多路独立高压输出装置、X射线设备及控制方法与流程

本公开提供了一种多路独立高压输出装置、x射线设备及控制方法。

背景技术：

在高压x射线设备中，通常包括多个x射线球管，为了给多个射线球管独立供电，在现有技术中通常采用多台独立的高压供电装置、或者采用多路输出的高压装置并且在高压输出侧串联高压开关设备来实现多个射线球管的独立供电。

在使用多台独立的高压供电装置供电的情况下，虽然可以实现对多个x射线球管的独立供电，但是对高压x射线装置的数量要求也随着x射线球管数量的增加而增加。因此这种方式将会使采用该装置的整机系统体积和成本成倍地增加。

在高压输出侧串联高压开关设备来实现多个射线球管的独立供电的情况下，由于在高压输出侧串接高压开关，因此对高压开关的耐压、驱动电路等都提出了较高的要求。通常高压开关一般采用真空闸流管器件或者多个igbt(或晶闸管)等半导体器件串并联实现刚管调制开关方式解决。不管是采用何种方式，高压开关的整体尺寸都较大，并且需要对开关做高压绝缘处理，因此对x射线设备来说，采用这种方式并不能很好地减小尺寸，相反地由于高压开关需要较为严苛的高电压隔离驱动电路，会使整机的系统构成更为复杂，同时甚至会因为高压开关系统的成本问题而使得成本变高。因此在x射线设备中使用该方案，并不能实现小体积及低成本的x射线设备，反而会使系统设计更为复杂，也会大大增加x射线设备的生产工艺的难度。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种多路独立高压输出装置、x射线设备及控制方法。

根据本公开的一个方面，提供了一种多路独立高压输出装置，所述多路独立高压输出装置通过多个独立高压输出回路来输出多个高电压，并且所述多个高电压分别提供至x射线装置的多个x射线管，所述多路独立高压输出装置包括：

逆变器，所述逆变器用于将输入的直流电压转换为第一交流电压；

多个变压器，每个变压器包括初级线圈和次级线圈，并且每个变压器的初级线圈接收所述第一交流电压，并且基于所述第一交流电压，每个变压器的次级线圈输出第二交流电压，其中第二交流电压的电压幅值大于第一交流电压的电压幅值；

多个悬浮控制开关，所述多个悬浮控制开关分别连接至所述多个变压器的初级线圈侧，以便通过悬浮控制开关的通断来独立控制每个变压器的次级线圈所输出的第二交流电压；

控制单元，所述控制单元提供所述多个悬浮控制开关的开关控制信号，以便分别对多个悬浮控制开关的通断进行控制。

根据本公开的至少一个实施方式，所述逆变器的数量为一个，该一个逆变器为多个变压器的初级线圈提供第一交流电压。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括多个倍压整流电路，所述多个倍压整流电路分别连接所述多个变压器的次级线圈，以便将所述多个变压器的次级线圈输出的第二交流电压转换为直流高电压以便为多个x射线管供电。

根据本公开的至少一个实施方式，所述逆变器包括buck电路和llc电路，所述buck电路用于将输入的直流电压转换为中间直流电压，并且所述中间直流电压提供给所述llc电路，所述llc电路用于将所述中间直流电压转换为所述第一交流电压。

根据本公开的至少一个实施方式，所述buck电路包括buck开关，所述控制单元提供用于控制所述buck开关的驱动信号，所述控制单元接收多个独立高压输出回路所输出的输出电压和/或输出电流，对所述buck电路的输出电压进行pid控制计算，并且根据计算结果来改变所述buck开关的驱动信号，以使得每个变压器的次级线圈输出的第二交流电压稳定。

根据本公开的至少一个实施方式，所述buck开关的驱动信号为频率固定且占空比可调的驱动信号，通过调整所述驱动信号的占空比来调节所述中间直流电压。

根据本公开的至少一个实施方式，所述buck电路包括第一开关、第一二极管、第一电感和第一电容，所述第一开关的第一端连接输入的直流电压的正端，所述第一开关的第二端连接所述第一电感的第一端和第一二极管的第一端，所述第一二极管的第二端连接输入的直流电压的负端，所述第一电感的第二端作为buck电路的输出端，并且在所述第一电感的第二端与输入的直流电压的负端之间连接所述第一电容。

