高动态特性电外科发生器电路拓扑及控制方法技术

本发明专利技术提供了一种应用于高动态特性电外科发生器的基于三电平整流和多相交错并联可重构混合桥式逆变的电路拓扑及其控制策略，包括第一滤波电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二滤波电感、隔直电容、射频变压器。

Circuit Topology and Control Method of Electrosurgical Generator with High Dynamic Characteristics

The invention provides a circuit topology and its control strategy based on three-level current and multi-phase interleaved reconfigurable hybrid bridge inverters for electrosurgical generators with high dynamic characteristics, including a first filter inductor, a first diode, a second diode, a first switch tube, a second switch tube, a first capacitor, a second capacitor, a third switch tube, a fourth switch tube and a fifth open switch. Shut-off, Sixth Switch, Seventh Switch, Eighth Switch, Second Filter Inductor, Straightening Capacitor, Radio Frequency Transformer.

【技术实现步骤摘要】
高动态特性电外科发生器电路拓扑及控制方法
本专利技术涉及一种电外科发生器技术，特别是一种高动态特性电外科发生器电路拓扑及控制方法。
技术介绍
电外科射频能量发生器作为一种高端手术医疗器械，具有切割速度快和凝血效果佳的优点，可减少患者失血量，降低伤口感染和并发症的风险，因而被广泛应用于神经外科、内窥镜等精细外科手术中。电外科射频能量发生器基于高频电流热效应原理对生物组织进行切割和凝血，也可简称为电外科发生器，通常选择300KHz～5MHz频率范围内的射频交流电能。电外科发生器本质上是将电网提供的工频交流电压装换为射频交流电压的功率变换系统，其功率被严格控制在设定值才能精确控制射频能量，控制不当将导致意外灼伤、组织碳化和结痂、组织粘连等，这些至今仍是国内外时常发生而亟待解决的问题。由此可见，电源的功率控制性能是电外科发生器实现理想手术治疗效果的关键，对其研究具有重要的科学意义和工程应用价值。但是，在实际应用中电外科发生器电源的输出功率控制往往比较困难，主要基于以下原因：宽范围迅速变化的负载阻抗要求电外科发生器实现宽范围电压输出和高动态特性功率控制。多模式多功能的工作需求要求电外科发生器实现宽范围功率调节，使得输出电压范围更宽。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高动态特性电外科发生器电路拓扑，包括一种应用于高动态特性电外科发生器的基于三电平整流和多相交错并联可重构混合桥式逆变的电路拓扑及其控制策略，其特征在于，包括第一滤波电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二滤波电感、隔直电容、射频变压器；第一滤波电感的一端与交流电源一端相连接，第一滤波电感另一端与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极、第一开关管的漏极相连接，第一开关管的源极与第二开关管的源极相连，第二开关管的漏极与第一电容的一端、第二电容的一端、第三开关管的漏极、交流电源另一端相连，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第五开关管的漏极、第七开关管的漏极相连，第二电容的另一端与第二二极管的阳极、第六开关管的源极、第八开关管的源极相连，第四开关管的漏极与第五开关管的源极、第六开关管的漏极、射频变压器原边绕组异名端相连，第二滤波电感的一端与第七开关管的源极、第八开关管的漏极相连，第二滤波电感的另一端与隔直电容的一端相连，隔直电容的另一端与射频变压器原边绕组同名端相连，射频变压器副边绕组与负载相连接。采用上述电路拓扑，所述开关管并联一寄生体二极管，寄生体二极管阳极与开关管源极相连接，寄生体二极管阴极与开关管漏极相连接。采用上述电路拓扑，通过交错并联模块实现减小电流纹波降低电感感量，具体包括开关管Q1n、开关管Q2n、开关管Q3n、开关管Q4n、滤波电感Ln；开关管Q1n的源极与开关管Q2n的漏极、射频变压器原边绕组异名端相连，开关管Q1n的漏极与开关管Q3n的漏极、第一二极管的阴极相连，开关管Q2n的源极与开关管Q4n的漏极、第二二极管的阳极相连，开关管Q3n的源极与开关管Q4n的漏极、滤波电感Ln的一端相连，滤波电感Ln的另一端与第二滤波电感和隔直电容的连接点相连。