Высоковольтный блок питания рентгеновской трубки

Заявляемый объект относится к медицинской технике, точнее к рентгеновской, а именно, к конструкции главной цепи рентгеновских генераторов, которыми комплектуются рентгенодиагностические аппараты медицинского назначения. Целью настоящей работы является разработка электронной схемы высокочастотного преобразователя, позволяющей создать высоковольтный блока питания рентгеновской трубки на базе более доступных и дешевых низковольтных полевых транзисторах. Технический результат заявляемой полезной модели выражается в расширении арсенала технических средств для высоковольтного питания рентгеновских трубок. Он достигается тем, что в высоковольтном блоке питания рентгеновской трубки, содержащем последовательно включенные сетевой выпрямитель, высокочастотный преобразователь на IGBT-транзисторах, работающих по резонансной схеме с частотно-импульсной модуляцией, с задающим генератором, высоковольтный трансформатор и высоковольтный выпрямитель, фильтр сетевого выпрямителя содержит цепочку последовательно соединенных конденсаторов в количестве N штук, а высокочастотный преобразователь образован цепочкой последовательно соединенных силовых инверторов в количестве N штук, каждый из которых подключен к одному из конденсаторов фильтра, причем выходы силовых инверторов подключены к сумматору мощностей, соединенному с высоковольтным трансформатором.

Заявляемый объект относится к медицинской технике, точнее к рентгеновской, а именно, к конструкции главной цепи рентгеновских генераторов, которыми комплектуются рентгенодиагностические аппараты медицинского назначения.

Известен высоковольтный блок питания рентгеновской трубки, содержащий включенные последовательно сетевой выпрямитель, высокочастотный инвертор с задающим генератором и средствами регулирования отношения импульс-пауза выходного напряжения инвертора, высоковольтный трансформатор и высоковольтный выпрямитель (Патент SU 1032598 от 07.04.1982 [1]).

Известно также рентгеновское питающее устройство моноблочного типа, содержащее сетевой выпрямитель, высокочастотный инвертор с задающим генератором, высоковольтный трансформатор и высоковольтный выпрямитель (Патент USA 8243885 от 27.12.2007 [2]).

Наиболее близким по конструкции к заявляемому объекту является высоковольтный блок питания рентгеновской трубки, содержащий последовательно включенные сетевой выпрямитель, высокочастотный инвертор, на IGBT-транзисторах, работающих по резонансной схеме с частотно-импульсной модуляцией, с задающим генератором, высоковольтный трансформатор и высоковольтный выпрямитель (Кит Сукер Силовая Электроника. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2007. - С. 181 [3]).

Аналог [3] выбран нами в качестве прототипа.

При создании высоковольтных блоков питания высокочастотного типа на IGBT-транзисторах [3] конструкторы сталкиваются с проблемой выбора электронных ключей. Дело в том, что при работе блока питания с широким диапазоном входных питающих напряжений требуется применение высоковольтных ключей с малыми потерями на проводимость и переключение. Конденсаторы фильтра выпрямителя также должны быть рассчитаны на это напряжение. При питании от одной фазы максимальное рабочее напряжение ключей должно быть не менее 400 V. При питании от трех фаз - не менее 700 V. Основная масса транзисторов с очень хорошими параметрами выпускается на 400600 V. Причем лучшие полевые транзисторы при допустимом напряжении сток-исток 600 V имеют сопротивление канала менее 40 мОм, типовое значение 100200 мОм, при стоимости 35 $, в то время как типовое значение сопротивления канала для более высоковольтных транзисторов (более 600 V) исчисляется единицами Ом, а элементы с сопротивлением канала порядка 100200 мОм в цене достигают 3050 $ за кристалл. Все это означает, что изделие получится либо дорогое, либо с низким КПД. Дополнительно следует отметить, что номенклатура высоковольтных транзисторов гораздо скромнее.