根据本公开的至少一个实施方式，所述llc电路包括第二电容、第三电容、第二开关、第三开关、谐振电容和谐振电感，所述第二电容和第三电容的串联电路连接在所述buck电路的输出端，所述第二开关和第三开关的串联电路连接在所述buck电路的输出端，并且所述第二开关和第三开关的连接点连接所述谐振电容和谐振电感的串联电路的第一端，所述谐振电容和谐振电感的串联电路的第二端经由所述多个悬浮控制开关分别连接至所述多个变压器的初级线圈的第一端，所述第二电容和第三电容的连接点分别连接至所述多个变压器的初级线圈的第二端。

根据本公开的至少一个实施方式，所述控制单元提供所述第二开关和第三开关的驱动信号，并且所述第二开关和第三开关的驱动信号为频率和占空比固定的驱动信号。

根据本公开的至少一个实施方式，所述多个悬浮控制开关选自igbt开关、mos管开关或者晶闸管开关中的任意一种。

根据本公开的另一方面，提供了一种x射线设备，包括：

如上任一项所述的多路独立高压输出装置；以及

多个x射线管，所述多路独立高压输出装置输出的多个高电压分别提供至所述多个x射线管，并且通过多个悬浮控制开关的独立控制来分别控制提供至所述多个x射线管的高电压。

根据本公开的再一方面，提供了一种如上任一项所述的多路独立高压输出装置的控制方法，包括：

至少根据多路独立高压输出装置的高压输出电压值，通过所述控制单元控制buck电路开关、llc电路开关及悬浮控制开关的导通与断开；

采集多个独立高压输出回路的输出电压和/或输出电流，并且所述控制单元根据所采集的输出电压和/或电流来对buck电路的输出电压和/或电流做pid控制计算；以及

所述控制单元调整提供至buck电路开关的驱动信号的占空比。

根据本公开的至少一个实施方式，buck电路开关的驱动信号为频率固定且占空比可调的驱动信号，llc电路开关的驱动信号为频率固定且占空比固定的驱动信号。

根据本公开的至少一个实施方式，，所述控制单元根据外部输入的高压输出的电压值、工作时序、期望工作频率和/或期望占空比来控制所述多个悬浮控制开关。

附图说明

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。

图1示出了根据本公开的一个实施方式的多路独立高压输出装置的示意性框图。

图2示出了根据本公开的一个实施方式的多路独立高压输出装置的示意性电路图。

图3示出了根据本公开的一个实施方式的控制方法的流程图。

图4示出了根据本公开的一个实施方式的控制方法的流程图。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

根据本公开的一个实施方式，提供了一种多路独立高压输出装置。在下面的描述中，本公开中所使用的术语“多个”的含义为“两个或多于两个”。

图1示出了根据本公开的一个实施方式的多路独立高压输出装置10的示意图。

如图1所示，多路独立高压输出装置10通过多个独立高压输出回路来输出多个高电压，并且多个高电压分别提供至x射线装置的多个x射线管20，例如一对一地向x射线管20来提供高电压。

多路独立高压输出装置10可以包括逆变器100、带有悬浮控制开关的变压器200和控制单元300。

逆变器100可以接收例如来自电压源的直流电压，并且将输入的直流电压转换为第一交流电压。其中在逆变器100中可以包括控制开关，并且控制开关可以根据控制单元的开关控制信号进行导通或断开，从而将直流电压变换为交流电压。

带有悬浮控制开关的变压器200的数量可以为多个，例如在图1中示出了包括n个带有悬浮控制开关的变压器200，其中n＞1。

每个带有悬浮控制开关的变压器200可以包括一个悬浮控制开关和一个变压器。每个变压器包括初级线圈和次级线圈，并且每个变压器的初级线圈接收第一交流电压，并且基于第一交流电压，每个变压器的次级线圈输出第二交流电压，其中第二交流电压的电压幅值大于第一交流电压的电压幅值。悬浮控制开关连接在逆变器的输出端与变压器的初级线圈侧，通过悬浮控制开关的通断来独立控制每个变压器的次级线圈所输出的第二交流电压。其中控制单元提供多个悬浮控制开关的开关控制信号，以便分别对多个悬浮控制开关的通断进行控制。

控制单元300可以为数字控制模块，并且为逆变器的开关和悬浮控制开关提供数字驱动信号，例如可以提供pwm(脉宽调制)信号。这样通过控制单元300所提供的驱动信号来实现逆变器的开关和悬浮控制开关的导通与断开，从而可以改变经过调制的输出电压。其中，数字控制模块可以为dsp或者fpga的形式。

