用于通过使用多级功率转换器产生电外科能量的系统和方法

摘要

根据本发明的使用多级功率转换器来产生电外科能量的电外科系统和方法。电外科系统包括具有与电能源耦合并配置为产生电外科能量的功率转换器的电外科生成器。功率转换器包含配置为将来自电能源的第一直流电流转换成第二直流电流的升压转换器和配置为将第二直流电流逆变为交流电流的相位偏移脉冲宽度调制(PS-PWM)共振逆变器。电外科生成器还包括配置为感测产生的电外科能量的电压和电流的多个传感器和与功率转换器及多个传感器耦合的控制器。控制器包含配置为基于感测的电压和电流确定组织阻抗的信号处理器和配置为基于确定的组织阻抗选择多个输出特性中的一个并且根据选择的输出特性产生用于控制升压转换器和PS-PWM共振逆变器的控制信号的输出控制器。

说明书

技术领域

本公开涉及电外科手术。更特别地，本公开涉及通过使用多级功 率转换器来产生电外科能量的电外科生成器和方法。

背景技术

电外科手术涉及在电外科过程中施加高频电流以切割或改变生物 组织。电外科手术是通过使用电外科生成器、有源电极和返回电极执 行的。电外科生成器(也称为功率供应或波形生成器)产生交变电流 (AC)，该交变电流通过有源电极被施加到患者的组织，并通过返回 电极返回到电外科生成器。交变电流一般具有高于100千赫(kHz) 的频率，以避免肌肉和/或神经刺激。

在电外科手术中，由电外科生成器产生的AC通过设置在有源电 极和返回电极之间的组织传导。组织的阻抗将与AC相关的电能(也 称为电外科能量)转换成热，这导致组织温度上升。电外科生成器通 过控制提供给组织的电功率(即，每次的电能)控制组织的发热。虽 然许多其它的变量影响组织的总体发热，但增加电流密度通常导致增 加的发热。电外科能量一般被用于切割、解剖、切除、凝结和/或闭合 组织。

使用的两种基本类型的电外科手术是单极手术和双极电外科手 术。这些类型的电外科手术均使用有源电极和返回电极。在双极电外 科手术中，外科仪器包括处于同一仪器上但相互非常接近的有源电极 和返回电极，这导致电流流过少量的组织。在单极电外科手术中，返 回电极位于患者身体的其它位置，并且通常不是电外科仪器本身的一 部分。在单极电外科手术中，返回电极是一般称为返回盘的装置的一 部分。

如图4所示，电外科(ES)生成器的理想输出功率特性是，随着 输出阻抗的增加，恒定电流410后跟恒定功率420，该恒定功率420 又后跟恒定电压430。为了实现这种输出功率特性，ES生成器执行将 输出电压和电流采样、基于采样的输出电压和电流计算功率和/或阻 抗、通过数字补偿器馈送计算的功率和/或阻抗并然后调整控制功率级 的控制信号(例如，调整控制信号的脉冲宽度或相位偏移)的控制回 路。但是，与功率级的切换频率相比，该控制回路可能相对较慢。因 此，在控制回路赶上功率级且系统达到稳定状态之前，功率级可能向 组织过传输或者欠传输希望的功率。出于这种以及其它的原因，当前 的ES发生器可能不能提供理想的输出功率特性。

发明内容

本公开的电外科系统和方法改善功率控制中的逆变器的动态响应 并减少由于组织阻抗变化导致的功率偏差，这减少对于给定功率在组 织中传播的热。本公开的电外科系统和方法使用基于在电外科过程中 治疗的组织的阻抗而提供希望的功率水平的二级功率转换器。二级功 率转换器包含升压转换器和相位偏移脉冲宽度调制(PS-PWM)共振 逆变器。升压转换器将输入的直流电流转换成希望的直流电流，并且 PS-PWM共振逆变器将希望的直流电流逆变为适于给定的电外科过 程的希望的交变电流。

升压转换器由基于电流编程模式或电压控制模式和电流编程模式 产生的控制信号控制。PS-PWM共振逆变器由具有希望的固定相位的 控制信号控制。用于控制升压转换器和PS-PWM共振逆变器的信号基 于输出特性，例如基于输出特性是恒定电流、恒定功率还是恒定电压 而被确定。

在一个方面中，本公开提供包括功率转换器、多个传感器和控制 器的电外科生成器。功率转换器与电能源耦合并产生电外科能量。功 率转换器包含将来自电能源的第一直流电流转换成第二直流电流的升 压转换器和将第二直流电流逆变为交流电流的相位偏移脉冲宽度调制 (PS-PWM)共振逆变器。多个传感器感测产生的电外科能量的电压 和电流波形。控制器与功率转换器和多个传感器耦合，并且包含信号 处理器和输出控制器。信号处理器基于电压和电流波形确定组织阻抗。 输出控制器基于确定的组织阻抗选择多个输出特性中的一个并且根据 选择的输出特性产生用于控制升压转换器的第一控制信号和用于控制 PS-PWM共振逆变器的第二控制信号。

