СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МОЩНОСТИ, В ОСОБЕННОСТИ, ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ МОЩНОСТИ, В ОСОБЕННОСТИ, ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА РЕНГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
METHOD SWITCH DEVICE CONTROL IN RESONANCE POWER CONVERTER, PARTICULARLY TO ENSURE REQUIRED POWER, PARTICULARLY FOR X-RAY GENERATOR

Область техники
Данное изобретение относится к способу для управления переключающим устройством, чтобы обеспечить резонансный контур напряжением переключения для генерации резонансного тока, чтобы обеспечить необходимую выходную мощность на выходе резонансного преобразователя мощности. Изобретение также относится к управляющему устройству, которое приспособлено для выполнения предложенного способа для управления переключающим устройством. Кроме того, изобретение относится к резонансному преобразователю мощности, включающему в себя управляющее устройство для выполнения предложенного способа управления.
Предшествующий уровень техники
Согласно уровню техники резонансные преобразователи работают на частотах переключения несколько выше слышимого диапазона, таким образом, на 18 кГц или немного выше. Современные резонансные преобразователи работают на более высоких частотах переключения, приводящих к пропорционально увеличенным потерям переключения, если никакое средство не применяется, чтобы уменьшить их. Любые потери переключения, вводимые ассоциированными переключателями мощности в одиночном цикле переключения, должны быть уменьшены, чтобы ограничить полные потери мощности. Одним способом для уменьшения таких потерь переключения является переключение при нулевом токе (ZCS), представляющее собой мягкий способ переключения. Здесь переключение, что означает включение или выключение переключателей, выполняется только при или около пересечения нуля резонансного тока резонансного преобразователя.
Способ ZCS является обычной практикой в преобразователях мягкого переключения, но невыгоден, так как он препятствует управляемости выходной мощностью резонансного преобразователя. Непрерывное управление для всех рабочих точек в не-ZCS способе обычно гарантирует результаты в аспекте потерь переключения. Чтобы преодолеть указанный недостаток, был предложен другой способ переключения, основанный на способе ZCS, описанный в WO 2006/114719A1. Здесь преодолены противоречивые требования хорошей управляемости, с одной стороны, и сокращения потерь переключения путем применения ZCS, с другой стороны. Предложенный резонансный DC/DC преобразователь мощности согласно WO 2006/114719Al имеет меньше потерь мощности, хотя используется мягкий режим управления переключением. Это достигается переключением переключателей мощности только при или вблизи (что включает в себя непосредственно перед или после) пересечения нуля резонансного тока. При этом условии моменты времени переключения времени и частота приложенного напряжения преобразователя являются саморегулирующимися и не могут использоваться для регулирования выходной мощности. Вместо этого мощностью управляют, выбирая конфигурацию переключателя, определяемую тем, какие из переключателей мощности преобразователя включаются или выключаются, приводя в результате к преобразователю, в котором выходная мощность управляется в широком диапазоне и который в состоянии эффективно ограничивать потери переключения, гарантируя ZCS для каждого цикла переключения.
В результате в WO 2006/114719Al описан способ управления, который обеспечивает возможность переключения при нулевом токе для всех рабочих точек, поддерживая полную управляемость выходного напряжения. Ввиду переключения при нулевом токе потери мощности очень низки. Способ основан на передаче дискретных частей мощности от сетевого электропитания на выход преобразователя мощности. Дискретные части мощности генерируются приложением напряжения к резонансному контуру, которое является синфазным с током ("+состояние"), нулевого напряжения ("0-состояние") или противофазного напряжения ("-состояние"). Дискретизация приложенных частей мощности задается числом доступных уровней управления. Для способа управления на трех уровнях, таким образом, действительны три различных уровня мощности плюс (+), ноль (0), минус (-) (см. также Фиг.2 - 4, которые будут описаны более подробно ниже).
В общем случае необходимая мощность для конкретной рабочей точки лежит между двумя уровнями мощности (например, между плюс-уровнем мощности и нулевым уровнем мощности). Результат описанной стратегии управления заключается в том, что для определенного количества времени активизирован верхний уровень мощности, а для другого количества времени используется более низкий уровень мощности. Однако средняя мощность во времени должна быть идентичной необходимой мощности. Результатом применения двух различных уровней мощности является изменение выходного напряжения от необходимого напряжения с определенной частотой и амплитудой в зависимости от рабочей точки. Это явление называют «дребезжанием».
Для того чтобы рабочие точки были близки к плюс-уровню (см. также Фиг. 6, которая будет подробно описана ниже), не имеется доступной большой избыточной мощности, чтобы увеличить выход после спадающего напряжения. В то же самое время выходное напряжение уменьшается быстро, если применен нулевой уровень. Как следствие частота дребезжания (флуктуаций) выходного напряжения становится очень низкой, а амплитуда очень большой.
Самоочевидное решение, чтобы избежать таких больших флуктуаций, состоит в том, чтобы запретить рабочие точки вблизи плюс-уровня мощности. Это потребовало бы проектирования генератора высокого напряжения с избыточными допусками, приводящего к более высоким затратам. Кроме того, не исключается, что есть другие промежуточные рабочие точки, которые имеют подобные свойства. Поэтому целью изобретения является уменьшить эффекты флуктуаций при работе резонансного преобразователя мощности. Таким образом, настоящее изобретение предлагает усовершенствование, чтобы уменьшить флуктуации напряжения без избыточных допусков при проектировании генератора. Это обеспечивает также улучшение общей стратегии управления на трех уровнях.
