[发明专利]具有改进功率效率的电压倍增器和设置有这种电压倍增器的装置

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种将相对低的AC电压转化成相对高的DC电压的电压倍增器。在具有必须由高DC电压供电的部件或者模块的各种装置中都可以使用这种电压倍增器。这种部件例如可以是电视机或者计算机中的阴极射线管。还可以在激光和等离子体发生器设备中使用电压倍增器。

更特别地，本发明涉及包括用于产生X射线的X射线管的X射线装置，所述X射线管需要一种设备用于为X射线管供应高DC电压。

背景技术

将低的AC电压转化成高的DC电压的电压倍增器被广泛使用。所谓的“Cockroft和Walton”串联整流器被使用了几十年。这样的电压倍增器由一系列整流二极管和电容器构成，以形成一种电压倍增器，也就是将AC输入电压转化成高N倍的DC电压的电路，N是整流级的数量。例如在日本专利申请JP3028270A的图5中公开了这种电压倍增器，其中第一级是由二极管D1和D2以及电容器C1和C5构成的；第二级是由二极管D3和D4以及电容器C2和C6构成的，等等。除了接收AC输入电压并产生DC电压的第一级之外，每一级都增加由它前一级提供的DC电压。

通常存在研制具有高功率效率的电压倍增器的必要，以避免不必要的功率消耗和热量产生。在便携式设备的情况下尤其是这样。功率效率较差的主要原因是二极管的能量损耗，尤其是用到高操作频率时。在X射线装置中，X射线管所需要的DC电压通常是非常高的，例如75kV。在CT(计算机X线断层摄影术)设备中，需要高功率的X射线束，例如高达20秒。这需要所谓的旋转阳极管，使得它的阳极在地电势，并且阴极在例如-150kV。这种高电压是不能通过变压器绝缘来很好地控制的。因此，使用电压倍增器使得变压器在较低电压，例如40kV。

老化管逐渐地遭受着管子变成拱形，这是由于在管子中生长了寄生(spurious)气体和杂质而导致的破坏性放电。通常拱形电流(archingcurrent)受到电阻的限制并通过能够关断高压发生器例如电压倍增器的控制电子器件检测。然而，电压倍增器具有一些输出电容。在很多情况中，甚至是通过有意地增加平滑电容而增大这种输出电容，以最小化DC输出电压中的AC波纹电压。因此，即使控制电子器件将电压倍增器关断，那么输出电容的电荷使得放电电流流过管子。这仍然可能会损坏管子。因此，存在降低电压倍增器的输出电容的必要。然而如果操作频率增加(由此倍增器的AC输入电压增加)，该输出电容可只能被降低。否则AC波纹电压将变得太高。然而，如果没有另外的措施，由于操作频率的增加，电压倍增器的功率效率将降低，操作频率的增加导致二极管中能量损耗的增加。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有增加了功率效率的电压倍增器。

在本发明的实施例中，电压倍增器包括倍增器级链，每个倍增器级包括第一和第二输入端和第一和第二输出端，其中除了最后一个倍增器级之外，倍增器级的第一和第二输出端分别耦合到另一个倍增器级的第一和第二输入端，其中第一倍增器级的第一和第二输入端构成所述链的第一和第二输入端，每个倍增器级包括在第一输入端和第一输出端之间由两个二极管以相同的电流传导方向耦合的一系列二极管配置，和平衡装置(equalizing means)，用于平衡(equalizing)作为时间函数的流过二极管电流的电流分布。

本发明是基于这样的认识，在常规电压倍增器中，流过导电二极管的电流几乎是一个接着一个地产生。这导致了尖脉冲的波形，其使得二极管中产生了明显的能量损耗。在本发明的电压倍增器中，这些脉冲几乎同步产生，并且由于它们分时间展开所以还不太陡峭。因此，降低了二极管中的能量损耗，从而使得电压倍增器的功率效率增加。

在本发明的另一个实施例中，电压倍增器的特征在于，每个倍增器级包括耦合在第一输入端和第一输出端之间的第一电容器，和耦合在第二输入端和第二输出端之间的第二电容器，以及在至少一个倍增器级中，平衡装置包括耦合在第二输出端和两个二极管的连接点之间的随时间变化的电平转换器，以及在其余的倍增器级中，平衡装置包括在第二输出端和两个二极管的连接点之间的电耦合。

优选以这样的方式设计所述随时间变化的电平转换器，平均电压几乎为零，因此对于二极管的AC成分来说，电平转换器仅仅起到电压降的作用。由于这个原因，优选通过电平转换电容器实施随时间变化的电平转换器。通过这样做，如果适当地确定大小，可以实现相等的电流分布，或者甚至在所有倍增器级中流过导电二极管的电流相等。