多个输出特性可包含恒定电流输出特性、恒定功率输出特性和恒 定电压输出特性。基于组织阻抗，输出控制器可从恒定电流输出特性 偏移到恒定功率输出特性并从恒定功率输出特性偏移到恒定电压输出 特性。如果组织阻抗小于第一预定值，则输出控制器可选择恒定电流 输出特性，如果组织阻抗大于或等于第一预定值且小于第二预定值， 则输出控制器可选择恒定功率输出特性，如果组织阻抗大于或等于第 二预定值且小于第三预定值，则输出控制器可选择恒定电压输出特性， 并且，第一预定值可小于第二预定值，且第二预定值可小于第三预定 值。

当输出特性是恒定电压输出特性时，输出控制器可根据电压控制 模式产生第一控制信号，并且可产生具有固定相位的第二控制信号。 当输出特性是恒定电流输出特性时，输出控制器可根据电压控制模式 产生第一控制信号，并可产生具有固定相位的第二控制信号。当输出 特性是恒定功率输出特性时，输出控制器可根据电流编程模式产生第 一控制信号，并可产生具有固定相位的第二控制信号。作为替代方案， 当输出特性是恒定电压输出特性、恒定电流输出特性和恒定功率输出 特性中的任一个时，输出控制器可根据电流编程模式产生第一控制信 号，并可产生具有固定相位的第二控制信号。

输出控制器可按比PS-PWM共振逆变器的切换频率快的切换频 率操作升压转换器。升压转换器可包含用于减少输入到PS-PWM共振 逆变器的电压和电流的波纹的多个升压转换器。

电外科生成器还可包括被配置为采样感测的电压和感测的电流以 获得感测的电压和感测的电流中的每一个的预定数量的采样的多个模 数转换器(ADC)。预定数量的采样可与感测的电压和感测的电流的 RF频率的整数倍对应。信号处理器可包含向ADC提供控制参数的多 个ADC控制器。控制参数可包含ADC的采样频率。

多个传感器可包含Rogowski线圈。电外科生成器的控制器可由 场可编程门阵列、专用集成电路、数字信号处理器或可编程数字信号 处理器实现。

在另一方面中，本公开提供用于控制电外科生成器的方法。该方 法包括：通过使用升压转换器将来自电能源的第一直流电流转换成第 二直流电流；通过使用PS-PWM逆变器将第二直流电流转换成交变电 流；感测升压转换器的电流和PS-PWM逆变器的输出处的电压；基于 感测的电压和电流波形确定被治疗的组织的阻抗；基于确定的组织阻 抗选择输出特性；和根据选择的输出特性的预定控制模式产生用于控 制升压转换器的第一控制信号和用于控制PS-PWM逆变器的第二控 制。多个输出特性可包含恒定电流输出特性、恒定电压输出特性和恒 定功率输出特性。

当输出特性是恒定电压输出特性时，可根据电压控制模式产生第 一控制信号，并且，第二控制信号可产生为具有固定相位。当输出特 性是恒定电流输出特性时，可根据电压控制模式产生第一控制信号， 并且，第二控制信号可产生为具有固定相位。当输出特性是恒定功率 输出特性时，可根据电流编程模式产生第一控制信号，并且，第二控 制信号可产生为具有固定相位。作为替代方案，当输出特性是恒定电 压输出特性、恒定电流输出特性和恒定功率输出特性中的任一个时， 可根据电流编程模式产生第一控制信号，并且，第二控制信号可产生 为具有固定相位。

附图说明

参照附图描述本公开的各种实施例，其中，

图1是根据本公开的实施例的电外科系统的示图；

图2是示出图1的电外科生成器的生成器电路的电路框图；

图3是图2的生成器电路的控制器的电路框图；

图4是图1的电外科生成器的理想输出特性的图示；

图5是从图1的电外科生成器向组织的功率传送的图示；

图6是根据本公开的实施例的生成器电路的电路框图；

图7A是根据本公开的另一实施例的生成器电路的电路框图；

图7B是图7A的生成器电路的电流编程模式(CPM)控制器的 电路框图；

图7C是图7A的生成器电路的电压模式控制器的电路框图；

图8是根据本公开的又一实施例的生成器电路的电路框图；

图9是示出根据本公开的实施例的输出功率转换器的控制方法的 流程图；以及

图10是示出根据本公开的另一实施例的输出功率转换器的控制 方法的流程图。

具体实施方式

为了在恒定电流、恒定电压和恒定功率输出特性之中选择输出特 性，典型的方法采样输出电压和电流波形，计算功率和/或阻抗，通过 数字补偿器馈送这些计算结果，并然后调整输出功率转换器的降压 (buck)转换器和共振逆变器的控制变量。与输出功率转换器的切换 频率相比，这些过程相对较慢，并因此在输出功率转换器的控制处理 赶上且系统达到稳定状态之前过传输或欠传输希望的功率。因此，希 望迅速地在恒定电流、恒定功率和恒定电压输出特性之间切换。

