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WO2012123232A1 - Schaltungsanordnung mit wechselrichter zur spannungsversorgung einer röntgenröhre und zugehöriges verfahren - Google Patents

Schaltungsanordnung mit wechselrichter zur spannungsversorgung einer röntgenröhre und zugehöriges verfahren Download PDF

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WO2012123232A1
WO2012123232A1 PCT/EP2012/053152 EP2012053152W WO2012123232A1 WO 2012123232 A1 WO2012123232 A1 WO 2012123232A1 EP 2012053152 W EP2012053152 W EP 2012053152W WO 2012123232 A1 WO2012123232 A1 WO 2012123232A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
circuit
frequency
ray tube
transformer
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2012/053152
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Beyerlein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2012123232A1 publication Critical patent/WO2012123232A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08—Electrical details
    • H05G1/10—Power supply arrangements for feeding the X-ray tube
    • H05G1/20—Power supply arrangements for feeding the X-ray tube with high-frequency AC; with pulse trains
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
    • H02M3/325—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage with an input circuit for generating a DC link voltage, with an inverter circuit for converting the DC link voltage into a high-frequency AC voltage and with a high-voltage generator, which converts the high-frequency AC voltage with a certain gear ratio in a high voltage for the X-ray tube. Moreover, the invention relates to an X-ray generator with such a circuit arrangement and to a corresponding method for generating an X-ray tube voltage.
  • Modern generators often have circuit arrangements of the type mentioned for generating an X-ray tube voltage. Since the network frequency is first rectified and then converted back into a high-frequency AC voltage, which is finally trans ⁇ formed to the desired voltage, such generators are also referred to as Hochfre ⁇ frequency generators. Compared with conventional generators, in which the high voltage is first transformed with the present network frequency, then rectified and finally fed to the X-ray tube, such a circuit arrangement has the advantage that they are made almost independent by a fast control loop of changes in both the mains voltage and the tube current can and therefore the tube voltage is very well reproducible and can be kept constant.
  • the high-frequency generators Compared to the well-known so-called DC voltage generators, in which a transformed with line frequency and rectified high ⁇ voltage is finely controlled by means of triodes, the high-frequency generators have the advantage of a relatively small volume and lower manufacturing costs.
  • the circuit arrangements must in this case be dimensioned such that they provide a constant power over a very large voltage range.
  • the voltage range used in medical diagnostics for x-ray tubes usually ranges from 40 kV to 150 kV. In order to deliver constant power over this range, the current at the lowest voltage level of 40 kV must be nearly four times higher than at the upper limit of 150 kV.
  • the high voltage generator must be chosen in its transmission ratio so that the highest required tube voltage is achieved at a given by the available mains voltage DC link voltage.
  • the transmission ratio of the high voltage generator is usually defined in such X-ray generators as the ratio ⁇ nis the output voltage to the input voltage of the high voltage generator.
  • the high-tension voltage generator ⁇ essentially consists of a transformer and a downstream rectifying and smoothing circuit. If it is assumed that the effective voltage is close to the inverter circuit in such as the intermediate circuit voltage corresponds, and that the high-voltage generator is designed so that by a suitable transformer nachge ⁇ switched rectifier circuit, a voltage doubling is achieved, it follows for the transmission ratio ü of the transformer of the high voltage generator:
  • U dc is the rectified DC link voltage and U t is the voltage applied to the X-ray tube, rectified high ⁇ voltage.
  • I t is therefore consequently the average current I avg strain WR for the primary side of the high voltage generator and the front switched AC Rich ⁇ tersctreu
  • the object is achieved with the scarf ⁇ processing arrangement and the method of the independent claims.
  • the invention claims a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage with a mains input circuit for generating a DC link voltage, with an inverter circuit for converting the DC link voltage into a high-frequency AC voltage and with a high voltage generator, which converts the high-frequency AC voltage into a high voltage for the X-ray tube, wherein the high voltage generator is a transformer and a high-voltage capacitor connected in parallel with the secondary winding of the transformer, which together with the in productivity of the secondary winding forms a resonant circuit, which has its resonance frequency in the frequency range between 10 kHz and 50 kHz.
