CN1302692C - 产生x射线管电压的电路装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生X射线管电压的电路装置，包括产生高频交流电压的反相器电路；将高频交流电压转换为X射线管的高电压的高电压产生器；电压调节装置，根据X射线管实际电压和额定电压的偏差产生反相器电路调节参数的第一调节参数值，以使实际X射线管电压与额定X射线管电压相匹配；测量电路，测量反相器电路输出端高频交流电压的振荡电流；振荡电流调节装置，根据实际振荡电流值与预先给定的振荡电流最大值之间的偏差产生调节参数的第二调节参数值；连接在电压调节装置和振荡电流调节装置后的开关装置，其比较第一调节参数值和第二调节参数值，并仅将其中较小的调节参数值作为最终调节参数值传送到反相器电路。

Description

产生X射线管电压的电路装置和方法

技术领域

本发明涉及一种产生X射线管电压的电路装置，其具有一用于产生高频交流电压的反相器电路、一用于将该高频交流电压转换为X射线管的高电压的高电压发生器，以及一电压调节装置，该电压调节装置根据额定X射线管电压与实际X射线管电压的偏差产生第一调节参数值，用于反相器电路的调节参数，以便将实际X射线管电压与额定X射线管电压相匹配。一种这样的电路装置已由DE 2943816C2公开。

此外，本发明还涉及一种具有上述电路装置的X射线发生器、一种具有这种X射线发生器的X射线装置以及相应的用于产生X射线管电压的方法。

背景技术

为了产生X射线管电压，现代X射线发生器通常具有上述类型的电路装置。由于电网频率先经过整流然后又被转换为高频交流电压，最后被变换为所期望的电压，所以这种发生器也称为高频发生器。在此，电压调节装置用于将X射线管上的高电压尽可能按时间优化地调节为诊断所需的值，并以所需的精度保持该值。相对于传统的发生器的首先用上述电网频率变换高电压，然后对其整流，最后传送到X射线管，这种电路装置的优点是，通过相对较快的调节电路，原则上使得该电路装置既与电网电压又与X射线管电流几乎无关，因此能非常好地再现管电压，并保持该管电压恒定。与同样公知的所谓直流电压发生器相比，其中借助三极管精确调节用电网频率变换和整流的高电压，所述高频发生器的优点在于，其具有相对较小的结构体积和较低的制造费用。这些优点正是在现今的X射线发生器中优选采用这种电路装置的原因。

对于本文开始所述的传统电路装置，由于以下事实而存在困难，即，根据所选择的X射线管工作点，由反相器和高电压电路组成的调节线路的参数包括很大的值域，尤其是，由于反相器中的共振现象，反相器成为极度非线性的调节电路组件。此外，反相器的振荡电流不允许超过预先给定的最大值，以避免损坏功率半导体。因此，在传统的单通道X射线管电压调节电路中，其调节速度至少要设置为这样慢，使振荡电路在电流加速时也不会超过最大容许值。但是由此不可避免且不必要地降低了调节电路的小信号性能，这会导致对干扰量的调节更慢，好像其本身就是这样的。此外，对于这类单通道调节，只能间接限定振荡电流。因此，在重新选择反相器的大小时，也要相应地使调节参数与振荡电流的调节相匹配。因此，简单的电压调节装置只能不是十分令人满意地解决对其提出的要求。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供与现有技术不同的另一种选择，其允许快速调节，而不会超过最大容许振荡电流。

本发明的技术问题是这样解决的，提供一种用于产生X射线管电压的电路装置，其包括反相器电路，用于产生高频交流电压；高电压产生器，用于将高频交流电压转换为X射线管的高电压；以及电压调节装置，根据实际X射线管电压和额定X射线管电压之间的偏差为所述反相器电路的调节参数产生第一调节参数值，以使实际X射线管电压与额定X射线管电压相匹配；测量电路，用于测量位于反相器电路输出端的高频交流电压的振荡电流；振荡电流调节装置，用于根据所确定的实际振荡电流值与预先给定的振荡电流最大值之间的偏差为所述调节参数产生第二调节参数值；以及连接在该电压调节装置和振荡电流调节装置后的开关装置，其这样设置，即，该开关装置将所述第一调节参数值和第二调节参数值进行比较，并仅将其中较小的调节参数值作为最终调节参数值传送到反相器电路。