Сущность изобретения
Целью изобретения является обеспечить способ и устройство, которые уменьшают явление флуктуаций на выходе резонансного преобразователя мощности.
Эта цель изобретения достигается сущностью изобретения согласно независимым пунктам формулы изобретения, при этом предпочтительные варианты осуществления включены в независимые пункты.
Нужно отметить, что в последующем описании представленные примерные варианты осуществления изобретения применяются также для способа и устройства.
Согласно примерному варианту осуществления обеспечен способ для управления переключающим устройством, чтобы обеспечить резонансный контур напряжением переключения для генерации резонансного тока, чтобы обеспечить необходимую выходную мощность на выходе резонансного преобразователя мощности, причем способ содержит обеспечение необходимой выходной мощности на выходе резонансного преобразователя мощности с использованием первого режима управления и второго режима управления в чередующейся последовательности, причем первый режим управления (-/0/+) является мягким/плавным режимом управления переключения относительно напряжения переключения и резонансного тока, и причем второй режим управления является немягким режимом управления переключением относительно напряжения переключения и резонансного тока. Один режим управления может включать в себя различные рабочие режимы, такие как +состояние, -состояние и 0-состояние для первого режима управления.
Предложенный способ комбинирует первый режим управления и второй режим управления в пределах одного единственного способа управления, тогда как последовательность обоих режимов управления используется произвольным образом. Это означает, что либо первый способ управления, либо второй способ управления используется первым, а затем другой режим управления из либо второго режима управления, либо первого режима управления используется в последующем. При этом также не является необходимым, чтобы оба режима управления следовали во времени непосредственно друг за другом. Кроме того, отрезок времени для применения первого режима управления не обязательно должен быть равен отрезку времени, когда используется второй режим управления.
В итоге, чередующаяся последовательность означает, что первый режим управления и второй режим управления используются в пределах одной рабочей процедуры резонансного преобразователя мощности, тогда как либо первый режим управления, либо второй режим управления используется первым в определенное время. Затем другой режим управления, либо второй режим управления, либо первый режим управления в зависимости от того, который был выбран сначала, используется после этого, причем первый режим управления и второй режим управления или второй режим управления и первый режим управления соответственно не обязательно должны использоваться непосредственно друг за другом. Комбинация мягкого переключения первого режима управления в один момент времени и немягкого переключения второго режима управления в другой момент времени оказывает влияние на флуктуации напряжения на выходе резонансного преобразователя.
Флуктуации напряжения для рабочих точек вблизи максимальной выходной мощности будут значительно уменьшены. Это может быть достигнуто без проектирования с завышенными допусками генератора и, таким образом, уменьшит затраты. Это важно для экономически эффективной генераторной системы.
Термин "мягкое переключение" использован здесь в смысле намеренного выбора момента переключения переключателей переключающего устройства в момент времени, когда имеет место пересечение нуля резонансного тока. Условие мягкого переключения также удовлетворяется, если пересечение нуля резонансного тока является лишь по существу пересечением нуля, что означает, что оно близко к пересечению нуля резонансного тока. Это означает, что небольшое отклонение относительно нуля допустимо для мягкого переключения. Во всех ситуациях мягкого переключения требуется, чтобы момент переключения был выбран преднамеренно и не происходил случайным образом. Случайное переключение не было бы собственно управлением переключателями.
Термин "немягкое переключение" использован здесь в смысле невыбора преднамеренным образом момента переключения переключателей переключающего устройства, где имеет место пересечение нуля резонансного тока.
При условии мягкого переключения потери переключения малы, идеально равны нулю, тогда как при условии немягкого переключения потери переключения не подавляются. Это означает, что предложенный способ управления основан на приемлемости потерь переключения в пределах второго режима управления, тогда как потери переключения в пределах первого режима управления предпочтительно должны иметь минимальное значение. Поэтому режим управления мягкого переключения и режим управления немягкого переключения отличаются друг от друга по их потерям переключения, которые будут приняты.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения в первом режиме управления напряжение переключения равно нулю.
Возможно, что первый режим управления содержит больше чем один режим работы. Один возможный режим работы, когда мягкое переключение возможно, имеет место в ситуации, когда напряжение переключения имеет нулевое значение. Это означает, что напряжение ненулевое только для пересечения нуля, но оно также равно нулю, в то время как резонансный ток имеет определенную форму волны. Это нулевое значение напряжения переключения может быть получено, избегая напряжения переключения в резонансном преобразователе. Это может быть возможным, когда никакое напряжение не подается на резонансный преобразователь или когда переключатели переключающего устройства выбраны, чтобы генерировать нулевое напряжение переключения. Таким образом, форма волны (например, амплитуда и частота) резонансного тока зависит от количества энергии, сохраненной в резонансных элементах резонансного контура (например, индуктивности и емкости) и зависит от напряжения на первичной стороне трансформатора, которая связана с резонансным контуром.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения в первом режиме управления напряжение переключения и резонансный ток находятся в первом предопределенном фазовом отношении друг к другу.
