DE-102025140989-A1 - Elektronische Schaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Röhrenhochspannung für eine Röntgenröhre, Verfahren zum Betreiben einer Röntgenröhre, Röntgenröhrensystem und medizinische Bildgebungsvorrichtung

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung (1) zum Bereitstellen einer Röhrenhochspannung (17) für eine Röntgenröhre (18). Die elektronische Schaltung (1) weist eine erste Wechselrichtereinheit (4) auf, dazu eingerichtet ist, eine Eingangsgleichspannung (2) zu erhalten und abhängig von einer ersten Stellgröße (10) in eine erste Wechselspannung (8) zu wandeln, sowie eine zweite Wechselrichtereinheit (5), dazu eingerichtet, die Eingangsgleichspannung (2) abhängig von einer zweiten Stellgröße (11) in eine zweite Wechselspannung (9) zu wandeln. Ein weiterer Schaltungsteil (3) ist dazu eingerichtet, abhängig von der ersten und der zweiten Wechselspannung (8, 9) die Röhrenhochspannung (17) zu erzeugen. Eine Regelanordnung (24) ist dazu eingerichtet ist, eine Regelgröße (25) zu bestimmen und die erste Stellgröße (10) und/oder die zweite Stellgröße (11) abhängig von der Regelgröße (25) zu verändern, und die Regelgröße (25) abhängig von einem ersten Wechselstrom (6) und einem zweiten Wechselstrom (7) und/oder einem ersten Gleichstrom (43) und einem zweiten Gleichstrom (44) zu bestimmen.

Inventors

• Leopold Ott
• Stefan Waffler

Assignees

• Siemens Healthineers Ag

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20251008

Priority Date

20241106

Claims (15)

