一种高压发生器、射线成像设备及高压发生器的控制方法

摘要

本发明公开了一种高压发生器、射线成像设备及高压发生器的控制方法，高压发生器包括：油箱；变换器系统，具有逆变模块、谐振模块及控制器，逆变模块通过谐振模块与油箱连接；其中，控制器用于基于预设功率阈值、谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，识别高压发生器的当前工作模式，当前工作模式为轻载模式时，基于间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，当前工作模式为重载模式时，基于连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，从而实现在高压发生器整个工作过程中，既实现高脉冲频率，又降低器件发热，降低成本，所用器件少，省却了高压大电流接触器和大功率谐振电感，可靠性得到极大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种高压发生器、射线成像设备及高压发生器的控制方法。

背景技术

高压发生器广泛用于X射线摄影/透视系统，包括DR、胃肠机、动态DR等，用于X射线摄影的高压发生器的负载为X射线管，其输出电压、电流的范围很宽，电压从40kV到150kV，电流从10mA到1000mA。医用X射线高压发生器多采用LCC谐振变换器，其工作频率随负载变化，轻载时频率很高，重载时频率很低。为了同时满足短时大功率和长时间小功率的工作要求，高压发生器的工作频率需要宽范围变化，尤其是在轻载长时间工作时，高压发生器中的功率器件、变压器等长时间工作在高频状态(例如100kHz～500kHz)，发热量极大，需要大容量散热量系统进行散热。传统做法是采用两套功率变换系统，当工作在不同模式时，需要在两套功率变换系统之间用接触器对谐振电感进行切换；当工作在长时间轻载时，切换到大谐振电感，变换器工作在较低频率(20kHz左右)，其它条件切换到小谐振电感并工作在较高频率(100kHz以上)。这种方案需要大功率电感、大功率接触器等，增加了体积、成本。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的高压发生器在重载工作模块及轻载工作模块之间的切换方法复杂的缺陷，从而提供一种高压发生器、射线成像设备及高压发生器的控制方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种高压发生器，包括：油箱；变换器系统，具有逆变模块、谐振模块及控制器，逆变模块通过谐振模块与油箱连接；其中，控制器用于基于预设功率阈值、谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，识别高压发生器的当前工作模式，当前工作模式为轻载模式时，基于间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，当前工作模式为重载模式时，基于连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率。

在一实施例中，控制器包括：数据处理模块，其输入端分别与谐振模块及油箱连接，用于基于预设功率阈值、谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，识别当前工作模式，并输出当前工作模式对应的频率定值；频率脉冲调制模块，其输入端与数据处理模块的输出端连接，其输出端与逆变模块连接，用于基于频率定值，通过输出对应的脉冲信号，调整逆变模块的工作频率。

在一实施例中，高压发生器，还包括：采集模块，其输入端分别与谐振模块及油箱连接，其输出端与控制器连接，用于采集谐振模块的电流信号及油箱的电压信号。

在一实施例中，谐振模块包括：至少一个电感，电感与逆变模块的输出端连接；电容，与电感串联。

在一实施例中，高压发生器还包括：EMI滤波器，与电源连接；预充及整流模块，分别与EMI滤波器以及变换器系统连接。

第二方面，本发明实施例提供一种射线成像设备，包括第一方面所述的高压发生器。

第三方面，本发明实施例提供一种高压发生器的控制方法，基于第一方面所述的高压发生器，包括：获取谐振模块的电流信号和油箱的电压信号；基于预设功率阈值、谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，识别当前工作模式；当前工作模式为轻载模式时，基于间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，当前工作模式为重载模式时，基于连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率。

在一实施例中，当前工作模式为轻载模式时，基于间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率的过程，包括：根据谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，计算当前功率；判断当前功率是否低于预设功率阈值，当低于预设功率阈值时，判定当前工作模式为轻载模式，并获取轻载模式对应的频率定值；基于轻载模式对应的频率定值，生成间歇脉冲信号，调整逆变模块的工作频率。