  • the invention offers the advantage that the existing parasitic winding capacitance of the transformer is optionally increased by an additional capacitor to the extent that it can be used as a useful component for increasing the voltage of a high voltage source. This allows the inverter to be designed for smaller currents. Also, the transmission power between the inverter and transformer are relieved.
  • the capacitance of the high-voltage capacitor can be selected such that at a predeterminable operating point of the X-ray tube at the resonance ⁇ frequency of the AC voltage, the voltage at the X-ray tube at least doubles.
  • the invention also claims a circuit arrangement for generating an X-ray tube voltage with a mains input circuit for generating a DC link voltage, an inverter circuit for converting the DC link voltage into a high-frequency AC voltage and a high voltage generator, which converts the high-frequency AC voltage into a high voltage for the X-ray tube, wherein the high voltage generator comprises a transformer and one to the primary winding of the transformer connected in parallel resonant circuit capacitor and one to the primary winding and the
  • Resonant circuit capacitor connected in series Schwingschispu ⁇ le which forms a resonant circuit, which has its resonant frequency in the frequency ⁇ range between 10 kHz and 500 kHz.
  • the capacitance of the resonant circuit capacitor and the inductance of the resonant ⁇ circuit coil may be chosen such that the voltage at the X-ray tube at least doubled for a predeterminable operating point of the X-ray tube at the resonant frequency of the AC voltage.
  • the invention also claims an X-ray device with an X-ray generator according to the invention.
  • the invention also claims a method of generating an X-ray tube voltage in which an intermediate circuit voltage is generated from a mains input voltage and a high-frequency alternating voltage is generated from the intermediate circuit voltage, which is converted into a high voltage for the X-ray tube by means of a high voltage generator with a transformer Secondary winding of the transformer pa ⁇ rallel switched high voltage capacitor is brought together with the inductance of the secondary winding in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz in resonance.
  • the invention further claims a method for generating an X-ray tube voltage in which generates a DC link voltage from a mains input voltage and from the DC link voltage, a high-frequency AC voltage is converted with a high voltage generator with a transformer in a high voltage for the X-ray tube, wherein a Primary winding of Trans ⁇ formator connected in parallel resonant circuit capacitor together with a primary winding and the resonant circuit capacitor connected in series resonant circuit coil in the frequency range between 10 kHz and 500 kHz are brought into resonance.
  • the method of the X-ray tube in the Reso can ⁇ nanzfrequenz the voltage at the X-ray tube be at least doubled at a predeterminable operating point.
  • Figure 1 a block diagram of a circuit arrangement for
  • Figure 2 is a block diagram of a circuit arrangement for
  • FIG. 3 shows a block diagram of a circuit arrangement for
  • FIG. 4 shows a diagram of the tube voltage as a function of the inverter frequency for different tube currents
  • Figure 5 is a block diagram of a high voltage generator
  • FIG. 6 shows a block diagram of another high-voltage ⁇ creator.
  • the network input side includes a network input circuit 1, which generates a rectified intermediate circuit voltage U dC from the two- or three-phase input voltage.
  • This rectified intermediate circuit voltage U DC is then applied to the input of an inverter circuit 2 that converts the intermediate circuit voltage U DC into a high-frequency AC voltage clamping ⁇ .
  • a rectangular inverter is shown. Instead of egg nes such rectangle inverter are often used Schwing ⁇ circular inverters.
  • the present at the output of the inverter circuit 2, high-frequency alternating voltage is then forwarded to a high voltage generator 6, which consists essentially of a transformer 3 and the transformer 3 on the secondary side rectifying rectified and smoothing device 4.
  • the rectifying and smoothing device 4 is often designed as a doubler circuit.
  • the applied at the output of the high voltage generator 6, rectified Hochspan ⁇ voltage U h v is then applied to the X-ray tube 5.
  • a scheme is usually carried out such that the U h v as actual ⁇ value to a regulator (not shown) is fed, is compared there with a predetermined by the operator of the x-ray device voltage setpoint and, accordingly, a correction value ⁇ 5 generates value applied to the high voltage at the X-ray tube is given, for example, as a control variable to the inverter circuit, so that there according to the frequency and thus ultimately the high voltage is changed in the desired manner.
