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Die
vorliegende Erfindung betrifft geregelte Resonanzwandler.
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Geregelte
Resonanzwandler sind wohl bekannt und können verwendet werden, um ein
Wechselstromnetz in eine geregelte elektrische Energiequelle zu
wandeln. Die Verwendung geregelter Resonanzwandler ist für verschiedene
Anwendungen weit verbreitet, doch diese Erfindung betrifft speziell, wenn
auch nicht ausschließlich,
ihre Verwendung in Anlagen für
die Magnetresonanztomographie (MRT), um gesteuerte elektrische Energie
für Gradientenspulen
zu dem Zweck zur Verfügung
zu stellen, das Magnetfeld eines MRT-Magneten entsprechend den Erfordernissen
für die
Bildgebung zu ändern.
Bekannte geregelte Resonanzwandler umfassen einen Reihenschwingkreis,
durch den Strom mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz des
Reihenschwingkreises entspricht oder nahe kommt, abwechselnd in
entgegengesetzte Richtungen geschaltet wird mittels eines Paars
von Schalttransistoren, die über
einen Gleichrichter aus einem Wechselstromnetz gespeist werden.
Die Funktion der Schalttransistoren wird von Signalen gesteuert,
die in einem Steuerkreis in Abhängigkeit
von einem rückgekoppelten
Abtastsignal einer Ausgangsspannung des Wandlers erzeugt werden,
die in dem Schwingkreis entwickelt wird, und einer Querspannung
(Crossover-Spannung), die in Abhängigkeit
von der Stromrichtungsumkehr in einer Induktionsspule abgeleitet wird,
die ein Bestandteil des Schwingkreises ist, wobei die Regelung in
Abhängigkeit
von der Änderung des
rückgekoppelten
Abtastsignals durchgeführt wird.
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Bei
den bekannten Anordnungen geregelter Resonanzwandler besteht die
Tendenz, dass die Wirksamkeit ihrer Funktion aufgrund von Verlusten
in den Schalttransistoren etwas beeinträchtigt wird.
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Das
zum bisherigen Stand der Technik gehörende Dokument
EP 0609875 A1 offenbart:
- – einen
geregelten Resonanzwandler, der Folgendes umfasst:
– einen
Reihenschwingkreis, durch den Strom mittels eines Paars von Schalttransistoren
abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen geschaltet wird, wobei
die Funktion der Schalttransistoren von Signalen gesteuert wird,
die in einem Steuerkreis erzeugt werden, in Abhängigkeit von:
– einer
Rückspeisespannung,
die ihrerseits ein Abtastsignal einer in dem Schwingkreis entwickelten
Wandlerausgangsspannung umfasst, entsprechend deren Amplitude die
Regelung mittels der Rückspeisespannung
erfolgt, und
– einer
Querspannung, die mit der Stromrichtungsumkehr in einer Induktionsspule
verknüpft ist,
die einen Bestandteil des Schwingkreises bildet,
wobei die
Querspannung in den Steuerkreis über ein
Differenzierglied eingespeist wird, das einen Kondensator und einen
Widerstand umfasst, wobei die Werte des besagten Kondensators und des
besagten Widerstands so gewählt
sind, dass sie eine Verzögerung
durch den Steuerkreis und Verzögerungen,
die in Gate-Treibern der Schalttransistoren verursacht werden, ausgleichen,
wodurch es so beschaffen ist, dass sichergestellt wird, dass die
Schalttransistoren an den jeweiligen Punkten der Richtungsumkehr
des Stroms in dem Schwingkreis „EIN"-geschaltet werden.
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Das
zum bisherigen Stand der Technik gehörenden Dokument
EP 0445960 A1 beschreibt
eine MRT-Anlage, die Gradientenspulen und Switch-Mode-Gradient-Leistungsverstärker umfasst.
Für die Stromversorgung
der Gradientenspulen wird kein Resonanzwandler verwendet.