在一实施例中，间歇脉冲信号由第一预设数量的低电平脉冲、第二预设数量的高电平脉冲交替输出构成，第一预设数量大于第二预设数量。

在一实施例中，当前工作模式为重载模式时，基于连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率的过程，包括：根据谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，计算当前功率；判断当前功率是否高于预设功率阈值，当高于预设功率阈值时，判定当前工作模式为重载模式，并获取重载模式对应的频率定值；基于重载模式对应的频率定值，生成连续脉冲信号，调整逆变模块的工作频率。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的高压发生器，控制器基于油箱反馈的电压信号及谐振模块反馈的电流信号调整逆变模块的工作频率，即在重载时，采用连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，在轻载时，采用间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，从而实现在高压发生器整个工作过程中，既实现高脉冲频率，又降低器件发热，降低成本，所用器件少，省却了高压大电流接触器和大功率谐振电感，可靠性得到极大提高。

2.本发明提供的高压发生器中电感、电容以及油箱形成LCC串并联谐振电路，该谐振电路结合了串联与并联两种变换器的特性，从而具有更好的调节性和负载适应性。

3.本发明提供的射线成像设备中的控制器基于油箱反馈的电压信号及谐振模块反馈的电流信号调整逆变模块的工作频率，即重载时，采用连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，在轻载时，采用间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，在不改变电路硬件参数的基础上，实现了逆变模块工作频率的切换。

4.本发明提供的高压发生器的控制方法，根据油箱反馈的电压信号及谐振模块反馈的电流信号，进行闭环反馈控制，根据高压发生器的工作模式，调整逆变模块的工作频率，重载时，采用连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，在轻载时，采用间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率从而既实现高脉冲频率，又降低器件发热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高压发生器的一个具体示例的组成图；

图2为本发明实施例提供的间歇脉冲信号；

图3为本发明实施例提供的闭环反馈控制的具体控制框图；

图4为本发明实施例提供的连续脉冲信号；

图5为本发明实施例提供的高压发生器的另一个具体示例的组成图；

图6为本发明实施例提供的高压发生器的另一个具体示例的组成图；

图7为本发明实施例提供的谐振模块的一个具体示例的组成图；

图8为本发明实施例提供的高压发生器的另一个具体示例的组成图；

图9为本发明实施例提供的高压发生器的另一个具体示例的组成图；

图10为本发明实施例提供的高压发生器的控制方法的一个具体示例的流程图；

图11为本发明实施例提供的间歇脉冲调制方法的一个具体示例的流程图；

图12为本发明实施例提供的连续脉冲调制方法的一个具体示例的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

本发明实施例提供一种高压发生器，应用于高压发生器的工作频率需要宽范围变化的场合，如图1所示，包括：油箱1及变换器系统2。

本发明实施例的油箱1可以为高压油箱，在射线摄像设备中，高压油箱多与球管连接，高压油箱可以包括高频变压器、高压整流器及滤波器等，以便将输入的低压电信号转换为高压电信号，高电压电信号输出至球管两端，以使得球管产生射线。

如图1所示，本发明实施例的变换器系统2包括逆变模块21、谐振模块22及控制器23，逆变模块21通过谐振模块22与油箱1连接；其中，控制器23用于基于预设功率阈值、谐振模块22反馈的电流信号和油箱1反馈的电压信号，识别高压发生器的当前工作模式，当前工作模式为轻载模式时，基于间歇脉冲调制方法调整逆变模块21的工作频率，当前工作模式为重载模式时，基于连续脉冲调制方法调整逆变模块21的工作频率。

具体地，本发明实施例的逆变模块21将输入的直流电转换为交流电，并通过谐振模块22输出给油箱1，其中，逆变模块21可以为由MOSFET构成的三相全桥逆变器，具体地，逆变板中的功率器件为MOSFET，由于MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，且仅由多数载流子导电，无少子存储效应，具有较好的高频特性，工作频率能够达到100KHz以上。因此，选用MOSFET作为逆变板中的功率器件，能够保证该摄影透视高压发生器全范围工作在高频状态。

