专利名称：用于x射线发生器的开关装置的制作方法
用于X射线发生器的开关装置
背景技术：
辐射发生器，尤其是χ射线发生器可以包括谐振逆变器，其可以在高开关频率下工作，例如，在IOOkHz (千赫)或更高的开关频率下工作。这些开关频率可能导致增加的开关损耗。在谐振逆变器中，可以利用多个开关，例如，几个M0SFET。这些MOSFET可以相互并联，它们的寄生输出电容可能会由于并联连接而累加。寄生输出电容可以与发生器的干线电压成反比，其输出电容在零电压开关輔下可能尤其大。缺点是在接通时，可能在MOSFET的漏极和MOSFET的栅极之间发生寄生振荡。这些寄生振荡可能发生在处于电路桥的一部分内的一个MOSFET和处于电路桥的另一部分内的另一 MOSFET之间。此外，还可能出现寄生电感。所生成的寄生振荡可能产生限制谐振逆变器的安全运行的高损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于χ射线发生器的开关装置和一种用于χ射线发生器的开关装置的控制方法，其可以减少由谐振功率变换器的输出处的开关切换而导致的振荡现象。本发明的目的是通过独立权利要求的主题实现的，在独立权利要求中包含了有利实施例。根据本发明的示范性实施例，提供了一种用于在谐振功率变换器的输出端提供所需的输出电力电压的用于X射线发生器的开关装置。所述开关装置可以包括主开关和辅助开关，其中，所述主开关可以包括第一内部电容，并且其中，可以将所述辅助开关并联连接到所述主开关上。此外，所述主开关可以是可控的，所述辅助开关也可以是可控的。此外， 能够与所述主开关相关地对所述辅助开关进行控制，其中，可以对所述辅助开关进行控制， 从而使所述主开关的第一内部电容放电。采用所提出的电路，可以以降低的开关损耗接通主开关。提供了主开关的平滑或柔和的开关切换。可以减少开关过程中的寄生振荡。一种降低开关损耗的方法可以是零电流开关(ZCS)，其可以是一种柔和的开关方法。谐振逆变器可以在与准谐振零电流开关(ZCS)模式结合的零电压开关(ZVS)模式下工作。在这一开关模式下，可以监测通过负载的谐振电流，并且可以采用相移装置(PD传递函数)估算适当的开关点。在预定的开关时间上，可以对诸如MOSFET的开关进行开关转换， 因而可以执行从一个功率电平到另一功率电平的调节过程。例如，在WO 2006/114719Α1中对零电流开关(ZCS)的状况做出了解释。主开关可以包括输出电容，其可以是寄生电容，并且其可以是第一主开关的输出电容。根据本发明的示范性实施例，所述辅助开关可以按照与主开关同步的方式工作。可以提供关于主开关和辅助开关的接通和/或断开的同步。
根据本发明的示范性实施例，主开关可以包括第一 MOSFET。所述MOSFET为半导体，其可以为CFD型M0SFET，例如，其属于hfineon公司的 CoolMOS 功率晶体管系列。所述MOSFET可以具有大约50V(伏)的输出电压。与其它半导体，例如，IGBT相比，MOSFET可以在更短的时间内开关。根据示范性实施例，所述辅助开关可以包括第二 M0SFET。可以预见，第一 MOSFET和第二 MOSFET在其电性能和热性能方面并不等同。第二 MOSFET可以包括不同的Rdson，其可以是体电阻，也可以是MOSFET的路径电阻。所述第二 MOSFET和第一 MOSFET可以具有相同的电压等级，例如，600V (伏)。此外，第一 MOSFET和第二 MOSFET可以位于分离的外壳内。根据示范性实施例，可以使第一 MOSFET的第一漏极连接与第二 MOSFET的第二漏极连接进行连接，可以使第一 MOSFET的第一源极连接与第二 MOSFET的第二源极连接进行连接。MOSFET可以包括源极连接、漏极连接和增益连接。可以使第一 MOSFET和第二 MOSFET相互并联连接。与单个MOSFET相比，具有多个MOSFET的电路可以提供更高的输出电流。根据本发明的示范性实施例，所述辅助开关可以适于承载主开关的全部电流。所述主开关的全部电流可以是主开关接通时的输出电流。所述输出电流可以是开关装置的谐振电流。在第一时刻上，主开关的全部谐振电流可以由主开关承载，在第二时刻上，主开关的相同的全部谐振电流可以至少在短时间周期内，例如，若干毫秒内由辅助开关承载。从而提供了从主开关到辅助开关的电流或谐振电流转换或切换。