在本公开中，逆变器100的数量可以为一个，也就是说，通过一个逆变器为多个变压器200的初级线圈提供第一交流电压。

每个带有悬浮控制开关的变压器200中的悬浮控制开关可以为单个开关的形式，例如悬浮控制开关可以选自igbt开关、mos管开关和晶闸管开关。

根据本公开的实施方式，由于悬浮控制开关设置在变压器的初级侧，因此悬浮控制开关所承受的工作电压较低，这样悬浮控制开关的选择范围较广，可以选择单只igbt、mos管或晶闸管等作为悬浮控制开关即可实现开关控制。而且通过单只开关来实现控制功能，其相应的驱动电路也会变得简单可靠，进一步地保证系统工作的安全可靠性。

单只igbt、mos管或晶闸管等作为悬浮控制开关，驱动电路简单，因此可以很方便地将悬浮控制开关电路集成于主回路的pcb(印刷电路板)中。这样根据本公开的多路独立高压输出的x射线装置的体积与传统的单高压输出x射线装置体积基本相同，在需要使用多个x射线管的x射线设备中使用根据本公开的装置，将会大大地减小整个系统体积及重量，而且可以容易地满足x射线设备的不同使用场景需求。

由于悬浮控制开关可采用单只igbt、mos管或晶闸管等作为悬浮控制开关，因此在需要多路输出独立高压时，与传统的多台高压x射线装置或现有高压串联高压开关技术相比，成本降低了至少1倍。因此根据本公开的x射线设备，可以大幅降低x射线设备成本，方便x射线设备的推广使用。

根据本公开的进一步实施例，多路独立高压输出装置10还可以包括倍压整流电路400，其中每个变压器的输出端可以连接一个倍压整流电路。这样多个倍压整流电路分别连接多个变压器的次级线圈，以便将多个变压器的次级线圈输出的第二交流电压转换为直流高电压以便为多个x射线管20供电。

图2示出了根据本公开的实施方式的多路独立高压输出装置10的电路示意图。

在本公开中，通过对逆变器进行设计来与悬浮控制开关进行配合，从而来实现多路独立高压输出装置。

逆变器100包括buck电路(降压式变换电路)和llc电路(谐振电路)，buck电路用于将输入的直流电压转换为中间直流电压并且中间直流电压提供给llc电路，llc电路用于将中间直流电压转换为第一交流电压。

如图2所示，buck电路可以包括第一开关101、第一二极管102、第一电感103和第一电容104，第一开关101的第一端连接输入的直流电压vin的正端，第一开关101的第二端连接第一电感的第一端和第一二极管102的第一端，第一二极管102的第二端连接输入的直流电压的负端，第一电感103的第二端作为buck电路的输出端，并且在第一电感103的第二端与输入的直流电压的负端之间连接第一电容104，这样第一电感103和第一电容104构成了低通滤波器，从而可以使得直流电压vin的直流分量通过，并且抑制谐波分量。此外，在直流电压的两个输入端之间还可以连接有电容111。

在本公开中，第一开关101、第一二极管102、第一电感103和第一电容104构成了一级buck电路，该buck电路的输出为llc电路的母线供电。buck电路的第一开关101的驱动信号可以通过控制单元300来进行提供。通过控制单元300所提供的驱动信号可以是频率固定且占空比可调的驱动信号，通过驱动信号的占空比的调节来实现buck电路的输出电压值的调节。

在本公开中，控制单元可以采集多个变压器所输出的或倍压整流电路所输出的多路高压输出信号(电压和/或电流)，对buck电路输出的电压和/或电流进行pid控制计算，从而来改变第一开关101的驱动信号的占空比来使得多路高压输出的电压和/或电流稳定。

如图2所示，llc电路可以包括第二电容105、第三电容106、第二开关107、第三开关108、谐振电容109和谐振电感110。

第二电容105、第三电容106、第二开关107和第三开关108构成桥式电路，并且谐振电容109和谐振电感110构成谐振电路。

在桥式电路中，第二电容105和第三电容106的串联电路连接在buck电路的输出端，第二开关107和第三开关108的串联电路连接在buck电路的输出端，并且第二开关107和第三开关108的连接点连接谐振电容109和谐振电感110的串联电路的第一端，谐振电容109和谐振电感110的串联电路的第二端经由多个悬浮控制开关211、212、…、21n分别连接至多个变压器221、222、…、22n的初级线圈的第一端，第二电容105和第三电容106的连接点分别连接至多个变压器的初级线圈的第二端。