根据本公开的系统和方法使用可通过改变各级的控制方法实现近 理想的恒定电流、恒定功率和恒定电压输出特性的多级输出功率转换 器。多级输出功率转换器可以是包含单独地根据选择的控制模式控制 的降压/升压转换器和共振逆变器的双级输出功率转换器。控制模式基 于希望的输出特性即恒定电流、恒定电压或恒定功率被选择。希望的 输出特性又基于测量的组织阻抗被选择。以这种方式，本公开的系统 和方法提供希望的量的功率并且更迅速地在输出特性之间切换。

可在硬件和固件中实现根据本公开的控制方法。由于通过根据本 公开的硬件实现的改善的控制回路带宽，固件控制可被简化，并以比 共振逆变器输出频率慢的速率被更新。

图1示出根据本公开的实施例的电外科系统100。电外科系统100 包括产生用于治疗患者的组织的电外科能量的电外科生成器102。电 外科生成器102基于选择的操作模式(即，切割、凝结、切除或闭合) 和/或感测的产生的电外科能量的电压和电流波形产生适当水平的电 外科能量。电外科系统100还可包括与各种电外科仪器对应的多个输 出连接器。

电外科系统100还包括具有返回盘120、具有用于治疗患者的组 织的电极(例如，电外科切割探针或切除电极)的单极电外科仪器110。 单极电外科仪器110可通过多个输出连接器中的一个与电外科生成器 102连接。电外科生成器102可产生射频(RF)能量的形式的电外科 能量。电外科能量被供给到单极电外科仪器110，该单极电外科仪器 110向组织施加电外科能量。电外科能量通过返回盘120返回电外科 生成器102。返回盘120提供足够的与患者组织接触的面积，以使由 施加到组织的电外科能量导致的组织损伤的风险最小化。

电外科系统100还包括双极电外科仪器130。双极电外科仪器130 可通过多个输出连接器中的一个与电外科生成器102连接。交变电流 被供给到两个钳中的一个，被施加到组织，并且通过其它的钳返回到 电外科生成器102。

电外科生成器102可以是任何适当类型的生成器，并可包括多个 连接器，以适应各种类型的电外科仪器(例如，单极电外科仪器110 和双极电外科仪器130)。电外科生成器102也可被配置为在诸如切 除、切割、凝结和闭合的各种模式中操作。电外科生成器102可包括 用于在可与各种电外科仪器连接的连接器之间切换RF能量的供给的 切换机构(例如，继电器)。例如，当电外科仪器110与电外科生成 器102连接时，切换机构将RF能量的供给切换到单极插头。在实施 例中，电外科生成器102可被配置为同时向多个仪器提供RF能量。

电外科生成器102包括具有用于向电外科生成器102提供控制参 数的适当的用户控制件(例如，按钮、致动器、开关或触摸屏)的用 户界面。这些控制件允许用户调整电外科能量的参数(例如，功率水 平或输出波形的形状)，使得电外科能量适于特定的外科过程(例如， 凝结、切除、组织闭合或切割)。电外科仪器110和130还可包含多 个用户控制件。另外，电外科生成器102可包括用于显示与电外科生 成器102的操作有关的各种信息(例如，强度设定和治疗完成指示器) 的一个或更多个显示屏。

图2是图1的电外科生成器102内的生成器电路200的电路框图。 生成器电路200包含低频(LDF)整流器220、射频(RF)放大器230、 多个传感器235和240、模数转换器(ADC)250、包含硬件加速器 270和处理器子系统280的控制器260以及用户界面(UI)290。生成 器电路200被配置为与产生具有低频率(例如，25Hz、50Hz或60Hz) 的交变电流(AC)的诸如墙壁功率供应插座或其他功率供应插座的 AC功率供应210连接。AC功率供应210向LF整流器220提供AC 功率，该LF整流器220将AC转换成直流电流(DC)。

从LF整流器220输出的直流电流(DC)被提供给包含转换器232 和共振逆变器234的RF放大器230。转换器232和共振逆变器234 的组合形成在以下更详细地描述的多级功率转换器。转换器232将DC 逐步升高或降低到希望的水平。共振逆变器234将DC逆变为用于治 疗组织的AC波形。AC波形具有适于电外科过程的频率(例如， 472kHz、29.5kHz和19.7kHz)。