根据本发明的示范性实施例，所述主开关可以包括第一 Rdson，所述辅助开关可以包括第二 Rdson，其中，所述第一 RdsOn可以小于所述第二 Rdson。Rdson是半导体的漏极和源极之间的体电阻或路径电阻。所述主开关可以是第一半导体，所述辅助开关可以是第二半导体。路径电阻可以取决于半导体的尺寸和构形。根据本发明的示范性实施例，所述主开关可以包括第一内部电容，所述辅助开关可以包括第二内部电容。此外，所述第二内部电容可以小于所述第一内部电容。内部电容可以是可以存在于实际电气部件中的寄生电容。根据本发明的示范性实施例，所述主开关可以包括η型M0SFET。与ρ型MOSFET相比，η型MOSFET可以具有更小的开关损耗。此外，辅助开关也可以包括η型M0SFET。根据本发明的示范性实施例，可以使所述主开关与开关电容并联连接。作为电气部件的开关电容或缓冲电容可以实现主开关的输出电压的稳定化。根据本发明的示范性实施例，可以提供一种谐振逆变器，其可以包括上述开关装置。谐振逆变器可以包括由半导体构成的第一半桥。可以预见，谐振逆变器可以包括由半导体构成的第一半桥和由半导体构成的第二半桥。因而，所述谐振逆变器可以包括全桥。谐振逆变器可以包括谐振部件，例如电容器和/或电感。电容器和电感可以相互串联连接和/或并联连接，从而为谐振逆变器的输出提供谐振电流。可以利用谐振逆变器为X 射线发生器，尤其是为X射线设备的高压发生器生成并提供功率。
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根据本发明的示范性实施例，可以提供一种对χ射线发生器的开关装置进行控制从而在谐振功率变换器的输出端提供所需的输出电力电压的方法。所述方法可以包括控制主开关，控制辅助开关以及通过采用辅助开关使主开关的第一内部电容放电而使主开关放 H1^ ο根据示范性实施例，所述方法可以包括控制主开关和控制辅助开关，其包括使辅助开关的闭合或接通与主开关的闭合或接通同步。根据示范性实施例，所述方法还可以包括在重叠时间内在辅助开关接通期间使主开关接通。可以使辅助开关的闭合相对于主开关的接通过程同步发生。在短时间周期内，辅助开关可以承载全部谐振电流，同时辅助开关可以使可能包括高RdsOn的主开关的输出电容或第一内部电容放电。可以按照受控的方式执行所述转换过程，尤其是使主开关的开关电容的放电。其可以实现对寄生振荡的抑制。根据示范性实施例，所述重叠时间基本可以具有大约IOns到大约IOOns (纳秒) 持续时间。加载持续时间可以取决于辅助开关的RdsOn以及主开关的半导体的寄生电容。主开关可以在(例如)50V的电压下工作。所述加载时间可以是直到主开关的输出电压达到预定电压电平从而实现谐振变换器的运行目的，例如，使电压从零伏到50V的时间。所述辅助开关可以是额外的低功率开关，例如，M0SFET，其并联连接到(例如)作为另一MOSFET的主开关上。可以使所述辅助开关按照与主开关同步的方式工作。在短持续时间内，所述辅助开关可以承载全部谐振电流，同时辅助开关可以使具有相对较高的I dson 的主开关的输出电容放电。因而，可以按照受控的方式执行所述转换过程，尤其是对与一个或多个主开关相关的电容的放电。其可以实现对χ射线发生器的寄生振荡的抑制。
下述附图示出了一些示范性实施例，其中图1示出了 MOSFET的电路的示范性实施例；图2示出了谐振变换器的半桥的示范性实施例；图3示出了谐振变换器的全桥的示范性实施例；以及图4示出了示范性开关序列的时序图的示范性实施例。
具体实施例方式应当指出，在下文中，所述的本发明示范性实施例也适用于方法和装置。图1示出了包括寄生元件的MOSFET的电路1。所述MOSFET是包括源极2、漏极3 和栅极4的η型MOSFET。在源极3和漏极3之间存在寄生电容5。也可以将这一寄生或内部电容5称为“coss电容”。MOSFET的寄生电容或内部电容5可以使MOSFET的输出电容。 此外，存在与寄生电容5并联的二极管6，其沿从源极2到漏极3的方向导通，并阻挡从漏极3到源极2的方向的电流。图1的电路1概括地示出了 MOSFET的端子2、3、4，还示出了 MOSFET的内部寄生元件5、6。图2示出了包括开关装置11或半桥11的谐振变换器10。所述谐振变换器10包括可以与DC电源连接的输入连接端12，例如，buck变换器。