  • the transformer must be selected so in its ratio u that at a the highest Shaped ⁇ -made tube voltage U h v is accomplished by the predetermined ultimately from the network intermediate circuit voltage U DC. If the equal ⁇ straightening and smoothing means 4 is formed as a doubler circuit, the necessary ratio u by the aforementioned equation (1) is given.
  • Equation (4) shows that at the maximum tube current of the inverter circuit 2, a very high current must be taken. In order to reduce the maximum Storm site, therefore, the transmission ratio ü must be reduced. This ge ⁇ lingt shown by the inventive arrangement as shown in FIG. 2
  • FIG. 2 shows a block diagram as described in FIG.
  • a high-voltage capacitor 7 is connected in parallel and in series with the primary winding of a resonant circuit capacitor 8.
  • the high-voltage capacitor 7 and the resonant circuit capacitor 8 form a series resonant circuit with the stray inductance of the transformer 3.
  • the capacity of the high voltage capacitor 7 is selected such that the re ⁇ sonanzfrequenz the oscillating rice for tube currents between 0.5 and 1 A is in the range 10 kHz to 500 kHz.
  • the parasitic capacitance of the transformer 3 can be increased by construction ⁇ market measures.
  • the tube voltage U hV may be higher than the secondary voltage of the transformer ⁇ Se. 3
  • This can now be used to achieve a higher tube voltage U h v at lower tube currents. This can be selected via a smaller ⁇ gear ratio ü of the transformer 3, where ⁇ significantly reduced by the current in the inverter circuit. 2
  • a ⁇ Ver doubling of the voltage can be achieved whereby the transla- subscription ratio u can be halved.
  • Figure 3 shows a block diagram of an alternative embodiment to Figure 2.
  • a resonant circuit is formed on the primary side of the transformer 3, which its resonant frequency for tube currents of between 0.5 A and 1 A in the range 10 kHz to 500 kHz.
  • a resonant circuit capacitor 8 is connected in parallel with the primary winding of the transformer 3. Zusharm ⁇ Lich is inserted a resonant circuit coil 9 in series with the primary winding and the resonant circuit capacitor. 8
  • This embodiment achieves the same effect according to the invention as the embodiment according to FIG. 2.
  • FIG. 4 shows, in the form of a diagram, the voltage overshoot caused by the resonant circuit according to the invention in the circuits according to FIGS. 2 and 3 as a function of the AC frequency f (in kHz) of the inverter for three different operating points (tube currents).
  • the size of the Röh ⁇ renstroms is conces- by the cathode X-ray tubes led heating power determined.
  • the ratio s of the tube voltage to the secondary voltage of the transformer is plotted in FIG.
  • the load characteristic A shows the voltage ratio s for a tube current of 0.5 A.
  • the resonant frequency of the resonant circuit damped by the tube resistance is about 35 kHz.
  • the voltage overshoot at the resonant frequency is more than twice.
  • the tube voltage along the load characteristic A can be set to the desired value. It is also possible to control the inverter with the resonance frequency and to realize the voltage regulation via a pulse width modulation or phase shift.
  • the load curve B in FIG. 4 shows the profile of the voltage ratio s for a tube current of 0.75 A and the load characteristic C the course for 1 A tube current.
  • Figure 5 shows another embodiment of a high voltage generator 6 ⁇ similar to the circuit arrangement in Figure 2, except that no primary side Schwingwankapa ⁇ capacity is available.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a high-voltage generator 6 similar to the circuit arrangement in FIG. 3, wherein the series connection of the primary-side coil and capacitor has been replaced by a parallel circuit of a resonant circuit capacitor 8 and a resonant circuit coil 9.