适于电外科能量的频率可基于电外科过程和电外科手术的模式而 不同。例如，神经和肌肉刺激在约每秒100000循环(100kHz)下停 止，并且，可在高于100kHz的射频(RF)下安全地执行一些电外科 过程。在高于100kHz的频率下，电外科能量可以最小的神经肌肉刺 激通过患者到达目标组织。例如，切除使用472kHz的频率。其它的 电外科过程可在例如为29.5kHz或17.9kHz的低于100kHz的频率下 执行，使得损伤神经和肌肉的风险最小化。共振逆变器234可用适于 电外科操作的各种频率输出AC信号。

如上所述，RF放大器230包含与转换器232耦合的共振逆变器 234。共振逆变器234使转换器232处的阻抗与组织的阻抗匹配，使得 从RF放大器230到被治疗的组织存在最大或最佳的功率传送。

由RF放大器230的转换器232提供的电外科能量由控制器260 控制。从转换器232和共振逆变器234输出的电外科能量的电压和电 流波形通过多个传感器235、240被感测并被提供给控制器260，该控 制器260产生控制信号以控制转换器232和共振逆变器234的输出电 压和电流波形。控制器260还通过图像界面(UI)290从用户接收输 入命令。UI 290允许用户选择某种类型的电外科过程(例如，单极或 双极)和模式(例如，凝结、切除、闭合或切割)或输入用于电外科 过程或模式的希望的控制参数。UI 290还包含显示与电外科能量的特 性(例如，选择的功率水平)有关的信息等的显示器(例如，LCD显 示器)。

多个传感器235、240可包含提供电压和电流波形的冗余测量的两 对或更多对或两组或更多组电压和电流传感器。该冗余确保转换器 232和共振逆变器234的输出处的电压和电流测量的可靠性、精度和 稳定性。在实施例中，根据应用或设计要求，多个传感器235、240 可包含更少或更多组的电压和电流传感器。

在实施例中，穿过转换器232的电流由多个传感器235的电流传 感器感测，并且，共振逆变器234的电压由多个传感器240的电压传 感器感测。多个传感器235、240可使用用于测量电压和电流的任何已 知的技术，包括例如Rogowski线圈。

感测的电压和电流波形被馈送到模数转换器(ADC)250，该模 数转换器采样感测的电压和电流波形以获得电压和电流波形的数字采 样。电压和电流波形的数字采样被控制器260处理并被用于产生控制 信号以控制RF放大器230的转换器232和共振逆变器234。ADC 250 可被配置为按作为电压和电流波形的RF频率的整数倍的采样周期采 样感测的电压和电流波形。

如图2所示，控制器260包含硬件加速器270和处理器子系统280。 硬件加速器270处理来自ADC 250的输出并与处理器子系统280协 作，以产生用于RF放大器230的转换器232和共振逆变器234的控 制信号。

硬件加速器270包含剂量监视和控制(DMAC)272、内部功率控 制回路274、逆变器控制器276和转换器控制器278。控制器260的全 部或一部分可由场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、 数字信号处理器(DSP)和/或微控制器实现。

DMAC 272从ADC 250接收电压和电流波形的采样，并计算组织 的阻抗。DMAC 272然后向内部功率控制回路274提供组织的阻抗， 该内部功率控制回路274基于组织的阻抗产生逆变器控制器276和转 换器控制器278的控制信号。逆变器控制器276又产生用于控制共振 逆变器234的输出的第一控制信号，并且，转换器控制器278又产生 用于控制转换器232的输出的第二控制信号。第一和第二控制信号用 于将RF放大器的输出电压和电流限制为在特定的控制模式中规定的 希望的电压和电流。以这种方式，控制器260控制RF放大器230以 产生输出功率的近无差拍(deadbeat)控制。

处理器子系统280包含输出功率控制回路282、状态机284和功 率设定点电路286。处理器子系统280基于DMAC 272的输出和由用 户通过UI 290选择的参数(例如，电外科模式)产生控制信号。具体 而言，由用户选择的参数被提供给确定生成器电路200的状态或模式 的状态机284。输出功率控制回路282使用该状态信息和来自DMAC 272的输出，以确定控制信号。控制信号被提供给功率设定点电路286， 该功率设定点电路286基于控制信号产生功率设定点值。

内部功率控制回路274使用功率设定点值以产生用于通过转换器 控制器278控制转换器232的适当的控制信号。如果用户不通过UI 290 向状态机284提供操作参数，那么状态机284可保持或进入缺省状态。

图3是图2的硬件加速器270的电路框图。硬件加速器270实现 可具有诸如高处理速度的特殊的处理要求的生成器电路200的功能。 硬件加速器270包含图2所示的DMAC 272和内部功率控制回路274。

