DE19731691C1 - Leistungs-Schaltverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungs-Schaltverstärker nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere ist die Erfin­ dung für einen Verstärker einsetzbar, der steile Ausgangs­ spannungsflanken liefern und allgemein eine geringe Restwel­ ligkeit aufweisen soll. Dies ist beispielsweise bei einem Gradientenverstärker eines Kernspintomographen erforderlich.

Kernspintomographen weisen im Regelfall drei Gradientenspulen auf, die von genau geregelten, periodischen Strömen durch­ flossen werden. Beispielsweise kann der Strom durch jede Gra­ dientenspule in einer zyklischen Stromverlaufskurve Werte bis zu 300 A erreichen, die mit einer Genauigkeit im mA-Bereich eingehalten werden müssen. Die Stromverlaufskurve kann zum Beispiel eine Zyklusdauer von 20 ms aufweisen, wobei ein Stromanstieg von 0 auf 300 A innerhalb von 1 ms erforderlich sein kann. Um diese schnellen Stromänderungen zu ermöglichen, muß eine Spannung bis zu beispielsweise ±300 V mit einer möglichst großen Flankensteilheit an die Gradientenspule angelegt werden.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden geschaltete Gra­ dientenverstärker eingesetzt, die beispielsweise mit einem Schalttakt von 50 kHz arbeiten. Durch das Schalten wird je­ doch eine unerwünschte Restwelligkeit (Schaltripple) in der Ausgangsspannung hervorgerufen. So können durch die Rest­ welligkeit in Teilbereichen der Gradientenspule, die ein komplexes Gebilde mit einer Vielzahl lokaler Kapazitäten und Induktivitäten ist, Resonanzen angeregt werden. Die dabei entstehenden hohen Spannungen können lokale Entladungen her­ vorrufen, die den Patienten beunruhigen und zu Bildstörungen führen.

Aus der DE 40 07 566 A1 ist ein geschalteter Leistungsver­ stärker der eingangs genannten Art bekannt. Dieser Verstärker weist eine Siebeinrichtung auf, die vier Baugruppen mit je einer Längsinduktivität und einem Glättungskondensator ent­ hält.

Bei einer derartigen Siebeinrichtung darf jedoch die zum Glätten der Ausgangsspannung dienende Kapazität nicht sehr groß sein, weil sich sonst die maximale Flankensteilheit der Ausgangsspannung zu sehr verringern würde. Daher läßt sich nur eine mäßige Siebwirkung erzielen.

Die Glättungswirkung ist ferner von der Schalttaktfrequenz des Verstärkers abhängig. Eine schneller Schalttakt, der einen größeren Frequenzabstand zum Nutzsignal aufweist, wird von der als Tiefpaß wirkenden Siebeinrichtung besser unter­ drückt. Allerdings ist bei den hier zu schaltenden großen Leistungen eine Erhöhung des Schalttakts nur in gewissen Grenzen möglich und auch innerhalb dieser Grenzen sehr auf­ wendig. Ein hoher Schalttakt verursacht große Verluste (die durch Kühlung abgeführt werden müssen) und erfordert den Einsatz teuerer Bauteile.

Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, einen Leistungs- Schaltverstärker bereitzustellen, der bei geringem Aufwand eine gut geglättete Ausgangsspannung mit hoher Spannungs­ änderungsgeschwindigkeit zu erzeugen vermag.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Leistungs- Schaltverstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht von der Grundidee aus, daß eine hohe Glättungswirkung nur in bestimmten Betriebssituationen erforderlich ist. Erfindungsgemäß ist daher die Glättungs­ wirkung der Siebeinrichtung durch ein Steuersignal veränder­ bar, so daß sie an die aktuellen Gegebenheiten angepaßt wer­ den kann. In vielen Anwendungsfällen kann zum Beispiel eine gewisse Restwelligkeit der Ausgangsspannung hingenommen wer­ den, wenn ein schneller Anstieg oder Abfall dieser Ausgangs­ spannung erzeugt werden soll. Wenn dagegen die Ausgangsspan­ nungskurve flach verläuft, soll die Restwelligkeit möglichst weitgehend unterdrückt werden.

Durch diese Steuerungsmöglichkeit der Glättungswirkung braucht der erfindungsgemäße Verstärker nur für eine relativ niedrige Schalttaktfrequenz ausgelegt zu sein, ohne daß auf eine starke Filterwirkung verzichtet werden müßte. Daher ist der Verstärker kostengünstig in der Herstellung und liefert trotzdem, beim Einsatz in einem Tomographen, eine hohe Bild­ qualität.