  • the invention is preferably used in X-ray generators and Rönt ⁇ gen painen. Reference sign list

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

Die Erfindung gibt eine Schaltungsanordnung und ein zugehöriges Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Uhv) an. Die Anordnung umfasst eine Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (Udc), eine Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung (Udc) in eine hochfrequente Wechselspannung (Uac) und einem Hochspannungserzeuger (6), der die hochfrequente Wechselspannung (Uac) in eine Hochspannung (Uhv) für die Röntgenröhre (5) umwandelt, wobei der Hochspannungserzeuger (6) einen Transformator (3) und einen zur Sekundärwicklung des Transformators (3) parallel geschalteten Hochspannungskondensator (7) aufweist, der zusammen mit der Induktivität der Sekundärwicklung einen Schwingkreis bildet, der im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz seine Resonanzfrequenz hat. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die vorhandene parasitäre Wicklungskapazität des Transformators gegebenenfalls durch einen zusätzlichen Kondensator soweit vergrößert wird, dass sie als Bauelement nutzbringend zur Spannungserhöhung einer Hochspannungsquelle verwendet werden kann.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung mit Wechselrichter zur Spannungsversorgung einer Röntgenröhre und zugehöriges Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Eingangsschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung, mit einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung und mit einem Hochspannungserzeuger, der die hochfrequente Wechselspannung mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Röntgengenerator mit einer derartigen Schaltungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung .
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 trans¬ formiert wird, werden derartige Generatoren auch als Hochfre¬ quenzgeneratoren 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 Hoch¬ spannung 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 .
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.
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 Verhält¬ nis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Hochspannungserzeugers definiert. In der Regel besteht der Hochspan¬ nungserzeuger 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 nachge¬ schaltete Gleichrichterschaltung eine Spannungsverdopplung erreicht wird, so ergibt sich für das Übersetzungsverhältnis ü des Transformators des Hochspannungserzeugers:
2 - Udc
wobei Udc die gleichgerichtete Zwischenkreisspannung und Ut die an der Röntgenröhre anliegende, gleichgerichtete Hoch¬ spannung ist. Bei einem gewünschten Röhrenstrom It ist damit folglich die mittlere Strombelastung Iavg WR für die Primärseite des Hochspannungserzeugers und für die davor geschaltete Wechselrich¬ terschaltung
!avg WR = It -2-Ü (2)
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 .
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu dem genannten Stand der Technik zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Schal¬ tungsanordnung und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung beansprucht eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Netzeingangsschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung, mit einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung und mit einem Hochspannungserzeuger, der die hochfrequente Wechselspannung in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt, wobei der Hochspannungserzeuger einen Transformator und einen zur Sekundärwicklung des Transformators parallel geschalteten Hochspannungskondensator aufweist, der zusammen mit der In- duktivität der Sekundärwicklung einen Schwingkreis bildet, der im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 50 kHz seine Resonanzfrequenz hat. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die vorhandene parasitäre Wicklungskapazität des Transformators gegebenenfalls durch einen zusätzlichen Kondensator soweit vergrößert wird, dass sie als Bauelement nutzbringend zur Spannungserhöhung einer Hochspannungsquelle verwendet werden kann. Dadurch kann der Wechselrichter für kleinere Ströme ausgelegt werden. Ebenfalls werden die Übertragungsleistungen zwischen Wechselrichter und Transformator entlastet.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Kapazität des Hochspannungskondensators derart gewählt sein, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre bei der Resonanz¬ frequenz der Wechselspannung die Spannung an der Röntgenröhre sich mindestens verdoppelt.
Die Erfindung beansprucht auch eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Netzeingangsschaltung zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung, einer Wechselrichterschaltung zur Umwandlung der Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung und einem Hochspannungserzeuger, der die hochfrequente Wechselspannung in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umwandelt, wobei der Hochspannungserzeuger einen Transformator und einen zur Primärwicklung des Transformators parallel geschalteten Schwingkreiskondensator und einen zur Primärwicklung und dem
Schwingkreiskondensator in Reihe geschaltete Schwingkreisspu¬ le aufweist, die einen Schwingkreis bildet, der im Frequenz¬ bereich zwischen 10 kHz und 500 kHz seine Resonanzfrequenz hat .
