逆变电压信号复用的供电装置、方法及CT系统与流程

逆变电压信号复用的供电装置、方法及ct系统
技术领域
1.本公开提供了一种逆变电压信号复用的供电装置、方法及ct系统。


背景技术：

2.在需要高压供电的相关器件或设备中，往往也需要相应的低压辅助供电。但是该类低压辅助供电需要悬浮在高电压之上(有些高达几百kv)，因此需要进行高电压隔离。并且根据需求不同，对低压辅助供电的要求也不相同。例如需要输出电流可调、输出电压可调、输出电流和输出电压具有高稳定度等各种要求。尤其是在ct系统中的核心器件—x射线球管的应用中，阴极灯丝供电的可调性和稳定性，直接决定了ct的成像质量，对整个ct系统至关重要。
3.目前，在ct系统中所采用的供电方式通常包括以下几种。
4.方式一：采用隔离变压器直接供电方案。在采用变压器输出的交流直接供电方案中，无法实现直流供电需求，而且由于输出无闭环控制，输出电压、电流精度较差；同时可能由于磁芯或器件的差异性，产品的输出一致性也较差，不适应于高精度要求的场合。
5.方式二：采用隔离变压器+次级磁隔离采样+次级直流可调输出的方案。在这种方案中，不但是主输出需要高压隔离变压器，同时对输出的采样及输出控制的基准信号，都需要采用高压隔离的磁性元件进行隔离采样控制。这样将会增加产品的整体尺寸，同时因为需要多路隔离要求，增加了高压隔离的难度及可靠性，成本也随之成倍增加。
6.方式三：采用隔离变压器+次级通信采样+次级直流可调输出的方案。在这种方案中，主输出需要高压隔离变压器，输出控制信号需要通过通信连接。通信连接的一端处于低压控制处而另一端连接在高压控制处，因此通信线只能采用光纤通信。同时为了保证可靠的绝缘要求，光纤通信线需要保留有足够的爬电距离，并且该爬电距离会随着高压值的增加而增加。在该方案中，不仅不利于小型化设计，还增加了通信线的走线难度，对结构设计要求较高。可靠性一般。
7.因此提供一种高压隔离、输出电流可调、输出电压可调、输出电流和电压的高稳定性，对整个行业而言，具有十分重要的意义。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种逆变电压信号复用的供电装置、方法及ct系统。
9.根据本公开的一个方面，一种逆变电压信号复用的供电装置，包括：
10.低压侧，所述低压侧包括逆变电路和低压侧控制部，所述逆变电路用于接收直流电压，所述低压侧控制部用于向所述逆变电路提供频率可变的驱动信号，所述逆变电路根据所述驱动信号生成频率可调的交流逆变电压信号；
11.高压隔离变压器，所述高压隔离变压器用于将所述频率可调的交流逆变电压信号转换为频率可调的次级逆变电压信号以及实现低压侧和高压侧的高压隔离；
12.高压侧，所述高压侧接收来自所述高压隔离变压器的频率可调的次级逆变电压信号，并且所述高压侧包括buck电路、频压转换电路和高压侧控制部，所述频压转换电路根据所述频率可调的次级逆变电压信号的频率变化来生成不同的基准电压信号，其中所述高压侧控制根据所述基准电压信号向所述buck电路提供控制信号，以便使得所述buck电路提供目标输出电压或目标输出电流。
13.根据本公开的至少一个实施方式供电装置，所述高压侧还包括整流电路，所述整流电路用于接收所述频率可调的次级逆变电压信号并且将所述频率可调的次级逆变电压信号整流后生成直流电压，并提供至所述buck电路来作为所述buck电路的输入电压。
14.根据本公开的至少一个实施方式供电装置，所述驱动信号为占空比固定且频率可调的驱动信号，并且所述频压转换电路根据所述频率可调的次级逆变电压信号来生成所述基准电压信号。
15.根据本公开的至少一个实施方式供电装置，所述高压侧还包括脉冲整形电路，所述脉冲整形电路用于将所述频率可调的次级逆变电压信号转换为低压脉冲信号，其中所述低压脉冲信号的频率与所述频率可调的交流逆变电压信号的频率一致，并且所述频压转换电路将所述低压脉冲信号转换为直流模拟电压信号以作为所述基准电压信号；
16.可选地，所述低压侧还包括buck稳压电路，所述buck稳压电路接收直流输入电压，并且将所述直流输入电压变换为固定值电压，以便将所述固定值电压提供至所述逆变电路。
17.根据本公开的至少一个实施方式供电装置，所述驱动信号的占空比由所述目标输出电压和/或目标输出电流所确定。
18.根据本公开的至少一个实施方式供电装置，所述低压侧控制部为数字控制系统，所述数字控制系统根据所述目标输出电压和/或目标输出电流来确定所述逆变电路的所述驱动信号的占空比。
19.根据本公开的至少一个实施方式供电装置，所述低压侧包括低压侧电流检测部，用于检测提供至所述高压隔离变压器的低压侧电流，以便所述低压侧控制部监测所述低压侧电流；
