DE102011003526B4

DE102011003526B4 - Stromrichtersystem

Info

Publication number: DE102011003526B4
Application number: DE201110003526
Authority: DE
Inventors: Oliver Heuermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: US20120193992A1; US9106154B2; CN102629839A; DE102011003526A1

Abstract

Stromrichtersystem, umfassend: – einen ersten unipolaren Marx-Generator (301) zur Erzeugung einer ersten Spannung, – einen zweiten unipolaren Marx-Generator (302) zur Erzeugung einer zweiten Spannung, – einen Transformator (303) mit zumindest einer ersten Primärwicklung (309), einer zweiten Primärwicklung (310) und einer Sekundärwicklung (311), wobei die erste Primärwicklung (309) über eine erste Diode (313) in Durchlassrichtung mit dem ersten Marx-Generator (301) und die zweite Primärwicklung (310) über eine zweite Diode (314) in Durchlassrichtung mit dem zweiten Marx-Generator (302) derart gekoppelt sind, dass bei einem Anlegen der ersten Spannung eine erste Sekundärspannung in der Sekundärwicklung (311) induziert wird und dass bei einem Anlegen der zweiten Spannung eine zweite Sekundärspannung in der Sekundärwicklung (311) induziert wird, wobei die erste Sekundärspannung entgegengesetzt zu der zweiten Sekundärspannung gerichtet ist, – eine Steuervorrichtung (304), welche den ersten und zweiten Marx-Generator (301, 302) zur Erzeugung der ersten und zweiten Spannung derart ansteuert, dass zu...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromrichtersystem. Das Stromrichtersystem kann insbesondere für eine medizinische Untersuchungsvorrichtung verwendet werden. Darüber hinaus kann das Stromrichtersystem jedoch auch in anderen Bereichen verwendet werden, beispielsweise in Röntgensystemen zur Gepäckuntersuchung oder Materialprüfung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine medizinische Untersuchungsvorrichtung und dessen Verwendung mit einem derartigen Stromrichtersystem. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromrichtersystem mit Marx-Generatoren.
Bei medizinischen Untersuchungsvorrichtungen, wie zum Beispiel einer Anlage zur Röntgendiagnostik oder einer Magnetresonanzanlage (MR) werden üblicherweise hohe Spannungen zur Erzeugung von Röntgenstrahlen oder elektromagnetischen Feldern benötigt. Auch in anderen Bereichen, beispielsweise bei Röntgenvorrichtungen für eine Gepäck-, Fracht- oder Materialuntersuchung oder bei Materialprüfungen, werden hohe Spannungen benötigt. Eine benötigte Leistung der Hochspannung liegt im Bereich von einigen kW bis über 100 kW. Beispielsweise werden bei einem Computertomographen (CT) näherungsweise 120–150 kW, bei einer Angiographie-Röntgenvorrichtung (AX) näherungsweise 80–100 kW, bei einer Mammographie-Untersuchungsvorrichtung näherungsweise 5 kW und bei einem Röntgenscanner zur Gepäckuntersuchung näherungsweise 40–60 kW benötigt.
1 zeigt eine Prinzipschaltung zur Erzeugung einer Hochspannung für beispielsweise einen Computertomographen. In einer ersten Stufe 10 wird aus einer Netzspannung 17, beispielsweise einer 400 V Dreiphasenspannung, eine sogenannte Mittelspannung 20 erzeugt. Dazu umfasst die erste Stufe 10 einen Netzgleichrichter 14, einen Zwischenkreisfilter 15, einen Wechselrichter 16 und einen Mittelspannungstransformator 12. Aus der Eingangswechselspannung 17 wird mit Hilfe des Netzgleichrichters 14 eine Gleichspannung 18 erzeugt, welche mit dem Zwischenkreisfilter 15 geglättet wird, sodass eine geglättete Spannung 19 für den Wechselrichter 16 bereitsteht. Der Wechselrichter 16 erzeugt eine Wechselspannung mit einer deutlich höheren Frequenz als die Frequenz der Eingangsspannung 17 und führt diese Wechselspannung dem Mittelspannungstransformator 12 zu. In dem Mittelspannungstransformator 12 wird die Wechselspannung beispielsweise auf näherungsweise 2000 V transformiert. Diese Mittelspannung 20 wird in eine zweite Stufe 11 eingespeist, welche einen Hochspannungstransformator 13, einen Hochspannungsgleichrichter 21 und einen Hochspannungskondensator 22 umfasst. Der Hochspannungstransformator 13 transformiert die Mittelspannung 20 auf die gewünschte Hochspannung 23 von einigen tausend Volt. Der Hochspannungsgleichrichter 21 erzeugt daraus eine Gleichspannung 24, aus welcher mit Hilfe des Hochspannungskondensators 22 eine geglättete Hochspannung 25 für beispielsweise eine Röntgenröhre 26 erzeugt wird. Bei dieser Art der Hochspannungserzeugung werden kostenintensive Halbleiterschalter mit großer Spannungsfestigkeit und darüber hinaus große und teure Transformatoren benötigt. Die Halbleiterschalter können beispielsweise durch Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, sogenannte IGBTs, realisiert werden.
