具有多模式逆變器的感應(yīng)旋轉(zhuǎn)接頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在相對彼此可旋轉(zhuǎn)的兩個單元之間耦合電功率的感應(yīng)功率耦合設(shè)備，特別是用于計算機(jī)斷層掃描儀中使用的功率耦合器。這樣的功率耦合器也被稱作旋轉(zhuǎn)接頭。
【背景技術(shù)】
[0002]在計算機(jī)斷層(CT)掃描儀和其他相關(guān)機(jī)器中，在從1kW直到超過10kW范圍中的大功率從靜止側(cè)被傳送到旋轉(zhuǎn)側(cè)。這里，生成在超過一百千伏范圍中的高電壓以產(chǎn)生X射線輻射。
[0003]在美國專利US7，054，411中，公開了多通道感應(yīng)旋轉(zhuǎn)接頭。它具有用于將功率從靜上側(cè)傳輸?shù)叫D(zhuǎn)側(cè)的感應(yīng)通道。具有輔助電源和主電源電路。此外，提供了用于功率控制的電容性反饋鏈路。
[0004]在EP2530805A1中公開了一種具有安全功能的非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭。感應(yīng)耦合的旋轉(zhuǎn)接頭的逆變器具有兩種操作狀態(tài)。在第一操作狀態(tài)中，它接收三相電源線輸入。在第二操作狀態(tài)中，它接收單電源線輸入。依賴于輸入信號，在二次側(cè)生成較高和較低的輸出電壓，其可以用于區(qū)分不同的操作狀態(tài)。缺點(diǎn)是需要大功率接觸器以用于輸入信號的切換。
[0005]當(dāng)接通輸出功率時，在所有提到的感應(yīng)耦合的旋轉(zhuǎn)接頭中存在一個普遍問題。在旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)具有整流器和濾波電容器。當(dāng)二次側(cè)被切斷時，濾波電容器放電。針對接通二次側(cè)，濾波電容器必須被充電到標(biāo)稱輸出電壓。在沒有任何電流限制裝置的情況下，在開啟電路時會具有非常高的電流，直至濾波電容器被充電。這可能導(dǎo)致對相關(guān)聯(lián)的電子組件的顯著壓力或甚至相關(guān)聯(lián)的電子組件的過載。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的問題是提供非接觸式感應(yīng)耦合的旋轉(zhuǎn)接頭，其具有硬件安全電路，以用于傳輸至少兩個不同輸出功率水平，而無需在輸入側(cè)的大功率接觸器。要解決的另一個問題是提供能夠逐漸增加輸出功率以避免接通輸出功率時的大侵入電流的感應(yīng)耦合的非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭。要解決的另一個問題是提供具有顯著改進(jìn)的動態(tài)范圍的感應(yīng)耦合的非接觸式旋轉(zhuǎn)接頭。
[0007]問題的解決方案在獨(dú)立權(quán)利要求中被描述。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)。
[0008]感應(yīng)耦合的旋轉(zhuǎn)接頭具有一次側(cè)和二次側(cè)。優(yōu)選的是，一次側(cè)是靜止側(cè)，而二次側(cè)是旋轉(zhuǎn)側(cè)。如果需要的話，如果功率要從旋轉(zhuǎn)側(cè)被傳送到靜止側(cè)，則旋轉(zhuǎn)側(cè)和靜止側(cè)可以交換。
[0009]在一次側(cè)，優(yōu)選地由具有正極輸出端和負(fù)極輸出端的直流電源提供直流功率，所述直流電源可以是電池、直流線路、諸如耦接到交流線路的橋式整流器的整流器、或耦接到交流線路的功率因數(shù)校正電路。直流電源向逆變器電路供應(yīng)直流功率。逆變器電路基本上是用于生成交流電壓的全橋電路，也被稱作H橋。具有四個半導(dǎo)體開關(guān)和四個二極管，一個二極管與一個開關(guān)反向并聯(lián)。開關(guān)優(yōu)選是IGBT或MOSFET。優(yōu)選地，控制電路被提供以用于生成針對開關(guān)的控制信號。逆變器的輸出端可以經(jīng)由諧振電容器和可選的變壓器和/或共模扼流圈耦接到旋轉(zhuǎn)變壓器的一次繞組。這些組件優(yōu)選地形成具有諧振電容和諧振電感的串聯(lián)諧振電路。諧振電容優(yōu)選地由諧振電容器形成。優(yōu)選地在串聯(lián)電路中，例如在變壓器和一次繞組之間或在二次繞組處，可以具有其他電容器。諧振電感優(yōu)選地由變壓器和/或旋轉(zhuǎn)耦合器的雜散電感形成。諧振電容和諧振電感確定至少一個串聯(lián)諧振頻率。從一次側(cè)的一次繞組耦合的能量由旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)處的二次繞組接收并且優(yōu)選地被饋送到整流器。整流器經(jīng)由二次濾波電容器將整流信號傳輸?shù)蕉呜?fù)載。整流器可以是橋式整流器或倍壓整流電路，其具有二極管或如IGBT或MOSFET的可控半導(dǎo)體開關(guān)。如果在二次側(cè)需要交流電壓，則整流器和電容器可以被省略。一次繞組和/或二次繞組可以包括多個繞組部分。
