonanzkreises gewählt ist, tritt nur eine relativ geringe Abhängigkeit der Generatorfrequenz vom Lastwiderstand auf. Dadurch, dass die Kapazität Cp groß gegenüber in der Praxis (durch Ausgangsleitungen oder Endoskope) auftretenden kapazitiven Lasten gewählt ist, tritt insbesondere auch keine wesentliche Abhängigkeit der Generatoreigenschaften bei unterschiedlicher kapazitiver Belastung auf. Das ist günstig für die Auslegung einer PLL-Schaltung und vereinfacht die Messung und Auswertung der Ausgangssignale. Mit unterbrochener Linie ist in Fig. 3a ein Toleranzschema für die Ausgangsleistung eingetragen, wie es für einen Generator für die bipolare TUR angestrebt wird. In der gespreizten Darstellung des unteren Lastwiderstandsbereichs der Fig. 3b kann man erkennen, dass das Toleranzschema erfüllt wird.
Bezuqszeichenliste
1 HF-Chirurgiegenerator
2 erste Stufe des HF-Chirurgiegenerators
3 zweite Stufe des HF-Chirurgiegenerators
4 Serienresonanz-Schaltkreis
5 Eingangsstrom
6 Spannungsregler
7 Netzteil
8 Überspannungs-Schutzeinrichtung
9 Treiberstufe
11 PLL-Schaltung
A, B Eingang der zweiten Stufe
C, D Ausgang der zweiten Stufe
Cp Ausgangskapazität
C2 Kapazität des Serienresonanzkreises
Ik Eingangsstrom
Lp Induktivität
L2 Induktivität
RL Lastwiderstand
UA Ausgangsspannung der zweiten Stufe

Claims

Patentansprüche
1. HF-Chirurgiegenerator (1) zur Erzeugung von Ausgangsleistungen mit hohem Wirkungsgrad, mit einer ersten Stufe (2) zur Erzeugung einer HF-Leistung, die mit einer zweiten Stufe (3) gekoppelt ist, wobei die zweite Stufe (3) einen Eingang (A, B) und einen Ausgang (C, D) aufweist, und wobei sich zwischen dem Eingang (A, B) und dem Ausgang (C, D) der zweiten Stufe (3) ein Serienresonanz-Schaltkreis (4) befindet;
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
parallel zum Eingang (A, B) eine Induktivität (Lp) und parallel zum Ausgang (C, D) eine Kapazität (Cp) geschaltet sind, so dass der HF-Generator (1) über einen breiten Lastwiderstandsbereich in Resonanz betreibbar ist.
2. HF-Chirurgiegenerator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangskapazität (Cp) eine Kapazität aufweist, die betragsmäßig groß ist gegenüber der Kapazität eines Kondensators (C2) des Serienresonanz- Schaltkreises (4).
3. HF-Chirurgiegenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (2) eine Rechteckspannung erzeugt, deren Phasenlage mit einem in den Eingang (A, B) der zweiten Stufe (3) hineinfließenden Eingangsstrom (5) synchronisiert ist.
4. HF-Chirurgiegenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Chirurgiegenerator (1) einen Spannungsregler (6) zur Überwachung einer Ausgangsspannung UA am Ausgang (C, D) der zweiten Stufe (3) aufweist.
5. HF-Chirurgiegenerator (1) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (6) zur Regelung eines Netzteilgerätes (7) ausgebildet ist, welches die erste Stufe (2) versorgt.
6. HF-Chirurgiegenerator (1) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überspannungs-Schutzeinrichtung, insbesondere ein Varistor (8), innerhalb der zweiten Stufe (3) vorgesehen ist, so dass zum Schutz vor Überspannung die Ausgangsspannung UA bei einem plötzlichem Lastabfall begrenzt wird.
7. Chirurgisches System mit einem HF-Chirurgiegenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem chirurgischen Gerät zur Behandlung von Gewebe, das eine Last (RL) mit kapazitivem Anteil darstellt, die am Ausgang (C, D) der zweiten Stufe (3) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Ausgangskondensators (Cp) betragsmäßig groß gegenüber dem kapazitiven Anteil der Last (RL) ist.
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