Vorzugsweise wird das Steuersignal von einer Steuereinrich­ tung des Verstärkers in Abhängigkeit von einer zu erzielenden Änderungsgeschwindigkeit einer Ausgangsspannung erzeugt. All­ gemein können zur Steuerung der Glättungswirkung unterschied­ liche Kriterien herangezogen werden, die beispielsweise auf bestimmten Betriebszuständen oder bestimmten kritischen Signalformen beruhen.

Die Steuereinrichtung erhält in einer Ausführungsform die zum Generieren des Steuersignals erforderliche Information durch Messen der Endstufenspannung des Verstärkers. Bevorzugt wird jedoch ein Eingangssignal (Sollwert) des Verstärkers der Steuereinrichtung zugeführt. In diesem Fall kann die Steuer­ einrichtung auch andere Steuersignale des Verstärkers erzeu­ gen, beispielsweise pulsweitenmodulierte Schaltsignale für Schaltbauteile der Endstufe.

Das Steuersignal kann ein analoges oder digitales Signal sein. Es kann aus mehreren Teilsignalen bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind nur zwei Steuersignalzu­ stände für eine hohe bzw. eine geringe Glättung vorgesehen, wobei die hohe Glättung genau dann eingestellt wird, wenn die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung geringer als ein vorgegebener Schwellwert ist.

Zum Einstellen der Filterwirkung weist die Siebeinrichtung bevorzugt eine Kondensatorschaltung mit mindestens einem Steuerelement auf. Sind mehrere Steuerelemente vorgesehen, so wird diesen vorzugsweise je ein Teilsignal des Steuersignals zugeführt. Bevorzugt ist jedes Steuerelement in den Strompfad je eines Kondensators geschaltet.

Die Kondensatorbaugruppe kann aus mehreren Kondensatoren in Serien- und Parallelschaltung gebildet sein. In einer bevor­ zugten Ausführungsform weist die Kondensatorbaugruppe zwei Kondensatoren auf. Diese können in Reihe miteinander verbun­ den sein, wobei das Steuerelement parallel zu einem Kondensa­ tor (d. h. in den Strompfad des anderen Kondensators) geschal­ tet ist. Alternativ können die Kondensatoren parallel an­ geordnet sein. Dann ist das Steuerelement in Reihe mit einem der Kondensatoren (d. h. in dessen Strompfad) geschaltet.

Vorzugsweise ist die zum Glätten der Endstufenspannung die­ nende Kapazität in weiten Grenzen veränderbar, bevorzugt um einen Faktor von mindestens 10 oder mindestens 30. Zum Bei­ spiel kann die Kondensatorbaugruppe einen ersten Kondensator mit einer Kapazität von 1 µF bis 100 µF, vorzugsweise 10 µF, und einen zweiten Kondensator mit einer Kapazität von 30 nF bis 3 µF, vorzugsweise 300 nF, aufweisen.

In der Siebeinrichtung ist ferner vorzugsweise eine Längs­ induktivität mit zum Beispiel 10 µH bis 300 µH vorgesehen.

Das Steuerelement wirkt, je nachdem, wieviele Signalzustände das Steuersignal einnehmen kann, bevorzugt als Schalter oder als regelbarer Widerstand. Vorzugsweise ist das Steuerelement als MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) oder als bipolarer Transistor, insbesondere als IGBT (insulated gate bipolar transistor - bipolarer Transistor mit isoliertem Gate) ausge­ bildet.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 je ein Schaltbild von zwei Ausführungsalterna­ tiven des erfindungsgemäßen Verstärkers, und

Fig. 3 und 4 je ein Schaltbild von zwei Ausführungsalterna­ tiven eines Steuerelements.

In Fig. 1 und Fig. 2 sind als Hauptbaugruppen eines Gradien­ tenverstärkers ein Netzteil 10, eine Schaltendstufe 12, eine Siebeinrichtung 14 und eine Steuereinrichtung 16 dargestellt. Das Netzteil 10 erzeugt aus einer Eingangsspannung u₁ eine stabilisierte Zwischenkreisspannung u₂, die an der Schaltend­ stufe 12 anliegt. Die Schaltendstufe 12 weist in an sich bekannter Weise eine Brückenschaltung aus vier Schaltbautei­ len 18 auf. Die Schaltbauteile 18 sind als Leistungs-MOSFETS mit je einer Freilaufdiode ausgestaltet. Je zwei Schaltbau­ teile 18 sind in Reihe geschaltet und an die Zwischenkreis­ spannung u₂ angeschlossen. Am Brückenquerzweig, d. h. an den Verbindungsstellen von je zwei Schaltbauteilen 18, wird eine pulsweitenmodulierte Endstufenspannung u₃ abgegriffen, die als Eingangsspannung für die Siebeinrichtung 14 dient.