Bei Magnetresonanzanlagen werden darüber hinaus beispielsweise sogenannte Kaskadeninverter verwendet, wie es beispielsweise in der DE 10 2006 060 417 B4 offenbart ist. In diesem Kaskadeninverter wird die notwendige Stromtragfähigkeit durch Parallelschaltung von IGBTs erreicht. Es wird jedoch ein verhältnismäßig großer und teurer Transformator mit n-fachen Sekundärwicklungen benötigt, um die galvanisch getrennten Versorgungsspannungen der Kaskadenzellen zu erzeugen.
Schließlich ist aus dem Bereich der Onkologiebehandlungssysteme eine Schaltungsanordnung nach 2 bekannt. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Leistungsmodulator und einen Transformator 206. Der Leistungsmodulator, welcher in der gezeigten Ausführungsform zwei Marx-Generatoren 201 und 202 umfasst, steuert zwei primäre Transformatorwicklungen 203 und 204 in einer Gleichtaktbetriebsart an. Die Marx-Generatoren 201 und 202 erzeugen aus einer Versorgungsspannung einer Versorgungsquelle 205 eine Mittelspannung, welche mit Hilfe des Transformators 206 auf eine Hochspannung transformiert werden. Da die Primärwicklungen 203 und 204 des Transformators 206 in einer Gleichtaktbetriebsart angesteuert werden, ist eine Entmagnetisierung erforderlich. Der Marx-Generator dient zur Erzeugung von transienten Impulsspannungen sehr kurzer Zeitdauer und hoher Amplitude. Der Marx-Generator basiert auf der Idee, eine große Anzahl von Kondensatoren parallel mit einer Gleichspannung auf einen Wert einer Stufenspannung aufzuladen und diese Kondensatoren dann in Reihe zu schalten. Beim Aufladen der parallel geschalteten Kondensatoren addieren sich die Ladeströme und bei der anschließenden Reihenschaltung addieren sich die Spannungen über den Kondensatoren.
In diesem Zusammenhang ist aus der DE 3310558 A1 ein Wechselrichter mit Tyristoren bekannt. Die Tyristoren sind in Serie geschaltet, so dass die Anode des ersten Tyristors mit der Kathode des der Anode des folgenden zweiten Tyristors verbunden ist und dass dazu parallel geschaltete Betriebskondensatoren mit den Tyristoren eine Brücke bilden, in deren Diagonalzweig ein Ausgangstransformator angeordnet ist. Die Primärwicklung des Ausgangstransformators ist bifilar ausgebildet und die an den Betriebskondensatoren liegenden Wicklungsenden sind zusammengeschaltet. Die Schaltung arbeitet so, dass ein Generator die Tyistoren abwechselnd ansteuert und der Anordnung dadurch eine jeweils gewünschte Schaltfrequenz aufprägt.
Die EP 0547006 A1 betrifft einen selbstschwingenden Schaltkreis zum Ansteuern einer Gasentladungslampe. Der Schaltkreis weist einen Stromrichter auf, welcher zwei Schaltkreiszweige zwischen einem Anschluss und Masse aufweist. Die Schaltkreiszweige weisen entsprechende MOSFET-Transistoren auf. In Reihe mit Drain-Source-Pfaden der Transistoren in den zwei Schaltkreiszweigen sind zwei Primärwicklungen verbunden. Diese Wicklungen sind induktiv mit derselben Sekundärwicklung gekoppelt, mit welcher sie einen Transformator bilden.
Die DE 10 2004 001 782 A1 betrifft einen bipolaren Marx-Generator mit Schalterturm, direkter Triggerung, und Gaskonditionierung für einen industriellen Dauerbetrieb. Zur Reduzierung von kostenintensiven Hochspannungsisolationen werden die Marx-Generatoren bipolar betrieben. Bei Parallelschaltung der Marx-Generatoren triggern diese sich gegenseitig selbst. Diese Selbsttriggerung wird durch eine optische und eine materielle (Gasaustausch)Verbindung der zwei oder mehr Schaltertürme erreicht.
Die US 3,062,974 A betrifft Hochspannungsstoßspannungsgeneratoren. Eine Impulstestvorrichtung weist einen Marx-Stoßspannungsgenerator mit verringerter Spannung und einen Marx-Stoßspannungsgenerator mit voller Spannung auf, welche ausgestaltet sind, um nacheinander durch eine zu testende Transformatorwicklung entladen zu werden.
Die JP 4008177 A betrifft einen Mehrfachblitzgenerator. Eine Spannung eines zuerst betriebenen ersten Impulsspannungsgenerators wird von einer Diode blockiert, um zu verhindern, dass die Spannung einem zweiten Impulsspannungsgenerator zugeführt wird, welcher dadurch nicht entladen wird. Demzufolge wird die Spannung des ersten Impulsspannungsgenerators einer Last zugeführt. Wenn der zweite Impulsspannungsgenerator 1 bis 100 Millisekunden später arbeitet, wird eine Spannung des zweiten Impulsspannungsgenerators derart blockiert, dass sie dem ersten Impulsspannungsgenerator nicht zugeführt wird, wodurch dieser nicht entladen wird. Demzufolge wird die Spannung des zweiten Impulsspannungsgenerators der Last zugeführt.