DMAC 272包含四个ADC控制器312a～312d、数字信号处理器 314、RF数据寄存器316和DMAC寄存器318。ADC控制器312a～312d 控制ADC 250的操作，该ADC 250将感测的电压和电流波形转换成 数字数据。数字数据然后被提供给实现各种数字信号处理功能的数字 信号处理器314，将在后面更详细地描述这些功能中的一些。

ADC控制器312a～312d向ADC 250提供包含预定的采样率在内 的操作参数，使得ADC 250以预定的采样率即预定的每秒采样数或预 定的采样周期同步采样感测的电压和电流波形。ADC控制器 312a～312d可被配置为控制ADC 250，使得采样周期与电压和电流波 形的RF频率的整数倍对应。

DMAC 272通过信号线321向内部功率控制回路274以及通过信 号线379向处理器子系统280提供作为治疗的组织的阻抗的控制信号。 内部功率控制回路274处理控制信号并将控制信号输出到逆变器控制 器276和转换器控制器278。内部功率控制回路274包含内部功率控 制器326、补偿器寄存器330和VI限制器334。

当存在用户输入时，处理器子系统280接收用户输入，并且用通 过信号线379来自数字信号处理器314的输出处理它。处理器子系统 通过补偿器寄存器330向与图2中的功率设定点电路386对应的VI 限制器334提供控制信号。VI限制器334然后基于用户输入和数字信 号处理器314的输出通过信号线335提供希望的功率轮廓(例如，选 择的电外科模式或操作的功率的最小和最大限制)。补偿器寄存器330 还通过信号线333向内部功率控制器326提供其它的控制参数，该内 部功率控制器326组合来自补偿器寄存器330、VI限制器334的控制 参数和来自数字信号处理器314的阻抗以产生控制信号并且通过信号 线327向逆变器控制器276以及通过信号线328向转换器控制器278 提供它们。

逆变器控制器276接收控制参数并输出驱动共振逆变器234的控 制信号。逆变器控制器276包含缩放单元342、PWM寄存器344和 PWM模块346。缩放单元342通过对于输出乘算和/或加算缩放值来 缩放补偿器寄存器330的输出。缩放单元342通过信号线341a和341b 从PWM寄存器344接收缩放值。PWM寄存器344存储用于控制共 振逆变器234几个相关的参数，例如，将由共振逆变器234产生的AC 信号的周期、脉冲宽度和相位和其它有关的参数。PWM模块346从 PWM寄存器344接收输出，并产生控制图2的RF放大器230的共 振逆变器234的四个晶体管的四个控制信号347a～347d。PWM模块 346还通过寄存器同步信号使其信息与PWM寄存器344中的信息同 步化。

转换器控制器278接收控制信号并产生另一控制信号，使得转换 器232被控制以将直流电流放大或逐步减小到适于共振逆变器234的 希望水平。转换器控制器278包含PWM寄存器352和PWM模块354。 PWM寄存器352从内部功率控制回路274接收输出，并在逆变器控 制器276的PWM寄存器344中存储相关的参数。PWM模块354向 PWM寄存器352发送寄存器同步信号，并产生用于控制图2的转换 器232的具有希望的占空比的控制信号355。因此，内部功率控制回 路274基于由DMAC 272提供的处理的传感器信号和通过处理器子系 统280提供给硬件加速器270的其它信号控制RF放大器230的转换 器232和共振逆变器234。

当前的电外科生成器使用包含后跟固定PWM逆变器的高电压 DC(HVDC)功率供应、后跟电流源逆变器的HVDC功率供应、相 位偏移PWM全桥共振逆变器、具有变压器的电流源并行共振DC/AC 逆变器和用于高频感应加热的基于IGBT的LCL共振逆变器的各种输 出功率级。这些输出功率级具有影响功率向负载的传送的输出阻抗。 如图5所示，这些输出功率级表现共振逆变器的输出功率特性，其中， 功率首先沿恒定电流的渐近线505增加，并然后较慢地增加，直到输 出阻抗匹配电外科生成器的源阻抗。当输出阻抗匹配源阻抗时，最大 功率510被传送到被治疗的组织。然后，当输出阻抗进一步增加时， 功率缓慢地减小，直到功率沿恒定电压的渐近线515减小。

如这里所述，根据本公开的系统和方法使用可通过单独地选择多 级输出功率转换器的各级的控制方法实现近理想的恒定电流、恒定功 率和恒定电压输出特性的多级输出功率转换器。图6是可在图1的电 外科生成器102中使用的生成器电路600的电路框图。生成器电路600 包含电压源610、DC-DC升压转换器630和相位偏移(PS)脉冲宽度 调制(PWM)共振逆变器650。