本发明的技术问题还通过一种用于产生X射线管电压的方法来解决，其中，首先借助反相器电路产生高频交流电压，然后将该交流电压转换为X射线管的高电压，其中，根据实际电压值和额定电压值之间的偏差，借助电压调节装置为所述反相器电路的调节参数产生第一调节参数值，用于使实际电压值与额定电压值相匹配，根据在所述反相器电路输出端获得的高频交流电压的实际振荡电流值与预先给定的振荡电流最大值之间的偏差，借助振荡电流调节装置为所述调节参数产生第二调节参数值；然后将所述第一调节参数值和第二调节参数值进行比较，并将其中较小的调节参数值作为最终调节参数值传送到所述反相器电路。

根据本发明，该电路装置具有附加的测量电路，用于测量加在反相器电路输出端的高频交流电压的振荡电流。然后，借助振荡电流调节装置，根据所确定的当前实际振荡电流值与预先给定的振荡电流最大值之间的偏差，生成第二调节参数值用于所述反相器电路的调节参数。在该电压调节装置和振荡电流调节装置之后，连接有一个开关装置，该开关装置比较第一调节参数和第二调节参数，并只将较小的调节参数值作为最终调节参数值传送到反相器电路。

在本发明的方法中，借助振荡电流调节装置，用实际振荡电流值与预先给定的振荡电流最大值之间的偏差单独获得第二调节参数值，并将其与电压调节装置的第一调节参数值进行比较，在此，只将较小的调节参数值传送到反相器，通过本方法，可以在正常情况下通过电压调节装置进行非常快速的调节，该调节仅在极限情况下，即在达到有关振荡电流的临界区域时，才由振荡电流调节装置替代。也就是说，在这种“替代调节”中，只要电压调节装置工作“正常”，并只“负载”一个小于最大容许振荡电流的振荡电流，电压调节装置的调节参数就继续传送到调节电路。只有当达到或超过最大容许振荡电流时，这例如在加速时是常见现象，振荡电流调节装置才介入，并将振荡电流限定在其最大容许值。

优选地，至少两个调节装置中的一个使用至少一个PI调节器(比例/积分调节器)，特别优选的是两个调节装置都分别使用至少一个PI调节器。所述调节器的积分部分的任务是将稳定的调节误差，即在起振状态下的调节误差，强行减至零。由此可靠地避免了持久的调节偏差。在此，调节装置优选由前后连接的比例部件和积分部件组成。其相对于并联的PI调节器结构的优点在于，在此，可以分开设置有关放大和后调时间的调节参数。还可以使用PID调节器来替代PI调节器。

在特别优选的实施方式中，开关装置的输出与电压调节装置和/或振荡电流调节装置的一个输入连接，以便反馈最终调节参数值。在此，电压调节装置和/或振荡电流调节装置这样设置，即，如果由所涉及的调节装置产生的调节参数值本身不作为最终参数调节值被传送，则将最终调节参数值一起传送给该两装置。为此，各调节装置将最终调节参数与自身的、在内部同样也被反馈的调节参数值进行比较。通过这种变形，由于在两个调节装置之间的转换中出现的跳跃可靠地避免了额外的起振过程。

优选地，这样设置开关装置，即，该装置至少将一个预先给定的调节参数最小值作为最终调节参数值传送到反相器电路。此外，还优选地最大限度地将预先给定的调节参数最大值作为最终调节参数值传送到反相器电路。由此，最终调节参数被活跃地限定在该最小值和该最大值之间的区域内。

由于调节参数，即调节器放大和后调节时间一般依赖于工作点，因此，电压调节装置和/或振荡电流调节装置优选各具有装置，以便根据调节的X射线管电压和/或根据调节的X射线管电流更改所涉及调节装置的至少一个特征值(＝调节器参数)。也就是说，在各调节装置的相应输入端给出一个值，用于调节的X射线管电压以及优选也用于调节的X射线管电流，由此，在内部相应调节所涉及调节装置的特征值。

根据本发明的用于产生X射线管电压的电路装置在原理上可以用于各传统X射线产生器，而不依赖于该X射线产生器的其它组件是如何设置的，这些组件例如是不同的测量装置或灯丝供电装置。同样，使用本发明也不依赖于反相器电路和高电压产生器的具体实施方式。

附图说明

下面通过借助实施方式的附图说明来进一步解释本发明。从所描述的例子以及附图中，给出了本发明的其它优点、特征和细节。其中：

图1a为根据现有技术的电路装置的原理图，该电路装置具有一个反相器电路和一个连接在其后的高电压产生器，用于为X射线管产生高电压；

图1b为用于图1a中根据现有技术的电路装置的调节电路的模型图；

图2为根据本发明的电路装置的调节电路的模型图；

图3为根据本发明的电路装置的特别优选的调节电路变形的详细模型图。

具体实施方式

图1a中示出了X射线产生器的典型组件，这些组件表示出调节X射线管电压U_R的调节线路。属于该调节线路的首先是一个振荡电路反相器G_si、一个高电压产生器G_su以及一个X射线管6。