При определении фазового соотношения между напряжением переключения и резонансным током, является возможным, что либо напряжение переключения, либо резонансный ток является опорой. Напряжение переключения может генерироваться с использованием напряжения постоянного тока (DC) на первом выводе входа резонансного преобразователя, например последовательного резонансного преобразователя. Напряжение переключения является выходным напряжением DC/AC преобразователя, в то время как напряжение переключения имеет характеристику переменного тока (АС), что означает, что оно имеет по меньшей мере два различных уровня напряжения и обычно также различные полярности, если никакое смещение относительно напряжения переключения не присутствует. Ток, который присутствует в резонансном контуре, является резонансным током. Напряжение переключения, которое также присутствует в резонансном контуре, и резонансный ток находятся в определенном отношении друг к другу при сравнении их форм волны с временной зависимостью. Это отношение является первым отношением между напряжением переключения и резонансным током и может быть выбрано преднамеренно.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения во втором режиме управления напряжение переключения и резонансный ток находятся во втором предопределенном фазовом отношении друг к другу.
Это второе отношение между напряжением переключения и резонансным током во втором режиме управления также является преднамеренно выбранным фазовым отношением, как первое отношение в первом режиме управления. Как первое предопределенное фазовое отношение, так и второе предопределенное фазовое отношение являются выбираемыми значениями в отличие от случайных значений. При определении фазового отношения между напряжением переключения и резонансным током, возможно, что либо напряжение переключения, либо резонансный ток является опорой.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первое предопределенное фазовое отношение между напряжением переключения и резонансным током является по существу нулевым.
При этом условии гарантируется мягкое переключение. Также по существу нулевое значение, которое не является точно нулевым значением, но близко к нулю, гарантирует мягкое переключение подобно тому, как это используется для ZCS. Таким образом, напряжение переключения и резонансный ток находятся в фазе друг с другом.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первое предопределенное фазовое отношение по существу равно 180 градусам.
При этом условии напряжение переключения и резонансный ток находятся в противофазе друг с другом. При этом предполагается, как принято выше, что вся длительность периода напряжения переключения и тока переключения равна 360 градусам. Также при этом предполагаемом условии равенства по существу 180 градусам мягкое переключение возможно, причем «по существу» означает, что способ ZCS не нарушен. Это является другим возможным режимом работы в пределах первого режима управления.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения второе предопределенное фазовое отношение больше, чем первое предопределенное фазовое отношение.
Это означает, что вторая предопределенная фаза выбрана, чтобы гарантировать условие немягкого переключения, а первое предопределенное фазовое отношение выбрано, чтобы гарантировать условие мягкого переключения. Первое предопределенное фазовое отношение может быть приблизительно равно 10 градусам, в то время как второе предопределенное фазовое отношение может быть приблизительно равно 30 градусам, в качестве примера.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения второе предопределенное фазовое отношение меньше, чем 90 градусов.
Это означает, что когда время целого периода тока переключения и резонансного напряжения соответствует 360 градусам, соответственно, разница во времени между напряжением переключения и током переключения меньше, чем четверть всего периода времени.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения резонансный ток имеет задержку относительно напряжения переключения во втором предопределенном фазовом отношении.
Задержка напряжения переключения определяется при сравнении момента, когда напряжение переключения пересекает нулевую линию, с моментом, когда резонансный ток пересекает нулевую линию. Если напряжение переключения пересекает первым нулевую линию, а затем резонансный ток, то резонансный ток имеет задержку.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения переключающим устройством управляют так, что первый режим управления обеспечивает первый уровень мощности и что второй режим управления обеспечивает второй уровень мощности.
Первый уровень мощности и второй уровень мощности отличаются друг от друга, но могут, однако, быть той же самой полярности. Полярность выходной мощности определяется направлением мощности в резонансном преобразователе. Выходная мощность считается положительной, когда средняя энергия и, следовательно, также мощность системы передается от входного вывода резонансного преобразователя к выходному выводу DC/AC преобразователя, чтобы подавать мощность системы на устройство, например рентгеновскую трубку. Выходная мощность считается отрицательной, когда средняя энергия и, следовательно, также мощность системы передается от выходного вывода DC/AC преобразователя к входному выводу DC/AC преобразователя. В этом случае рентгеновская трубка может не потреблять мощность. Выходная мощность определяется как нулевая, когда или напряжение переключения, или резонансный ток, которые оба определяют выходную мощность резонансного преобразователя, являются нулем или по существу нулем соответственно.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первый уровень мощности и второй уровень мощности оба являются положительными.
Первый уровень мощности может быть обеспечен при использовании первого предопределенного фазового отношения между напряжением переключения и резонансным током. Второй уровень мощности может быть обеспечен при использовании второго предопределенного фазового отношения между напряжением переключения и резонансным током. Два положительных уровня мощности гарантируют более эффективную работу резонансного преобразователя, так как нет никакой перемены направления передачи мощности в пределах резонансного преобразователя. Вся доступная мощность направляется к выходу резонансного преобразователя в любое время работы. Когда второй уровень мощности также является положительным уровнем подобно первому уровню мощности, это имело бы преимущество в том, что энергия и мощность в резонансном контуре будут на относительном стабильном уровне, не спадающем на нулевой уровень мощности.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первый уровень мощности выше, чем второй уровень мощности.