1. Elektronische Schaltung (1) zum Bereitstellen einer Röhrenhochspannung (17) für eine Röntgenröhre (18), die elektronische Schaltung (1) aufweisend - eine erste Wechselrichtereinheit (4), die dazu eingerichtet ist, eine Eingangsgleichspannung (2) zu erhalten und die Eingangsgleichspannung (2) abhängig von einer ersten Stellgröße (10) in eine erste Wechselspannung (8) zu wandeln; und - eine zweite Wechselrichtereinheit (5), die dazu eingerichtet ist, die Eingangsgleichspannung (2) zu erhalten und die Eingangsgleichspannung (2) abhängig von einer zweiten Stellgröße (11) in eine zweite Wechselspannung (9) zu wandeln; und - einen weiteren Schaltungsteil (3), der dazu eingerichtet ist, abhängig von der ersten Wechselspannung (8) und der zweiten Wechselspannung (9) die Röhrenhochspannung (17) zu erzeugen und die Röhrenhochspannung (17) ausgangsseitig zur Verfügung zu stellen; und - eine Regelanordnung (24), die dazu eingerichtet ist, eine Regelgröße (25) zu bestimmen und die erste Stellgröße (10) und/oder die zweite Stellgröße (11) abhängig von der Regelgröße (25) zu verändern, um die Regelgröße (25) auf einen vorgegebenen Sollwert (26) zu regeln, wobei die Regelanordnung (24) dazu eingerichtet ist, die Regelgröße (25) zu bestimmen abhängig von i) einem aus der ersten Wechselspannung (8) resultierenden ersten Wechselstrom (6) und einem aus der zweiten Wechselspannung (9) resultierenden zweiten Wechselstrom (7) und/oder ii) einem aus der Eingangsgleichspannung (2) resultierenden ersten Gleichstrom (43) an der ersten Wechselrichtereinheit (4) und einem aus der Eingangsgleichspannung (2) resultierenden zweiten Gleichstrom (44) an der zweiten Wechselrichtereinheit (5).
2. Elektronische Schaltung (1) gemäß Anspruch 1 , wobei die Regelgröße (25) von einer Differenz zwischen dem ersten Wechselstrom (6) und dem zweiten Wechselstrom (7) und/oder einer Differenz zwischen dem ersten Gleichstrom (43) und dem zweiten Gleichstrom (44) abhängt.
3. Elektronische Schaltung (1) gemäß Anspruch 1 , wobei - die Regelanordnung (24) dazu eingerichtet ist, aus dem ersten Wechselstrom (6) einen ersten charakteristischen Wert (27) und aus dem zweiten Wechselstrom (7) einen zweiten charakteristischen Wert (28) zu bestimmen; - die Regelgröße (25) abhängig ist von dem ersten charakteristischen Wert (27) und dem zweiten charakteristischen Wert (28) oder die Regelgröße (25) abhängig ist von einer Differenz zwischen dem ersten charakteristischen Wert (27) und dem zweiten charakteristischen Wert (28); - der erste charakteristische Wert einem ersten Effektivwert, einem ersten Gleichrichtwert oder einem ersten Spitzenwert entspricht; und - der zweite charakteristische Wert einem zweiten Effektivwert, einem zweiten Gleichrichtwert oder einem zweiten Spitzenwert entspricht.
4. Elektronische Schaltung (1) gemäß Anspruch 3 , wobei die Regelanordnung (24) dazu eingerichtet ist, abhängig von dem ersten charakteristischen Wert (27) und dem zweiten charakteristischen Wert (28) einen größten charakteristischen Wert zu ermitteln, und - die erste Stellgröße (10) abhängig von der Regelgröße (25) zu verändern, wenn der erste charakteristische Wert (27) geringer als der größte charakteristische Wert ist; und - die zweite Stellgröße (11) abhängig von der Regelgröße (25) zu verändern, wenn der zweite charakteristische Wert (28) geringer als der größte charakteristische Wert ist.
5. Elektronische Schaltung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3 , wobei die Regelanordnung (24) dazu eingerichtet ist, abhängig von der Regelgröße (25) und dem vorgegebenen Sollwert (26) eine Reglerstellgröße (37) zu ermitteln, und - die erste Stellgröße (10) von einer Differenz eines vorgegebenen Initialwerts (40) und der Reglerstellgröße (37) abhängt; und/oder - die zweite Stellgröße (11) von einer Summe des vorgegebenen Initialwerts (40) und der Reglerstellgröße (37) abhängt.
6. Elektronische Schaltung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der weitere Schaltungsteil (3) einen Spannungstransformator (15) enthält, der dazu eingerichtet ist, primärseitig eine aus der ersten Wechselspannung (8) und/oder der zweiten Wechselspannung (9) resultierende Primärwechselspannung (14) zu erhalten und die Primärwechselspannung (14) in eine Sekundärwechselspannung (29) zu wandeln, wobei die Röhrenhochspannung (17) abhängig von der Sekundärwechselspannung (29) ist.
7. Elektronische Schaltung (1) gemäß Anspruch 6 , wobei der weitere Schaltungsteil (3) einen Gleichrichter (16) enthält, der dazu eingerichtet ist, die Sekundärwechselspannung (29) in die Röhrenhochspannung (17) zu wandeln.