采用上述电路拓扑，所述高动态特性电外科发生器控制策略，所述第一开关管、第二开关管的控制目标为使得三电平整流单元将工频正弦电压转换为恒定直流电压并保证第一电容和第二电容两端电压相等，具体控制策略为：检测第一电容C1和第二电容C2的电压vC1和vC2，之和记作vC1+vC2，作为负反馈输入与直流电压基准的误差进入PI控制器再与交流电压vg相乘得到交流电流基准值ig_ref，之差记作vC1-vC2，作为负反馈输入与零电压的误差进入PI控制器得到i0再与交流电流基准值ig_ref的正反馈、交流电流ig的负反馈相加，结果经过PI调节后与载波经过比较器得到第一开关管S1、第二开关管S2的驱动信号；采用上述电路拓扑，所述高动态特性电外科发生器控制策略，所述第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管的控制目标为使得射频逆变单元将直流电压转换为交流电压，具体控制策略为：在预测控制中，电压基准值Vo_ref的计算由输出电压vo与功率基准Pref乘积与输出电流io的比值再开根号得到，通过输出电压与电流的前馈，经过预测模型直接计算出合适的占空比对变换器进行控制，以提高动态性能，功率补偿环控制中，功率误差经过PI调节用于补偿预测模型产生的占空比误差，最后得到第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管的驱动信号；采用上述电路拓扑，所述高动态特性电外科发生器控制策略，所述第三开关管、第四开关管的控制目标为使得变换器在全桥模式和半桥模式之间切换，具体控制策略为：控制第三开关管、第四开关管都关断，使变换器工作于全桥模式，适合输出功率较高或者负载阻抗较高，要求输出电压较高的场合，控制第三开关管、第四开关管都开通，使变换器工作于半桥模式，适合输出功率较低或者负载阻抗较低，要求输出电压较低的场合，半/全桥结构的灵活变化可实现宽范围电压输出；采用上述电路拓扑，所述高动态特性电外科发生器控制策略，所述开关管Q1n、开关管Q2n、开关管Q3n、开关管Q4n的控制目标为降低电流纹波，减小滤波电感量而提高动态特性，具体控制策略为：使交错并联模块间驱动信号移相。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术打破传统电外科发生器输出只为方波与正弦波的束缚，提出梯形波电压解决方案，兼顾电压谐波含量与可控性，为改善功率控制响应速度提供基础；(2)提出多相交错并联可重构混合桥式逆变器拓扑，并构建逆变单元与三电平整流单元共用电容的拓扑作为电外科发生器电源解决方案，具有宽范围电压输出、宽范围功率调节和高动态特性的优点；(3)含功率补偿环的占空比预测控制策略实现负载阻抗瞬时变化时高动态特性功率控制的目标。下面结合说明书附图对本专利技术作进一步描述。附图说明图1是高动态特性电外科发生器电路拓扑示意图。图2是变换器三电平整流单元控制策略示意图。图3是变换器射频逆变单元控制策略示意图。图4是变换器工作于全桥模式下的工作波形示意图。图5是变换器工作于半桥模式下的工作波形示意图。具体实施方式结合图1，一种应用于高动态特性电外科发生器的基于三电平整流和多相交错并联可重构混合桥式逆变的电路拓扑及其控制策略，包括第一滤波电感Lf、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1、第二电容C2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4、第二滤波电感L1、隔直电容Cb、射频变压器Tr。第一滤波电感Lf的一端与交流电源一端相连接，第一滤波电感Lf另一端与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第一开关管S1的漏极相连接，第一开关管S1的源极与第二开关管S2的源极相连，第二开关管S2的漏极与第一电容C1的一端、第二电容C2的一端、第三开关管S3的漏极、交流电源另一端相连，第一电容C1的另一端与第一二极管D1的阴极、第五开关管Q1的漏极、第七开关管Q3的漏极相连，第二电容C2的另一端与第二二极管D2的阳极、第六开关管Q2的源极、第八开关管Q4的源极相连，第四开关管S4的漏极与第五本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高动态特性电外科发生器电路拓扑，其特征在于，包括三电平整流单元(1)、射频逆变单元(2)、隔直电容单元(3)和射频变压器单元(4)；其中三电平整流单元(1)包括第一滤波电感(Lf)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)；射频逆变单元(2)包括隔直电容单元(3)包括隔直电容(Cb)；射频变压器单元(4)包括射频变压器(Tr)；第一滤波电感(Lf)的一端与交流电源一端相连接，第一滤波电感(Lf)另一端与第一二极管(D1)的阳极、第二二极管(D2)的阴极、第一开关管(S1)的漏极相连接，第一开