專利名稱：一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及重離子腫瘤治療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于產(chǎn)生勵磁用掃描電流的電源。
背景技術(shù)：
重離子治癌是放射治療中最新發(fā)展起來的一種方法，其工作原理是利用高能重離子束對腫瘤進(jìn)行照射從而殺死腫瘤細(xì)胞。重離子束流在加速完成之后配送至治療終端時，一般都是很細(xì)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(biāo)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(tǒng)送過來的筆束進(jìn)行變換，即將束流按照被照射腫瘤的XYZ三個方向的尺寸進(jìn)行控制和變換，以適應(yīng)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。掃描磁鐵與其勵磁電流是通過考掃描系統(tǒng)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，一種為被動掃描，又稱為連續(xù)掃描；另外一種為主動掃描，又稱為點(diǎn)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(xù)磁場的控制下，在長度和寬度方向上形成一個連續(xù)的、均勻的束流平面，同時與Z方向束流能量相結(jié)合之后，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(chǎn)生作用，而對腫瘤之外的正常細(xì)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樣，但在長度和寬度方向上完全不同，離子束在一系列階躍脈沖磁場的控制下，在長度和寬度方向上形成一個由一系列點(diǎn)組成的束流平面，如果點(diǎn)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一個圓圈扎出一個個眼，當(dāng)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(yùn)動，掃描電源就是用來產(chǎn)生勵磁電流的供電系統(tǒng)。掃描電源或類似裝置廣泛應(yīng)用于輻照領(lǐng)域，包括材料輻照、生物輻照、醫(yī)療輻照等領(lǐng)域。醫(yī)療輻照主要有質(zhì)子輻射治療裝置、電子輻射治療裝置等。在實(shí)際科研及工業(yè)應(yīng)用中，都需通過掃描裝置要將一束射線或離子均勻分布于一個平面上，以便更好地發(fā)揮輻照的作用，或者方便于操作等。因此掃描電源也廣泛應(yīng)用與輻照行業(yè)中。目前常用輻照用掃描電源，主要應(yīng)用于電子束應(yīng)用中，一般采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(zhì)量小，因此掃描電源電流及功率都較小，且常應(yīng)用于被動掃描方式。在腫瘤治療放射治療領(lǐng)域，電子束、質(zhì)子束都是常用離子，都已有成熟產(chǎn)品應(yīng)用于臨床中。以碳束為代表的重離子治療是近幾年才開始發(fā)展起來的一種新的放射治療方法，目前國內(nèi)還未有一家醫(yī)院進(jìn)行商業(yè)化的臨床應(yīng)用。相比碳而言、電子和質(zhì)子質(zhì)量都要輕的多，其加速后的能量也要小得多。因此應(yīng)用于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(xiàn)有做法一般是兩種電源分別實(shí)現(xiàn)。綜上所述，現(xiàn)有的用于產(chǎn)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(shí)現(xiàn)，誤差較大等缺陷。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中電源功率小、電源輸出波形少，功能不完備等缺陷，提供了一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源，其電源主拓?fù)洳捎昧硕鄠€全橋式功率變換器串聯(lián)和并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以有效解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案，所述的一種用于產(chǎn)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(diǎn)在于所述的功率變換器前端與三相交流電源相連，功率變換器后端與負(fù)載相連，功率變換器為多級，多級功率變換器組成串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單級功率變換器由整流器和全橋開關(guān)變換器組成，功率變換器主要功能是對來自電網(wǎng)的能量功率的控制和變換，按照負(fù)載所需要的方式傳送至負(fù)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(diào)節(jié)器和脈沖產(chǎn)生及移相模塊組成，其作用是實(shí)現(xiàn)電源的調(diào)節(jié)和控制，生成脈沖寬度調(diào)制信號并按照串聯(lián)級數(shù)進(jìn)行錯相分配。所述的功率變換器的全橋開關(guān)變換器由四個開關(guān)管組成，每個開關(guān)管均以脈寬調(diào)制方式工作于開關(guān)狀態(tài)；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，主要是為后級的全橋開關(guān)變換器提供所需直流電壓。