反相器电路G_si包括多个功率半导体3，它们相应地这样连接，即，中间电路直流电压V_z被转换为高频电压。反相器电路G_si还包括一个电压频率转换器2，其将电压值Y(t)转换为控制频率f_a，利用该控制频率控制反相器G_si的功率半导体3。因此，输入电压形成调节线路的调节参数Y(t)。

对于反相器电路G_si，这里涉及的是振荡电路反相器(Inverter-反相器)。但也可以使用其它反相器电路，例如矩形反相器或任意的串联反相器或多谐振反相器。

高电压产生器G_su由具有转换因子ü的变压器4和连接在该变压器后的整流和滤波装置5组成。位于整流和滤波装置5输出端的X射线管电压U_R被传送到X射线管6。

图1b示出了根据现有技术的调节电路的结构图。在此，反相器电路G_si表示为方框，可以按照调节技术通过比例转换因子K_si和时间常数T_si来描述，其中，特别是比例转换因子K_si由于反相器G_si中的谐振现象而变得极其非线性，也就是说，依赖于反相器G_si的工作点。

高电压产生器G_su同样也用方框表示。它可以由比例转换因子K_su和时间常数T_su描述，其中，两个值都直接依赖于X射线管电压U_R和X射线管电流I_R，也就是说，都包含了很大的依赖于工作点的值域。i_sw(t)是反相器G_si的振荡电流，为高电压产生器G_su的高电压变压器4的初级线圈供电。为了避免在反相器电路G_si中功率半导体3的损坏，振荡电流i_sw(t)不允许超过最大值。

根据现有技术，为了调节高电压产生器G_su的输出电压，将在此在确定的时刻t对实际电压V_U(t)与额定值W_U(t)进行比较，该额定值与所期望的X射线管电压U_R一致，也就是说，差被传送到电压调节装置G_RU，该装置在此同样以方框的形式示出。

对于电压调节装置G_RU，其涉及传统的简单PI调节器，该调节器根据实际值V_U(t)与额定值W_U(t)的偏差产生调节参数Y(t)，然后，该调节参数被施加在反相电路G_si的电压频率转换器2的输入端。

在按照图1b的这类传统的调节电路中，必须缓慢地调节电压调节装置G_RU的调节速度，以便使振荡电流i_sw(t)在加速时也不超过最大容许值。这意味着，不可能用电压调节器G_RU进行快速调节，并由此也只能缓慢调节干扰。此外，在要重新选择反相器电路G_si的大小时，还必须相应地匹配电压调节器G_RU的调节器参数，因为这里只是间接地限制振荡电流i_sw(t)。

与图1b相比较，图2清楚地示出了根据本发明的调节电路结构的变化。在该替代调节中，根据本发明，在两个原理上并联的调节电路结构之间进行转换。

和图1b中根据现有技术的一样，这里的X射线管电压调节装置G_RU也由期望的X射线管电压、即额定电压W_U(t)和实际的X射线管电压、即实际X射线管电压V_U(t)之间的差以有用的方式形成调节参数Y_U(t)。

但是，此外还借助滤波元件7测量振荡电流i_sw(t)。该滤波元件7由额外的时间常数T_MI按照调节技术进行描述。在此获得的实际振荡电流值V_I(t)与最大容许振荡电流值W_{I_max}(＝额定值)进行比较，也就是说，形成该值的差，并将其传送到另一个调节装置、即振荡电流调节装置G_RI，该调节装置同样也形成调节参数值Y_I(t)用于反相器电路G_si的调节参数。

由电压调节装置G_RU形成的第一调节参数值Y_U(t)和由振荡电流调节装置G_RI形成的第二调节参数值Y_I(t)都被导向开关装置8。该开关装置8在两个调节参数值Y_U(t)和Y_I(t)之间挑选出在当前时刻t较小的调节参数值Y_U(t)，Y_I(t)，并将该调节参数值Y_U(t)，Y_I(t)作为最终调节参数值Y(t)传送到反相器电路G_si。