8. Elektronische Schaltung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der weitere Schaltungsteil (3) einen ersten Resonanzkreis (12) enthält, der eingangsseitig mit einem Ausgang der ersten Wechselrichtereinheit (4) und ausgangsseitig mit einem Ausgang des Weiteren Schaltungsteils (3), der zum Bereitstellen der Röhrenhochspannung (17) eingerichtet ist, gekoppelt ist; und - der weitere Schaltungsteil (3) einen zweiten Resonanzkreis (13) enthält, der eingangsseitig mit einem Ausgang der zweiten Wechselrichtereinheit (5) und ausgangsseitig mit dem Ausgang des Weiteren Schaltungsteils (3), der zum Bereitstellen der Röhrenhochspannung (17) eingerichtet ist, gekoppelt ist.
9. Elektronische Schaltung (1) gemäß Anspruch 8 , wobei ein Ausgang des ersten Resonanzkreises (12) und ein Ausgang des zweiten Resonanzkreises (13) miteinander gekoppelt sind.
10. Elektronische Schaltung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung (1) wenigstens eine weitere Wechselrichtereinheit (30) enthält, wobei - jede weitere Wechselrichtereinheit (30) der wenigstens einen weiteren Wechselrichtereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die Eingangsgleichspannung (2) zu erhalten und die Eingangsgleichspannung (2) abhängig von einer jeweiligen weiteren Stellgröße (33) in eine jeweilige weitere Wechselspannung (31) zu wandeln; - der weitere Schaltungsteil (3) dazu eingerichtet ist, die Röhrenhochspannung (17) abhängig von den weiteren Wechselspannungen (31) zu erzeugen; - die Regelanordnung (24) dazu eingerichtet ist, die Regelgröße (25) zu bestimmen abhängig von i) dem ersten Wechselstrom (6), dem zweiten Wechselstrom (7) und einem jeweiligen aus den weiteren Wechselspannungen (31) resultierenden weiteren Wechselstrom (32) und/oder ii) dem ersten Gleichstrom (43), dem zweiten Gleichstrom (44) und einem jeweiligen aus der Eingangsgleichspannung (2) resultierenden weiteren Gleichstrom an jeder weiteren Wechselrichtereinheit (30) der wenigstens einen weiteren Wechselrichtereinheit (30).
11. Röntgenröhrensystem, aufweisend die elektronische Schaltung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche und die Röntgenröhre (18).
12. Medizinisches Bildgebungssystem, aufweisend das Röntgenröhrensystem nach Anspruch 11 .
13. Verfahren zum Bereitstellen einer Röhrenhochspannung (17) für eine Röntgenröhre (18), wobei: - eine Eingangsgleichspannung (2) abhängig von einer ersten Stellgröße (10) in eine erste Wechselspannung (8) gewandelt wird; - die Eingangsgleichspannung (2) abhängig von einer zweiten Stellgröße (11) in eine zweite Wechselspannung (9) gewandelt wird; - die Röhrenhochspannung (17) abhängig von der ersten Wechselspannung (8) und der zweiten Wechselspannung (9) erzeugt und zur Verfügung gestellt wird; - eine Regelgröße (25) bestimmt wird abhängig von i) einem aus der ersten Wechselspannung (8) resultierenden ersten Wechselstrom (6) und einem aus der zweiten Wechselspannung (9) resultierenden zweiten Wechselstrom (7) und/oder ii) einem aus der Eingangsgleichspannung (2) resultierenden ersten Gleichstrom (43) an der ersten Wechselrichtereinheit (4) und einem aus der Eingangsgleichspannung (2) resultierenden zweiten Gleichstrom (43) an der zweiten Wechselrichtereinheit (4); und - die erste Stellgröße (10) und/oder die zweite Stellgröße (11) abhängig von der Regelgröße (25) verändert wird, um die Regelgröße (25) auf einen vorgegebenen Sollwert (26) zu regeln.
14. Verfahren nach Anspruch 13 , wobei die Regelgröße (25) abhängig ist von einer Differenz zwischen dem ersten Wechselstrom (6) und dem zweiten Wechselstrom (7) und/oder von einer Differenz zwischen dem ersten Gleichstrom (43) und dem zweiten Gleichstrom (44) oder die Regelgröße (25) abhängig ist von einer Differenz zwischen einem ersten charakteristischen Wert (27) des ersten Wechselstroms (6) und einem zweiten charakteristischen Wert (28) des zweiten Wechselstroms (7), wobei - der erste charakteristische Wert einem ersten Effektivwert, einem ersten Gleichrichtwert oder einem ersten Spitzenwert entspricht; und - der zweite charakteristische Wert einem zweiten Effektivwert, einem zweiten Gleichrichtwert oder einem zweiten Spitzenwert entspricht.