所述的全橋開關(guān)變換器的開關(guān)管為大功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT),工作于脈沖寬度調(diào)制方式，即工作頻率固定，脈沖寬度可變，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓；全橋開關(guān)變換器在輸出端通過一組電感電容組成的濾波器后串聯(lián)連接，然后與負(fù)載相連。所述的電源控制器的PI調(diào)節(jié)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(jìn)行比較得到電流誤差信號，在對誤差信號進(jìn)行放大并積分得到調(diào)節(jié)信號，調(diào)節(jié)信號送往脈沖產(chǎn)生及移相模塊用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。所述的PI調(diào)節(jié)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于± IOV連續(xù)的波，電源將跟隨給定信號輸出電流；PI調(diào)節(jié)器反相輸入端輸入信號為負(fù)載電流信號，PI調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)信號為△#，直接送入脈沖產(chǎn)生及移相模塊中；脈沖產(chǎn)生及移相模塊是由兩個比較器組成的，主要功能是將PI調(diào)節(jié)器送來的誤差調(diào)節(jié)信號變換為脈寬調(diào)制信號，也就是產(chǎn)生一個固定頻率的信號，脈寬調(diào)制器輸入信號為PI調(diào)節(jié)器物超調(diào)制信號Avt，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。本實(shí)用新型的有益效果是所述的一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源，其電源主拓?fù)洳捎枚鄠€全橋式功率變換器(以下簡稱為H橋)串聯(lián)，同時串聯(lián)H橋采用相互移相驅(qū)動，采用比例一積分(PI)調(diào)節(jié)控制策略?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)掃描需要，也可以滿足點(diǎn)掃描需要，能實(shí)現(xiàn)掃描磁鐵所需掃描電流波形的幅值、頻率、精度、誤差，產(chǎn)生所需的掃描磁場。本實(shí)用新型還有以下幾個特點(diǎn) 第一，電源功率大。電源輸出電流峰值可達(dá)±800A，輸出電壓可達(dá)±2000V。第二，電源輸出波形多。電源可輸出正負(fù)對稱的三角波、正弦余輸出弦波、鋸齒波、梯形波等電流波形，也可以輸出非正負(fù)對稱 的三角波、正弦余弦波、鋸齒梯形波等電流波形，各波形之間可以連續(xù)切換。第三，功能完善。每一種波形都可以對電流幅度、頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，電流調(diào)節(jié)范圍O— ±800A，頻率調(diào)節(jié)范圍O — 200Hz。第四，主動掃描與被動掃描工作模式一體化實(shí)現(xiàn)。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(xù)的，其結(jié)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一系列的方波，對電源的要求是上升下降沿要陡，平頂誤差要小。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

圖1為本實(shí)用新型的整體原理框圖；圖2為本實(shí)用新型圖1中的單級變換器原理及多級H橋串聯(lián)原理；圖3為本實(shí)用新型圖1中的電源控制器原理圖；圖4為本實(shí)用新型圖1中的多路錯相方波信號原理圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本實(shí)用新型，并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。如圖1所示，所述的一種用于產(chǎn)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(diǎn)在于所述的功率變換器前端與三相交流電源相連，功率變換器后端與負(fù)載相連，功率變換器為多級，多級功率變換器組成串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單級功率變換器由整流器和全橋開關(guān)變換器組成，功率變換器主要功能是對來自電網(wǎng)的能量功率的控制和變換，按照負(fù)載所需要的方式傳送至負(fù)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(diào)節(jié)器和脈沖產(chǎn)生及移相模塊組成，其作用是實(shí)現(xiàn)電源的調(diào)節(jié)和控制，生成脈沖寬度調(diào)制信號并按照串聯(lián)級數(shù)進(jìn)行錯相分配。如圖2所示所述的功率變換器的全橋開關(guān)變換器由四個開關(guān)管組成，每個開關(guān)管均以脈寬調(diào)制方式工作于開關(guān)狀態(tài)；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，主要是為后級的全橋開關(guān)變換器提供所需直流電壓。所述的全橋開關(guān)變換器的開關(guān)管為大功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT)，工作于脈沖寬度調(diào)制方式，即工作頻率固定，脈沖寬度可變，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓；全橋開關(guān)變換器在輸出端通過一組電感電容組成的濾波器后串聯(lián)連接，然后與負(fù)載相連。