Wie aus dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ersichtlich ist, werden herkömmlicherweise bei der Erzeugung der benötigten Hochspannung Halbleiterschalter mit einer hohen Spannungsfestigkeit sowie große Transformatoren mit vielen Sekundärwicklungen benötigt. Diese Komponenten sind kostenintensiv und beanspruchen einen großen Bauraum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Schaltung bereitzustellen, welche eine hohe Spannung und einen hohen Strom bereitstellt und dabei kostengünstig und kompakt realisierbar ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Stromrichtersystem nach Anspruch 1, eine medizinische Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 8 und eine Verwendung eines Stromrichtersystem in einer medizinischen Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stromrichtersystem bereitgestellt. Das Stromrichtersystem umfasst einen ersten unipolaren Marx-Generator zur Erzeugung einer ersten Spannung und einen zweiten unipolaren Marx-Generator zur Erzeugung einer zweiten Spannung. Weiterhin umfasst das Stromrichtersystem einen Transformator, welcher eine erste Primärwicklung, eine zweite Primärwicklung und eine Sekundärwicklung umfasst. Die erste Primärwicklung ist über eine erste Diode in Durchlassrichtung mit dem ersten Marx-Generator und die zweite Primärwicklung ist über eine zweite Diode in Durchlassrichtung mit dem zweiten Marx-Generator derart gekoppelt, dass bei einem Anlegen der ersten Spannung eine erste Sekundärspannung in der Sekundärwicklung induziert wird und dass bei einem Anlegen der zweiten Spannung eine zweite Sekundärspannung in der Sekundärwicklung induziert wird. Dabei ist die erste Sekundärspannung entgegengesetzt zu der zweiten Sekundärspannung gerichtet. Eine Steuervorrichtung des Stromrichtersystems steuert den ersten und zweiten Marx-Generator zur Erzeugung der ersten und zweiten Spannung derart an, dass zu einem Zeitpunkt entweder nur die erste Spannung, nur die zweite Spannung oder keine Spannung erzeugt wird. Somit wird der Transformator mit Hilfe des ersten und zweiten Marx-Generators in einer sogenannten Gegentaktbetriebsart oder Push-Pull-Betriebsart angesteuert. Durch die Verwendung von Marx-Generatoren zur Erzeugung der ersten und zweiten Spannung kann die Mittelspannungserzeugung der in 1 gezeigten ersten Stufe ohne Mittelspannungstransformator durchgeführt werden, sodass dieser Mittelspannungstransformator eingespart werden kann. Durch die Verwendung von zwei galvanisch getrennten Primärwicklungen können die beiden Marx-Generatoren aus einer gemeinsamen Stromversorgung mit Energie versorgt werden, sodass keine galvanische Trennung der Eingangsseiten der Marx-Generatoren erforderlich ist.
Durch die beiden Dioden werden die beiden Spannungsquellen, d. h. die beiden Marx-Generatoren, voneinander derart getrennt, dass Rückwirkungen über den Transformator von einer der beiden Spannungsquellen auf die andere der beiden Spannungsquellen unterdrückt werden. Dadurch kann ein zuverlässiger Betrieb der Spannungsquellen, bei Verwendung von Marx-Generatoren als Spannungsquellen, sichergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen der erste und der zweite Marx-Generator jeweils mehrere Stufen. Eine Stufe umfasst einen Ladungsspeicher und ein Schaltelement zum Umschalten zwischen einer Ladebetriebsart der Stufe und einer Entladebetriebsart der Stufe. Der Ladungsspeicher kann beispielsweise einen Kondensator umfassen und das Schaltelement beispielsweise einen Halbleiterschalter, wie zum Beispiel einen IGBT, einen Halbleiterschalter in SiC-Technologie oder einen MOSFET. Da bei einem Marx-Generator über dem Schaltelement jeweils maximal die Versorgungsspannung des Marx-Generators anliegt, können die Schaltelemente eine verhältnismäßig geringe Spannungsfestigkeit aufweisen. Wenn der Marx-Generator beispielsweise mit einer Versorgungsspannung von 400 V betrieben wird, reicht eine entsprechende Spannungsfestigkeit der Schaltelemente von näherungsweise 500..600 V aus. Die Ausgangsspannung des Marx-Generator, welche der ersten bzw. der zweiten Spannung entspricht, kann jedoch abhängig von der Anzahl der mehreren Stufen des jeweiligen Marx-Generators ein Vielfaches der Versorgungsspannung umfassen, beispielsweise kann ein Marx-Generator mit fünf Stufen bei einer Eingangsspannung von 400 V eine Ausgangsspannung von 2.000 V erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird jede Stufe des ersten oder zweiten Marx-Generators durch eine jeweilige Baugruppe gebildet. Die Baugruppen der Stufen sind gleichartig ausgebildet. Durch die Verwendung derartiger modularer Baugruppen können Marx-Generatoren gewünschter Spannung und Stromstärke durch geeignetes Kombinieren mehrerer Baugruppen in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung gebildet werden. Die Baugruppen können bei entsprechender Stückzahl kostengünstig hergestellt werden und sind im Reparaturfall einfach austauschbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Stufe in ihrem Ladestromkreis ein Widerstandselement, welches einen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Das Widerstandselement dient als Schutzbeschaltung für die jeweilige Stufe des Marx-Generators bei einem Ausfall, insbesondere eines Kurzschlusses, des Schaltelements in der Stufe. Bei beispielsweise einem Kurzschluss des Schaltelements einer Stufe verringert oder unterbricht das durch den Kurzschluss heiß gewordene Widerstandselement den Stromfluss in der Ladebetriebsart der betroffenen Stufe. Der Spannungsanteil der betroffenen Stufe zur Gesamtspannung des Marx-Generators entfällt in diesem Fall, aber die übrigen Stufen des Marx-Generators können weiterhin eine verringerte Gesamtspannung des Marx-Generators auch über die ausgefallene Stufe hinweg bereitstellen. Dadurch kann auch bei einem Ausfall einzelner Stufen des Marx-Generators eine hohe Verfügbarkeit des Marx-Generators sichergestellt werden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung derart ausgestaltet, dass die Schaltelemente der Stufen