技术领域
[0001] 本
发明涉及的是高
电压发生器技术领域，具体涉及的是一种高频高压发生器三电平谐振变换装置。
背景技术
[0002] 高压发生器是X线机、CT机等高端医疗设备中的核心部件，其性能好坏直接影响着医学成像的
质量，是高端医疗设备中的关键技术之一。按控制的
频率可分为工频发生器、中频发生器和高频发生器，而高频高压发生器因其具有较高的射线输出剂量
稳定性、体积小、重量轻、控制
精度高、重复性好等优点，是目前高压发生器的主要发展方向，并且越来越被广泛地应用，具有良好的市场前景和重要的应用价值。
[0003] 目前主要的X线机生产厂家都己经将研发重点放到数字高频X线机，除了GE、SIEMENS、PHILIPS三大影像设备商外，专业生产高频高压发生器的厂家也日趋增多，如加拿大的CPI公司、西班牙的SEDECAL公司、国内的北京大恒公司等。通过对几家典型公司的高频高压发生器
电路原理和控制方式进行比较发现，它们的高压逆变电路结构比较类似，控制方式不尽相同，都有各自的特点。
[0004] 经过对
现有技术的检索发现，
专利申请号200710050425.3记载了一种逆变频率为30kHz的“医用诊断
X射线高频高压发生器”，该技术主要利用两组相同的普通逆变器，将50Hz工频电整流后逆变为30kHz的中频交流电，再通过两组相同的高频
变压器升压、整流后
串联得到高压直流供负载使用。该技术存在以下主要
缺陷：由于高频逆变器使用PWM变换器，如果将高压变压器直接应用在PWM变换器中，那么漏感的存在会产生较高的电压尖峰，容易损坏功率器件，绕组电容的存在会使变换器有较大的环流，降低了变换器的效率。并且难以实现
软开关控制，频率较高时功率器件
开关损耗大，系统寿命受到严重限制；其次，逆变频率提高比较困难，在同等容量下高频变压器体积、重量更大，输出高压不能大范围连续可调，高压发生器适用范围受到很大限制。
[0005] 又经检索发现，专利申请号200910185846.6记载了一种谐振型“用于X射线机的高压发生器及其控制方法”，逆变器拓扑采用串并联谐振结构，开关频率可以大大提高，但该技术也存在一定缺陷：一是交流输入为单相，高压发生器容量小；二是输出高压也不能在大范围连续可调，适用范围同样受到限制。
[0006] 以上技术还存在以下缺陷：在产生高压环节均采用了高频变压器进行升压，然而由于变压器变比很大，其漏感和分布电容等寄生参数对电路性能造成了不利影响。漏感产生尖峰电压，容易损坏开关管并影响
输出电压精度，而分布电容会产生尖峰
电流，使逆变器的暂态响应变差，高频变压器变比越大影响越明显。
发明内容
[0007] 本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高频高压发生器三电平谐振变换器。其目的在于，在相同的逆变工作频率下不仅可降低逆变输出对功率开关管开关频率的限制，大大提高逆变工作频率，还可以降低高频变压器的电压传输比，减少高频变压器的分布参数对高频逆变器工作特性的影响，同时容易提高高压发生器的容量。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：交流输入电源、EMI
滤波器、交直流
整流器、三电平谐振变换器、高压坦克、保护单元和电压
传感器等，其中：EMI滤波器的输入端为三相工频交流电源，EMI滤波器的输出端接交直流整流器的输入端，交直流整流器的输出端接三电平谐振变换器的输入单元，谐振变换器输出接高压坦克高频交流低压输入端，高压坦克的输出端与其工作负载（球管）相连，安装在高压坦克上的电压检测单元输出端与三电平谐振变换器的电压反馈输入端相连接，同时主
控制器通过保护输出
端子与系统保护单元连接。