所述的電源控制器的PI調(diào)節(jié)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(jìn)行比較得到電流誤差信號，在對誤差信號進(jìn)行放大并積分得到調(diào)節(jié)信號，調(diào)節(jié)信號送往脈沖產(chǎn)生及移相模塊用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。PI調(diào)節(jié)器中同相輸入端(標(biāo)示為+)輸入信號為波形給定信號，給定波形可以是幅度不大于±IOV連續(xù)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(diào)節(jié)器反相輸入端(標(biāo)示為一)輸入信號為負(fù)載電流信號。PI調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)信號為A vt，直接送入脈沖產(chǎn)生及移相模塊中。脈沖產(chǎn)生及移相模塊是由兩個比較器組成的，主要功能是將PI調(diào)節(jié)器送來的誤差調(diào)節(jié)信號變換為脈寬調(diào)制信號，也就是產(chǎn)生一個固定頻率(本例中為IOKHz)的方波信號，但是方波的脈沖寬度與誤差調(diào)節(jié)信號Avt成正比，且占空t匕(脈沖寬度與周期之比)可從0-100%連續(xù)變化。主要工作原理如附圖3所示。脈沖產(chǎn)生及移相模塊輸入信號為PI調(diào)節(jié)器物超調(diào)制信號Avt，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ΙΟΚΗζ)的調(diào)制三角波，三角波2接入比較器B的同相端，其頻率幅度與三角波A完全一樣，只是相位與三角波A正好相差180°。比較器A的輸出脈沖為開關(guān)管V1、V4 (見附圖2)驅(qū)動信號，比較器B的輸出脈沖為開關(guān)管V2、V3 (見附圖2)驅(qū)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(jù)H橋串聯(lián)的數(shù)量、開關(guān)管工作頻率、相位條件，確定每一路移相信號移相角度，產(chǎn)生每一級中每一個開關(guān)管的脈寬調(diào)制信號，移相角度Θ = π/Ν，Ν為串聯(lián)級數(shù)，為便于實(shí)現(xiàn)期間，N—般選為偶數(shù)，結(jié)合功率變換器級數(shù)選擇原則，一般情況下串聯(lián)級數(shù)選擇為二級、四級、六級。附圖4中以二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時，V11、V14位置開關(guān)管 同時工作，同時V12、V13位置開關(guān)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(fù)向電流時，V12、V13位置開關(guān)管工作，同時VI1、V14位置開關(guān)管完全截止，不工作，V12、V13稱為第一級H橋負(fù)向工作對管。其他各級以此類推，如VN1、VN4位置開關(guān)管工作，VN2、VN3位置開關(guān)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(lián)時在開關(guān)管開關(guān)頻率保持固定的前提下，等效開關(guān)頻率是開關(guān)管工作頻率2倍，同理如果在N級串聯(lián)式，通過及間移相，等效開關(guān)頻率將會是開關(guān)管工作頻率的N倍。這樣一方面通過H橋串聯(lián)提高了電壓等級，增加了輸出功率，另外通過級間移相，成倍增加負(fù)載上的等效開關(guān)頻率，此種方法特別是適合應(yīng)用與大功率、高響應(yīng)速度的場合，例如大功率掃描電源中。為了承受高電壓，功率變換器采用了多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)級數(shù)根據(jù)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(lián)級數(shù)成正比，串聯(lián)的越多可承受電壓越高。但是電路復(fù)雜程度也急劇增加，一般情況下，串聯(lián)級數(shù)不超過六級。每一級功率變換器原理和結(jié)構(gòu)完全相同，詳見附圖2。所述的一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附圖1所示，包括四級H橋串聯(lián)的大功率掃描電源，將四個單獨(dú)的H橋輸出通過母排串聯(lián)起來，串聯(lián)的級數(shù)取決于頻率、幅值及所用負(fù)載參數(shù)。本例中需要電源輸出電流±800A的三角波，頻率為O—200Hz可調(diào)，此時電源電壓需要為1200V。據(jù)此選擇四個H橋串聯(lián)，每個H橋輸出電壓350V，輸出電流800A，PWM可以采用/4即45°移相，H橋中每一只開關(guān)管可選用3只400A/1200V的IGBT模塊并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，開關(guān)管工作頻率選擇為典型ΙΟΚΗζ，此時相應(yīng)負(fù)載等效頻率為40KHz電源具體工作方式如下電源合閘后，整流電路工作，LC濾波儲能，合閘完成后，電源正常。