Первый уровень мощности может обеспечивать максимально возможную выходную мощность, тогда как второй уровень мощности может обеспечить отличающийся уровень мощности, который является близким к уровню максимальной мощности, но выбран, чтобы получить предопределенный средний уровень мощности, который может требоваться устройством потребления на выходном выводе резонансного преобразователя. В результате средняя выходная мощность, которая является идеально необходимой выходной мощностью, находится между первым и вторым уровнями мощности. В такой ситуации работа всего последовательного резонансного преобразователя является очень эффективной, поскольку мощность и энергия остаются на более высоком уровне в определенном периоде времени и не достигают уровня нулевой мощности. Это означает, что резонансный преобразователь может использоваться, чтобы очень быстро адаптироваться к определенным требованиям мощности в зависимости от потребности потребителя. Это гарантирует высокую гибкость для использования преобразователя мощности, в то время как потери переключения при использовании первого и второго режима управления в последовательности (см. фиг. 7, которая описана ниже) являются в среднем малыми. Дополнительное преимущество состоит в низкой амплитуде дребезжания (флуктуаций).
Согласно примерному варианту осуществления изобретения переключающим устройством управляют так, чтобы первый режим управления обеспечивал третий уровень мощности.
Этот третий уровень мощности может быть нулем. При таком третьем уровне мощности можно использовать характеристику самонастройки резонансного преобразователя, которая может зависеть от условия работы, используемого перед переходом на третий уровень мощности. Характеристика самонастройки может также зависеть от электрических компонентов в резонансном преобразователе, особенно электрических компонентов резонансного контура, который может быть последовательным резонансным контуром последовательного резонансного преобразователя.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения переключающим устройством управляют так, чтобы первый режим управления обеспечивал четвертый уровень мощности.
Этот четвертый уровень мощности может быть отрицательным. При этом четвертом уровне мощности также возможно, что мощность передается от резонансного контура к входу резонансного преобразователя, что означает в противоположном направлении по сравнению с использованием положительного уровня мощности. Используя предложенные уровни мощности, а именно первый, второй, третий и четвертый, может быть обеспечен способ управления с четырьмя уровнями мощности, что гарантирует улучшение характеристики флуктуаций резонансного преобразователя.
Изобретение также относится к управляющему устройству, которое содержит вход для приема данных, представляющих требуемую выходную мощность, контроллер, предиктор (предсказатель), блок решения, причем блок решения приспособлен, чтобы генерировать значение для принятия решения о режиме управления в зависимости от необходимой выходной мощности. В таком управляющем устройстве контроллер приспособлен, чтобы вычислять необходимое изменение выходной мощности и генерировать значение для блока решения, причем предсказатель содержит первый выход для первого режима управления, который является мягким режимом управления переключения, причем предсказатель содержит второй выход для второго режима управления, который является немягким режимом управления переключения, и причем управляющее устройство приспособлено, чтобы объединять оба режима управления в произвольной последовательности.
Управляющее устройство такой конфигурации гарантирует компактную конструкцию, так как для различных режимов управления может быть объединено в пределах одного устройства.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения предсказатель дополнительно содержит по меньшей мере один из третьего выхода для первого режима управления и четвертого выхода для первого режима управления. По меньшей мере один дополнительный выход для первого режима управления является подходящим для предоставления различных рабочих режимов в рамках первого режима управления.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения блок решения содержит второй вход, который соединен со вторым выходом предсказателя, и дополнительно содержит по меньшей мере один из первого входа, который соединен с первым выходом предсказателя, третьего входа, который соединен с третьим выходом предсказателя, и четвертого входа, который соединен с четвертым выходом предсказателя.
Это означает, что предсказатель содержит по меньшей мере три выхода, которые могут использоваться в различных целях.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения резонансный преобразователь мощности с управляющим устройством содержит предложенное управляющее устройство.
Это управляющее устройство может использоваться для резонансных преобразователей вообще и особенно для последовательного резонансного преобразователя для питания рентгеновской трубки.
Можно видеть, что сущностью настоящего изобретения является обеспечить как мягкий режим управления переключением, так и немягкий режим управления переключением, которые используются последовательно во времени, приводя к сокращению флуктуаций напряжения на выходе резонансного преобразователя мощности, гарантируя необходимую мощность для подсоединенного устройства, такого как рентгеновская трубка, которая требует определенной величины мощности и также высокого напряжения для работы. При этом порядок использования первого способа управления и второго способа управления является произвольным.
Нужно отметить, что вышеупомянутые признаки могут также сочетаться. Комбинация вышеупомянутых признаков может также привести к синергетическим эффектам, даже если в явном виде не описано подробно.