[0009] 所述的三电平谐振变换器包括：直流直流升压变换器、带有谐振辅助单元的三电平逆变器和全局控制器，其中：直流直流升压变换器的输入端与交直流整流器的输出端相连接，输出端与三电平逆变器的直流
母线相连接；三电平逆变器的输出与高压坦克高频低压交流侧相连接，同时三电平逆变器通过控制输入端子与
主控制器控制输出端子连接；同时主控制器的控制输出端子与直流直流升压变换器的输入控制端连接；另外，主控制器通过检测输入端子与高压坦克电压检测单元输出端相连接，同时主控制器通过保护输出端子与系统保护单元连接。
[0010] 所述的EMI滤波器，主要抑制三相工频380V交流电的高频干扰。
[0011] 所述的交直流整流器，将三相工频380V交流电整流为540V直流电,为三电平谐振变流器提供直流电压。
[0012] 所述的直流直流升压变换器主要用于三电平逆变器直流输入电压的调整与控制，实现高压输出幅值与输出功率连续可调。
[0013] 所述的三电平谐振逆变器主要用于从工频交流电到高频交流电的转换与控制，获取不同频率与不同电压幅值大小的高频交流电。
[0014] 所述的电压传感器，为三电平谐振变流器提供高电压反馈
信号，以实现谐振PWM控制。
[0015] 所述的保护单元主要用于系统的各种安全保护。
[0016] 本发明通过以下方式进行工作：在系统启动时，谐振变换器读取电压控制参数。三电平谐振变换器的工作过程是：首先，谐振变换器中的直流直流变换器依据高压直流输出的控制参数要求，将交直流整流器输出的540V直流电变换为直流输出Ud,并且Ud连续可调，然后谐振变换器中的三电平逆变器将Ud逆变为高频交流输出U0，最后U0经过高压坦克中的高频变压器升压再整流为高压直流电HVd输出给负载。Ud的调整是通过直流直流变换器进行的，直流直流变换器采用ZCS-PWM-BOOST变换器来实现一种具有
零电流关断的有源无损缓冲升压控制。高频逆变器采用
二极管箝位型三电平主电路拓扑结构，采用阶梯波法实现对三电平逆变主电路的PWM控制,这种调制方法可以让功率器件的开关频率工作在基波频率，而且调制比变化范围宽而且
算法简单，
硬件上易于实现。
[0017] 与现有技术相比，本发明采用了升压-多电平逆变两级变换结构，其应用将不受高压发生器类型（单相或者三相交流输入）的限制；高压直流输出电压、逆变工作频率参数在线可调，即逆变器
直流母线电压大小、逆变频率可任意调整和控制，可以获得不同逆变频率、不同电压等级的直流高压输出，在控
制模块不变的条件下，还可以通过更换功率元件进行扩容，以适应不同功率等级对高压发生器容量的要求；由于采用三电平逆变技术，提高了整机功率因数，降低了开关损耗和对
电网所产生的谐波，系统节能、环保；整个控制系统实现全数字化设计，大大提高了系统的可靠性、灵活性。
附图说明
[0018] 图1为本发明结构示意图。
[0019] 图2为直流直流变换器结构示意图。
[0020] 图3三电平高频逆变器结构示意图。
[0021] 图4为高压坦克结构示意图；
[0022] 图5为
实施例效果示意图，即逆变频率为40kHz时负载端电压(VP1/V)与电流(I(RLC)/A)
波形，其中VP1为三电平逆变器输出端负载电压波形，I(RLC)为三电平逆变器输出端负载电流波形。
[0023] 图6为逆变频率为25.5kHz时负载端电压(VP1/V)、电流(I(RLC)/A)波形。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0025] 如图1、图2、图3、图4所示，本实施例包括：三相工频交流电源1、EMI滤波器2、交直流整流器3、谐振变换器4、高压坦克7、电压传感器8、系统保护单元10和球管负载11。其中：谐振变换器4由直流直流升压变换器5、三电平高频逆变器6及主控制器9组成；高压坦克7由高频变压器14和次级倍压整流单元15组成。