所述输入连接端12包括正电压电平端子13和负电压电平端子14。可以将所述负电压电平端子14接地或者连接至谐振变换器10的另一参考点。此外，在图2中，谐振变换器10包括可以与输入连接端12并联连接的干线电压电容器15。所述干线电压电容器15可以具有大约270 μ F(微法)的电容。所述谐振变换器 10的半桥11包括第一主开关16和第二主开关17。第一主开关16和第二主开关17相互串联连接。此外，所述第一主开关16和第二主开关17的串联连接与干线电压电容器15并联连接。所述第一主开关16包括多个开关元件18、19、20。此外，所述第二主开关17包括多个开关元件21、22、23。在图2中，开关元件18、19、20、21、22、23分别为M0SFET。分别使第一主开关16的 MOSFET 18、19、20相互并联连接，分别使第二主开关17的MOSFET 21、22、23相互并联连接。 可以预先，第一主开关的MOSFET和第二开关的MOSFET在其电性能和热性能方面是等同的。 当在同一半导体晶圆内制作出所述MOSFET时，就是这种情况。MOSFET 18、19、20、21、22、23 可以是具有600V输出电压的M0SFET，并且可以分别属于包括低Rdson的C00IMOStmCP系列。在图2中，示出了包括半桥11的谐振变换器10的示范性实施例。然而，谐振变换器10可以在第一主开关16以及第二主开关17内包括更多或更少的M0SFET。例如，第一主开关16可以包括十二个相互并联连接的M0SFET，第二主开关也可以包括相互并联连接的十二个M0SFET。一个主开关内的MOSFET的数量可以是谐振电流的函数。可以在谐振逆变器10的输出端25设置谐振电流M。设置高谐振电流M可以提供谐振逆变器10的高输出功率，例如，50kW(千瓦)。以对称的方式构建半桥11。因而，第一主开关16和第二主开关17等同，这意味着具有相同数量的开关元件18、19、20、21、22、23，其中，所述开关元件可以提供等同的特征线和等同的温度特性。在图2中，将第一辅助开关沈并联连接到第一主开关16上。将第二辅助开关27 并联连接到第二主开关17上。所述第一辅助开关沈和第二辅助开关27等同或基本等同。 所述第一辅助开关沈是M0SFET，第二辅助开关27亦如此。两个辅助开关沈、27具有相同的特性，即，工作特性和温度特性。在图2中，将第一开关电容器观并联连接到第一辅助开关沈上。此外，将第一开关电容器观并联连接到第一主开关16上。将第二开关电容器四并联连接到第二辅助开关27上。此外，将第二开关电容器四并联连接到第二主开关17上。所述第一开关电容器观和第二开关电容器四是等同的，也可以分别将其称为“缓冲(simbber)电容器”。缓冲电容器观、四可以分别使主开关16、17的电压稳定。在图2中，还可能存在其它电容，所述电容可能是MOSFET的寄生电容，如图1所示。每一 MOSFET的这些电容5也可能存在于图2中，但未示出。此外，在谐振变换器10中可能存在电感，在图2中未示出。这些电感可能是由谐振变换器的部件15、16、17、26、27、 28J9之间的布线引起的。此外，图2的谐振变换器10包括第一桥电容器30和第二桥电容器31。所述第一桥电容器30和第二桥电容器31串联连接。电容器30、31的串联连接包括第二输入连接端 34。所述第二输入端连接包括正电压电平端子15和负电压电平端子36。
电容器30、31通过输出25与半桥11连接。谐振电容器32和电感33在输出25 处串联连接。电感33是变压器的部分，其尤其是变压器的初级绕组。所述变压器可以将谐振变换器10的输出电压变换至用于χ射线管的更高的电压。谐振变换器10在变压器的初级绕组处的输出电压可以具有大约400V到大约1500V的电压电平，例如，其取决于第一和第二主开关16、17的开关元件的数量。可以将端子25处的输出电压变换成更高的电压，例如，40kV(千伏)到150kV(千伏)的电压，其取决于变压器的传递因数，例如，可以利用大约 25到大约80的因数。图3示出了包括第一半桥11和第二半桥111的谐振变换器100的另一示范性实施例。使这两个半桥11、111通过谐振变换器100的输出25相互连接。第一半桥11和第二半桥111是等同的。此外，图3的第一半桥11与图2的半桥11是等同的。