der Marx-Generatoren unabhängig von einander angesteuert werden, sodass die erste Spannung und die zweite Spannung in Abhängigkeit von der Ansteuerung jeweils einen von mehreren Spannungspegeln aufweisen. Durch abwechselndes Ansteuern der ersten und zweiten Spannungsquelle kann in die Primärwicklungen des Transformators eine Wechselspannung, insbesondere eine mittelwertfreie Wechselspannung eingespeist werden. Indem die erste Spannung und die zweite Spannung derart angesteuert werden, dass sie jeweils einen von mehreren Spannungspegeln aufweisen, kann beispielsweise ein sinusförmiger Spannungsverlauf der Wechselspannung an der Primärseite des Transformators angenähert werden. Dadurch kann beispielsweise die Energieübertragung durch den Transformator verbessert werden und ein günstiger Leistungsfaktor eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Marx-Generatoren jeweils an ihren jeweiligen Versorgungsspannungseingängen einen Ladeschalter auf. Der Ladeschalter wird von der Steuervorrichtung derart angesteuert, dass er einen Ladestrom an dem jeweiligen Eingang des Marx-Generators begrenzt. Der Ladeschalter kann beispielsweise bei einem Ladevorgang der einzelnen Stufen des Marx-Generators in einem sogenannten Chopper-Betrieb getaktet angesteuert werden. Dadurch kann eine Ladedrossel, welche üblicherweise an den Versorgungsspannungseingängen der Marx-Generatoren vorgesehen ist, entfallen. Darüber hinaus kann der Ladeschalter beim Entladen der in Reihe geschalteten Kondensatoren des Marx-Generators geöffnet sein, um den Versorgungsspannungseingang vor Rückwirkungen aus dem Marx-Generator zu schützen. Darüber hinaus kann mit Hilfe des Ladeschalters die Ladezeit des Marx-Generators verkürzt werden und eine Magnetostriktion verringert werden, wodurch eine Geräuschentwicklung des Stromrichtersystems verringert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine medizinische Untersuchungsvorrichtung mit einem Stromrichtersystem, wie es zuvor beschrieben wurde, bereitgestellt. Die medizinische Untersuchungsvorrichtung kann eine Untersuchungsvorrichtung zur Durchführung einer Computertomographie, einer Magnetresonanztomographie oder einer Röntgenangiographie umfassen. Die Sekundärwicklung des Transformators kann beispielsweise zur Erzeugung von Röntgenstrahlen mit einer Röntgenröhre oder zur Erzeugung eines Gradientenfeldes mit einer Magnetspule gekoppelt sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert werden.
1 zeigt eine Prinzipschaltung zur Hochspannungserzeugung gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt einen Leistungsmodulator zur Erzeugung einer Hochspannung gemäß Stand der Technik.
3 zeigt schematisch ein Stromrichtersystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt schematisch einen Marx-Generator des Stromrichtersystems der 3.
5 zeigt schematisch den Marx-Generator der 4 in einer Entladebetriebsart.
6 zeigt Spannungspegel des Marx-Generators der 5 bei einem Multi-Level-Betrieb des Marx-Generators.
7 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf am Ausgang der Marx-Generatoren des Stromrichtersystems der 3.
8 zeigt schematisch ein Stromrichtersystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt schematisch verschiedene Spannungsverläufe des Stromrichtersystems der 8.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Marx-Generators für das Stromrichtersystem der 3.
11 zeigt eine Ausführungsform für eine Stromversorgung des Stromrichtersystems der 3.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Stromrichtersystems 300 mit einem ersten Marx-Generator 301, einem zweiten Marx-Generator 302, einem Transformator 303 und einer Regelung bzw. Steuervorrichtung 304. Jeder der beiden Marx-Generatoren 301 und 302 umfasst fünf gleichartig aufgebaute Stufen 305, die jeweils einen Ladekondensator 306, ein Schaltelement 307 sowie weitere Komponenten, wie zum Beispiel eine Diode 308 umfassen. Die Schaltelemente 307 können beispielsweise sogenannte IGBTs, MOSFETs oder SiC-Transistoren umfassen. Die fünf Stufen 305 der Marx-Generatoren 301 bzw. 302 sind derart ausgestaltet und miteinander verschaltet, dass die Kondensatoren 306 beim Anlegen einer Spannung U_in an Eingänge des jeweiligen Marx-Generators 301 bzw. 302 bei geöffneten Schaltelementen 307 aufgeladen werden. Wenn die Schaltelemente 307 geschlossen werden, steht eine Reihenschaltung der Spannungen der Kondensatoren 306 als Ausgangsspannung U_out am Ausgang des jeweiligen Marx-Generators 301 bzw. 302 zur Verfügung. Die Verschaltung der einzelnen Stufen 305 untereinander und der Komponenten innerhalb der Stufen 305 ist in 3 nur schematisch gezeigt, da die genaue Verschaltung von Marx-Generatoren einem Fachmann bekannt ist. Die Eingangsspannung U_in der Marx-Generatoren 301, 302 kann beispielsweise 400 Volt betragen, und mit Hilfe eines Gleichrichters aus einem üblichen Dreiphasenwechselstrom gewonnen werden. Die Kondensatoren 306 werden demzufolge jeweils auf 400 Volt aufgeladen und erzeugen, wenn sie mit Hilfe der Schaltelemente 307 in Reihe geschaltet werden, somit eine Ausgangsspannung U_out von näherungsweise 2000 Volt. Die Steuerung der Schaltelemente 307 erfolgt durch die Regelung 304, welche neben einer Laufzeitregelung auch eine Stromregelung und Lastregelung aufweisen kann. Die Regelung 304 kann mit den Schaltelementen 307 beispielsweise über faseroptische Verbindungen gekoppelt sein. Da die Schaltelemente 307 in dem oben genannten Beispiel jeweils eine maximale Spannung von 400 Volt schalten müssen, können entsprechend dimensionierte Schaltelemente verwendet werden, welche inklusive Sicherheitszuschlag beispielsweise eine Spannungsfestigkeit von 600 bis 800 Volt aufweisen. Da die Stufen 305 alle im Wesentlichen gleich ausgestaltet sind, können die Stufen 305 als Standard- oder Einheitsmodule ausgestaltet werden, welche je nach gewünschter Ausgangsspannung U_out in einer entsprechenden Anzahl in den Marx-Generatoren 301 und 302 verwendet werden. Dadurch sind die Marx-Generatoren 301, 302 kostengünstig herstellbar.