电压源610向DC-DC升压转换器630提供直流电流i_g(t)620， 该DC-DC升压转换器630将直流电流的电压逐步减小或逐步增加到 希望的电压水平v_l 640。然后，PS-PWM共振逆变器650将由DC-DC 升压转换器630提供的希望的DC电压v_l 640逆变成具有适于治疗组 织的电压和频率的AC。从PS-PWM共振逆变器650输出的AC电压 v_o然后被提供给组织负载z_load 680。

图2的控制器260可通过传感器235和ADC 250获得DC电压v_l640的采样，并且可基于DC电压v_l 640的采样产生用于控制DC电压 v_l 640的控制信号d 635。控制器260还可获得AC电流i_o(t)670和 AC电压v_o 660的采样，并可基于AC电流i_o(t)670和AC电压v_o 660 的采样产生用于控制PS-PWM共振逆变器650的具有固定相位的另一 控制信号p 655。

图7A是包含功率转换器701和用于控制功率转换器701的控制 器715的生成器电路700的电路框图。功率转换器701包含升压转换 器705和与升压转换器705的输出连接的PS-PWM共振逆变器707。 PS-PWM共振逆变器707包含串行-并行LCLC共振储能电路703。 串行-并行LCLC共振储能电路703包含与功率转换器701的输出串 联连接的电感器721和电容器723、变压器727的初级电感器线圈和 与功率转换器702的输出并联连接的电容器725。

控制器715包含用具有希望的占空比的控制信号d控制升压转换 器705的CPM控制器712和电压模式控制器714，以及用具有固定相 位的PWM控制信号p控制PS-PWM共振逆变器707的相位偏移 PWM控制器716。控制器715还包含在CPM控制器712与电压模式 控制器714之间切换的开关711。

CPM控制器712、电压模式控制器714和相位偏移PWM控制器 716根据下表1所示的希望的输出特性操作。如上所述，依赖于输出 阻抗，希望的输出特性从恒定电流变为恒定功率、再到恒定电压。

表1

为了在组织治疗的开始实现恒定电流输出，控制器715将开关711 切换到电压模式控制器714，该电压模式控制器714产生具有固定的 占空比的控制信号d，并将控制信号d提供给DC-DC升压转换器705 的开关708。

另外，相位偏移PWM控制器716产生具有第一固定相位p₁的 PWM控制信号p，并将其提供给DC-AC PS-PWM共振逆变器707 的H桥717。相位偏移PWM控制器716改变PWM控制信号p的占 空比，使得PS-PWM共振逆变器707输出恒定电流。

电压模式控制包含测量DC-DC升压转换器705的输出电压v_l、 将测量的输出电压v_l馈送到电压模式控制器714和基于测量的输出电 压v_l与基准输出电压之间的差值调整控制信号d的占空比使得测量的 输出电压v_l匹配基准输出电压。基准输出电压可由用户设定，或者可 基于存储于查找表中的基准输出电压值。在电压控制模式中，储能电 路703的串行阻抗723限制输出电流。

当输出阻抗达到第一预定阻抗值时，希望的输出特性从恒定电流 变为恒定功率。对于恒定功率输出特性，控制器715将开关711改变 到电流编程模式(CPM)控制器712。电流编程模式控制器712根据 电流编程模式改变控制信号d的占空比以保持来自DC-DC升压转换 器705的恒定功率输出。另外，PS-PWM控制器716产生具有固定的 相位和固定的占空比的控制信号p，并将其提供给DC-AC PS-PWM 共振逆变器707的H桥717。

当输出阻抗达到第二预定阻抗值时，希望的输出特性从恒定功率 变为恒定电压。对于恒定电压输出特性，控制器715将开关711切换 回电压模式控制器714，该电压模式控制器714根据电压控制模式改 变控制信号d的占空比，并将其提供给DC-DC升压转换器705的开 关708。在电压控制模式中，电压模式控制器714使开关708操作以 调整电压，以在输出阻抗进一步随时间改变或增加时保持恒定电压输 出。另外，PS-PWM控制器716产生具有第二固定相位p₂和固定占空 比的控制信号p。在电压控制模式中，储能电路703的并联阻抗725 自然限制输出电压。

在实施例中，为了在控制方法之间切换升压转换器705和 PS-PWM共振逆变器707，输出电压和电流可被测量并与由例如为 FPGA或DSP的控制逻辑设定的电压阈值比较。输出电压和电流测量 可通过整流器被整流并被馈送到比较器。DAC可与比较器连接以提供 与电压和电流限制成比例的电压。比较器的输出然后会被用于确定升 压转换器705和PS-PWM共振逆变器707的控制方法。例如，当希望 的输出特性是恒定电流且比较器确定测量的输出电压达到电压限制 时，开关711从电压模式控制器714切换到CPM控制器712。