Эти и другие аспекты данного изобретения станут очевидными и разъясненными из описанных ниже вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
На следующих чертежах проиллюстрированы некоторые примерные варианты осуществления, где:
Фиг. 1 показывает функциональную диаграмму генератора высокого напряжения,
Фиг. 2 показывает конфигурацию переключателя DC/AC преобразователя для плюс-состояния (+состояние),
Фиг. 3 показывает конфигурацию переключателя DC/AC преобразователя для нулевого состояния (0-состояние),
Фиг. 4 показывает конфигурацию переключателя DC/AC преобразователя для минус-состояния (-состояние),
Фиг. 5a и 5b показывают напряжение преобразователя и ток для +состояния и +d-состояния,
Фиг. 6 показывает применение уровней мощности для рабочих точек вблизи максимальной выходной мощности,
Фиг. 7 показывает применение уровней мощности для рабочих точек вблизи максимальной выходной мощности с дополнительным уровнем мощности (+d),
Фиг. 8 показывает применение уровней энергии для рабочей точки ниже уровня мощности (ниже +d),
Фиг. 9 показывает стратегию управления для управления на четырех уровнях и
Фиг. 10 показывает измерение выходного напряжения для рабочей точки 60 кВ вблизи максимальной выходной мощности с четвертым уровнем мощности и без него.
Подробное описание примерных вариантов осуществления
Высоковольтные генераторы для рентгеновских применений могут быть реализованы как последовательные резонансные преобразователи. В WO 2006/114719A1 описан способ управления для последовательных резонансных преобразователей, который обеспечивает возможность переключения при нулевом токе для всех рабочих точек. Таким образом, это приводит к очень низким потерям переключения и обеспечивает возможность высокочастотного режима работы. Недостатком предложенного способа управления является то, что для определенных рабочих точек предельная частота цикла этих способов управления становится довольно низкой, и амплитуда нежелательных изменений напряжения (дребезжание) становится очень высокой. Настоящее изобретение предлагает экономически эффективный способ, чтобы уменьшить дребезжание (флуктуации) напряжения для таких рабочих точек и гарантировать низкие флуктуации в полном рабочем диапазоне.
Фиг. 1 показывает функциональную диаграмму генератора высокого напряжения с последовательным резонансным преобразователем 100. DC входное напряжение 200 преобразовано в АС напряжение 300 и подается в последовательный резонансный контур 350. Трансформатор 450 высокого напряжения, который является частью последовательного резонансного контура 350, преобразует низкое напряжение 400 (например, 400 В) в высокое напряжение 500 (например, 40 кВ). Наконец выпрямительная схема 550 увеличивает уровень напряжения и создает высокое DC напряжение 600. В резонансном преобразователе 100 DC входное напряжение 200 преобразуется в высокое DC напряжение 600 с помощью DC/АС преобразователя 250 в резонансном преобразователе 100.
Последовательный резонансный контур 350 содержит в дополнение к трансформатору 450 высокого напряжения индуктивность 320 и конденсатор 330. Индуктивность может частично или полностью состоять из индуктивности утечки трансформатора. Выпрямительная схема 550 может быть сформирована каскадом выпрямителей, включающим в себя несколько выпрямителей. Альтернативно выпрямительная схема 550 может быть топологией удвоителя напряжения (который не является каскадом) или стандартным мостовым выпрямителем. Подразумевается, что DC входное напряжение 200 может быть сформировано АС/DC устройством, которое связано с входом DC/AC преобразователя 250 последовательного резонансного преобразователя 100. Дополнительно возможно подсоединить на выходе выпрямительной схемы 550 непосредственно устройство потребления мощности, такое как рентгеновская трубка медицинского прибора. В этом случае последовательный резонансный преобразователь служит генератором высокого напряжения рентгеновских лучей.
DC/АС преобразователь 250 может быть обеспечен как полный мостовой преобразователь, как изображено на фиг. 2. Мост показан как однофазный мост, который содержит первый вывод 210 для DC входного напряжения 200, как также показано на фиг. 1, и второй вывод 310 для преобразованного напряжения, которое является АС напряжением 300, как также показано на фиг. 1. DC/АС преобразователь 250 содержит четыре переключателя (S1, S2, S3, S4), которые могут быть управляемыми полупроводниковыми элементами, подходящими для переключения на высокочастотное значение или диапазон, как желательно. Параллельно каждому переключающему элементу использован антипараллельный диод (D1, D2, D3, D4), чтобы гарантировать электрический путь в случае, когда параллельный соответствующий переключающий элемент (D1 и S1; D2 и S2; D3 и S3; D4 и S4) находится в открытом положении. Здесь используются диоды, но также и другие полупроводниковые элементы могут быть подходящими. В итоге переключающее устройство 260, здесь весь мост, включает четыре секции моста, в то время как выход моста на втором выводе 310 связан с последовательным контуром из индуктивности 320 и конденсатора 330. В дополнение к этим компонентам на фиг. 2 также показан паразитный конденсатор 340, который представляет емкостную связь трансформатора 450. На фиг. 2 также показан выпрямитель 550, который является последовательно соединенным с последовательным резонансным контуром 330. Этот выпрямитель 550 включает в себя четыре полупроводниковых элемента, здесь четыре диода, которые преобразуют выходное АС напряжение 300 (300 идентично с Uwr) DC/AC преобразователя 250 в DC напряжение 600, которое выше, чем DC входное напряжение 200, определяемое коэффициентом трансформации трансформатора 450 высокого напряжения и другими элементами последовательного резонансного преобразователя 100.