Aufgrund der Struktur der Marx-Generatoren 301, 302 ist die Ausgangsspannung U_out unipolar, d. h. der Marx-Generator 301, 302 kann nur Spannungen einer Polarität erzeugen, in dem oben genannten Beispiel 0 Volt oder 2000 Volt bzw. ein Vielfaches von 400 Volt, wenn nur eine entsprechende Teilmenge der Schaltelemente 307 durchgeschaltet wird. Die Ausgangsspannung U_out des ersten Marx-Generators 301 ist über eine Diode 313 mit einer ersten Primärwicklung 309 des Transformators 303 gekoppelt. Die Ausgangsspannung U_out des zweiten Marx-Generators 302 ist über eine Diode 314 mit einer zweiten Primärwicklung 310 des Transformators 303 gekoppelt. Die Sekundärwicklung 311 des Transformators 303 ist mit einer Last 312 gekoppelt. Die Marx-Generatoren 301 und 302 sind derart mit dem Transformator 303 gekoppelt, dass bei einem Ausgeben der Ausgangsspannung U_out von dem ersten Marx-Generator 301 ein erster Strom in der Sekundärwicklung 311 induziert wird und bei einem Anlegen der Ausgangsspannung U_out des zweiten Marx-Generators 302 ein zweiter Strom in der Sekundärwicklung 311 induziert wird, welcher entgegengesetzt zu dem ersten Strom gerichtet ist. Die Marx-Generatoren 301 und 302 steuern den Transformator 303 daher in einer sogenannten Gegentaktbetriebsart an, wodurch auf der Primärseite 309, 310 eine Wechselspannung erzeugt wird. Die Dioden 313 und 314 sorgen dafür, dass der Marx-Generator 301 keine Spannung über den Transformator 303 in den Marx-Generator 302 induziert und umgekehrt. Die Regelung 304 steuert die Marx-Generatoren 301 und 302 beispielsweise abwechselnd an, sodass ein Wechselstrom auf der Primärseite 309, 310 des Transformators 303 eingeprägt wird. Wie unter Bezugnahme auf die 6, 7 und 9 gezeigt werden wird, können die Ausgangsspannungen U_out der Marx-Generatoren 301 und 302 auch in Stufen ausgegeben werden, sodass ein sinusförmiger Wechselspannungsverlauf an der Primärseite 309, 310 des Transformators 303 angenähert werden kann.
4 zeigt den Marx-Generator 301 in einer detaillierteren Darstellung. Der Marx-Generator 302 der 3 ist in vergleichbarer Art und Weise aufgebaut, wie der nachfolgend beschriebene Marx-Generator 301. Der Marx-Generator 301 umfasst fünf Stufen 305, welche jeweils einen Ladekondensator 306, ein Schaltelement 307 und eine Diode 308 umfassen. Das Schaltelement 307 ist in der in 4 gezeigten Ausführungsform ein sogenannter IGBT, kann jedoch auch alternativ beispielsweise ein MOSFET oder ein SiC-Transistor sein. Die einzelnen Stufen 305 sind wie in 4 gezeigt über Dioden 404 miteinander gekoppelt. In Abhängigkeit von der Schaltstellung der Schaltelemente 307 können die Kondensatoren 306 wahlweise parallel geschaltet mit der Eingangsspannung U_in aufgeladen werden oder in Reihe geschaltet die Ausgangsspannung U_out ausgeben. Der Marx-Generator 301 kann zusätzliche Messanschlüsse 401 und 402 aufweisen, um einen aktuellen Ausgangsstrom an dem Anschluss 401 und eine aktuelle Ausgangsspannung an dem Anschluss 402 messen zu können. Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom können beispielsweise der Regelung 304 der 3 zugeführt werden, welche in Abhängigkeit der erfassten Messwerte die Steuerelemente 307 der Marx-Generatoren 301 bzw. 302 ansteuert. Der Marx-Generator 301 umfasst weiterhin Widerstände 403 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, sogenannte PTC-Widerstände, welche als Zellenschutzbeschaltung dienen. Wenn eine oder mehrere Stufen 305 ausfallen, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses des Schaltelements 307 in der entsprechenden Stufe, fließt dauerhaft ein hoher Ladestrom durch den entsprechenden PTC-Widerstand 403. Dadurch steigt der Widerstand des Widerstands 403 und verhindert wirksam eine weitere Ladung des Kondensators 306 der betroffenen Stufe 305, stellt aber sicher, dass die unbeschädigten Stufen weiter betrieben werden können. Durch die in 4 gezeigte Schaltung wird somit sichergestellt, dass nur die betroffene Stufe, welche beispielsweise das kurzgeschlossene Schaltelement 307 umfasst, im Wesentlichen abgetrennt wird und die Ladezweige der übrigen Stufen 305 weiterarbeiten. Der Marx-Generator 301 umfasst ferner eine Ladedrossel 405, welche den Ladestrom zum Laden der Kondensatoren 306 begrenzt.