EMI滤波器2的输入端与三相工频交流电源1相连接，EMI滤波器2的输出端与交直流整流器3的交流输入连接，交直流整流器3的直流输出端U1与谐振变换器4中直流直流升压变换器5的直流输入端连接，直流直流升压变换器5的直流输出端Ud与三电平高频逆变器6的直流母线输入端连接，三电平高频逆变器6的交流输出端U0与高压坦克7中高频变压器14的初级交流输入端连接，球管负载11的输入端与高压坦克7中次级倍压整流单元15的直流输出端相连接，次级倍压整流单元15中的电压传感器与谐振变换器4中的主控制器9连接，主控制器9同时与系统保护单元10相连接。
[0026] 所述的直流直流升压变换器5是一个单象限升压型直流变换电路（Boost电路），该电路包括两部分：一是有源缓冲电路12，由反并联二极管D1谐振电感L2、谐振电容C2、
续流二极管D2、和有源开关T2(其反并联二极管D3可利用MOSFET的内藏二极管)；二是
升压电路，由输入端串联大的滤波电感L1、开关管T1、输出端并联大的滤波电容Cd。C1为变换器输入滤波电容器。该升压电路的特点是在PWM-Boost电路的
基础上，可以实现ZCS-PWM-Boost的
软开关，关断损耗明显降低，有效地改善了电路特性，保持ZCS环境的电路条件容易实现，且不受输入电压和负载变化的影响，整机效率高。
[0027] 所述的三电平高频逆变器6采用二极管箝位型三电平逆变主电路拓扑结构，共包含两部分：其中D11、D12、D13、D14为箝位二极管，Cd1、Cd2为直流分压电容，两者电容值相等，每一相桥臂电路由4个主开关器件（G1、G2、G3、G4组成一相，G5、G6、G7、G8组成一相），4个续流二极管，2个箝位二极管（D11、D14为一组，D12、D13为一组），两相桥臂与箝位二极管构成全桥式逆变部分，为了改善主开关工作性能，每一个主开关并接一电容（C11～C18）；
另一部分为谐振辅助单元13，其中Ls为谐振电感（包含高频变压器14的漏感在内），Cs为串联谐振补偿电容，Cp为并联谐振电容（包含高频变压器14的分布电容在内）。Ls、Cs、Cp需要和高频变压器进行匹配考虑。根据具体需要，三电平高频逆变器以谐振方式工作时，可以工作在串联谐振、串并联谐振方式。
[0028] 本实施例中，在系统启动时，系统准备就绪后，图1所示的谐振变换器4中的主控制器9读取高压直流电压控制参数，谐振变换器4中的主控制器9首先依据控制参数要求，对直流直流变换器5直接进行PWM控制，本实施例中采用ZCS-PWM-BOOST变换方案来实现具有零电流关断的有源无损缓冲升压控制，将交直流整流器3输出的540V直流转换为所需的直流输出Ud,Ud可实现连续调节，然后谐振变换器4中的高频逆变器6将Ud逆变为高频交流输出U0，本实施例中逆变器采用二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构，并在DSP+FPGA硬件平台上采用阶梯波法实现对三电平逆变主电路的PWM控制,功率器件的开关频率可以工作在基波频率，调制比变化范围宽、算法简单，而且易于实现；最后U0经过高压坦克7中的高频变压器14升压，再经过次级倍压整流单元15变换为高压直流电HVd输出给球管负载11，并通过次级倍压整流单元15中电压传感器8的电压反馈实现对高压直流输出电压的闭环控制。
[0029] 本实施例通过实验方法进行了验证，验证环境为：移动式X射线机（高压发生器谐振工作频率40kHz，功率20kW）。测试条件：高频逆变器直流母线电压800VDC输入电压，IGBT开关管并联电容均为0.04μF，谐振电感Ls取105μH，补偿电容Cs取0.4μF，系统以串联谐振方式工作。图5、图6所示为上述实施例测试效果图。本实施例能够通过
修改现有的控制参数，可以检验高压发生器的控制效果。