控制单元300提供第二开关107和第三开关108的驱动信号，并且第二开关107和第三开关108的驱动信号为频率和占空比固定的驱动信号。其中第二开关107和第三开关108的驱动信号可以通过预先设定的方式设置在控制单元中。通过llc电路将buck电路输出的直流电压转换为频率及占空比固定的交流信号，经由悬浮控制开关输送至变压器的初级线圈。

在每个带有悬浮控制开关的变压器200中，悬浮控制开关211、212、…、21n的一端连接谐振电路的输出端，并且另一端连接至变压器的初级线圈的一侧。

控制单元300可以控制悬浮控制开关211、212、…、21n的选择(导通或断开)、工作时序、工作频率和/或占空比大小，从而来实现多路高压输出的独立控制。从而可以通过悬浮控制开关211、212、…、21n来控制变压器的工作逻辑，变压器将初级线圈的电压转换为多路输出的隔离高压。最后每个变压器的次级线圈分别连接一个倍压整流电路401、402、…、40n，从而将次级线圈所输出的交流高电压转换至直流电压，来提供至对应的x射线管20。

在本公开中，通过控制单元控制悬浮控制开关来控制变压器的工作逻辑，这样可以满足x射线设备中的多个x射线管对不同高压的需求，并且控制单元提供至多个悬浮控制开关的驱动信号可以根据需求来改变工作时序、工作频率、占空比大小等，这样可以实现对多路输出电压的独立控制。

通过本公开的多路独立高压输出装置10，提供了高压变压器初级线圈带有悬浮控制开关的buck-llc级联式多路独立高压输出方式，这样可以真正地降低x射线的整机成本，同时减小x射线设备的体积、重量，并且具有极高的实用性。

根据本公开的进一步实施方式，还提供了一种上述多路独立高压输出装置的控制方法。

图3示出了该控制方法s100的流程图。

该控制方法s100可以包括步骤s102至s108。

在步骤s102中，可以根据系统的需求控制开关的工作。其中控制单元可以对buck电路中的开关采用频率固定且占空比可调的方式来进行控制，对于llc电路中的开关可以采用频率固定且占空比固定的方式来进行控制。

对于悬浮控制开关的控制，控制单元可以接收x射线设备的指令，该指令可以包括高压输出的电压值、多路高压输出控制的工作时序、工作频率和占空比的要求。

在步骤s104中，可以对buck电路的输出电压和/或电流做pid控制计算，并且根据计算结果来调整提供至buck电路的开关的驱动信号，例如可以调整该驱动信号的占空比大小，这样可以使得多路高压输出的电压、电流稳定。其中，在步骤s104中，可以根据步骤s108所采集的多路独立高压输出的输出信号来进行pid控制运算。

在步骤s106中，提供多路高压输出，以便为多个x射线管供电，并且可以实现多路高压输出的独立控制。

图4示出了根据本公开的一个实施方式的一种上述多路独立高压输出装置的控制方法200。

如图4所示，在x射线设备工作之后，首先在步骤s202中判断初始化是否存在故障。如果存在故障，则转至步骤s216，并且系统将会关机。

如果在步骤s202中判断初始化不存在故障，则在步骤s204中获取高压输出的需求，该需求例如可以包括输出几路高压、工作时序的要求，输出的电压值、电流值等的要求。

在步骤s206中，控制单元可以根据高压输出需求来进行响应，从而输出各个开关的驱动信号，以便驱动开关进行工作。

在步骤s208中，判断高压输出装置是否出现故障，如果出现故障，则转至步骤s216，如果未出现故障，则在步骤s210中，可以对buck电路的输出电压和/或电流做pid控制计算，并且根据计算结果来调整提供至buck电路的开关的驱动信号，例如可以调整该驱动信号的占空比大小，这样可以使得多路高压输出的电压、电流稳定。其中，在步骤s210中，可以根据步骤s214所采集的多路独立高压输出的输出信号来进行pid控制运算。在步骤s212中，提供多路高压输出，以便为多个x射线管供电，并且可以实现多路高压输出的独立控制。

根据本公开的进一步实施方式，还提供了一种x射线设备。该x射线设备可以包括上述的多路独立高压输出装置；以及多个x射线管。

其中多路独立高压输出装置输出的多个高电压分别提供至多个x射线管，并且通过多个悬浮控制开关的独立控制来分别控制提供至多个x射线管的高电压。

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申请的至少一个实施例/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。

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。在本申请的描述中，“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。

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。