一種用於產生勵磁電流的掃描電源的製作方法

2023-09-17 19:08:20 2

專利名稱：一種用於產生勵磁電流的掃描電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及重離子腫瘤治療設備技術領域，尤其是涉及ー種用於產生勵磁用掃描電流的電源。
背景技術：
重離子治癌是放射治療中最新發展起來的ー種方法，其工作原理是利用高能重離子束對腫瘤進行照射從而殺死腫瘤細胞。重離子束流在加速完成之後配送至治療終端吋，一般都是很細的一束(又稱為筆束)。腫瘤病灶一般是無固定形狀的，但是總可以用空間三維坐標來精確描述腫瘤形狀。一般情況下Z方向定義為腫瘤深度，X和Y方向定義為腫瘤長度和寬度。為了提高治療效率，減小副作用，需要將配送系統送過來的筆束進行變換，即將束流按照被照射腫瘤的XYZ三個方向的尺寸進行控制和變換，以適應腫瘤的形狀，此過程又稱為適形。其中深度方向即Z方向控制是由束流能量決定的。X方向和Y方向控制是 通過掃描系統實現的，X方向掃描磁鐵和Y方向掃描磁鐵與其勵磁電源一起組成掃描了系統。掃描磁鐵與其勵磁電流是通過考掃描系統中的掃描電源供電。重離子腫瘤治療中一般有兩種掃描方式，ー種為被動掃描，又稱為連續掃描；另外ー種為主動掃描，又稱為點掃描。所謂被動掃描就是離子束流在X方向和Y方向上、在特定波形、特定頻率和特定幅度的連續磁場的控制下，在長度和寬度方向上形成一個連續的、均勻的束流平面，同時與Z方向束流能量相結合之後，使得束流在空間的分布形狀與被照射腫瘤的形狀變得一致，這樣束流只會對腫瘤產生作用，而對腫瘤之外的正常細胞和組織不造成影響。主動掃描在深度方向上與被動掃描一祥，但在長度和寬度方向上完全不同，離子束在一系列階躍脈衝磁場的控制下，在長度和寬度方向上形成ー個由一系列點組成的束流平面，如果點足夠密集，則形成的束流平面也足夠均勻。兩種掃描的不同可以與在一張白紙上切出一個圓片來相比，被動掃描就像拿剪子在紙上直接剪出一個圓片，主動掃描就像拿一根針沿著ー個圓圈扎出ー個個眼，當眼足夠密時，也會得到圓片片。不論是被動掃描還是主動掃描，都需要磁場來控制束流的運動，掃描電源就是用來產生勵磁電流的供電系統。掃描電源或類似裝置廣泛應用於輻照領域，包括材料輻照、生物輻照、醫療輻照等領域。醫療輻照主要有質子輻射治療裝置、電子輻射治療裝置等。在實際科研及エ業應用中，都需通過掃描裝置要將一束射線或離子均勻分布於ー個平面上，以便更好地發揮輻照的作用，或者方便於操作等。因此掃描電源也廣泛應用與輻照行業中。目前常用輻照用掃描電源，主要應用於電子束應用中，一般採用單方向掃描或雙方向掃描，所用波形主要是三角波、鋸齒波、正弦波等，電子質量小，因此掃描電源電流及功率都較小，且常應用於被動掃描方式。在腫瘤治療放射治療領域，電子束、質子束都是常用離子，都已有成熟產品應用於臨床中。以碳束為代表的重離子治療是近幾年才開始發展起來的一種新的放射治療方法，目前國內還未有一家醫院進行商業化的臨床應用。相比碳而言、電子和質子質量都要輕的多，其加速後的能量也要小得多。因此應用於重離子腫瘤治療的掃描電源掃描電流、功率都要大10-100倍。另外重離子治療一般有主動掃描和被動掃描兩種工作方式,兩種掃描方式完全不同，對掃描電源的要求也完全不一樣，現有做法一般是兩種電源分別實現。綜上所述，現有的用於產生勵磁電流的掃描電源存在電源功率小、電源輸出波形少，功能不完備，主動掃描與被動掃描工作模式不能一體化實現，誤差較大等缺陷。

發明內容