20.所述高压侧包括高压侧电流检测部和/或高压侧电压检测部，所述高压侧电流检测部用于检测所述buck电路的输出电流，并且所述高压侧电压检测部用于检测所述buck电路的输出电压，以便所述高压侧控制部检测该输出电流和/或输出电压。
21.根据本公开的另一方面，一种逆变电压信号复用的供电方法，包括：
22.将驱动信号提供至供电装置的低压侧的逆变电路，以便控制所述逆变电路生成频率可调的交流逆变电压信号，其中所述驱动信号为占空比固定且频率可调的驱动信号；
23.通过高压隔离变压器将所述交流逆变电压信号转换为频率可调的次级逆变电压信号；
24.根据所述频率可调的次级逆变电压信号的频率信号的变化生成不同的基准电压信号；
25.根据所述基准电压信号来生成控制信号，以便控制所述供电装置的高压隔离变压器的高压侧提供目标输出电压和/或目标输出电流。
26.根据本公开的至少一个供电方法，所述驱动信号的占空比能够根据所述目标输出
电压和/或目标输出电流来进行调整。
27.根据本公开的再一方面，一种ct系统，所述ct系统包括如上任一项所述的供电装置。
附图说明
28.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
29.图1示出了根据本公开的一个实施方式的供电装置的示意图。
30.图2示出了根据本公开的一个实施方式的供电装置的电路图。
31.图3示出了根据本公开的一个实施方式的供电方法的流程图。
32.图4示出了根据本公开的一个实施方式的供电方法的流程图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
35.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
36.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
37.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
38.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，
如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
39.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
40.在本公开中，通过最新的电路拓扑设计，发明了一种应用逆变电压信号多功能复用控制技术的高电压隔离、输出电流可调的供电装置。可同时满足高电压隔离、输出电流可调或输出电压可调、输出电流和输出电压具有高稳定度等要求。可以稳定可靠地满足各种高压器件或设备的辅助低压供电需求。尤其是ct系统的核心器件—x射线球管的灯丝供电需求。并且通过最新的逆变电压信号多功能应用控制技术，大幅降低了高压隔离技术的难度、体积及成本。
41.采用逆变电压多功能应用技术，仅仅需要主输出的高压隔离变压器进行高压隔离，不需要再额外增加任何隔离方式将次级侧(高压侧)的输出采样信号送到初级侧(低压侧)。保证了绝缘的可靠性，也可以减少高压隔离器件而降低体积和成本，具备较高的实用性和可生产性。
42.根据本公开的一个实施方式，提供了逆变电压信号复用的供电装置。如图1所示，根据本公开的一个实施例的供电装置可以包括低压侧100、高压隔离变压器200和高压侧300。
43.其中低压侧100可以包括逆变电路110和低压侧控制部120。其中，外部提供的直流电压vin可以被提供至逆变电路110，并且该逆变电路110可以对所接收的直流电压进行变换，以便生成频率可调的交流逆变电压信号。在一个可选的实施例中，低压侧100还可以包括buck稳压电路130(降压式变换电路)。其中，该buck稳压电路130可以接收直流电压vin，并且将该直流电压vin进行变换后提供至逆变电路110。需要说明的是，buck稳压电路130可以根据实际需求情况使用，当然也可以采用其他类型的稳压电路。
44.低压侧控制部120可以向逆变电路110提供频率可变的驱动信号，以便驱动逆变电路110中的开关管进行导通和断开，从而使得该逆变电路110根据该频率可变的驱动信号来将其所接收的直流电压转换为频率可调的交流逆变电压信号。该频率可调的交流逆变电压信号提供至高压隔离变压器200以作为高压隔离变压器200的输入信号。
45.在本公开中，通过逆变电路100产生低压侧的频率可调的交流逆变电压信号提供至高压隔离变压器200，以便进行高压隔离变压器200的初级侧和次级侧的能量传输以及提供次级侧的输出电压和/或输出电流的控制信号的两个功能。
46.逆变电路100的频率可变的驱动信号可以为占空比固定且频率可变的驱动信号。