本发明实施例为了避免高压发生器处于长时间小功率(轻载)状况时，逆变模块21仍工作在高频状态，因此控制器23基于谐振模块22反馈的电流信号及油箱1反馈的电压信号，识别出高压发生器处于轻载状况，其基于上位机发送的轻载状况对应的电压信号设定值及电流信号设定值、油箱1反馈的电压信号、谐振模块22反馈的电流信号，对逆变模块21进行闭环反馈控制，并采用间歇脉冲频率调制方法，以输出如图2所示的间歇脉冲驱动逆变模块21工作，如图3所示，其中的闭环反馈可用PI、PID、超前滞后校正等，图3中，控制器23利用电压信号设定值，对电压信号当前值以及输入电流进行PID调节，输出信号至PFM控制器，以使得PFM输出逆变模块21的工作频率；当控制器23识别出高压发生器工作在重载的情况下时，控制器23根据上位机设定的重载状况对应的电压信号设定值及电流信号设定值、油箱1反馈的电信号对逆变模块21进行闭环反馈控制，以输出如图4所示的连续脉冲驱动逆变模块21工作。

如图2所示，间歇脉冲信号由第一预设数量的低电平脉冲、第二预设数量的高电平脉冲交替输出构成，且第一预设数量大于第二预设数量，即连续输出M个低电平脉冲之后连续输出N各高电平脉冲，其中，M>N，M>2，N>1。

本发明实施例提供的高压发生器，控制器基于油箱反馈的电压信号及谐振模块反馈的电流信号调整逆变模块的工作频率，工作模式为重载时，采用连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，工作模式为轻载时，采用间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，从而实现在高压发生器整个工作过程中，既实现高脉冲频率，又降低器件发热，降低成本，所用器件少，省却了高压大电流接触器和大功率谐振电感，可靠性得到极大提高。

在一具体实施例中，如图5所示，控制器23包括：数据处理模块231及频率脉冲调制模块232。

如图5所示，本发明实施例的数据处理模块231，其输入端分别与谐振模块22及油箱1连接，用于基于预设功率阈值、谐振模块22反馈的电流信号和油箱1反馈的电压信号，识别当前工作模式，并输出当前工作模式对应的频率定值。

如图5所示，本发明实施例的频率脉冲调制模块232，其输入端与数据处理模块231的输出端连接，其输出端与逆变模块21连接，用于基于频率定值，通过输出对应的脉冲信号，调整逆变模块21的工作频率。

在高压发生器工作之前，上位机将预设功率阈值发送至数据处理模块231，且将轻载对应的间歇脉冲信号的电压信号设定值及电流信号设定值、重载对应的连续脉冲信号的电压信号设定值及电流信号设定值均发送至数据处理模块231，数据处理模块231基于谐振模块22反馈的电流信号及油箱1反馈的电压信号判断高压发生器的工作状况，然后将对应的频率定值发送至频率脉冲调制模块232，频率脉冲调制模块232根据频率定值发出间歇脉冲信号或连续脉冲信号。

具体地，本发明实施例的频率脉冲调制模块232可以为FPGA芯片等，数据处理装置可以为DSP芯片等。

在一具体实施例中，如图6所示，高压发生器还包括：采集模块3，其输入端分别与谐振模块22及油箱1连接，其输出端与控制器23连接，用于采集谐振模块22的电流信号及油箱1的电压信号。

本发明实施例的采集模块3可以包括电压采集模块及电流采集模块，其中，电压采集模块可以包括电压互感器、滤波器等，电流采集模块可以包括电流互感器、滤波器等。

在一具体实施例中，如图7所示，谐振模块22包括：至少一个电感L，电感L与逆变模块21的输出端连接；电容C，与电感L串联。

本发明实施例的谐振电路利用其电路寄生参数参与谐振，减少电路损耗，同时可实现零电压开通或零电流关断，减少了开关管损耗，提高开关频率，该谐振电路可以是串联谐振，也可以是并联谐振，或者可以是串并联谐振等等。图7中的谐振模块22为LCL谐振电路，其中谐振电路可以为其它谐振电路，例如：LLC谐振电路、LC谐振电路等。

如图8所示，本发明实施例的变换器系统2还包括驱动模块24，其连接于频率脉冲调制模块232与逆变模块21之间，用于将连续脉冲信号或间歇脉冲信号转换为能够驱动逆变模块21工作的驱动信号，其中驱动模块24可以为电压转换电路。