Die Siebeinrichtung 14 weist eine aus zwei Kondensatoren 20, 22 und einem Steuerelement 24 gebildete Kondensatorbaugruppe sowie eine als Spule mit einer Induktivität von 50 µH ausge­ staltete Längsinduktivität 26 auf. Diese Bauteile bilden ei­ nen Tiefpaßfilter zum Glätten der Endstufenspannung u₃. Die geglättete Spannung liegt als Ausgangsspannung u₄ des Gra­ dientenverstärkers an einer Gradientenspule (nicht gezeigt) an.

Die Steuereinrichtung 16 ist über eine Steuerleitung 28 an das Steuerelement 24 und über vier Schaltleitungen 30 an je eines der Schaltbauteile 18 angeschlossen. Sie weist ferner eine Eingangsleitung 32 für ein Sollwertsignal auf.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 sind die beiden Kondensatoren 20, 22 der Kondensatorbaugruppe in Reihe geschaltet. Der er­ ste Kondensator 20 hat eine Kapazität von 10 µF, und der zweite Kondensator 22 hat eine Kapazität von 300 nF. Das Steuerelement 24, dessen Aufbau noch beschrieben werden wird, ist parallel zum zweiten Kondensator 22, d. h. in den Strom­ pfad des ersten Kondensators 20 geschaltet. Wenn das Steuer­ element 24 leitet und somit den zweiten Kondensator 22 über­ brückt, ist der erste Kondensator 20 mit seiner vollen Kapa­ zität von 10 µF zur Spannungsglättung wirksam, wodurch eine hohe Siebwirkung erreicht wird. Sperrt dagegen das Steuer­ element 24, dann ist die Siebwirkung gering, weil die Aus­ gangsspannung u₄ nur an einer Kapazität von ungefähr 290 nF anliegt. In Zwischenstufen der Leitfähigkeit des Steuer­ elements 24 sind zur Spannungsglättung Kapazitäten wirksam, die zwischen den oben genannten Werten liegen und von dem Widerstand des Steuerelements 24 teilweise überlagert sind.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsalternative ist der erste Kondensator 20 mit 10 µF Kapazität in Reihe mit dem Steuerelement 24 geschaltet. Parallel zu dem so gebildeten Zweig ist der zweite Kondensator 22 mit 300 nF Kapazität angeschlossen. Abhängig vom Leitzustand des Steuerelements 24 liegt daher die Ausgangsspannung u₄ an einer Kapazität zwi­ schen 300 nF und etwas über 10 µF an.

Fig. 3 stellt den Aufbau des Steuerelements 24 aus einem IGBT 34 dar, der in den Querzweig einer aus vier Dioden 36 gebil­ deten Gleichrichterbrücke geschaltet ist. Das Gate des IGBT 34 ist mit der Steuerleitung 28 verbunden. Durch die Gleich­ richterbrücke ist sichergestellt, daß der IGBT 34 nur einen Stromfluß in einer Richtung schalten muß.

Bei der Ausführungsalternative nach Fig. 4 sind zwei anti­ parallel angeordnete IGBTs 34 mit je einer vorgeschalteten Diode 36 vorgesehen. Die IGBTs 34 werden gemeinsam ange­ steuert. Das heißt, daß die IGBTs 34, abhängig vom Steuer­ signal c auf der Steuerleitung 28, entweder beide leiten oder beide sperren. Dazu müssen unterschiedliche Ansteuersignale an die Gates der IGBTs 34 angelegt werden, da deren Emitter auf unterschiedlichen Potentialen liegen. Diese Ansteuer­ signale werden durch eine geeignete Schaltung aus dem Steuer­ signal c erzeugt. In einer auf der Schaltung von Fig. 4 ba­ sierenden weiteren Ausführungsalternative ist vorgesehen, die beiden IGBTs 34 getrennt anzusteuern, um die Glättungseigen­ schaften des Verstärkers stromrichtungsabhängig bestimmen zu können.