Фиг. 3 и 4 показывают те же самые элементы DC/AC преобразователя 250, последовательного резонансного контура 350 и выпрямителя 550, как приведено на фиг. 2 соответственно. Различия между фиг. 2, 3 и 4 представлены положениями переключения переключающих элементов S1, S2, S3, S4. На основе этих различий оказывается влияние на резонансный ток Ires и напряжение Uwr переключения в последовательном резонансном контуре 350.
Фиг. 2-4 показывают три различных режима работы последовательного резонансного преобразователя 100. Общим свойством этих режимов работы является условие мягкого переключения в качестве первого режима управления. Это означает, что все переключающие элементы S1, S2, S3, S4 переключаются в определенное время из положения включения в положение выключения или из положения выключения в положение включения, не нарушая способ ZCS, известный из уровня техники.
Фиг. 2 показывает ситуацию, где резонансные токи Ires находятся в фазе с напряжением Uwr переключения. Фиг. 3 показывает ситуацию, где напряжение Uwr переключения равно нулю, а резонансный ток Ires не равен нулю до тех пор, пока переходные компенсации между элементами последовательного резонансного контура 350 не исчезнут. В этой ситуации выходная мощность DC/AC преобразователя 250 равна нулю вследствие того, что мощность вычисляется как произведение резонансного тока Ires и напряжения Uwr переключения. На фиг. 4 показана ситуация, где все переключающие устройства открыты, в то время как напряжение Uwr переключения не равно нулю, а также резонансный ток Ires не равен нулю. Здесь напряжение Uwr переключения и резонансный ток Ires не совпадают по фазе друг с другом. В частности, они находятся в противофазе, что означает, что резонансный ток Ires и напряжение переключения имеют фазовое отношение друг с другом 180 градусов, в случае когда один период равен 360 градусов, или, другими словами, они имеют задержку фазы на половину периода относительно друг друга, в предположении что оба они имеют тот же самый период вовремя.
Далее, ситуация на фиг. 2 определяется как "плюс состояние" (+), ситуация на фиг. 3 как "нулевое состояние" (0) и ситуация на фиг. 4 как "минус состояние" (-), в то время как на этих чертежах показаны только примеры для положений переключателей, обеспечивающих эти состояния. Данное определение здесь основано на заданном направлении DC входного напряжения 200 и заданном направлении высокого DC выходного напряжения 600, показанных на фиг. 1 соответственно. При использовании ситуации "плюс-состояния" энергия и мощность передаются от первого вывода 210 DC/AC преобразователя 250 к третьему выводу 310 DC/AC преобразователя 250. С другой стороны, когда имеет место “-состояние”, то мощность передается из резонансного контура 350 к входу 210 DC/AC преобразователя 250. Таким образом, резонансный ток снижается. Однако небольшое количество энергии может все еще передаваться на выход 610. В ситуации “нулевого состояния” на фиг. 3 последовательный резонансный контур остается, как он есть, и ведет себя в зависимости от энергии в системе при достижении ситуации “нулевого состояния” и в зависимости от электрических компонентов, таких как индуктивность 320, конденсатор 330 и трансформатор 450 высокого напряжения. Тогда отсутствует поток энергии на входе 210 DC/AC преобразователя 250.
На фиг. 2-4 напряжение Uwr переключения показано стрелкой в пересечении всего моста между секциями моста. Резонансный ток Ires, который протекает как ток пересечения моста через элементы последовательного резонансного контура 350, показан как пунктирная линия в соответствующих секциях моста и поперечном сечении моста.
Изобретение основано на управлении переключающими элементами S1, S2, S3, S4 таким способом, что первое фазовое отношение между резонансным током Ires и напряжением Uwr переключения выбрано для первого режима управления и второе фазовое отношение между резонансным током Ires и напряжением Uwr переключения выбрано для второго режима управления. Первый и второй режимы работы отличаются друг от друга относительно обоих фазовых отношений. Фазовые отношения являются предопределенными, а не случайными значениями. Фиг. 5a и 5b иллюстрируют такие два различных фазовых отношения для двух различных режимов управления, в то время как ось х показана как ось времени, а ось y показана для значения резонансного тока Ires и напряжения Uwr переключения, оба из которых являются зависимыми от времени. Первый режим управления может быть реализован выбором предопределенного значения первого фазового отношения, показанного на фиг. 5a, где резонансный ток Ires и напряжение Uwr переключения находятся в фазе друг с другом, что означает, что они имеют разность фаз, точно равную нулю градусов, или разность фаз, близкую к нулю градусов. Это по существу нулевое значение может быть выбрано в качестве предопределенного значения. Другой первый режим работы может быть реализован с использованием первого фазового отношения между резонансным током Ires и напряжением Uwr переключения, когда резонансный ток Ires и напряжение Uwr переключения находятся в противофазном отношении друг к другу, что означает, что на фиг. 5a либо резонансный ток Ires, либо напряжение Uwr переключения симметрично инвертированы относительно данной оси времени. Тогда общее пересечение нуля на предопределенных временных этапах является неизменным, но направление пересечения оси времени противоположно для резонансного тока Ires и напряжения Uwr переключения. Следует отметить, что термин "режим управления" не используется эквивалентным образом по сравнению с термином "режим работы". Один режим управления может включать в себя различные режимы работы, такие как +состояние, -состояние и 0-состояние для первого режима управления.