5 zeigt die Stufen 305 des Marx-Generators 301 der 3 in einer für einen Entladezyklus umgezeichneten Form. Zur Unterscheidung der fünf Stufen sind die Bezugszeichen mit den Buchstaben A–E erweitert. In 5 sind nur die für den Entladezyklus relevanten Komponenten der Stufen 305 gezeigt. Dies sind der Kondensator 306, das Schaltelement 307 und die Diode 308. Wenn alle Kondensatoren 306A–306E aufgeladen sind und die Schaltelemente 307A–307E durchgeschaltet sind, sperren die Dioden 308A–308E und über einer Last 501, welche beispielsweise die Primärwicklung 309, 310 der 3 sein kann, liegt die Ausgangsspannung U_out an.
Bei einem Ausfall von einem der Schaltelemente 307, beispielsweise bei einem Kurzschluss des Schaltelements 307C, wird der entsprechende Kondensator 306C im Ladezyklus nicht mehr aufgeladen. Im Entladezyklus fließt daher über die Diode 308C den Kondensator 306C der von den übrigen Stufen 305A, 305B, 305D und 305E getriebene Strom weiterhin über die Stufe 305C, sodass eine verminderte Entladespannung U_out an der Last 501 bereitgestellt werden kann. Somit ist ein Betrieb des Marx-Generators 301 auch beim Ausfall eines Schaltelements, beispielsweise des Schaltelements 307C, einer Stufe weiterhin mit verminderter Leistungsfähigkeit möglich.
Durch gezieltes Ansteuern der Steuerelemente 307A–307E kann die Ausgangsspannung U_out in Stufen oder Pegeln eingestellt werden. Werden beispielsweise die Schaltelemente 307A und 307C–307E durchgeschaltet und das Schaltelement 307B nicht durchgeschaltet, so fließt der Entladestrom über die Diode 308B und der Kondensator 306B trägt nicht zur Ausgangsspannung U_out bei.
6 zeigt die Ausgangsspannung U_out für eine Ansteuerung des Marx-Generators 301 in dem zuvor beschriebenen sogenannten Multi-Level-Betrieb, in welchem die einzelnen Stufen 305A–305E zeitlich versetzt angesteuert werden, um eine möglichst gute Annäherung an beispielsweise eine Sinusform zu realisieren. Der in 5 gezeigte Marx-Generator 301 mit fünf Stufen kann bei einer Eingangsspannung U_in von 400 Volt beispielsweise wahlweise Ausgangsspannungen von 0, 400, 800, 1.200, 1.600 oder 2.000 Volt ausgeben, indem keines oder ein bis fünf der Schaltelemente 307 durchgeschaltet werden. 6 zeigt einen möglichen Spannungsverlauf am Ausgang des Marx-Generators 301. Bis zum Zeitpunkt t₁ wird keines der Schaltelemente 307 durchgeschaltet. Ab dem Zeitpunkt t₁ wird eines der Schaltelemente 307 durchgeschaltet. Ab t₂ werden zwei Schaltelemente 307 durchgeschaltet usw. Ab t₆ werden dann wieder weniger der Schaltelemente 307 durchgeschaltet, d. h. ab t₆ werden nur vier der Schaltelemente 307 durchgeschaltet, ab t₇ nur drei usw. Zusätzlich können die Schaltelemente 307 getaktet ein und ausgeschaltet werden, wobei die Frequenz der einzelnen Schaltelemente 307 unterschiedlich gewählt werden kann. In 6 wird das getaktete Schalten der Schaltelemente 307 durch unterschiedliche Schraffuren dargestellt. Beispielsweise werden zwischen t₃ und t₄ zwei Schaltelemente 307 langsam getaktet (breite Schraffur) und ein Schaltelement 307 mit einer hohen Frequenz getaktet (enge Schraffur). Durch die Taktung und eine damit verbundene Pulsweitenmodulation kann ein sinusförmiger Verlauf der gesamten Spannung weiter angenähert werden. Insbesondere in Verbindung mit einer Sinus-Dreieck-Modulation kann ein sinusförmiger Spannungsverlauf und somit ein sinusförmiger Strom in die Primärwicklung 309, 310 wie gewünscht eingeprägt werden. Die Entmagnetisierung des Transformators 303 erfolgt durch die entgegen gerichteten Ströme der Primärwicklungen 309 und 310. 7 zeigt ein pulsweitenmoduliertes Signal, welches mit einer Sinus-Dreieck-Modulation erzeugt wurde. Dabei wurden ein Sinussignal mit einer Frequenz von 2 kHz und ein Dreiecksignal mit einer Frequenz von 100 kHz verwendet. Die positiven Spannungsanteile werden beispielsweise von dem Marx-Generator 301 erzeugt und die negativen Spannungsanteile werden beispielsweise von dem Marx-Generator 302 erzeugt.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Stromrichtersystems 800 mit zwei zweistufigen Marx-Generatoren 801 und 802. Eine Spannungsversorgung 803 stellt eine Eingangsspannung von beispielsweise 400 Volt aus einer Dreiphasenwechselstromversorgung 804 für die Marx-Generatoren 801 und 802 bereit. Das Stromrichtersystem 800 umfasst weiterhin vier Sinus-Dreieck-Modulatoren zur Ansteuerung der vier Stufen der beiden Marx-Generatoren 801 und 802. Der erste Sinus-Dreieck-Modulator 805 steuert eine erste Stufe des Marx-Generators 801 an und der zweite Sinus-Dreieck-Modulator 806 steuert eine zweite Stufe des Marx-Generators 801 an. Ebenso steuern die Sinus-Dreieck-Modulatoren 807 und 808 die beiden Stufen des Marx-Generators 802 an. Die Ausgänge der Marx-Generatoren 801 und 802 sind über die Dioden 809 bzw. 810 mit einer Last 811 verbunden, beispielsweise einem Transformator mit zwei Primärwicklungen, wie er im Zusammenhang der 3 zuvor beschrieben wurde.