本發明的目的在於解決現有技術中電源功率小、電源輸出波形少，功能不完備等缺陷，提供了ー種用於產生勵磁電流的掃描電源，其電源主拓撲採用了多個全橋式功率變換器串聯和並聯拓撲結構，可以有效解決現有技術中存在的缺陷。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案，所述的ー種用於產生勵磁電流的掃描電源，包括功率變換器和電源控制器，其特點在幹所述的功率變換器前端與三相交流電源相連，功率變換器後端與負載相連，功率變換器為多級，多級功率變換器組成串聯和並聯結構，單級功率變換器由整流器和全橋開關變換器組成，功率變換器主要功能是對來自電 網的能量功率的控制和變換，按照負載所需要的方式傳送至負載；所述的電源控制器與功率變換器相連，電源控制器由PI調節器和脈衝產生及移相模塊組成，其作用是實現電源的調節和控制，生成脈衝寬度調製信號並按照串聯級數進行錯相分配。所述的功率變換器的全橋開關變換器由四個開關管組成，每個開關管均以脈寬調製方式工作於開關狀態；所述的功率變換器的整流器包含整流變壓器、整流橋和低頻LC濾波器，主要是為後級的全橋開關變換器提供所需直流電壓。所述的全橋開關變換器的開關管為大功率絕緣柵場效應電晶體(IGBT),工作於脈衝寬度調製方式，即工作頻率固定，脈衝寬度可變，通過改變脈衝寬度來調節輸出電壓；全橋開關變換器在輸出端通過ー組電感電容組成的濾波器後串聯連接，然後與負載相連。所述的電源控制器的PI調節器是以集成電路為核心的比例積分電路，功能是PI對給定和反饋信號進行比較得到電流誤差信號，在對誤差信號進行放大並積分得到調節信號，調節信號送往脈衝產生及移相模塊用於產生脈寬調製信號。所述的PI調節器中同相輸入端輸入信號為波形給定信號，給定波形為幅度不大於± IOV連續的波，電源將跟隨給定信號輸出電流；PI調節器反相輸入端輸入信號為負載電流信號，PI調節器輸出調節信號為A vt，直接送入脈衝產生及移相模塊中；脈衝產生及移相模塊是由兩個比較器組成的，主要功能是將PI調節器送來的誤差調節信號變換為脈寬調製信號，也就是產生ー個固定頻率的信號，脈寬調製器輸入信號為PI調節器物超調製信號A vt,同時送入比較器A的同相輸入端和比較器B的反相輸入端。所述的給定波形為三角波、鋸齒波、正弦波或梯形波。本發明的有益效果是所述的ー種用於產生勵磁電流的掃描電源，其電源主拓撲採用多個全橋式功率變換器(以下簡稱為H橋)串聯，同時串聯H橋採用相互移相驅動，採用比例ー積分(PI)調節控制策略。可以實現連續掃描需要，也可以滿足點掃描需要，能實現掃描磁鐵所需掃描電流波形的幅值、頻率、精度、誤差，產生所需的掃描磁場。本發明還有以下幾個特點第一，電源功率大。電源輸出電流峰值可達±800A,輸出電壓可達±2000V。第ニ，電源輸出波形多。電源可輸出正負對稱的三角波、正弦餘輸出弦波、鋸齒波、梯形波等電流波形，也可以輸出非正負對稱的三角波、正弦餘弦波、鋸齒梯形波等電流波形，各波形之間可以連續切換。第三，功能完善。每ー種波形都可以對電流幅度、頻率進行連續調節，電流調節範圍O— ±800A，頻率調節範圍O—200Hz。第四，主動掃描與被動掃描工作模式一體化實現。被動掃描與主動掃描是兩種完全不同的工作方式，主動掃描輸出電流波形是連續的，其結果是形成束流平面，對電源的主要求是線性要好，均勻性要好。主動掃描電流波形是ー系列的方波，對電源的要求是上升下降沿要陡，平頂誤差要小。


下面結合附圖和具體實施方式
，對本發明作進ー步的說明。圖I為本發明的整體原理框圖；圖2為本發明圖I中的單級變換器原理及多級H橋串聯原理；圖3為本發明圖I中的電源控制器原理圖；圖4為本發明圖I中的多路錯相方波信號原理圖
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。如圖I所示，所述的ー種用於產生勵磁電流的掃描電源，包括功率變換器和電源控制器，其特點在幹所述的功率變換器前端與三相交流電源相連，功率變換器後端與負載相連，功率變換器為多級，多級功率變換器組成串聯和並聯結構，單級功率變換器由整流器和全橋開關變換器組成，功率變換器主要功能是對來自電網的能量功率的控制和變換，按照負載所需要的方式傳送至負載；所述的電源控制器與功率變換器相連，電源控制器由PI調節器和脈衝產生及移相模塊組成，其作用是實現電源的調節和控制，生成脈衝寬度調製信號並按照串聯級數進行錯相分配。如圖2所示所述的功率變換器的全橋開關變換器由四個開關管組成，每個開關管均以脈寬調製方式工作於開關狀態；所述的功率變換器的整流器包含整流變壓器、整流橋和低頻LC濾波器，主要是為後級的全橋開關變換器提供所需直流電壓。