Во втором режиме управления резонансный ток Ires и напряжение Uwr переключения находятся во втором предопределенном фазовом отношении друг к другу, который отличается от первого предопределенного фазового отношения. Это можно видеть на фиг. 5b, где показан второй режим управления. Здесь напряжение Uwr переключения пересекает нулевую линию оси времени немного ранее, чем резонансный ток Ires. Этот промежуток времени предопределен, чтобы гарантировать второй режим управления. Здесь резонансный ток Ires имеет задержку относительно напряжения Uwr переключения. Как также можно видеть на фиг. 5b, синусоидальная форма резонансного тока Ires больше не имеет места из-за более раннего переключения переключающих элементов, здесь S1 и S4. Из сравнения Фиг. 5a и Фиг. 5b следует, что в обоих режимах управления переключающие элементы S1 и S4 включены, в то время как переключающие элементы S2 и S3 выключены. Эта ситуация имеет место, пока переключающие элементы S1 и S4 не будут выключены, что можно видеть по форме кривой времени напряжения Uwr переключения при изменении от положительного значения напряжения к отрицательному значению напряжения непосредственно без остановки на нулевом значении. Момент пересечения нуля напряжения переключения на Фиг. 5b находится раньше, а именно время td, по сравнению с первым режимом управления. Резонансный ток Ires, который следует за напряжением Uwr переключения с временной задержкой td, пересекает ось времени позже во втором режиме управления.
То, каким образом оба режима управления применяются один относительно другого, а именно чередующимся образом и последовательно по времени, иллюстрируется на Фиг. 7 и 8. На этих чертежах уровни мощности на выходе последовательного резонансного преобразователя 100 показаны по вертикальной оси y относительно времени, которое приведено на горизонтальной оси x.
На Фиг. 6 показаны два режима работы, использующие только первый режим управления. Показаны три уровня мощности: плюс - уровень мощности (+), который может быть реализован ситуацией плюс-состояния по Фиг. 2, нулевой уровень мощности (0), который может быть реализован ситуацией нулевого состояния по Фиг. 3, и минус-уровень мощности (-), который может быть реализован ситуацией минус-состояния по Фиг. 4. На Фиг. 6 используются только ситуация плюс-состояния и ситуация нулевого состояния. Это означает, что мощность, полученная на выходе последовательного резонансного преобразователя 100, чередуется между плюс-уровнем мощности и нулевым уровнем мощности. Здесь продолжительность времени для нулевого уровня мощности больше, чем для плюс-уровня мощности, что можно видеть по форме кривой зависимой от времени мощности, которая имеет здесь идеализированную прямоугольную форму волны. Форма волны представляет пакеты энергии, которые передаются от первого вывода 210 на третий вывод 610 в последовательном резонансном преобразователе 100. Средняя интегральная часть под зависимой от времени кривой приложенной мощности на выходе последовательного резонансного преобразователя является в среднем необходимой мощностью, показанной как пунктирная линия на Фиг. 6.
В отличие от Фиг. 6 только с одним первым режимом управления Фиг. 7 показывает ситуацию, где используются первый режим управления и второй режим управления. Ось х и ось y являются теми же самыми, что и на Фиг. 6, а именно, описывая время, с одной стороны, и уровень мощности, с другой стороны. Также все три уровня мощности по Фиг. 6 представлены на Фиг. 8. Кроме того, Фиг. 8 показывает дополнительный уровень мощности (+d), который используется во втором режиме управления. Там существует уровень мощности, который выше, чем уровень нулевой мощности, и ниже, чем плюс-уровень мощности. Этот промежуточный уровень мощности называется далее "+d-уровнем мощности", который может быть реализован с использованием условия переключения по Фиг. 5a, где резонансный ток Ires и напряжение Uwr переключения теперь переключаются при условии "немягкое переключение". Это условие "немягкое переключение" характеризуется большей задержкой фазы между резонансным током Ires и напряжением Uwr переключения по сравнению с переключением по существу без разности фаз. Как можно видеть на Фиг. 6, уровни мощности, используемые чередующимся образом, не достигают нулевого уровня мощности. Это означает, что контур остается в относительно стабильном состоянии относительно уровня мощности. С одной стороны, возникают большие потери переключения из-за второго режима управления, который нарушает способ ZCS, с другой стороны, уменьшаются флуктуации. Необходимая выходная мощность (rP) на Фиг. 7 находится между плюс-уровнем мощности (+) и +d-уровнем мощности (+d).
Как проиллюстрировано на Фиг. 8, все четыре уровня мощности (+), (-), (+d) и (0) доступны, но только плюс-уровень мощности (+) и нулевой уровень мощности (0) используются для работы. Это является примером ситуации, когда используется только первый режим управления. При этом время работы на плюс-уровне мощности и на нулевом уровне мощности равно или, более предпочтительно, время на плюс-уровне мощности более длительно, чем на нулевом уровне мощности, как показано на Фиг. 8. Эта ситуация может использоваться в начале подачи питания на устройство, такое как рентгеновская трубка, соединенная с третьим выводом 610. После короткого промежутка времени способ управления может быть изменен таким образом, что возникает ситуация по Фиг. 7, где вместо только первого режима управления используются первый и второй режимы управления чередующимся образом, как показано на Фиг. 7.