[0010]在優(yōu)選的實施例中，逆變器具有至少兩個不同的操作模式，它們最優(yōu)選地由控制電路設(shè)置。在第一操作模式中，逆變器用作半橋電路，僅將較低功率水平傳輸?shù)蕉蝹?cè)，而在第二操作模式中，逆變器用作全橋電路，將全功率傳輸?shù)蕉蝹?cè)。為了電路的平穩(wěn)通電，優(yōu)選的是逆變器通過在第一操作模式中開始傳輸較低功率，并且在一段時間后切換到傳輸全功率的第二操作模式，以開始序列工作。這避免了通電時大的浪涌電流。
[0011]逆變器電路包括至少兩個開關(guān)支路，其具有以下與二極管并聯(lián)的開關(guān)。第一支路包括連接在直流電源的正極輸出端和第一逆變器輸出端之間的第一開關(guān)。它還包括連接在第一逆變器輸出端和直流電源的負(fù)極輸出端之間的第二開關(guān)。第二支路包括連接在直流電源的正極輸出端和第二逆變器輸出端之間的第三開關(guān)。它還包括連接在第二逆變器輸出端和直流電源的負(fù)極輸出端之間的第四開關(guān)。
[0012]優(yōu)選地逆變器具有第一操作模式，其在半橋模式中操作。在這個模式中，閉合一個支路的一個開關(guān)，將逆變器輸出端連接到直流電源的正極輸出端或負(fù)極輸出端。在另一支路中，交替地閉合開關(guān)。將在示例中解釋所述操作。在這個示例中，閉合第四開關(guān)，將第二逆變器輸出端連接到直流電源的負(fù)極輸出端。交替地閉合第一和第二開關(guān)，將第一逆變器輸出端連接到直流電源的正極輸出端或負(fù)極輸出端。當(dāng)連接至直流電源的正極輸出端時，能量被饋送到諧振電路。當(dāng)連接至直流電源的負(fù)極輸出端時，諧振電路短路。因此能量僅僅在第一開關(guān)閉合的間隔期間被傳輸?shù)街C振電路。通常地，本文所使用的術(shù)語閉合涉及半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通或接通狀態(tài)。術(shù)語斷開涉及半導(dǎo)體開關(guān)的隔離或關(guān)斷狀態(tài)。
[0013]為了啟動電源，優(yōu)選的是以半橋模式開始。進(jìn)一步優(yōu)選的是用最優(yōu)選地高于或低于諧振頻率的第一頻率操作開關(guān)的第一支路。閉合第二支路的第四開關(guān)。當(dāng)啟動逆變器時，諧振電容器必須被充電到與直流電源的電壓的一半相對應(yīng)的電壓。為了避免較高的充電電流，優(yōu)選的是以第一開關(guān)的低占空比開始，并且隨著時間的推移增加此占空比直到達(dá)到特定功率水平或直到50 %的最大占空比，取其中較低的那個。以這種方式，存在在其期間功率被傳輸?shù)街C振電路、提供低功率流的短間隔。在增加占空比時，功率流的間隔增加，并且因此傳輸?shù)墓β试黾印?yōu)選地，通過經(jīng)由獨(dú)立于橋控制電路的電路獨(dú)立且異步地降低一個半橋的驅(qū)動器中的一個的功率來啟動半橋模式。
[0014]為了通過施加更高的一次電壓進(jìn)而獲得更高的二次電壓，進(jìn)一步增加功率的傳輸，優(yōu)選地通過在全橋操作中交替切換第一支路和第二支路，并且通過使用高于或低于諧振頻率的第二頻率，做出到全橋模式的過渡。此外，優(yōu)選的是調(diào)節(jié)占空比以獲得所需要的功率傳輸。功率傳輸還可以通過調(diào)節(jié)接近于諧振頻率的頻率而被控制。優(yōu)選地，與第一頻率比較，第二頻率具有到串聯(lián)諧振頻率的較大偏移。最優(yōu)選地，第二頻率高于諧振頻率而第一頻率稍微低于諧振頻率。
[0015]為了回復(fù)到半橋模式，可以維持操作頻率，但在第四開關(guān)已經(jīng)永久閉合后，第一開關(guān)和第二開關(guān)開始以逐漸增加的低占空比進(jìn)行操作。通過在半橋模式和全橋模式之間交替，感應(yīng)耦合的旋轉(zhuǎn)接頭具有與現(xiàn)有技術(shù)相比顯著改進(jìn)的動態(tài)范圍。
[0016]在優(yōu)選的實施例中，為了實施安全特征，可以提供硬件電路以在半橋模式和全橋模式之間切換。這可以通過硬件電路進(jìn)行，此硬件電路用于通過迫使支路的一個開關(guān)進(jìn)入斷開狀態(tài)并且迫使相同支路的另一開關(guān)進(jìn)入閉合狀態(tài)來禁用全橋模式。這可以通過開關(guān)晶體管或通過簡單的邏輯門簡單地進(jìn)行。這可以獨(dú)立于如可以由控制電路提供的開關(guān)的控制信號而工作。
[0017]進(jìn)一步優(yōu)選的是，二次側(cè)具有用于評估所傳輸?shù)墓β什⑶乙虼擞糜诩せ钊鏧射線管的特定組件的至少一個裝置，類似于同一申請人的EP 2 530 805A1所公開的內(nèi)容，此公開通過引用的方式被并入本文。通過將第一開關(guān)鎖到斷開位置并且將第二開關(guān)鎖到閉合位置，安全電路可以簡單地阻止一個支路的開關(guān)的交替切換。其他支路可以正常地操作。這迫使電路進(jìn)入半橋模式，僅僅將降低的電壓水平傳輸?shù)蕉蝹?cè)。在二次側(cè)上可以具有另外的直流/直流變換器，以提供用于如控制電路和/或計算機(jī)的特定電子設(shè)備的可控的輸出電壓。
[0018]在進(jìn)一步的實施例中，在正極輸出端和負(fù)極輸出端以及負(fù)載之間具有直流/直流變換器。此直流/直流變換器可以是升壓變換器、降壓變換器或兩者的組合。直流/直流變換器還可以是在升壓變換和降壓變換之間可切換的?？商?