关管(S1)的源极与第二开关管(S2)的源极相连，第二开关管(S2)的漏极与第一电容(C1)的一端、第二电容(C2)的一端、第三开关管(S3)的漏极、交流电源另一端相连，第一电容(C1)的另一端与第一二极管(D1)的阴极、第五开关管(Q1)的漏极、第七开关管(Q3)的漏极相连，第二电容(C2)的另一端与第二二极管(D2)的阳极、第六开关管(Q2)的源极、第八开关管(Q4)的源极相连，第四开关管(S4)的漏极与第五开关管(Q1)的源极、第六开关管(Q2)的漏极、射频变压器(Tr)原边绕组异名端相连，第二滤波电感(L1)的一端与第七开关管(Q3)的源极、第八开关管(Q4)的漏极相连，第二滤波电感(L1)的另一端与隔直电容(Cb)的一端相连，隔直电容(Cb)的另一端与射频变压器(Tr)原边绕组同名端相连，射频变压器(Tr)副边绕组与负载相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种高动态特性电外科发生器电路拓扑，其特征在于，包括三电平整流单元(1)、射频逆变单元(2)、隔直电容单元(3)和射频变压器单元(4)；其中三电平整流单元(1)包括第一滤波电感(Lf)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)；射频逆变单元(2)包括隔直电容单元(3)包括隔直电容(Cb)；射频变压器单元(4)包括射频变压器(Tr)；第一滤波电感(Lf)的一端与交流电源一端相连接，第一滤波电感(Lf)另一端与第一二极管(D1)的阳极、第二二极管(D2)的阴极、第一开关管(S1)的漏极相连接，第一开关管(S1)的源极与第二开关管(S2)的源极相连，第二开关管(S2)的漏极与第一电容(C1)的一端、第二电容(C2)的一端、第三开关管(S3)的漏极、交流电源另一端相连，第一电容(C1)的另一端与第一二极管(D1)的阴极、第五开关管(Q1)的漏极、第七开关管(Q3)的漏极相连，第二电容(C2)的另一端与第二二极管(D2)的阳极、第六开关管(Q2)的源极、第八开关管(Q4)的源极相连，第四开关管(S4)的漏极与第五开关管(Q1)的源极、第六开关管(Q2)的漏极、射频变压器(Tr)原边绕组异名端相连，第二滤波电感(L1)的一端与第七开关管(Q3)的源极、第八开关管(Q4)的漏极相连，第二滤波电感(L1)的另一端与隔直电容(Cb)的一端相连，隔直电容(Cb)的另一端与射频变压器(Tr)原边绕组同名端相连，射频变压器(Tr)副边绕组与负载相连接。2.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，所述开关管并联一寄生体二极管，寄生体二极管阳极与开关管源极相连接，寄生体二极管阴极与开关管漏极相连接。3.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，通过交错并联模块实现减小电流纹波降低电感感量，交错并联模块包括开关管Q1n、开关管Q2n、开关管Q3n、开关管Q4n、滤波电感Ln；开关管Q1n的源极与开关管Q2n的漏极、射频变压器(Tr)原边绕组异名端相连，开关管Q1n的漏极与开关管Q3n的漏极、第一二极管(D1)的阴极相连，开关管Q2n的源极与开关管Q4n的漏极、第二二极管(D2)的阳极相连，开关管Q3n的源极与开关管Q4n的漏极、滤波电感Ln的一端相连，滤波电感Ln的另一端与第二滤波电感(L1)和隔直电容(Cb)的连接点相连。4.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，通过控制第一开关管(S1)、第二开关管(S2)使得三电平整流单元将工频正弦电压转换为恒定直流电压并保证第一电容和第二电容两端电压相等，具体控制方法为：检测第一电容(C1)和第二电容(C2)的电压vC1和vC2，之和记作vC1+vC2，作为负反馈输入与直流电压基准的误差进入PI控制器再与交流电压vg相乘得到交流电流基准值ig_ref，之差记作vC1-vC2，作为负反馈输入与零电压的误差进入PI控制器得到i0再与交流电流基准值ig_ref的正反馈、交流电流ig的负反馈相加，经过PI调节后与载波经过比较器得到第一开关管(S1)、第二开关管(S2)的驱动信号；通过控制第五开关管(Q1)、第六开关管(Q2)、第七开关管(Q3)、第八开关管(Q4)使得射频逆变单元(2)将直流电压转换为交流电压，具体控制方法为：设置电压基准值的预测模型其中vo为输出电压，Pref为功率基准乘积，io为输出电流，计算占空比基准功率Pref与实际功率Pf的功率误差进过PI调节用于补偿预测模型产生的占空比误差ΔD，补偿后的占空比Da＝D*+ΔD，得到第六开关管(Q2)、第七开关管(Q3)的占空比D，第五开关管(Q1)、第八开关管(Q4)的占空比1-D，占空比即为驱动信号的高电平时间与周期的比值，其中通过控制第三开关管(S3)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾玲，彭凯，向园祉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32