所述的全橋開關變換器的開關管為大功率絕緣柵場效應電晶體(IGBT)，工作於脈衝寬度調製方式，即工作頻率固定，脈衝寬度可變，通過改變脈衝寬度來調節輸出電壓；全橋開關變換器在輸出端通過一組電感電容組成的濾波器後串聯連接，然後與負載相連。所述的電源控制器的PI調節器是以集成電路為核心的比例積分電路，如附圖3所示，功能是PI對給定和反饋信號進行比較得到電流誤差信號，在對誤差信號進行放大並積分得到調節信號，調節信號送往脈衝產生及移相模塊用於產生脈寬調製信號。PI調節器中同相輸入端(標示為+)輸入信號為波形給定信號，給定波形可以是幅度不大於± IOV連續的三角波、鋸齒波、正弦波、梯形波等，電源將跟隨給定信號輸出電流。PI調節器反相輸入端(標示為一)輸入信號為負載電流信號。PI調節器輸出調節信號為A vt，直接送入脈衝產生及移相模塊中。脈衝產生及移相模塊是由兩個比較器組成的，主要功能是將PI調節器送來的誤差調節信號變換為脈寬調製信號，也就是產生ー個固定頻率(本例中為IOKHz)的方波信號，但是方波的脈衝寬度與誤差調節信號A vt成正比，且佔空比(脈衝寬度與周期之比)可從0-100%連續變化。主要工作原理如附圖3所示。脈衝產生及移相模塊輸入信號為PI調節器物超調製信號A vt,同時送入比較器A的同相輸入端和比較器B的反相輸入端。三角波I接入比較器A的反相端，是幅度為±5V的頻率固定的(本例為IOKHz)的調製三角波，三角波2接入比較器B的同相端，其頻率幅度與三角波A完全一祥，只是相位與三角波A正好相差180°。比較器A的輸出脈衝為開關管V1、V4 (見附圖2)驅動信號，比較器B的輸出脈衝為開關管V2、V3 (見附圖2)驅動信號。多路錯相方波信號原理圖見附圖4，該部分電路主要功能為根據H橋串聯的數量、開關管工作頻率、相位條件，確定每一路移相信號移相角度，產生每一級中每一個開關管的脈寬調製信號，移相角度e = ^ /N，N為串聯級數，為便於實現期間，N —般選為偶數，結合功率變換器級數選擇原則，一般情況下串聯級數選擇為ニ級、四級、六級。附圖4中以ニ級移相為例描述了移相原理，其他多級移相與兩級移相原理完全一致。以第一級為例，定義全橋變換器輸出正向電流吋，VlU V14位置開關管同時工作，同時V12、V13位置開關管完全截止，不工作，V11、V14稱為H橋正向工作對管；定義全橋變換器輸出負向電流吋，V12、V13位置開關管工作，同時VII、V14位置開關管完全截止，不工作，V12、V13稱為第一級H橋負向工作對管。其他各級以此類推，如VN1、VN4位置開關管工作，VN2、VN3位置開關管完全截止時，意為第N個變換橋輸出正向電流。在兩級串聯時在開關管開關頻率保持固定的前提下，等效開關頻率是開關管工作頻率2倍，同理如果在N級串聯式，通過及間移相，等效開關頻 率將會是開關管工作頻率的N倍。這樣一方面通過H橋串聯提高了電壓等級，増加了輸出功率，另外通過級間移相，成倍増加負載上的等效開關頻率，此種方法特別是適合應用與大功率、高響應速度的場合，例如大功率掃描電源中。為了承受高電壓，功率變換器採用了多級串聯結構，串聯級數根據輸出電壓確定，正常情況下每一級承受電壓以不超過300V為宜，這樣承受電壓與串聯級數成正比，串聯的越多可承受電壓越高。但是電路複雜程度也急劇增加，一般情況下，串聯級數不超過六級。每ー級功率變換器原理和結構完全相同，詳見附圖2。所述的ー種用於產生勵磁電流的掃描電源，其電路拓撲結構如附圖I所示，包括四級H橋串聯的大功率掃描電源，將四個単獨的H橋輸出通過母排串聯起來，串聯的級數取決於頻率、幅值及所用負載參數。本例中需要電源輸出電流±800A的三角波，頻率為0—200Hz可調，此時電源電壓需要為1200V。據此選擇四個H橋串聯，每個H橋輸出電壓350V，輸出電流800A，PWM可以採用/4即45°移相，H橋中每一隻開關管可選用3隻400A/1200V的IGBT模塊並聯實現，開關管工作頻率選擇為典型lOKHz，此時相應負載等效頻率為40KHz電源具體工作方式如下電源合閘後，整流電路工作，LC濾波儲能，合閘完成後，電源正常。