在一具体实施例中，如图9所示，高压发生器还包括：EMI滤波器4、预充及整流模块5，其中，EMI滤波器4，与电源连接；预充及整流模块5，分别与EMI滤波器以及变换器系统2连接。

本发明实施例的电源可以包括灯丝驱动电源、旋转阳极驱动电源以及辅助电源等等，预充及整流模块可以为现有技术中常见的预充电路与整流电路构成的模块。

本发明实施例提供的高压发生器，电感、电容以及油箱形成LCC串并联谐振电路，该谐振电路结合了串联与并联两种变换器的特性，从而具有更好的调节性和负载适应性。

实施例2

本发明实施例提供一种射线成像设备，包括实施例1的高压发生器，高压发生器多与球管连接，高压发生器中的逆变模块21将交流电转换为直流电之后，油箱1将低压直流电转换为高压直流电，高压直流电输出至球管两端，以使得球管产生射线，从而应用于医疗领域的射线成像设备。

本发明实施例提供的射线成像设备，其中，控制器基于油箱反馈的电压信号及谐振模块反馈的电流信号调整逆变模块的工作频率，即工作模式为重载时，采用连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，在工作模式为轻载时，采用间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，在不改变电路硬件参数的基础上，实现了逆变模块工作频率的切换。

实施例3

本发明实施例提供一种高压发生器的控制方法，基于实施例1的高压发生器，如图10所示，控制方法包括：

步骤S11：获取谐振模块的电流信号和油箱的电压信号。

步骤S12：基于预设功率阈值、谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，识别当前工作模式。

步骤S13：当前工作模式为轻载模式时，基于间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，当前工作模式为重载模式时，基于连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率。

控制器基于谐振模块反馈的电流信号及油箱反馈的电压信号，计算当前高压发生器的当前功率，并判断当前功率是否低于预设功率阈值，当其低于预设功率阈值时，判定高压发生器工作在轻载模式，当其高于预设功率阈值时，判定高压发生器工作在重载模块，基于高压发生器不同的工作模块，调整逆变模块的工作频率，即轻载模式时，间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，重载模式时，基于连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率。

此外，本发明实施例对于高压发生器的控制方法除了上述频率脉冲调制方法，还包括PI、PID等控制方法，具体地控制框图如图3所示。

在一具体实施例中，如图11所示，当前工作模式为轻载模式时，基于间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率的过程，包括：

步骤S21：根据谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，计算当前功率。

步骤S22：判断当前功率是否低于预设功率阈值，当低于预设功率阈值时，判定当前工作模式为轻载模式，并获取轻载模式对应的频率定值。

步骤S22：基于轻载模式对应的频率定值，生成间歇脉冲信号，调整逆变模块的工作频率。

本发明实施例中，在控制器判断出高压发生器工作在轻载模式时，根据上位机设定的电压信号设定值及电流信号设定值，输出如图2所示的间歇脉冲信号以驱动逆变模块工作，其中，间歇脉冲信号由第一预设数量的低电平脉冲、第二预设数量的高电平脉冲交替输出构成，第一预设数量大于第二预设数量，即连续输出M个低电平脉冲之后连续输出N各高电平脉冲，其中，M>N,M>2,N>1。

在一具体实施例中，如图12所示，当前工作模式为重载模式时，基于连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率的过程，包括：

步骤S31：根据谐振模块反馈的电流信号和油箱反馈的电压信号，计算当前功率；

步骤S32：判断当前功率是否高于预设功率阈值，当高于预设功率阈值时，判定当前工作模式为重载模式，并获取重载模式对应的频率定值；

步骤S33：基于重载模式对应的频率定值，生成连续脉冲信号，调整逆变模块的工作频率。

本发明实施例中，在控制器判断出高压发生器工作在轻载模式时，根据上位机设定的电压信号设定值及电流信号设定值，输出如图4所示的连续脉冲信号以驱动逆变模块工作。

本发明实施例提供的高压发生器的控制方法，根据油箱反馈的电压信号及谐振模块反馈的电流信号，进行闭环反馈控制，根据高压发生器的工作模式，调整逆变模块的工作频率，工作模式为重载时，采用连续脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率，工作模式为轻载时，采用间歇脉冲调制方法调整逆变模块的工作频率从而既实现高脉冲频率，又降低器件发热。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。