In einer weiteren Aus führungs form können die Kapazität des Schwingkreiskondensators und die Induktivität der Schwing¬ kreisspule derart gewählt sein, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre bei der Resonanzfrequenz der Wechselspannung die Spannung an der Röntgenröhre sich mindestens verdoppelt. Die Erfindung beansprucht auch einen Röntgengenerator mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die Erfindung beansprucht auch eine Röntgeneinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Röntgengenerator.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung, bei dem aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreisspannung erzeugt und aus der Zwi- schenkreisspannung eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt wird, die mit einem Hochspannungserzeuger mit einem Transformator in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umgewandelt wird, wobei ein zur Sekundärwicklung des Transformators pa¬ rallel geschalteter Hochspannungskondensator zusammen mit der Induktivität der Sekundärwicklung im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz in Resonanz gebracht wird.
Die Erfindung beansprucht des Weiteren auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung, bei dem aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreisspannung erzeugt und aus der Zwischenkreisspannung eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt wird, die mit einem Hochspannungserzeuger mit einem Transformator in eine Hochspannung für die Röntgenröhre umgewandelt wird, wobei ein zur Primärwicklung des Trans¬ formators parallel geschalteter Schwingkreiskondensator zusammen mit einer zur Primärwicklung und zum Schwingkreiskondensator in Reihe geschalteten Schwingkreisspule im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz in Resonanz gebracht werden .
In einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens kann bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre bei der Reso¬ nanzfrequenz die Spannung an der Röntgenröhre mindestens verdoppelt werden. Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiel anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
Figur 1: ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Erzeugung einer Hochspannung gemäß Stand der Tech nik,
Figur 2: ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Erzeugung einer Hochspannung mit einem sekundärseitigen Hochspannungskondensator,
Figur 3: ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Erzeugung einer Hochspannung mit einem primärsei- tigen Schwingkreiskondensator und einer primärsei tigen Schwingkreisspule,
Figur 4 : ein Diagramm der Röhrenspannung in Abhängigkeit der Wechselrichterfrequenz für unterschiedliche Röhrenströme,
Figur 5: ein Blockschaltbild eines Hochspannungserzeugers und
Figur 6: ein Blockschaltbild eines weiteren Hochspannungs¬ erzeugers .
Figur 1 zeigt in einem Blockschaltbild die typischen Kompo¬ nenten und ihre Verschaltung eines Hochfrequenz- Röntgengenerators zur Erzeugung der Hochspannung für eine Röntgenröhre gemäß Stand der Technik, wie beispielsweise in der DE 10227841 AI angegeben.
Hierzu gehört netzeingangsseitig eine Netzeingangsschaltung 1, die aus der zwei- oder dreiphasigen Eingangsspannung eine gleichgerichtete Zwischenkreisspannung UdC erzeugt. Diese gleichgerichtete Zwischenkreisspannung UdC wird dann auf den Eingang einer Wechselrichterschaltung 2 gegeben, welche die Zwischenkreisspannung UdC in eine hochfrequente Wechselspan¬ nung umwandelt. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Rechteckwechselrichter gezeigt. Anstelle ei nes solchen Rechteckwechselrichters werden oft auch Schwing¬ kreiswechselrichter eingesetzt.
Die am Ausgang der Wechselrichterschaltung 2 vorliegende, hochfrequente Wechselspannung wird dann an einen Hochspannungserzeuger 6 weitergeleitet, der im Wesentlichen aus einem Transformator 3 und einer dem Transformator 3 sekundärseitig angeschalteten Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 besteht. Die Gleichricht- und Glättungseinrichtung 4 ist häufig als Verdopplerschaltung ausgeführt. Die am Ausgang des Hochspannungserzeugers 6 anliegende, gleichgerichtete Hochspan¬ nung Uhv wird dann an die Röntgenröhre 5 angelegt.
Eine Regelung erfolgt üblicherweise derart, dass der an der Röntgenröhre 5 anliegende Wert der Hochspannung Uhv als Ist¬ wert einem Regler (nicht dargestellt) zugeführt wird, dort mit einem vom Bediener des Röntgengeräts vorgegebenen Spannungssollwert verglichen wird und entsprechend ein Korrektur¬ wert erzeugt wird, der beispielsweise als Stellgröße an die Wechselrichterschaltung gegeben wird, so dass dort entsprechend die Frequenz und damit letztlich die Hochspannung in der gewünschten Weise verändert wird.