在此，两个调节装置G_RI，G_RU都各包含一个PI调节器。通过PI调节器的积分部件，避免了持久的调节偏差。

根据图2的替代调节的优点在于，在“正常情况”下，电压调节装置G_RU负责对X射线管电压的调节。仅当电压调节装置G_RU产生的当前调节参数值Y_U(t)将导致振荡电流i_sw(t)超过容许的最大值时，由振荡电流调节装置G_RI产生的当前调节参数值Y_I(t)才小于由电压调节装置G_RU产生的调节参数值Y_U(t)。因此，在这种情况下，电压调节装置G_RU可以说失去了作用，而只有振荡电流调节装置G_RI起作用。这样做的优点在于，可以比在根据现有技术的调节电路中快得多地调节该电压调节装置G_RU，并由此可以相应地快速调节干扰。尽管如此，通过该极端情况下的替代可以防止振荡电流i_sw(t)超过容许的最大值。

在根据本发明的结构中，X射线管电压调节本身在正常情况下不会通过振荡电流i_sw(t)的测量时间常数T_MI减慢，因为滤波元件7不在X射线管电压调节回路内。

由于两个组件调节线路的参数都依赖于X射线管6的当前工作点，因此，可以从实质上简化两个调节装置G_RU，G_RI的尺寸大小的确定，如果依赖于工作点来控制它们的特征参数、即调节器放大和后调节时间的话。为此，如图2所示，将调节的X射线管电压U_R和调节的X射线管电流I_R的值分别传送到两个调节装置G_RI，G_RU。

图3示出了根据图2的调节电路的详细结构图，其中，调节电路具有附加的特别优选的特征。

一个附加特征在于，在此开关装置8具有其它输入端，通过这些输入端为开关装置8预先给定调节参数最大值Y_max和调节参数最小值Y_min。在此，这样设置开关装置8，即，至少给出调节参数最小值Y_min和最大限度地给出调节参数最大值Y_max。也就是说，动态地预先给定调节参数范围，在该范围内，当前传送到反相器电路G_si的调节参数Y(t)是变化的。一般在装置一侧对调节参数最大值Y_max和调节参数最小值Y_min进行调节。因此，也可以通过相应地设计开关装置8本身预先给定这两个值。

此外，图3中示出了电压调节装置G_RU和振荡电流调节装置G_RI的更为精确的结构。在此，所涉及的分别是具有比例部件12、15和连接在其后的积分部件13、14的PI调节器。在调节技术上，分别通过转换因子K_PRI或K_PRU重新确定比例部件12、15，通过时间常数T_NI或T_NU确定积分部件13、14。

与并联的PI调节器结构相比，在图3中示出的具有前后连接的比例部件12、15和积分部件13、14的结构所具有的优点在于，在此可以分开调节调节器放大因子K_PRI、K_PRU和调节时间T_NI、T_NU。

另一个特征是，在本实施方式中，通过将开关装置8的输出9分别与电压调节装置G_RU或振荡电流调节装置G_RI的附加输入10、11连接来反馈最终调节参数值Y(t)。此外，在内部，分别由调节装置G_RU、G_RI产生的自身调节参数值Y_U(t)、Y_I(t)被反馈到积分部件13、14之前，并形成反馈的最终调节参数值Y(t)和自身的各调节参数值Y_U(t)、Y_I(t)之间的差。

也就是说，两个调节装置G_RU、G_RI都分别具有这样耦合的限流观测器，即，各不活跃的调节装置G_RU、G_RI的积分部件13、14由活跃的调节装置G_RU、G_RI(即其调节参数值Y_U(t)、Y_I(t)恰好形成最终调节参数值Y(t)的调节装置)的积分部件13、14一起传送。通过这种方式，可以避免在调节装置G_RU、G_RI之间相互转换时产生的干扰。否则就会存在这样的危险，调节装置G_RU、G_RI运行到制动中，这会导致积分部件13、14过载。这又会导致在转换时恶化起振性能(结束效应Wind-Up-Effect)。

再次说明，附图中所示的电路装置仅涉及实施例，对专业人员来说，有很多变形可能可以用于实现根据本发明的电路装置。这样，例如可以对电压调节器进行适应性调节，使得根据管电压变化过程中的管电压实际值来调节后调节时间。

Claims (14)

1.一种用于产生X射线管电压的电路装置(1)，其包括：

反相器电路(G_si)，用于产生高频交流电压；

高电压产生器(G_su)，用于将高频交流电压转换为X射线管(6)的高电压；以及

电压调节装置(G_RU)，根据实际X射线管电压(V_U(t))和额定X射线管电压(W_U(t))之间的偏差为所述反相器电路(G_si)的调节参数产生第一调节参数值(Y_U(t))，以使实际X射线管电压(V_U(t))与额定X射线管电压(W_U(t))相匹配，