9 zeigt verschiedene Spannungsverläufe des Stromrichtersystems der 8. 9A zeigt ein Sinussignal 900, welches als Eingangsspannung der Last 811 angenähert werden soll. Weiterhin zeigt 9A Signalverläufe 901–904 von Dreiecksignalen, welche von den Sinus-Dreieck-Modulatoren 805–808 jeweils verwendet werden. Der Sinus-Dreieck-Modulator 805 kombiniert beispielsweise das Sinussignal 900 mit dem Dreiecksignal 901 und erzeugt das in 9B gezeigte Pulsweitenmodulationssignal 905. Der Sinus-Dreieck-Modulator 806 kombiniert das Sinussignal 900 mit dem Dreiecksignal 902 und erzeugt daraus das in 9B gezeigte Pulsweitenmodulationssignal 906. Der Sinus-Dreieck-Modulator 807 kombiniert das Sinussignal 900 mit dem Dreiecksignal 903 und erzeugt das Pulsweitenmodulationssignal 907 der 9C. Der Sinus-Dreieck-Modulator 808 kombiniert das Sinussignal 900 mit Dreiecksignal 904 und erzeugt das Pulsweitenmodulationssignal 908 der 9C. Die Pulsweitenmodulationssignale 905–908 werden zur Ansteuerung der einzelnen Stufen der Marx-Generatoren 801 und 802 verwendet, wodurch an der Last 811 der in 9D gezeigte Spannungsverlauf erzeugt wird. Die positiven Spannungskomponenten 909 der 9D werden von dem Marx-Generator 801 erzeugt und die negativen Spannungskomponenten 910 werden von dem Marx-Generator 802 erzeugt. Die beiden Marx-Generatoren 801 und 802 erzeugen eine Ausgangsspannung mit fünf unterschiedlichen Pegeln. Durch Pulsweitenmodulation der Ausgangsspannung kann der sinusförmige Verlauf 900 verhältnismäßig gut angenähert werden. In dem in 9 gezeigten Beispiel wird beispielsweise ein 20 kHz Sinussignal mit einem 100 kHz Dreiecksignal kombiniert.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Marx-Generators 301, welcher vergleichbar zu dem in 4 gezeigten Marx-Generator 301 ausgestaltet ist. Der in 10 gezeigte Marx-Generator 301 weist jedoch statt der Ladedrossel 405 des Marx-Generators 301 der 4 ein Schaltelement 1001 sowie eine in Freilaufrichtung geschaltete Diode 1002 auf. Die Ladedrossel 405 der 4 hat die primäre Funktion, die Stromanstiegsgeschwindigkeit während der Ladephase zu begrenzen. Der sehr schnell magnetisierbare Kern (aus beispielsweise SiFe 3%) der Ladedrossel 405 selbst erzeugt aufgrund von Magnetostriktion störende Geräusche, die insbesondere in einer klinischen Umgebung unvorteilhaft sind. Um die darüber hinaus eventuell erforderliche schnellere Ladezeit für die unterschiedlichen Schaltfrequenzen zu erreichen, wird das Schaltelement 1001 verwendet. Das Schaltelement 1001 umfasst beispielsweise einen Halbleiterschalter, welcher aktiviert den Ladestrom für die Kondensatoren 306 der Stufen 305 zuführt. In den Entladezyklen des Marx-Generators 301 ist das Schaltelement 1001 deaktiviert und damit hochohmig. Das Schaltelement muss einer Sperrspannung in Höhe der maximalen Ausgangsspannung U_out minus der Eingangsspannung U_in ausgelegt sein. Das Schaltelement 1001 kann beispielsweise einen IGBT oder einen SiC-Schalter umfassen. Das Schaltelement 1001 wird, wie in dem Diagram 1003 gezeigt ist, während der Ladung der Kondensatoren 306 aktiviert und während der Entladung der Kondensatoren 306 deaktiviert, um eine Stromversorgungseinheit, welche die Eingangsspannung U_in bereitstellt, vor Rückwirkungen aus dem Marx-Generator 301 zu schützen. Während des Ladens kann das Schaltelement 1001 beispielsweise mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation in einem sogenannten Chopper-Betrieb angesteuert werden, wodurch ein Ladestrom für die Kondensatoren 306 weiter begrenzt wird. Die Verwendung des Schaltelements 1001 kann daher störende Geräusche durch Magnetostriktion vermeiden und darüber hinaus kostengünstiger als eine entsprechende Ladedrossel sein.