因此，涉及图 2的解释对于图3的谐振变换器100的电路同样有效。在图2和图3中，示出了箭头37，其指示提供在开关过程中由第一主开关16和第二主开关17之间的短路电流引起的振荡的路径。在接通时MOSFET的输出电容5和半桥的另一部分中的另一MOSFET的输出电容5与寄生电感之间可能发生寄生振荡。此外，路径37 通过干线电压电容器15上的干线电压闭合，因而可能发生短路。但是，在第二主开关17接通的同时，第一主开关16可以不接通，以避免半桥11的短路。通过所提供的利用辅助开关的开关方法可以减少或基本消除振荡。图4针对零电流开关(ZCS)的一个示范性功率电平示出了图2和图3所示的电路的不同开关的示范性开关序列251、252、253、2M的时序图200。开关序列251、252、253、254 是时间相关的，这一点由箭头201指示。按照相同时标采取上下位置示出了开关序列251、 252、253、254，从而对多个开关点进行比较。第一开关序列251示出了第一辅助开关沈的时间相关开关。第二开关序列252 示出了主开关16的一个开关元件的时间相关开关，例如，所述元件为MOSFET 18。由于一个主开关的所有开关元件都是等同的，而且按照等同的方式受到控制，因而开关序列252对于第一主开关16的其它MOSFET 19、20也有效。第三开关序列253示出了第二辅助开关27 的时间相关开关。第四开关序列2M示出了第二主开关17的一个开关元件的时间相关开关序列，例如，所述元件为MOSFET 21。由于一个主开关的所有开关元件都是等同的，并且对于每一主开关而言按照等同的方式受到控制，因而第四开关序列2M对于第二主开关17 的其它MOSFET 22、23也是有效的。在图4中，由高电平电压指出了所有开关18、21、沈、27 的接通状态，由低电平或零电平电压指出了断开状态。在图4中，第一辅助开关沈和第二辅助开关27的相对于它们的接通持续时间而言的时间间隔是等同的，采用持续时间210对其进行表示。但是，第一辅助开关沈和第二辅助开关27的时间间隔在时间上相对于彼此存在偏移，通过持续时间211对此加以表示。第一主开关16和第二主开关17的相对于它们的接通持续时间而言的时间间隔是等同的，采用持续时间212对其加以表示。然而，第一主开关16和第二主开关17的时间间隔相对于彼此存在时间偏移，采用持续时间213对其加以表示。在对开关序列251、252、253、2M进行比较时，存在死时间214。死时间214是开关 18、21、26、27中没有任何一个开关接通的持续时间。所述死时间可以包括大约500ns (纳秒)的持续时间。
在第一辅助开关沈接通的时间内第一主开关18接通。因而，第一主开关18和第一辅助开关26具有它们二者均接通的共同时间215。这意味着第一主开关18的接通时间与第一辅助开关26的接通时间重叠。在第二辅助开关27接通的时间内第二主开关21接通。因而，第二主开关21和第二辅助开关27具有它们二者均接通的共同时间215。这意味着第二主开关21的接通时间与第二辅助开关27的接通时间重叠。开关序列251和252的重叠时间215与开关序列253和254的重叠时间215是等同的。图4中的时序图表明，第一辅助开关沈与第一主开关18同步工作，第二辅助开关 27与第二主开关21同步工作。此外，在重叠时间215内，第一辅助开关吏第一主开关 18的寄生电容5放电。在重叠时间215内，第二辅助开关按照相同的方式使第二主开关21 的寄生电容5放电。应当注意，上述实施例旨在对本发明进行举例说明，而不是对其做出限制，本领域技术人员能够在不背离所附权利要求的范围的情况下设计出很多替代实施例。应当指出，尤其可以将本发明用于一般的谐振整流器，还可以用于χ射线高压发生器，以及用于具有全尺寸分辨率的受控系统。还应当指出，不应将权利要求中的附图标记推断为对权利要求的范围构成限制。此外，应当指出，“包括” 一词不排除其它元件或步骤，单数冠词不排除复数。可以将联系不同实施例描述的元件合并。
权利要求