Целью настоящей работы является разработка электронной схемы высокочастотного преобразователя, позволяющей создать высоковольтный блока питания рентгеновской трубки на базе более доступных и дешевых низковольтных полевых транзисторах.

Технический результат заявляемой полезной модели выражается в расширении арсенала технических средств для высоковольтного питания рентгеновских трубок. Он достигается тем, что в высоковольтном блоке питания рентгеновской трубки, содержащем последовательно включенные сетевой выпрямитель, высокочастотный преобразователь на IGBT-транзисторах, работающих по резонансной схеме с частотно-импульсной модуляцией, с задающим генератором, высоковольтный трансформатор и высоковольтный выпрямитель, фильтр сетевого выпрямителя содержит цепочку последовательно соединенных конденсаторов в количестве N штук, а высокочастотный преобразователь образован цепочкой последовательно соединенных силовых инверторов в количестве N штук, каждый из которых подключен к одному из конденсаторов фильтра, причем выходы силовых инверторов подключены к сумматору мощностей, соединенному с высоковольтным трансформатором

На прилагаемом рисунке приведена блок-схема заявляемого высоковольтного блока питания рентгеновской трубки.

Высоковольтный блок питания рентгеновской трубки содержит сетевой выпрямитель 1, снабженный фильтром из последовательно соединенных конденсаторов в количестве N штук, например четырех: C_A, C_B, C_C , C_D. Сетевой выпрямитель используется для питания высокочастотного преобразователя 2, представляющего собой цепочку последовательно соединенных силовых инверторов 2_A, 2_B, 2_C, 2_D, собранных на IGBT-транзисторах, работающих по резонансной схеме с частотно-импульсной модуляцией, с задающим генератором (на схеме не показаны). Каждый из инверторов 2_A, 2_B, 2_C, 2_D подключен к одному из конденсаторов фильтра, как показано на рисунке. Сигналы с выхода инверторов 2_A, 2_B, 2_C , 2_D поступают в сумматор мощностей 3, выход которого подключен к высоковольтному трансформатору 4, соединенному с высоковольтным выпрямителем 5, высокое напряжение от которого подается на рентгеновскую трубку 6 с нитью накала, подключенной к трансформатору накала 7.

Предлагаемое техническое решение позволяет:

1. Использовать в схеме элементы из расчета питающего напряжения в N раз меньше входного, где N - количество последовательно включенных инверторов, работающих на общую схему сложения мощностей.

2. Использовать в качестве фильтра выпрямителя конденсаторы, конденсаторы, включенные последовательно, в количестве N штук. При этом выравнивание напряжения происходит автоматически, вне зависимости от емкости конденсаторов.

3. При снижении напряжения на силовых ключах, при прочих равных условиях, происходит снижение динамических потерь, что позволяет в итоге работать на более высоких частотах.

4. Создать источники напряжения, работающие с входными питающими напряжениями, значительно превышающими допустимое напряжение на ключах инвертора.

В данном решении схема управления построена так, что инвертор (один из последовательно включенных) с более высоким напряжением питания должен отдавать в нагрузку большую мощность, потребляя при этом больший ток, в сравнении с остальными инверторами. Это приводит к автоматическому балансу напряжений на входе инверторов, а равно и конденсаторах фильтра.

Высоковольтный блок питания рентгеновской трубки, содержащий последовательно включенные сетевой выпрямитель, высокочастотный преобразователь на IGBТ-транзисторах, работающих по резонансной схеме с частотно-импульсной модуляцией, с задающим генератором, высоковольтный трансформатор и высоковольтный выпрямитель, отличающийся тем, что фильтр сетевого выпрямителя содержит цепочку последовательно соединенных конденсаторов в количестве N штук, а высокочастотный преобразователь образован цепочкой последовательно соединенных силовых инверторов в количестве N штук, каждый из которых подключен к одному из конденсаторов фильтра, причем выходы силовых инверторов подключены к сумматору мощностей, соединенному с высоковольтным трансформатором.