11 zeigt eine Stromversorgung für zwei Marx-Generatoren 301 und 302, welche in einer Gegentaktbetriebsart arbeiten. Eine Eingangsgleichspannung Us wird mit Hilfe der Kondensatoren 1101 und 1102, der Widerstände 1103 und 1104 und den Ladedrosseln 1105 und 1106 in zwei Eingangsspannungen für die beiden Marx-Generatoren 301 und 302 aufgeteilt. In Abhängigkeit der in den Marx-Generatoren 301, 302 verwendeten Stufen werden zwei Gegentaktausgangsspannungen U_out in einer sogenannten Push-Pull-Betriebsart mit einem Spannungspegel, welcher ein Vielfaches von Us beträgt, erzeugt.

Claims

Stromrichtersystem, umfassend: – einen ersten unipolaren Marx-Generator (301) zur Erzeugung einer ersten Spannung, – einen zweiten unipolaren Marx-Generator (302) zur Erzeugung einer zweiten Spannung, – einen Transformator (303) mit zumindest einer ersten Primärwicklung (309), einer zweiten Primärwicklung (310) und einer Sekundärwicklung (311), wobei die erste Primärwicklung (309) über eine erste Diode (313) in Durchlassrichtung mit dem ersten Marx-Generator (301) und die zweite Primärwicklung (310) über eine zweite Diode (314) in Durchlassrichtung mit dem zweiten Marx-Generator (302) derart gekoppelt sind, dass bei einem Anlegen der ersten Spannung eine erste Sekundärspannung in der Sekundärwicklung (311) induziert wird und dass bei einem Anlegen der zweiten Spannung eine zweite Sekundärspannung in der Sekundärwicklung (311) induziert wird, wobei die erste Sekundärspannung entgegengesetzt zu der zweiten Sekundärspannung gerichtet ist, – eine Steuervorrichtung (304), welche den ersten und zweiten Marx-Generator (301, 302) zur Erzeugung der ersten und zweiten Spannung derart ansteuert, dass zu einem Zeitpunkt entweder nur die erste Spannung, nur die zweite Spannung oder keine Spannung erzeugt wird.
Stromrichtersystem nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder zweite Marx-Generator (301, 302) jeweils mehrere Stufen (305) umfasst, wobei mindestens eine der mehreren Stufen (305) einen Ladungsspeicher (306) und ein Schaltelement (307) zum Umschalten zwischen einer Ladebetriebsart der Stufe (305) und einer Entladebetriebsart der Stufe (305) umfasst.
Stromrichtersystem nach Anspruch 2, wobei das Schaltelement (307) einen Halbleiterschalter umfasst.
Stromrichtersystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei jede Stufe (305) des ersten oder zweiten Marx-Generators (301, 302) durch eine jeweilige Baugruppe gebildet wird, wobei die Baugruppen der Stufen (305) gleich ausgebildet sind.
Stromrichtersystem nach einem der Ansprüche 2–4, wobei mindestens eine der mehreren Stufen (305) in einem Ladestromkreis der Stufe ein Widerstandselement (403) umfasst, wobei das Widerstandselement (403) einen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.
Stromrichtersystem nach einem der Ansprüche 2–5, wobei die Steuervorrichtung (304) ausgestaltet ist, die Schaltelemente (307) der Stufen (305) der Marx-Generatoren (301, 302) derart unabhängig voneinander anzusteuern, dass die erste Spannung und die zweite Spannung in Abhängigkeit von der Ansteuerung jeweils eine von mehreren Spannungsstufen aufweisen.
Stromrichtersystem nach einem der Ansprüche 1–4 oder 6, wobei die Marx-Generatoren (301, 302) jeweils an ihren jeweiligen Eingängen einen Ladeschalter (1001) umfassen, welcher von der Steuervorrichtung (304) derart ansteuerbar ist, dass er einen Ladestrom an dem jeweiligen Eingang des Marx-Generators (301, 302) begrenzt.
Medizinische Untersuchungsvorrichtung mit einem Stromrichtersystem (300) nach einem der Ansprüche 1–7.
Medizinische Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die medizinische Untersuchungsvorrichtung eine Untersuchungsvorrichtung zur Durchführung einer Computertomographie, einer Magnetresonanztomographie oder einer Röntgenangiographie umfasst.
Medizinische Untersuchungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Sekundärwicklung (311) des Transformators (303) mit einer Röntgenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlen oder einer Magnetspule zur Erzeugung eines Gradientenfeldes gekoppelt ist.
Verwendung eines Stromrichtersystems zur Erzeugung einer Hochspannung in einer medizinischen Untersuchungsvorrichtung, wobei das Stromrichtersystem ein Stromrichtersystem nach einem der Ansprüche 1–7 umfasst.