Можно показать, что частота флуктуаций может быть изменена на более высокое значение, если есть дополнительный доступный уровень мощности, который является близким к одному из используемых уровней системы. В примере рентгеновской системы плюс-уровень будет всегда использоваться, поскольку система не может работать только с нулевым или минус-уровнями. Например, флуктуации напряжения для рабочих точек вблизи максимальной выходной мощности уменьшается дополнительным уровнем мощности +d, который является очень близким к плюс-уровню энергии. Как можно видеть на Фиг. 7, рабочие точки между плюс-уровнем энергии и +d-уровнем энергии теперь управляются путем чередования между двумя уровнями мощности, которые находятся ближе друг к другу. Это приводит к более высокой частоте флуктуаций и более низкой амплитуде флуктуаций. Фиг. 7 показывает поведение рабочих точек непосредственно ниже +d-уровня мощности. Здесь амплитуда флуктуаций также уменьшена, поскольку имеется больше избыточной доступной энергии, чем для рабочих точек вблизи максимальной выходной мощности. Можно показать также, что частота флуктуаций будет испытывать положительное воздействие для рабочей точки, которая обычно работает главным образом с нулевым состоянием и с плюс-состоянием.
d
d
Фиг. 5a и 5b показывают формы напряжения и тока для плюс-уровня и +d-уровня. Плюс-уровень достигается активизацией переключателей, когда ток пересекает нулевую линию. Напряжение и ток находятся в фазе. +d-уровень будет реализован переключением на время t ранее, чем пересечение нуля, как показано на Фиг. 5a и 5b. Напряжение и ток имеют задержку фазы на несколько градусов. Это приведет к несколько более низкой передаваемой энергии. Потери переключения немного выше, чем для плюс-уровня, но ограничены тем фактом, что фазовая задержка t может быть очень малой.
Стратегия управления для контроллера четырех уровней с управляющим устройством 900 (Фиг. 9), который может использоваться, подобно стратегии управления, используемой для контроллера трех уровней. На Фиг. 9 управляющее устройство 900 содержит предсказатель 910, контроллер 920 и блок 930 решения. Предсказатель 910 предсказывает изменение выходного напряжения 600 выпрямителя для следующего цикла управления, заданного пересечением нуля резонансного тока Ires для всех возможных конфигураций переключения с плюс-уровнем, нулевым уровнем, минус-уровнем и +d-уровнем. PI контроллер 920 вычисляет необходимое изменение выходного напряжения 600 для следующего шага. Блок 930 решения затем решает, какой режим управления будет использоваться, путем выбора режима управления, где получающееся изменение выходного напряжения является самым близким к необходимому значению. Предсказатель содержит вход для выходного напряжения Uout 600 и вход для напряжения Uc (напряжение на конденсаторе 330). Оба напряжения Uout (600) и Uc используются для аналитической модели 915. Блок 930 решения выбирает уровень мощности (+), (-), (0) или (+d) в зависимости от deltaUout, который является самым близким к deltaUoutref, причем deltaUoutref вычисляется в контроллере 920, здесь PI-контроллер. Значение deltaUoutref выдается в качестве входа на блок 930 решения независимо от других входов, поступающих от предсказателя 910. Выход блока решения - это значение управления, которое является либо (+), (-), (0), либо (+d) в пределах одного цикла управления, чтобы определить необходимый уровень мощности. После первого цикла управления запускается следующее вычисление для определения следующего необходимого значения управления, которое зависит от необходимой выходной мощности (rP).
Фиг. 10 изображает измерение напряжения, флуктуирующего с активизированным +d-уровнем мощности. Амплитуда флуктуаций значительно уменьшается, если +d-уровень мощности активизирован. Как можно видеть на Фиг. 10, интересующий интервал времени находится, например, в диапазоне микросекунды и выходное напряжение последовательного резонансного преобразователя равно, например, приблизительно 60 кВ.
Изобретение может использоваться, в особенности, для резонансных преобразователей мощности вообще, рентгеновских генераторов высокого напряжения или управляемых систем с квантованным разрешением.
В проиллюстрированных вариантах осуществления однофазный последовательный резонансный преобразователь 100 использовался для применения предложенного способа управления. Однако в объем изобретения также входит использование множества фаз для питания электронного устройства, которое соединяется прямо или косвенно с выходом последовательного резонансного преобразователя 100.
Понятно, что иллюстрация на приведенных чертежах является только схематичной, причем резонансный ток Ires может изменяться по амплитуде.
Следует отметить, что изобретение может быть применено в особенности для резонансных преобразователей мощности вообще, для рентгеновских генераторов высокого напряжения и для управляемых систем с квантованным разрешением.
Следует отметить, что ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем формулы изобретения.
Также следует отметить, что термин "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, и упоминание единственного числа не исключает множественного числа. Также элементы, описанные в ассоциации с различными вариантами осуществления, могут быть объединены.
В случае сомнений относительно условий ZCS, следует обратиться к ссылочному документу WO 2006/114719Al за дополнительной информацией.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение и что специалисты в данной области техники смогут спроектировать многие альтернативные варианты осуществления без отклонения от объема изобретения.