其特征在于，还包括：

测量电路(7)，用于测量位于反相器电路(G_si)输出端的高频交流电压的振荡电流(i_SW(t))；

振荡电流调节装置(G_RI)，用于根据所确定的实际振荡电流值(V_I(t))与预先给定的振荡电流最大值(W_{I_max})之间的偏差为所述调节参数产生第二调节参数值(Y_I(t))；以及

连接在所述电压调节装置(G_RU)和振荡电流调节装置(G_RI)后面的开关装置(8)，其这样设置，即，该开关装置(8)将所述第一调节参数值(Y_U(t))和第二调节参数值(Y_I(t))进行比较，并仅将其中较小的调节参数值(Y_U(t)，Y_I(t))作为最终调节参数值(Y(t))传送到反相器电路(G_si)。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述电压调节装置(G_RU)和/或所述振荡电流调节装置(G_RI)包括一个PI调节器。

3.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述开关装置(8)的输出端(9)与所述电压调节装置(G_RU)和/或振荡电流调节装置(G_RI)的输入(10，11)相连接，用于反馈最终调节参数值(Y(t))，以及，所述电压调节装置(G_RU)和/或振荡电流调节装置(G_RI)这样设置，即，如果由所涉及的调节装置产生的调节参数值(Y_U(t)，Y_I(t))没有作为最终参数调节值(Y(t))被传送的话，则将最终调节参数值(Y(t))一起传送到该两装置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述开关装置(8)这样设置，即，其至少将预先给定的调节参数最小值(Y_min)作为最终调节参数值(Y(t))传送到所述反相器电路(G_si)。

5.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，所述开关装置(8)这样设置，即，其最大限度地将预先给定的调节参数最大值(Y_max)作为最终调节参数值(Y(t))传送到所述反相器电路(G_si)。

6.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，所述电压调节装置(G_RU)和/或振荡电流调节装置(G_RI)各具有装置，用于根据调节的X射线管电压(U_R)和/或根据调节的X射线管电流(I_R)更改所涉及的调节装置(G_RU，G_RI)的至少一个特征值。

7.一种X射线产生器，其具有根据权利要求1至6中任一项所述的电路装置(1)。

8.一种X射线装置，其具有根据权利要求7所述的X射线产生器。

9.一种用于产生X射线管电压的方法，其中，首先借助反相器电路(G_si)产生高频交流电压，然后将该交流电压转换为X射线管(6)的高电压，其中，根据实际电压值(V_U(t))和额定电压值(W_U(t))之间的偏差，借助电压调节装置(G_RU)为所述反相器电路(G_si)的调节参数产生第一调节参数值(Y_U(t))，用于使实际电压值(V_U(t))与额定电压值(W_U(t))相匹配，其特征在于，根据在所述反相器电路(G_si)输出端获得的高频交流电压的实际振荡电流值(V_I(t))与预先给定的振荡电流最大值(W_{I_max})之间的偏差，借助振荡电流调节装置(G_RI)为所述调节参数产生第二调节参数值(Y_I(t))；以及

然后将所述第一调节参数值(Y_U(t))和第二调节参数值(Y_I(t))进行比较，并将其中较小的调节参数值(Y_U(t)，Y_I(t))作为最终调节参数值(Y(t))传送到所述反相器电路(G_si)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，作为电压调节装置(G_RU)和/或作为振荡电流调节装置(G_RI)使用PI调节器。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述最终调节参数值(Y(t))作为输入值被反馈到所述电压调节装置(G_RU)和/或振荡电流调节装置(G_RI)，且如果由所涉及的调节装置(G_RU，G_RI)产生的调节参数值(Y_U(t)，Y_I(t))未作为最终参数调节值(Y(t))被传送到所述反相器电路(G_si)的话，则将该最终调节参数(Y(t))一起传送到所涉及的调节装置(G_RU，G_RI)。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，至少将预先给定的调节参数最小值(Y_min)作为最终调节参数值(Y(t))传送到所述反相器电路(G_si)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，最大限度地将预先给定的调节参数最大值(Y_max)作为最终调节参数值(Y(t))传送到所述反相器电路(G_si)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，根据调节的X射线管电压(U_R)和/或根据调节的X射线管电流(I_R)更改所述电压调节装置(G_RU)和/或振荡电流调节装置(G_RI)的至少一个特征值。

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