其中频率可变的驱动信号的频率进行调整，以便让高压隔离变压器200的初级侧产生频率可调的交流逆变电压信号，在本公开中，频率可调的范围可以为10khz～100khz。通过频率的调节来改变提供至高压隔离变压器200的电压值。此外，在本公开中，频率可变的驱动信号的占空比由供电装置的目标输出电压和/或目标输出电流所确定，即可以根据供电装置的目标输出电压和/或目标输出电流来改变频率可变的驱动信号的占空比。
47.图2示出了根据本公开的一个实施例的供电装置的电路图。如图2所示，驱动电路可以包括开关管q2、开关管q3、电容c3和电容c4。其中开关管q2和开关管q3的串联电路可以构成半桥逆变电路，并且电容c3和电容c4的串联电路连接在开关管q2和开关管q3的串联电路的两端。隔离变压器t1的初级线圈的两个输入端分别连接在开关管q2和开关管q3的串联电路的高压端与开关管q2和开关管q3的串联电路的连接点之间。
48.低压侧控制部可以生成开关管q2和开关管q3的驱动信号，以便控制开关管q2和开关管q3的导通和断开。在本公开中，低压侧控制部可以为数字控制系统。该数字控制系统例如可以是单片机、dsp或fpga等电路系统。另外，低压侧控制部可以接收供电装置的目标输出电压vset和/或目标输出电流iset。低压侧控制部根据所输入的目标输出电压vset和/或目标输出电流iset可以改变提供至逆变电路的频率可变的驱动信号的占空比。这样对于不同的目标输出电压vset和/或目标输出电流iset，频率可变的驱动信号的占空比可以调整为不同。
49.此外，低压侧控制部还可以监测提供至隔离变压器的低压侧电流。例如低压侧控制部可以接收来自低压侧电流检测部ta1的检测信号，从而实现低压侧的状态监视。低压侧控制部可以根据检测信号来判断低压侧是否出现故障，在出现故障的情况下，可以停止供电装置的工作。低压侧电流检测部ta1可以对初级侧的峰值电流进行采集。
50.如上所述，供电装置也可以包括buck稳压电路。如图2所示，buck稳压电路可以包括开关管q1、电压l1、二极管v1和电容c2。低压侧控制部可以向buck稳压电路提供控制信号，以便控制开关管q1的导通和断开。在本公开中，buck稳压电路被控制为将输入电压vin转换为固定值电压。这样可以满足宽输入电压的要求，并且可以降低后级开关管的电压应力，从而可以很好地降低成本。
51.高压隔离变压器200用于将频率可调的交流逆变电压信号转换为次级逆变电压信号。高压隔离变压器200可以实现初级侧和次级侧的频率可调的交流逆变电压信号的转换，并且可以用于初级侧和次级侧的能量传输，尤其是能够实现次级侧的输出控制信号的控制。
52.高压侧300可以接收高压隔离变压器200根据频率可调的交流逆变电压信号转换的次级逆变电压信号。其中高压侧300可以包括buck电路310、频压转换电路320和高压侧控制部330。
53.在本公开中，buck电路310可以用于产生输出的电压和/或电流。并且可以将其提供至负载。如图2所示，buck电路310可以包括开关管q4、电感l2、和二极管v6。在本公开中buck电路310可以与buck稳压电路的结构相同。其中高压侧控制部330向buck电路310的开关管q4提供控制信号，以便控制其导通和断开。
54.频压转换电路320可以根据次级逆变电压信号来生成基准电压信号。其中，频压转换电路320根据与初级侧的交流逆变信号的频率一致的次级逆变电压信号来生成相应的基
准电压信号。并且频压转换电路320可以将该基准电压信号提供至高压侧控制部330。高压侧控制部330可以根据该基准电压信号来生成提供至buck电路310的开关管的控制信号，通过控制开关管的导通和断开，buck电路310可以输出目标输出电压和/或目标输出电流out。
55.在本公开中，高压侧300还可以包括整流电路340，整流电路340用于接收次级逆变电压信号并且将次级逆变电压信号整流后生成直流电压，并提供至buck电路来作为buck电路的输入电压。例如如图2所示，该整流电路可以包括二极管v2至v5和电容c5。
56.高压侧300还包括脉冲整形电路350，脉冲整形电路350用于将次级逆变电压信号转换为低压脉冲信号，其中低压脉冲信号的频率与频率可调的交流逆变电压信号的频率一致，并且频压转换电路将低压脉冲信号转换为直流模拟电压信号以作为基准电压信号。
57.在本公开中，高压侧根据变压器的次级线圈的输出信号来确定目标输出电压和/或目标输出电流。这样可以避免使用隔离方式来进行反馈测量等。而且也不需要通信装置在变压器的初级侧和次级侧进行信号传输。具体地，通过高压隔离变压器将初级侧的占空比固定且频率可调的逆变电压信号传递至次级侧，并且次级侧根据该信号来得到电压和/或电流的目标输出值。
58.高压侧包括高压侧电流检测部ta2和/或高压侧电压检测部。高压侧电流检测部可以用于检测buck电路的输出电流，例如可以连接在输出线路中。高压侧电压检测部用于检测buck电路的输出电压，例如在buck电路的输出端的两端连接电阻分压电路r1和r2，通过测量电阻分压电路的电压来得到buck电路的输出电压。