升压转换器705当在电流编程模式中操作时表现为恒定功率供 应。因此，当PS-PWM控制器716用来自升压转换器705的固定相位 p控制PS-PWM共振逆变器707时，它可用近无差拍控制传输理想的 电压限制、电流限制和功率限制。

图7B是图7A的控制器的CPM控制器712的电路框图。CPM控 制器712包含加算块710、补偿器720、具有反相输出的比较器740、 电流感测电阻器730、锁存器750、时钟760和用于驱动升压转换器 705的开关708的驱动器电路765。加算块710从共振逆变器650接收 由电压传感器感测的输出电压v_o和希望的电压v_ref，并确定输出电压 与希望的电压之间的差值。输出电压与希望的电压之间的差值然后被 提供给补偿器720。补偿器720向比较器740输出补偿器电压。补偿 器电压由积i_c(t)R_f代表，这里，i_c(t)代表补偿器电流，R_f代表电 流感测电阻器730的电阻。

控制器715通过使用电流感测电阻器730感测穿过升压转换器 705的开关708的开关电流i_s(t)。电流感测电阻器730向比较器740 提供开关电压i_s(t)R_f。在一些实施例中，CPM控制器712还可包括 连接于电流感测电阻器730与比较器740之间的加算块。加算块可向 开关电压i_s(t)R_f加算可由块760产生的人工斜坡(ramp)i_d(t) R_f。比较器740然后比较补偿器电压i_c(t)R_f与开关电压i_s(t)R_f。 如果开关电压i_s(t)R_f小于补偿器电压i_c(t)R_f，那么比较器740设 定锁存器750，使得由时钟760产生的时钟信号被提供给驱动器电路 765，以根据时钟信号驱动开关708。如果开关电压i_s(t)R_f达到或者 超过补偿器电压i_c(t)R_f，那么比较器740向锁存器750的复位输入 R输出非零数字值以复位锁存器750。当锁存器750被复位时，锁存 器750向驱动器电路765输出零值，该驱动器电路765将控制信号d 设定为零，由此关断开关708。以这种方式，补偿器电流i_c(t)用作 开关电流i_s(t)的电流限制。

图7C是图7A的生成器电路700的电压模式控制器714的电路框 图。电压模式控制器714包含加算块745、补偿器755和PWM控制 器770。加算块745确定反馈电压v_l与基准电压v_ref之间的差值，例如， 该基准电压v_ref可以为恒定电压输出特性的希望的电压。补偿器755 基于来自加算块745的输出来输出误差信号。然后，PWM控制器770 基于从补偿器755输出的误差信号改变驱动信号d的占空比。

图8是根据另一实施例的生成器电路800的电路框图，其中，输 出功率转换器801包含具有相应的开关708a和708b的一个或更多个 升压转换器705a和70b以及图7A的共振逆变器707。输出功率转换 器801由包含分别用于控制一个或更多个升压转换器705a和70b的 CPM控制器712以及用于控制PS-PWM共振逆变器707的PS-PWM 控制器716的控制器849控制。

在输出功率转换器801仅包含一个例如为CPM控制器712的 CPM控制器的实施例中，控制器849根据下表2所示的希望的输出特 性使输出功率转换器801操作。

表2

如表2所示，CPM控制器712可根据所有输出特性的CPM产生 用于升压转换器705a的控制信号d_l，并且，PWM控制器716对于 PS-PWM共振逆变器707产生对于所有的输出特性具有固定相位的控 制信号p。控制器849也可运行缓慢的控制回路，以传输希望的功率 剂量。在电压/电流限制上，升压转换器705a会尝试向PS-PWM共振 逆变器707传输恒定功率，并且，PS-PWM共振逆变器707会消耗传 输到负载的功率和由升压转换器705a供给的功率的差值。基本上，升 压转换器705a和PS-PWM共振逆变器707运行开放回路，以传输理 想的输出特性。

与PS-PWM共振逆变器707相比，升压转换器705a可在更快的 开关频率上运行，例如，快N倍。因此，在恒定功率输出特性中， PS-PWM共振逆变器707的输出会在1/N个循环上传输恒定功率。

输出功率转换器801可包含一起并联耦合并且通过以对称的方式 相互偏移时间的两个或更多个相应的控制信号控制的两个或更多个升 压转换器。在例如为升压转换器705a和705b的两个升压转换器的情 况下，例如为控制信号d₁和d₂的用于升压转换器的控制信号可具有 180度相位差。在三个升压转换器的情况下，三个相应的控制信号中 的任意两个之间的相位差会为120度。在四个升压转换器的情况下， 四个相应的控制信号中的任意两个之间的相位差会为90度。通过增加 升压转换器的数量，生成器电路200可实现理想的功率对阻抗输出特 性、较低的输出测量采样率、不使用诸如有源缓冲器的有源电气元件 的电压和电流的改善的钳位(clamp)和控制恒定功率传输。