Der Transformator muss in seinem Übersetzungsverhältnis ü so gewählt werden, dass bei einer durch die letztlich aus dem Netz vorgegebene Zwischenkreisspannung UdC die höchste gefor¬ derte Röhrenspannung Uhv erreicht wird. Sofern die Gleich¬ richt- und Glättungseinrichtung 4 als Verdopplerschaltung ausgebildet ist, ist das notwendige Übersetzungsverhältnis ü durch die eingangs genannte Gleichung (1) gegeben.
Im folgenden Rechenbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Spannungsversorgung der Röntgenröhre 5 über einen Spannungsbereich zwischen 40 und 160 kV eine konstante Leistung von 40 kW zur Verfügung stellen muss. Bei 40 kV beträgt dann der maximale Strom It m&x, der an der Röntgenröhre zur Verfügung stehen muss 1 A. Wird weiterhin davon ausgegangen, dass als gleichgerichtete Zwischenkreisspannung UdC = 500 V zur Verfügung stehen, ergibt sich aus Gleichung (1) für das erforderliche Überset¬ zungsverhältnis ü des Transformators 3:
1 60kV , 60 (3)
(2 · 500V)
Nur mit diesem Übersetzungsverhältnis ü kann bei der gegebe¬ nen Eingangsspannung die maximale Röntgenröhrenspannung von 160 kV erreicht werden.
Gemäß Gleichung (2) ergibt sich bei dem Übersetzungsverhält¬ nis ü = 160 und bei einem maximalen Strom Itmx = 1 A an der Röntgenröhre für die maximale Strombelastung Iavg WR auf der Primärseite des Transformators und des Wechselrichters: wR max = It max · 2 · Ü = 1 A · 2 · 160 = 320 A
Gleichung (4) zeigt, dass beim maximalen Röhrenstrom der Wechselrichterschaltung 2 ein sehr hoher Strom entnommen werden muss. Um den maximalen Stormbedarf zu reduzieren, muss daher das Übersetzungsverhältnis ü reduziert werden. Dies ge¬ lingt durch die erfindungsgemäße Anordnung wie in Figur 2 dargestellt .
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild wie in Figur 1 beschrieben. Zusätzlich ist in dem Hochspannungserzeuger 6 zur Sekundärwicklung des Transformators 3 ein Hochspannungskondensator 7 parallel und in Serie zur Primärwicklung ein Schwingkreiskondensator 8 geschaltet. Der Hochspannungskondensator 7 und der Schwingkreiskondensator 8 bilden mit der Streuinduktivität des Transformators 3 einen Serienschwingkreis. Die Kapazität des Hochspannungskondensators 7 wird so gewählt, dass die Re¬ sonanzfrequenz des Schwingreises für Röhrenströme zwischen 0,5 und 1 A im Bereich 10 kHz bis 500 kHz liegt. Alternativ kann die parasitäre Kapazität des Transformators 3 durch bau¬ liche Maßnahmen vergrößert werden. Wird der Serienschwingkreis bei oder in der nähe seiner Reso¬ nanzfrequenz betrieben, verhält er sich wie eine Konstant- leistungsquelle . Durch die entsprechende Dimensionierung des Schwingreises kann die Röhrenspannung UhV höher als die Se¬ kundärspannung des Transformators 3 sein. Dies kann nun dafür genutzt werden, bei geringeren Röhrenströmen eine höhere Röhrenspannung Uhv zu erzielen. Dadurch kann ein kleineres Über¬ setzungsverhältnis ü des Transformators 3 gewählt werden, wo¬ durch der Strom in der Wechselrichterschaltung 2 wesentlich reduziert wird. Wie aus Figur 4 abzulesen ist, kann eine Ver¬ doppelung der Spannung erreicht werden, wodurch das Überset- zugsverhältnis u halbiert werden kann. Dies bedeutet nach Gleichung (4) eine Halbierung der maximalen Strombelastung l avg WR des Wechse1richters 2. Die erforderliche Kapazität des Hochspannungskondensators beträgt etwa 100 pF. Sie ist einer immer vorhandenen Streukapazität des Transformators 3 paral¬ lel geschaltet.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform zu Figur 2. Anstelle des parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 3 geschalteten Hochspannungskondensa¬ tors 7 in Figur 2 wird auf der Primärseite des Transformators 3 ein Schwingkreis ausgebildet, der seine Resonanzfrequenz für Röhrenströme zwischen 0,5 A und 1 A im Bereich 10 kHz bis 500 kHz hat. Dazu wird ein Schwingkreiskondensator 8 parallel zur Primärwicklung des Transformators 3 geschaltet. Zusätz¬ lich wird in Reihe zu der Primärwicklung und dem Schwingkreiskondensator 8 eine Schwingkreisspule 9 eingefügt. Diese Aus führungs form erzielt die gleiche erfindungsgemäße Wirkung wie die Aus führungs form nach Figur 2.