用小信號三角波(以三角波為例)做基準(zhǔn)電源給定送入PI調(diào)節(jié)器做運(yùn)算，得到誤差調(diào)節(jié)信號并送往脈寬調(diào)制單元，在此部分內(nèi)，將誤差信號進(jìn)行調(diào)制得到與頻率固定、脈寬變化的脈沖信號，并在脈沖分配器里得到每個H橋中的功率開關(guān)管所需的驅(qū)動信號，這一驅(qū)動信號在經(jīng)過驅(qū)動器放大后送入每只對應(yīng)的開關(guān)管，控制開關(guān)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。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源，包括功率變換器和電源控制器，其特征在于所述的功率變換器前端與三相交流電源相連，功率變換器后端與負(fù)載相連，功率變換器為多級，多級功率變換器組成串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單級功率變換器由整流器和全橋開關(guān)變換器組成，功率變換器用于對來自電網(wǎng)的能量功率的控制和變換，按照負(fù)載所需要的方式傳送至負(fù)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(diào)節(jié)器和脈沖產(chǎn)生及移相模塊組成，用于實(shí)現(xiàn)電源的調(diào)節(jié)和控制，生成脈沖寬度調(diào)制信號并按照串聯(lián)級數(shù)進(jìn)行錯相分配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源，其特征在于所述的功率變換器的全橋開關(guān)變換器由四個開關(guān)管組成，每個開關(guān)管均以脈寬調(diào)制方式工作于開關(guān)狀態(tài)；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，為后級的全橋開關(guān)變換器提供所需直流電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源，其特征在于所述的全橋開關(guān)變換器的開關(guān)管為大功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管，工作于脈沖寬度調(diào)制方式，即工作頻率固定，脈沖寬度可變，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓；全橋開關(guān)變換器在輸出端通過一組電感電容組成的濾波器后串聯(lián)連接，然后與負(fù)載相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源，其特征在于所述的電源控制器的PI調(diào)節(jié)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(jìn)行比較得到電流誤差信號，在對誤差信號進(jìn)行放大并積分得到調(diào)節(jié)信號，調(diào)節(jié)信號送往脈沖產(chǎn)生及移相模塊用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源,其特征在于所述的PI調(diào)節(jié)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于±IOV連續(xù)的波，電源將跟隨給定信號輸出電流；PI調(diào)節(jié)器反相輸入端輸入信號為負(fù)載電流信號，PI調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)信號為△#，直接送入脈沖產(chǎn)生及移相模塊中；脈沖產(chǎn)生及移相模塊是由兩個比較器組成的，主要功能是將PI調(diào)節(jié)器送來的誤差調(diào)節(jié)信號變換為脈寬調(diào)制信號，也就是產(chǎn)生一個固定頻率的信號，脈寬調(diào)制器輸入信號為PI調(diào)節(jié)器物超調(diào)制信號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(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于產(chǎn)生勵磁電流的掃描電源,其特征在于所述的給定波形為三角波、鋸齒波、正弦波或梯形波。
專利摘要本實(shí)用新型涉及重離子腫瘤治療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于產(chǎn)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(diǎn)在于所述的功率變換器前端與三相交流電源相連，功率變換器后端與負(fù)載相連，功率變換器為多級，多級功率變換器組成串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單級功率變換器由整流器和全橋開關(guān)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(diào)節(jié)器和脈沖產(chǎn)生與移相模塊組成，其作用是實(shí)現(xiàn)電源的調(diào)節(jié)和控制，生成脈沖寬度調(diào)制信號并按照串聯(lián)級數(shù)進(jìn)行錯相分配。該實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描需要，也可以滿足點(diǎn)掃描需要，能實(shí)現(xiàn)掃描磁鐵所需掃描電流波形的幅值、頻率、精度、誤差，產(chǎn)生所需的掃描磁場。
文檔編號H02M5/458GK202840971SQ20122037469
公開日2013年3月27日 申請日期2012年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月28日
發(fā)明者陳又新, 周忠祖, 燕宏斌, 張顯來, 高大慶, 申萬曾, 馮秀明, 高亞林, 吳鳳軍 申請人:中國科學(xué)院近代物理研究所