用小信號三角波(以三角波為例)做基準電源給定送入PI調節器做運算，得到誤差調節信號並送往脈寬調製単元，在此部分內，將誤差信號進行調製得到與頻率固定、脈寬變化的脈衝信號，並在脈衝分配器裡得到每個H橋中的功率開關管所需的驅動信號，這ー驅動信號在經過驅動器放大後送入每隻對應的開關管，控制開關管的工作，繼而控制輸出電流的變化。在整個過程中，電源輸出始終跟蹤給定信號。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於產生勵磁電流的掃描電源，包括功率變換器和電源控制器，其特徵在於所述的功率變換器前端與三相交流電源相連，功率變換器後端與負載相連，功率變換器為多級，多級功率變換器組成串聯和並聯結構，單級功率變換器由整流器和全橋開關變換器組成，功率變換器用於對來自電網的能量功率的控制和變換，按照負載所需要的方式傳送至負載；所述的電源控制器與功率變換器相連，電源控制器由PI調節器和脈衝產生及移相模塊組成，用於實現電源的調節和控制，生成脈衝寬度調製信號並按照串聯級數進行錯相分配。
2.根據權利要求I所述的一種用於產生勵磁電流的掃描電源，其特徵在於所述的功率變換器的全橋開關變換器由四個開關管組成，每個開關管均以脈寬調製方式工作於開關狀態；所述的功率變換器的整流器包含整流變壓器、整流橋和低頻LC濾波器，為後級的全橋開關變換器提供所需直流電壓。
3.根據權利要求I或2所述的一種用於產生勵磁電流的掃描電源，其特徵在於所述的全橋開關變換器的開關管為大功率絕緣柵場效應電晶體，工作於脈衝寬度調製方式，即工作頻率固定，脈衝寬度可變，通過改變脈衝寬度來調節輸出電壓；全橋開關變換器在輸出端通過一組電感電容組成的濾波器後串聯連接，然後與負載相連。
4.根據權利要求I所述的一種用於產生勵磁電流的掃描電源，其特徵在於所述的電源控制器的PI調節器是以集成電路為核心的比例積分電路，功能是PI對給定和反饋信號進行比較得到電流誤差信號，在對誤差信號進行放大並積分得到調節信號，調節信號送往脈衝產生及移相模塊用於產生脈寬調製信號。
5.根據權利要求4所述的一種用於產生勵磁電流的掃描電源,其特徵在於所述的PI調節器中同相輸入端輸入信號為波形給定信號，給定波形為幅度不大於±IOV連續的波，電源將跟隨給定信號輸出電流；PI調節器反相輸入端輸入信號為負載電流信號，PI調節器輸出調節信號為Λ Vt，直接送入脈衝產生及移相模塊中；脈衝產生及移相模塊是由兩個比較器組成的，主要功能是將PI調節器送來的誤差調節信號變換為脈寬調製信號，也就是產生一個固定頻率的信號，脈寬調製器輸入信號為PI調節器物超調製信號Λ vt,同時送入比較器A的同相輸入端和比較器B的反相輸入端。
6.根據權利要求5所述的一種用於產生勵磁電流的掃描電源,其特徵在於所述的給定波形為三角波、鋸齒波、正弦波或梯形波。
全文摘要
本發明涉及重離子腫瘤治療設備技術領域，尤其是涉及一種用於產生勵磁用掃描電流的電源。包括功率變換器和電源控制器，其特點在於所述的功率變換器前端與三相交流電源相連，功率變換器後端與負載相連，功率變換器為多級，多級功率變換器組成串聯和並聯結構，單級功率變換器由整流器和全橋開關變換器組成；所述的電源控制器與功率變換器相連，電源控制器由PI調節器和脈衝產生與移相模塊組成，其作用是實現電源的調節和控制，生成脈衝寬度調製信號並按照串聯級數進行錯相分配。該發明可以實現連續掃描需要，也可以滿足點掃描需要，能實現掃描磁鐵所需掃描電流波形的幅值、頻率、精度、誤差，產生所需的掃描磁場。
文檔編號H02M5/458GK102761270SQ20121026416
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月28日 優先權日2012年7月28日
發明者馮秀明, 吳鳳軍, 周忠祖, 張顯來, 燕宏斌, 申萬曾, 陳又新, 高亞林, 高大慶 申請人:中國科學院近代物理研究所