Beim Betrieb der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele des Gradientenverstärkers erzeugt die Steuereinrichtung 16 aus dem an der Eingangsleitung 32 anliegenden Sollwertsignal (Eingangssignal) vier pulsweitenmodulierte Schaltsignale, die den Schaltbauteilen 18 über die Schaltleitungen 30 zugeführt werden. Ferner generiert die Steuereinrichtung 16 ein Steuer­ signal c auf der Steuerleitung 28. Das Steuersignal c ist ein binäres Signal, um das Steuerelement 24 entweder in einen Leit- oder in einen Sperrzustand zu versetzen.

Soll die Ausgangsspannung u₄ schnell ansteigen oder abfallen, z. B. bei Vollaussteuerung des Gradientenverstärkers, so wird eine geringe Kapazität der Kondensatorbaugruppe eingestellt, indem das Steuerelement 24 (sowohl in der Schaltung nach Fig. 1 als auch in der nach Fig. 2) in einen hochohmigen Zustand geschaltet wird. Ist die gewünschte Ausgangsspannung u₄ erreicht, so wird das Steuerelement 24 durchgeschaltet, so daß der größere Kondensator 20 zur Spannungsglättung wirksam wird. Insgesamt wird somit die Zeitkonstante des durch die Längsinduktivität 26 und die Kondensatorbaugruppe gebildeten Tiefpasses geeignet variiert.

In einer Ausführungsalternative ist das von der Steuerein­ richtung 16 erzeugte Steuersignal c ein analoges Signal. Das Steuerelement 24 wirkt dann als regelbarer Widerstand. Abhän­ gig von der gewünschten Änderungsgeschwindigkeit der Aus­ gangsspannung u₄ sind dadurch eine Vielzahl unterschiedlicher Glättungsstärken einstellbar.

Der Gradientenverstärker nach Fig. 1 mit einem Steuerelement gemäß Fig. 3 und einem binären Steuersignal c wird von den Erfindern gegenwärtig als der beste Weg zum Ausführen der Erfindung angesehen.

Claims (10)

1. Leistungs-Schaltverstärker, insbesondere Gradientenver­ stärker eines Kernspintomographen, mit einer eine Endstufen­ spannung (u₃) erzeugenden Schaltendstufe (12) und einer zum Glätten der Endstufenspannung (u₃) an die Schaltendstufe (12) gekoppelten Siebeinrichtung (14), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Glättungswirkung der Siebeinrichtung (14) durch ein Steuersignal (c) veränderbar ist.

2. Leistungs-Schaltverstärker nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sieb­ einrichtung (14) mindestens ein Steuerelement (24) aufweist, das in den Strompfad mindestens eines zur Spannungsglättung dienenden Kondensators (20, 22) geschaltet ist und das von dem Steuersignal (c) ansteuerbar ist.

3. Leistungs-Schaltverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (16) vorgesehen ist, um das Steuersignal (c) je nach einer zu erzielenden Änderungsgeschwindigkeit einer Ausgangsspannung (u₄) des Verstärkers zu erzeugen.

4. Leistungs-Schaltverstärker nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das von der Steuereinrichtung (16) erzeugte Steuersignal (c) einen ersten Signalpegel annimmt, wenn die zu erzielende Änderungsge­ schwindigkeit der Ausgangsspannung (u₄) einen Schwellwert übersteigt, und sonst einen zweiten Signalpegel annimmt.

5. Leistungs-Schaltverstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (24) als durch das Steuersignal (c) betätigbarer Schalter oder als durch das Steuersignal (c) regelbarer Widerstand wirkt.

6. Leistungs-Schaltverstärker nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Steuer­ element (24) einen IGBT (34) aufweist, der in den Querzweig einer von vier Dioden (36) gebildeten Gleichrichterbrücke geschaltet ist.

7. Leistungs-Schaltverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Steuersignal (c) eine zur Spannungsglättung dienen­ de Kapazität um einen Faktor von mindestens 10, vorzugsweise mindestens 30, veränderbar ist.

8. Leistungs-Schaltverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebeinrichtung (14) zwei in Reihe geschaltete Kon­ densatoren (20, 22) zur Spannungsglättung aufweist, von denen einer durch das Steuerelement (24) überbrückbar ist.

9. Leistungs-Schaltverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebeinrichtung (14) zwei parallel geschaltete Kon­ densatoren (20, 22) zur Spannungsglättung aufweist, von denen einer durch das Steuerelement (24) zu- und abschaltbar ist.

10. Leistungs-Schaltverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebeinrichtung (14) eine Längsinduktivität (26) auf­ weist.