当在CPM下操作时，各升压转换器在其自身的循环上保持恒定 的平均功率，并且所有的相位在其多相周期上传输平均恒定功率。由 于总平均功率仅在整个多相位周期上恒定，因此，使用两个或更多个 升压转换器的输出功率转换器拓扑结构固有地比按PS-PWM共振逆 变器707的N倍速度运行的单个升压级慢。但是，与单个升压转换器 拓扑结构相比，多升压转换器拓扑结构提供较低的输入电压和电流波 纹。

图9是示出基于被治疗的组织的阻抗控制图7A的输出功率转换 器的方法900的流程图。在该方法中，基于被治疗的组织的阻抗，希 望的输出特性从恒定电流变为恒定功率、再到恒定电压。在从步骤901 开始之后，控制器715使输出功率转换器操作以提供恒定电流输出特 性。具体而言，分别在步骤902和904中，控制器715根据电压模式 控制产生控制信号d和具有固定相位p₁的控制信号p，并将它们提供 给升压转换器705和相位偏移脉冲宽度调制(PS-PWM)共振逆变器 707。控制器715然后在步骤906中测量被治疗的组织的阻抗。测量的 阻抗在步骤908中与第一预定阻抗值Z₁相比较。如果测量的阻抗小于 第一预定阻抗值Z₁，那么步骤902和904被重复以提供恒定电流输出 特性。否则，执行步骤910和912，以提供恒定功率输出特性。

在步骤910中，控制信号d根据电流编程模式产生并被提供给升 压转换器705。在步骤912中，具有固定相位的控制信号p产生并被 提供给升压转换器705。控制器715然后在步骤914中测量被治疗的 组织的阻抗。在步骤916中，测量的阻抗与第二预定阻抗值Z₂相比较。 如果测量的阻抗小于第二预定阻抗值Z₂，那么方法900返回步骤908， 并且重复步骤910和912以提供恒定功率输出特性。否则，执行步骤 918和920以提供恒定电压输出特性。

在步骤918和920中，控制器715根据电压模式控制产生控制信 号d和具有固定相位p₂的控制信号p，并将它们分别提供给升压转换 器705和PS-PWM共振逆变器707。控制器715然后在步骤922中测 量被治疗的组织的阻抗。在步骤924中，测量的阻抗与第三预定阻抗 值Z₃相比较。如果测量的阻抗小于第三预定阻抗值Z₃，那么方法返 回步骤916并且基于恒定电压输出特性执行步骤918～924。否则，控 制功率转换器701的方法900返回步骤922以继续测量输出阻抗，例 如，组织阻抗。由于步骤922不产生控制信号，因此，升压转换器和 PS-PWM共振逆变器不向被治疗的组织输出电压和电流波形。然而， 在用户关断电外科生成器的功率开关或者中止向电外科生成器供给电 功率之前，电外科操作不结束。

图10是示出图8的输出功率转换器801的控制方法1000的流程 图。如图8所示，控制器849控制两个升压转换器705a和705b和 PS-PWM共振逆变器707。在从步骤1001开始之后，控制器849在步 骤1002中根据电流编程模式产生具有不同的相位的控制信号d₁和d₂， 并分别将它们提供给两个升压转换器以分别控制升压转换器705a和 705b。在步骤1004中，控制器849产生具有固定相位的控制信号p， 并将其提供给共振逆变器707。

在步骤1006中，计算功率剂量，并且，在步骤1008中，功率剂 量与请求的功率剂量相比较。如果功率剂量等于请求的功率剂量，那 么方法1000返回步骤1002。如果不等，则在步骤1012中在生成器电 路800的输出处测量电压和电流。在步骤1014中，测量的电压和测量 的电流分别与电压限制和电流限制相比较。当测量的电压和测量的电 流分别小于电压限制和电流限制时，方法1000返回步骤1002。

在步骤1016中，在测量的电流大于或等于电流限制的情况下，控 制器849产生具有与已产生的两个控制信号不同的相位的控制信号d₁和d₂，并将它们提供给两个升压转换器，使得产生比电流限制低的电 流。在步骤1018中，在测量的电压大于或等于电压限制的情况下，控 制器849产生具有不同的固定相位的控制信号p，并将其提供给共振 逆变器707，使得产生比电压限制低的电压。然后，方法1000返回步 骤1006。

虽然这里参照附图描述了本公开的解释性的实施例，但应理解， 本公开不限于这些确切的实施例，并且，在不背离本公开的范围或精 神的情况下，本领域技术人员可在其中实现各种其它的变化和修改。