Figur 4 zeigt in Form eines Diagramms die durch den erfindungsgemäßen Schwingkreis in den Schaltungen nach den Figuren 2 und 3 verursachte Spannungsüberhöhung in Abhängigkeit der Wechselstromfrequenz f (in kHz) des Wechselrichters für drei verschiedene Arbeitspunkte (Röhrenströme) . Die Größe des Röh¬ renstroms wird bei Röntgenröhren durch die der Kathode zuge- führte Heizleistung bestimmt. In y-Richtung ist in Figur 4 das Verhältnis s der Röhrenspannung zur Sekundärspannung des Transformators aufgetragen.
Die Lastkennlinie A zeigt das Spannungsverhältnis s für einen Röhrenstrom von 0,5 A. Die Resonanzfrequenz des durch den Röhrenwiderstand bedämpften Schwingkreis ist etwa 35 kHz. Die Spannungsüberhöhung bei der Resonanzfrequenz beträgt mehr als das zweifache. Über eine Variation der Ansteuerfrequenz des Wechselrichters kann die Röhrenspannung entlang der Lastkennlinie A auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Es ist auch möglich, den Wechselrichter mit der Resonanzfrequenz anzusteuern und die Spannungsregelung über eine Pulsweitenmodulation bzw. Phasenverschiebung zu realisieren.
Die Lastkennlinie B in der Figur 4 zeigt des Verlauf des Spannungsverhältnisses s für einen Röhrenstrom von 0,75 A und die Lastkennlinie C den Verlauf für 1 A Röhrenstrom.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hoch¬ spannungserzeugers 6 ähnlich der Schaltungsanordnung in Figur 2, wobei lediglich keine primärseitige Schwingkreiskapa¬ zität vorhanden ist.
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hoch¬ spannungserzeugers 6 ähnlich der Schaltungsanordnung in Figur 3, wobei die Serienschaltung der primärseitigen Spule und Kondensator durch eine Parallelschaltung eines Schwingkreiskondensators 8 und eine Schwingkreisspule 9 ersetzt wurden.
Bevorzugt wird die Erfindung bei Röntgengeneratoren und Rönt¬ geneinrichtungen verwendet. Bezugs zeichenliste
1 Netzeingangsschaltung
2 Wechselrichterschaltung
3 Transformator
4 Gleichricht- und Glättungseinrichtung
5 Röntgenröhre
6 Hochspannungserzeuger
7 Hochspannungskondensator
8 Schwingkreiskondensator
9 Schwingkreisspule
A Lastkennlinie
B Lastkennlinie
C Lastkennlinie
f Wechselspannungsfrequenz
s Spannungs erhältnis
Uac Hochfrequente Wechselspannung
Udc Zwischenkreisgleichspannung
Uhv Röhrenspannung

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung ( Uhv ) mit
einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwi- schenkreisspannung ( UdC ) ,
einer Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwi- schenkreisspannung ( Udc ) in eine hochfrequente Wechsel¬ spannung (Uac) ,
und einem Hochspannungserzeuger (6), der die hochfrequente Wechselspannung (Uac) in eine Hochspannung ( Uhv ) für die Röntgenröhre (5) umwandelt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hochspannungserzeuger (6) einen Transformator (3) und einen zur Sekundärwicklung des Transformators (3) parallel geschalteten Hochspannungskondensator (7) aufweist, der zusammen mit der Induktivität der Sekundärwicklung einen Schwingkreis bildet, wobei die Kapazität des Hochspannungs¬ kondensators (7) derart gewählt ist, dass der Schwingkreis im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz seine Resonanzfrequenz hat.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kapazität des Hochspannungskondensators (7) derart ist, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre (5) bei der Resonanzfrequenz der Wechselspannung die Spannung ( Uhv ) an der Röntgenröhre (5) sich mindestens verdoppelt.
3. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung ( Uhv ) mit
einer Netzeingangsschaltung (1) zur Erzeugung einer Zwi- schenkreisspannung ( Udc ) ι
einer Wechselrichterschaltung (2) zur Umwandlung der Zwi- schenkreisspannung ( Udc ) in eine hochfrequente Wechsel¬ spannung (Uac) , und einem Hochspannungserzeuger (6) , der die hochfrequente Wechselspannung (Uac) in eine Hochspannung (Uhv) für die Röntgenröhre (5) umwandelt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hochspannungserzeuger (6) einen Transformator (3) und einen zur Primärwicklung des Transformators (3) parallel geschalteten Schwingkreiskondensator (8) und einen zur Primärwicklung und dem Schwingkreiskondensator (8) in Reihe geschaltete Schwingkreisspule (9) aufweist, die einen Schwing- kreis bildet, wobei die Kapazität des Schwingkreiskondensa¬ tors (8) und die Induktivität der Schwingkreisspule (9) der¬ art gewählt sind, dass der Schwingkreis im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz seine Resonanzfrequenz hat.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kapazität des Schwingkreiskondensators (8) und die Induktivität der Schwingkreisspule (9) derart sind, dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre (5) bei der Resonanzfrequenz der Wechselspannung die Spannung (Uhv) an der Röntgenröhre (5) sich mindestens verdoppelt.
5. Röntgengenerator mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Röntgeneinrichtung mit einem Röntgengenerator nach Anspruch 5.
7. Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Uhv) / bei dem aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreis- spannung (Udc) erzeugt und aus der Zwischenkreisspannung (Udc) eine hochfrequente Wechselspannung (Uac) erzeugt wird, die mit einem Hochspannungserzeuger (6) mit einem Transformator (3) in eine Hochspannung (Uhv) für die Röntgenröhre (5) umgewan- delt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kapazität eines zur Sekundärwicklung des Transforma¬ tors (3) parallel geschalteter Hochspannungskondensator (7) derart gewählt wird, dass ein aus dem Hochspannungskondensa¬ tor und der Induktivität der Sekundärwicklung gebildeter Schwingkreis im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz in Resonanz gebracht wird.
8. Verfahren zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung (Uhv) r bei dem aus einer Netzeingangsspannung eine Zwischenkreis- spannung (Udc) erzeugt und aus der Zwischenkreisspannung (Udc) eine hochfrequente Wechselspannung (Uac) erzeugt wird, die mit einem Hochspannungserzeuger ( 6) mit einem Transformator
(3) in eine Hochspannung (Uhv) für die Röntgenröhre (5) umge¬ wandelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus einem zur Primärwicklung des Transformators (3) pa¬ rallel geschalteter Schwingkreiskondensator ( 8 ) und eine zur Primärwicklung und zum Schwingkreiskondensator ( 8 ) in Reihe geschalteten Schwingkreisspule ( 9) ein Schwingkreis gebildet wird, wobei die Kapazität des Schwingkreiskondensators ( 8 ) und die Induktivität der Schwingkreisspule ( 9) derart gewählt werden, dass der Schwingkreis im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 500 kHz seine Resonanzfrequenz hat.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem vorgebbaren Arbeitspunkt der Röntgenröhre (5) bei der Resonanzfrequenz die Spannung (Uhv) an der Röntgen¬ röhre (5) mindestens verdoppelt wird.
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