15. Verfahren zum Betreiben einer Röntgenröhre (18), wobei das Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14 durchgeführt wird und mittels der Röntgenröhre (18) abhängig von der Röhrenhochspannung (17) Röntgenstrahlung erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum Bereitstellen einer Röhrenhochspannung für eine Röntgenröhre. Außerdem betrifft die Erfindung ein Röntgenröhrensystem mit einer derartigen elektronischen Schaltung und ein medizinisches Bildgebungssystem mit einem derartigen Röntgenröhrensystem. Die Erfindung betrifft darüber hinaus entsprechende Verfahren. Eine Röntgenröhre ist eine spezielle Elektronenstrahlröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Röntgenröhren werden in unterschiedlichen bildgebenden Verfahren verwendet und bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten unter anderem in der modernen Medizin. Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels einer Röntgenröhre werden freie Elektronen benötigt, die mit Hilfe einer definierten Röhrenhochspannung von einer Kathode hin zu einer Anode beschleunigt werden können. Die freigesetzten Elektronen, also Ladungen, pro Zeiteinheit, die von der Kathode zur Anode fließen, werden als Röhrenstrom bezeichnet. Die Röhrenhochspannung kann üblicherweise im Bereich von 25 kV bis 600 kV liegen. Beim Auftreffen der beschleunigten Elektronen auf die Anode geben die Elektronen Energie ab, die zu Bremsstrahlung und charakteristischer Strahlung führt. Da die auftreffenden Elektronen in alle Richtungen abgelenkt oder gestreut werden können, geben diese je nach Ablenkwinkel unterschiedlich viel Energie in Form von Bremsstrahlung ab. Es entsteht dadurch ein kontinuierliches Röntgenspektrum. Eine Gesamteffizienz, also die Strahlenausbeute im Verhältnis zur Eingangsenergie, eines Röntgenröhrensystems kann sehr gering sein. Aufgrund dessen kann es notwendig sein, die Röntgenröhre mit einer sehr hohen Leistung zu versorgen, diese kann beispielsweise in der Größenordnung von 100 kW liegen. Die Leistungsversorgung von Röntgenröhren erfolgt konventionell über eine leistungselektronische Wandlungskette. Diese wandelt beispielsweise zunächst eine ein- oder dreiphasige Versorgungswechselspannung in eine Eingangsgleichspannung um, welche auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet wird. Aus dieser Zwischenkreisspannung wird in einem weiteren Schritt über eine Wechselrichterstufe eine hochfrequente (beispielsweise 30 kHz - 300 kHz) Wechselspannung mit einstellbarer Höhe erzeugt, die einen Übertragungskreis hin zur Röntgenröhre speist. Der Übertragungskreis kann dabei einen Schwingkreis, einen Hochspannungstransformator und eine hochspannungsseitige Gleichrichtung enthalten. Die hochfrequente Wechselspannung kann in ihrer Höhe zum Beispiel eingestellt werden indem die Zwischenkreisspannung aktiv geregelt wird, indem wenigstens ein Brückenzweig eines Wechselrichters phasenverschoben angesteuert wird oder indem eine Frequenz der Wechselspannung variiert wird. Das Ziel dieses Übertragungskreises ist es, eine Hochspannungsgleichspannung zwischen Anode und Kathode innerhalb der Röhre zu erzeugen, die für eine Beschleunigung der freien Elektronen aus einem entsprechend geheizten Emitter, der auch als Filament bezeichnet werden kann, auf einer Seite der Kathode sorgt und somit den Strom innerhalb der Röntgenröhre formt. Dieser Stromfluss erzeugt wiederum beim Auftreffen auf die Anode hochenergetische Röntgenstrahlung, die für die medizinische Bildgebung verwendet werden kann. Da Röntgenröhren, insbesondere für CT- und Radiographieanwendungen, maximale Strahlleistungen im Bereich von 100 kW und darüber aufweisen können, kann beispielsweise aus Gründen der thermischen Belastung der Bauteile der Wechselrichterstufe die Leistungsübertragung auf mehrere Stufen aufgeteilt werden. Dadurch kann es durch eine unweigerlich vorhandene Toleranz in verschiedenen Stufen, beispielsweise einer Toleranz von Bauteilen des Übertragungskreises, zu einer asymmetrischen Strom- und damit Leistungsaufteilung kommen, was nachteilhaft ist. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei mehrstufigen Versorgungsschaltungen für die Röhrenhochspannung einer Röntgenröhre die Asymmetrie der Lastverteilung zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren. Die Erfindung beruht auf dem Gedanken durch eine ausgangsseitige Regelung im Rahmen der Wechselspannungserzeugung eine symmetrischere Lastverteilung der mehrstufigen Versorgungsschaltung sicherzustellen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Schaltung zum Bereitstellen einer Röhrenhochspannung für eine Röntgenröhre vorgestellt. Die elektronische Schaltung weist eine erste Wechselrichtereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, eine Eingangsgleichspannung zu erhalten und die Eingangsgleichspannung abhängig von einer ersten Stellgröße in eine erste Wechselspannung zu wandeln. Außerdem weist die elektronische Schaltung eine zweite Wechselrichtereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die Eingangsgleichspannung zu erhalten und die Eingangsgleichspannung abhängig von e