1.一种用于在谐振功率变换器的输出端提供所需的输出电力电压的用于χ射线发生器的开关装置，所述开关装置包括 主开关(16)， 辅助开关06)，其中所述主开关(16)包括第一内部电容(5)， 其中所述辅助开关06)并联连接至所述主开关(16)， 其中所述主开关(16)是可控的， 其中所述辅助开关06)是可控的，其中能够与所述主开关(16)相关地对所述辅助开关06)进行控制， 其中能够对所述辅助开关06)进行控制，从而使所述主开关(16)的所述第一内部电容(5)放电。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其中所述辅助开关06)能够与所述主开关(16)同步地操作。
3.根据权利要求1或2所述的开关装置，其中所述主开关(16)包括第一 MOSFET (18)。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的开关装置， 其中所述辅助开关06)包括第二 MOSFET (沈)。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的开关装置，其中所述第一 MOSFET (18)的第一漏极连接(3)与所述第MOSFET (26)的第二漏极连接 (3)连接，并且所述第一MOSFET (18)的第一源极连接(2)与所述第二 MOSFET (26)的第二源极连接⑵连接。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的开关装置，其中所述辅助开关06)适于承载所述主开关(16)的全部电流。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的开关装置，其中所述主开关(16)包括第一 I ds0n，所述辅助开关06)包括第二 Rdson，其中，所述第一 Rdson 小于所述第二 RdsOn0
8.根据权利要求1到7中任一项所述的开关装置，其中所述主开关(16)包括第一内部电容(5)，所述辅助开关06)包括第二内部电容 (5)，其中，所述第二内部电容(5)小于所述第一内部电容(5)。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的开关装置， 其中所述主开关(16)包括η型M0SFET。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的开关装置， 其中所述主开关(16)并联连接至开关电容08)。
11.一种谐振逆变器，包括根据权利要求1到10中的一项所述的开关装置。
12.一种对用于χ射线发生器的开关装置进行控制从而在谐振功率变换器的输出端提供所需的输出功率的方法，所述方法包括控制主开关(16)，控制辅助开关06)，通过利用所述辅助开关06)使所述主开关(16)的第一内部电容(5)放电而使所述主开关(16)放电。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，其中控制所述主开关(16)和控制所述辅助开关06)包括与闭合所述主开关同步地闭合所述辅助开关06)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中在重叠时间015)内在所述辅助开关06) 的接通期间使所述主开关(18)接通。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述重叠时间(215)基本具有大约IOns到大约 IOOns的持续时间。
全文摘要
本发明涉及一种用于在谐振功率变换器的输出端提供所需的输出电力电压的用于x射线发生器的开关装置。所述开关装置可以包括主开关16和辅助开关26，其中，所述主开关16可以包括第一内部电容5，并且其中，可以将所述辅助开关26并联连接至所述主开关16。此外，所述主开关16可以是可控的，所述辅助开关26也可以是可控的。此外，能够与所述主开关(16)相关地对所述辅助开关(26)进行控制，其中，可以对所述辅助开关26进行控制，从而使所述主开关的第一内部电容5放电。
文档编号H02M1/34GK102484421SQ201080040002
公开日2012年5月30日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月8日
发明者N·艾德莱 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司