一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源的制作方法

本发明属于质子治疗设备领域，更具体地，涉及一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源。

背景技术：

1、扫描磁铁位于质子治疗装置末端的治疗头上，其主要功能是将加速器系统产生的笔形质子束按照预先确定的工作模式在三维空间上来回逐点或连续扫描。

2、扫描磁铁放大器电源用于为扫描磁铁提供励磁电流，以产生所需的磁场。现代笔形束的三维适形方法对扫描磁铁放大器电源的电流变化率和输出稳定度都提出了很高的要求：

3、(1)电流变化率一般为几十ka/s；

4、(2)额定电流输出稳定度50ppm以内；

5、(3)为尽快开束治疗，在电流以最大斜率变化后，进入±100ma的范围内的调节时间小于1ms；

6、然而达到上述要求存在如下难点：

7、a.电流变化率大势必会导致稳态输出的波动大，因此兼顾几十ka/s的上升速率和100ppm以内的输出稳定性很难。

8、b.电源输出电流以几十ka/s的变化率上升后，要在1ms内快速抵达目标值±100ma的波动范围，缩短这一调节时间很难。

9、c.现有的基于网络接口的板卡设计，通讯速度只能在毫秒级，毫秒级的通讯速度实现系统高效率运行比较难。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源，第一目的在于解决电流变化率大势必会导致稳态输出的波动大，因此兼顾几十ka/s的上升速率和100ppm以内的输出稳定性很难的问题；第二目的在于解决电源输出电流以几十ka/s的变化率上升后，要在1ms内快速抵达目标值±100ma的波动范围，缩短这一调节时间很难的问题；第三目的在于解决现有的基于网络接口的板卡设计，通讯速度只能在毫秒级，毫秒级的通讯速度实现系统高效率运行比较难的问题。

2、本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

3、一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源，包括扫描磁铁电源电器主回路、扫描磁铁电源控制器；所述扫描磁铁电源电器主回路用于将扫描磁铁电源三相220v交流电转化为需要的直流输出电流，其输入端外联扫描磁铁电源三相交流电，输出端外联扫描磁铁负载；所述扫描磁铁电源控制器用于根据期望输出的电流值和电源实际输出的电流值进行控制、且为所述扫描磁铁电源电器主回路提供驱动信号；其特点是：

4、所述的扫描磁铁电源电器主回路包含功率变换电路，该功率变换电路先由k*n个h桥交错并联、再将多个交错并联的h桥进行移向串联，从而将等效输出频率提高为h桥中单个开关器件的开关频率的2*k*n倍；

5、所述的扫描磁铁电源控制器包含外部接口，该外部接口用于与治疗头系统进行联合运行时的通信；该外部接口采用“模拟接口”和“数字接口”代替“网口”，实现了连续性的“线”扫描，从而将毫秒量级的“点”扫描改进为微秒量级的“线”扫描；

6、所述的扫描磁铁电源控制器包含核心控制卡，该核心控制卡包括电流电压双闭环pid控制算法单元，该单元采用电流电压双闭环pid算法，外环路为电流pid控制环路，内环路为电压pid控制环路；该算法根据电源输出电流值与电流输出目标值的偏差计算出pwm驱动信号的占空比，将该占空比数值发给基于dsp的pwm信号生成单元，基于dsp的pwm信号生成单元产生对应的高精度的、多路并发的、移向的pwm驱动信号，从而抑制母线电压扰动、开关管电压扰动、电网电压扰动等电压类扰动。

7、进一步地，所述功率变换电路共包含k×n个h桥电路，具体的电路拓扑结构为：k×n个h桥电路首先每k个一组交错并联，每一组中各h桥的驱动信号交错角度为360°/(k×n)，形成n个交错并联的h桥模块；随后，这n个模块再串联，驱动信号相互移向360°/n，形成移向串联的电路结构。

8、进一步地，将单个h桥电路的igbt驱动信号再移向360°/(2×k×n)，输出的等效频率能够提升2×k×n倍。

9、进一步地，所述扫描磁铁电源控制器包含核心控制卡模块，该核心控制卡模块采用zynq+dsp的架构，其基于zynq的控制单元内置电源电压双闭环控制算法，该双闭环控制算法用于实现电源的调节和控制；其基于dsp的pwm信号生成单元用于生成pwm驱动信号并进行错相分配的程序。

