具有多模式逆变器的感应旋转接头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在相对彼此可旋转的两个单元之间耦合电功率的感应功率耦合设备，特别是用于计算机断层扫描仪中使用的功率耦合器。这样的功率耦合器也被称作旋转接头。
【背景技术】
[0002]在计算机断层(CT)扫描仪和其他相关机器中，在从1kW直到超过10kW范围中的大功率从静止侧被传送到旋转侧。这里，生成在超过一百千伏范围中的高电压以产生X射线辐射。
[0003]在美国专利US7，054，411中，公开了多通道感应旋转接头。它具有用于将功率从静上侧传输到旋转侧的感应通道。具有辅助电源和主电源电路。此外，提供了用于功率控制的电容性反馈链路。
[0004]在EP2530805A1中公开了一种具有安全功能的非接触式旋转接头。感应耦合的旋转接头的逆变器具有两种操作状态。在第一操作状态中，它接收三相电源线输入。在第二操作状态中，它接收单电源线输入。依赖于输入信号，在二次侧生成较高和较低的输出电压，其可以用于区分不同的操作状态。缺点是需要大功率接触器以用于输入信号的切换。
[0005]当接通输出功率时，在所有提到的感应耦合的旋转接头中存在一个普遍问题。在旋转变压器的二次侧具有整流器和滤波电容器。当二次侧被切断时，滤波电容器放电。针对接通二次侧，滤波电容器必须被充电到标称输出电压。在没有任何电流限制装置的情况下，在开启电路时会具有非常高的电流，直至滤波电容器被充电。这可能导致对相关联的电子组件的显著压力或甚至相关联的电子组件的过载。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的问题是提供非接触式感应耦合的旋转接头，其具有硬件安全电路，以用于传输至少两个不同输出功率水平，而无需在输入侧的大功率接触器。要解决的另一个问题是提供能够逐渐增加输出功率以避免接通输出功率时的大侵入电流的感应耦合的非接触式旋转接头。要解决的另一个问题是提供具有显著改进的动态范围的感应耦合的非接触式旋转接头。
[0007]问题的解决方案在独立权利要求中被描述。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
[0008]感应耦合的旋转接头具有一次侧和二次侧。优选的是，一次侧是静止侧，而二次侧是旋转侧。如果需要的话，如果功率要从旋转侧被传送到静止侧，则旋转侧和静止侧可以交换。
[0009]在一次侧，优选地由具有正极输出端和负极输出端的直流电源提供直流功率，所述直流电源可以是电池、直流线路、诸如耦接到交流线路的桥式整流器的整流器、或耦接到交流线路的功率因数校正电路。直流电源向逆变器电路供应直流功率。逆变器电路基本上是用于生成交流电压的全桥电路，也被称作H桥。具有四个半导体开关和四个二极管，一个二极管与一个开关反向并联。开关优选是IGBT或MOSFET。优选地，控制电路被提供以用于生成针对开关的控制信号。逆变器的输出端可以经由谐振电容器和可选的变压器和/或共模扼流圈耦接到旋转变压器的一次绕组。这些组件优选地形成具有谐振电容和谐振电感的串联谐振电路。谐振电容优选地由谐振电容器形成。优选地在串联电路中，例如在变压器和一次绕组之间或在二次绕组处，可以具有其他电容器。谐振电感优选地由变压器和/或旋转耦合器的杂散电感形成。谐振电容和谐振电感确定至少一个串联谐振频率。从一次侧的一次绕组耦合的能量由旋转变压器的二次侧处的二次绕组接收并且优选地被馈送到整流器。整流器经由二次滤波电容器将整流信号传输到二次负载。整流器可以是桥式整流器或倍压整流电路，其具有二极管或如IGBT或MOSFET的可控半导体开关。如果在二次侧需要交流电压，则整流器和电容器可以被省略。一次绕组和/或二次绕组可以包括多个绕组部分。
[0010]在优选的实施例中，逆变器具有至少两个不同的操作模式，它们最优选地由控制电路设置。在第一操作模式中，逆变器用作半桥电路，仅将较低功率水平传输到二次侧，而在第二操作模式中，逆变器用作全桥电路，将全功率传输到二次侧。为了电路的平稳通电，优选的是逆变器通过在第一操作模式中开始传输较低功率，并且在一段时间后切换到传输全功率的第二操作模式，以开始序列工作。这避免了通电时大的浪涌电流。