59.高压侧电流检测部ta2和/或高压侧电压检测部可以提供至高压侧控制部。并且高压侧控制部可以根据检测信号来判断高压侧是否出现过流或过压的故障，从而可以实现对高压侧的故障监控，并且在存在故障的情况下，可以停止供电装置的工作。因此在本公开中高压侧控制部可以实现高压侧的信号和状态的检测，并且也可以进行工作模数的控制等。
60.根据本公开的进一步实施方式，还提供了一种供电方法。其中上述的供电装置可以引用至该供电方法中，在此不再赘述。
61.图3示出了根据本公开的一个实施例的供电方法s100。如图所示该方法s100可以包括以下步骤。
62.在步骤s102中，将频率可变的驱动信号提供至供电装置的低压侧的逆变电路，以便控制逆变电路生成频率可调的交流逆变电压信号，其中频率可变的驱动信号为占空比固定且频率可调的频率可变的驱动信号。
63.其中低压侧可以包括逆变电路和低压侧控制部。其中，外部提供的直流电压可以被提供至逆变电路，并且该逆变电路可以对所接收的直流电压进行变换，以便生成频率可调的交流逆变电压信号。低压侧控制部可以向逆变电路提供频率可变的驱动信号，以便驱动逆变电路中的开关管进行导通和断开，从而使得该逆变电路根据该频率可变的驱动信号来将其所接收的直流电压转换为频率可调的交流逆变电压信号。该频率可调的交流逆变电压信号提供至高压隔离变压器以作为高压隔离变压器的输入信号。在本公开中，通过逆变电路产生低压侧的频率可调的交流逆变电压信号提供至高压隔离变压器，以便进行高压隔离变压器的初级侧和次级侧的能量传输以及提供次级侧的输出电压和/或输出电流的控制信号的两个功能。
64.逆变电路的频率可变的驱动信号可以为占空比固定且频率可调的频率可变的驱
动信号。其中频率可变的驱动信号的频率进行调整，以便让高压隔离变压器的初级侧产生频率可调的频率可调的交流逆变电压信号。通过频率的调节来改变提供至高压隔离变压器的电压值。此外，在本公开中，频率可变的驱动信号的占空比由供电装置的目标输出电压和/或目标输出电流所确定，即可以根据供电装置的目标输出电压和/或目标输出电流来改变频率可变的驱动信号的占空比。
65.在步骤s104中，通过高压隔离变压器将频率可调的交流逆变电压信号转换为次级逆变电压信号。高压隔离变压器可以实现初级侧和次级侧的频率可调的交流逆变电压信号的转换，并且可以用于初级侧和次级侧的能量传输，尤其是能够实现次级侧的输出控制信号的控制。
66.在步骤s106中，根据次级逆变电压信号的频率信号生成基准电压信号。频压转换电路可以根据次级逆变电压信号来生成基准电压信号。其中，频压转换电路根据与初级侧的交流逆变信号的频率一致的次级逆变电压信号来生成相应的基准电压信号。频压转换电路可以将该基准电压信号提供至高压侧控制部。
67.在步骤s108中，根据基准电压信号来生成控制信号，以便控制供电装置的高压隔离变压器的高压侧提供目标输出电压和/或目标输出电流。高压侧控制部可以根据该基准电压信号来生成提供至buck电路的开关管的控制信号，通过控制开关管的导通和断开，buck电路可以输出目标输出电压和/或目标输出电流。
68.其中在本公开中，频率可变的驱动信号的占空比能够根据目标输出电压和/或目标输出电流来进行调整。在本公开中，如图4所述，还可以包括步骤s101，其中，可以在低压侧控制部中输入电流输出目标值和/或电压输出目标值，并且低压侧控制部可以根据电流输出目标值和/或电压输出目标值来调节提供至驱动电路的频率可变的驱动信号，从而控制逆变电路的输出频率。
69.根据本公开的进一步实施方式，还提供了一种ct系统，例如口腔ct系统，其中该ct系统可以包括如上所述的供电装置，该供电装置可以为ct系统中的x射线球管提供电流可调的高电压。
70.根据本公开的技术方案，相比于现有技术，具有以下有益的效果。
71.在满足高电压隔离的条件下，可实现输出电压或电流可调，能满足在高压悬浮场合的低压辅助供电需求(隔离、可调、稳定性好等)。由于采用了逆变电压信号多功能复用控制技术，不需要再因高压侧的隔离采样增加隔离采样器件(磁性隔离器件、光通信隔离器件等)，大幅降低高压隔离及输出可调的实现难度，让产品的批量生产成为可能。由于高压隔离的器件或方式导致的系统体积大，重量大等缺陷都可以有效的避免，使产品的体积减小、重量减轻、安装方便，可适应绝大部分的高压场合。
72.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
73.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
74.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。