10、进一步地，所述外部接口模块的模拟接口用于治疗头系统自动设置电源的输出电流并获得输出电流反馈信息，其模拟信号输入信息至少包括电流输出设定指令；其模拟信号输出信息包括电流输出回读信息；所述外部接口的数字接口，其数字信号输入信息至少包括使能指令、故障复位指令，急停指令；其数字信号输出信息包括电源整体状态信号。

11、本发明的优点效果

12、(1)提出一种h桥交错并联再移向串联的功率变换电路拓扑并使用电流电压双闭环pid控制算法，使电源同时满足几十ka/s的上升速率和50ppm以内的输出稳定性，解决电流变化率大导致稳态输出的波动大的问题。

13、(2)提出的h桥交错并联再移向串联的功率变换电路拓扑通过桥内移向、交错并联、移向串联显著提高了等效输出频率；同时，使用了电流电压双闭环pid控制算法对输出电压更好的控制。这两点共同保证了电源输出电流以几十ka/s的变化率上升至目标值附近后，能够在1ms内快速进入目标值±100ma的波动范围。

14、(3)提出了外部接口设计，减小了从指令进入电源一直到输出电流响应的指令延迟时间，进而能够实现线扫描、三角波等任意波形扫描，满足了灵活扫描的需求。

技术特征：

1.一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源，包括扫描磁铁电源电器主回路、扫描磁铁电源控制器；所述扫描磁铁电源电器主回路用于将扫描磁铁电源三相220v交流电转化为需要的直流输出电流，其输入端外联扫描磁铁电源三相交流电，输出端外联扫描磁铁负载；所述扫描磁铁电源控制器用于根据期望输出的电流值和电源实际输出的电流值进行控制、且为所述扫描磁铁电源电器主回路提供驱动信号；其特征在于：

2.根据权利要求1所述一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源，其特征在于：所述功率变换电路共包含k×n个h桥电路，具体的电路拓扑结构为：k×n个h桥电路首先每k个一组交错并联，每一组中各h桥的驱动信号交错角度为360°/(k×n)，形成n个交错并联的h桥模块；随后，这n个模块再串联，驱动信号相互移向360°/n，形成移向串联的电路结构。

3.根据权利要求2所述一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源，其特征在于：将单个h桥电路的igbt驱动信号再移向360°/(2×k×n)，输出的等效频率能够提升2×k×n倍。

4.根据权利要求1所述一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源，其特征在于：所述扫描磁铁电源控制器包含核心控制卡模块，该核心控制卡模块采用zynq+dsp的架构，其基于zynq的控制单元内置电源电压双闭环控制算法，该双闭环控制算法用于实现电源的调节和控制；其基于dsp的pwm信号生成单元用于生成pwm驱动信号并进行错相分配的程序。

5.根据权利要求1所述一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源，其特征在于：所述外部接口模块的模拟接口用于治疗头系统自动设置电源的输出电流并获得输出电流反馈信息，其模拟信号输入信息至少包括电流输出设定指令；其模拟信号输出信息包括电流输出回读信息；所述外部接口的数字接口，其数字信号输入信息至少包括使能指令、故障复位指令，急停指令；其数字信号输出信息包括电源整体状态信号。

技术总结本发明公开了一种用于质子治疗的扫描磁铁放大器电源，包括扫描磁铁电器主回路、扫描磁铁电源控制器；该扫描磁铁电器主回路包含功率变换电路，该功率变换电路先由K*N个H桥交错并联、再将多个交错并联的H桥进行移向串联，从而将等效输出频率提高为H桥中单个开关器件的开关频率的2*K*N倍；所述的扫描磁铁电源控制器包含外部接口，该外部接口实现了连续性的“线”扫描；该扫描磁铁电源控制器包含核心控制卡，从而抑制母线电压扰动、开关管电压扰动、电网电压扰动等电压类扰动。本发明解决电流变化率大导致稳态输出的波动大的问题，能够在1ms内快速抵达目标值±100mA的波动范围。提出了FPGA+DSP的控制卡结构，具有简洁高效的特点。技术研发人员：何澳来,殷治国,熊锐,张天爵,蒋天仡,宋琦琪受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/23