[0011]逆变器电路包括至少两个开关支路，其具有以下与二极管并联的开关。第一支路包括连接在直流电源的正极输出端和第一逆变器输出端之间的第一开关。它还包括连接在第一逆变器输出端和直流电源的负极输出端之间的第二开关。第二支路包括连接在直流电源的正极输出端和第二逆变器输出端之间的第三开关。它还包括连接在第二逆变器输出端和直流电源的负极输出端之间的第四开关。
[0012]优选地逆变器具有第一操作模式，其在半桥模式中操作。在这个模式中，闭合一个支路的一个开关，将逆变器输出端连接到直流电源的正极输出端或负极输出端。在另一支路中，交替地闭合开关。将在示例中解释所述操作。在这个示例中，闭合第四开关，将第二逆变器输出端连接到直流电源的负极输出端。交替地闭合第一和第二开关，将第一逆变器输出端连接到直流电源的正极输出端或负极输出端。当连接至直流电源的正极输出端时，能量被馈送到谐振电路。当连接至直流电源的负极输出端时，谐振电路短路。因此能量仅仅在第一开关闭合的间隔期间被传输到谐振电路。通常地，本文所使用的术语闭合涉及半导体开关的导通或接通状态。术语断开涉及半导体开关的隔离或关断状态。
[0013]为了启动电源，优选的是以半桥模式开始。进一步优选的是用最优选地高于或低于谐振频率的第一频率操作开关的第一支路。闭合第二支路的第四开关。当启动逆变器时，谐振电容器必须被充电到与直流电源的电压的一半相对应的电压。为了避免较高的充电电流，优选的是以第一开关的低占空比开始，并且随着时间的推移增加此占空比直到达到特定功率水平或直到50 %的最大占空比，取其中较低的那个。以这种方式，存在在其期间功率被传输到谐振电路、提供低功率流的短间隔。在增加占空比时，功率流的间隔增加，并且因此传输的功率增加。优选地，通过经由独立于桥控制电路的电路独立且异步地降低一个半桥的驱动器中的一个的功率来启动半桥模式。
[0014]为了通过施加更高的一次电压进而获得更高的二次电压，进一步增加功率的传输，优选地通过在全桥操作中交替切换第一支路和第二支路，并且通过使用高于或低于谐振频率的第二频率，做出到全桥模式的过渡。此外，优选的是调节占空比以获得所需要的功率传输。功率传输还可以通过调节接近于谐振频率的频率而被控制。优选地，与第一频率比较，第二频率具有到串联谐振频率的较大偏移。最优选地，第二频率高于谐振频率而第一频率稍微低于谐振频率。
[0015]为了回复到半桥模式，可以维持操作频率，但在第四开关已经永久闭合后，第一开关和第二开关开始以逐渐增加的低占空比进行操作。通过在半桥模式和全桥模式之间交替，感应耦合的旋转接头具有与现有技术相比显著改进的动态范围。
[0016]在优选的实施例中，为了实施安全特征，可以提供硬件电路以在半桥模式和全桥模式之间切换。这可以通过硬件电路进行，此硬件电路用于通过迫使支路的一个开关进入断开状态并且迫使相同支路的另一开关进入闭合状态来禁用全桥模式。这可以通过开关晶体管或通过简单的逻辑门简单地进行。这可以独立于如可以由控制电路提供的开关的控制信号而工作。
[0017]进一步优选的是，二次侧具有用于评估所传输的功率并且因此用于激活如X射线管的特定组件的至少一个装置，类似于同一申请人的EP 2 530 805A1所公开的内容，此公开通过引用的方式被并入本文。通过将第一开关锁到断开位置并且将第二开关锁到闭合位置，安全电路可以简单地阻止一个支路的开关的交替切换。其他支路可以正常地操作。这迫使电路进入半桥模式，仅仅将降低的电压水平传输到二次侧。在二次侧上可以具有另外的直流/直流变换器，以提供用于如控制电路和/或计算机的特定电子设备的可控的输出电压。
[0018]在进一步的实施例中，在正极输出端和负极输出端以及负载之间具有直流/直流变换器。此直流/直流变换器可以是升压变换器、降压变换器或两者的组合。直流/直流变换器还可以是在升压变换和降压变换之间可切换的。可替