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Eine
wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen geregelten
Resonanzwandler bereitzustellen, in dem Schaltverluste minimiert
oder wenigstens verringert werden.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine Magnetresonanztomographie- (MRT-)
Anlage nach Anspruch 1 bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nunmehr, lediglich als Beispiel, unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild/schematischer Schaltplan einer Anordnung
zum Erregen der Gradientenspulen einer MRT-Anlage ist;
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2 ein
allgemein schematisches Blockschaltbild/Schaltplan eines geregelten
Resonanzwandlers zur Verwendung in der in 1 dargestellten
Anordnung ist;
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3 ein
schematisches Blockschaltbild/schematischer Schaltplan eines Steuerkreises ist,
der ein Bestandteil des in 2 dargestellten geregelten
Resonanzwandlers ist;
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4 ein
Wellenformdiagramm ist, das verschiedene Wellenformen zeigt, die
mit der Funktion des in 2 dargestellten geregelten Resonanzwandlers
zusammenhängen,
und
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5 ein
weiteres Wellenformdiagramm ist, das Wellenformen zeigt, die mit
der Funktion einer Differenzierschaltung zusammenhängen, die
ein Bestandteil des in 3 dargestellten Steuerkreises
ist.
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen; eine Schaltungsanordnung
zum Erregen der Gradientenspulen 1, 2 und 3 einer
MRT-Anlage umfasst einen geregelten Resonanzwandler 4,
der von Anschlussklemmen 5, 6 und 7 eines
dreiphasigen 400 V/50 Hz-Wechselstromnetzes gespeist wird. Der geregelte
Resonanzwandler 4 liefert über Ausgangsleitungen 8 einen
einphasigen 400 V-Wechselstrom mit einer Frequenz mit einem Nennwert
von 20 kHz. Dieser 400 V-Wechselstrom mit 20 kHz wird in Primärwicklungen 9, 10 und 11 von
Transformatoren 12, 13 bzw. 14 eingespeist,
die für
Isolationszwecke dienen. Sekundärwicklungen 12a, 12b und 13a, 13b sowie 14a, 14b der
Transformatoren 12, 13 bzw. 14 sind so geschaltet,
dass sie wie dargestellt Gleichrichter 15, 16, 17, 18, 19 und 20 speisen,
um einen 400 V-Gleichstrom für
Gradientenverstärker 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26 zu
erzeugen. Um für
die erforderliche Stromänderungsgeschwindigkeit
in den Gradientenspulen 1, 2 und 3 zu
sorgen, sind die Gradientenverstärker
paarweise verbunden, so dass die Gradientenverstärker 21 und 22 die
Gradientenspule 1 speisen, die Gradientenverstärker 23 und 24 die
Gradientenspule 2 speisen und die Gradientenverstärker 25 und 26 die
Gradientenspule 3 speisen. Während des Betriebs sind die
Gradientenverstärker 21 bis 26 so geschaltet,
dass sie eine Wellenform 27 (wie in dem Nebenbild in 1 dargestellt)
in jeder der Gradientenspulen 1, 2 und 3 erzeugen,
so dass eine entsprechende Änderung
des von dem Magneten einer MRT-Anlage erzeugten Magnetfeldes bewirkt
wird, so wie es für
die Bildgebung erforderlich ist. Die Funktionsprinzipien des Magneten,
der MRT-Anlage und des Bildgebungssystems sind Fachleuten wohl bekannt
und stehen nicht im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung. Dementsprechend
werden sie in dieser Anmeldung nicht ausführlich beschrieben.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen, wo der geregelte
Resonanzwandler 4 detaillierter dargestellt ist; die drei
Phasen-Eingangsleitungen 5, 6 und 7 sind
so geschaltet, dass sie einen Gleichrichter speisen, wie innerhalb
der gestrichelten Linie 28 dargestellt, wodurch zwischen
den Leitungen 29 und 30 eine Gleichspannung zur
Verfügung
gestellt wird, die an ein Paar in Reihe geschalteter Schalttransistoren 31 und 32 angelegt
wird. Ein Knotenpunkt 33 zwischen den Schalttransistoren 31 und 32 ist über einen
Reihenschwingkreis, der einen Kondensator 34 und eine Induktionsspule 35 umfasst,
mit einem Knotenpunkt zwischen zwei Kondensatoren 36 und 37 gekoppelt,
die zwischen den Gleichstromversorgungsleitungen 29 und 30 in
Reihe geschaltet sind. Die Transistoren 31 und 32 werden
durch Überspannungsschutzkondensatoren 38 und 39 überbrückt, die
in Reihe geschaltet und über
einen Knotenpunkt zwischen ihnen mit dem Knotenpunkt 33 zwischen den
Transistoren 31 und 32 gekoppelt sind. Die Kondensatoren 38 und 39 sind
so geschaltet, dass sie von Dioden 40 bzw. 41 überbrückt werden.
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Die
Transistoren 31 und 32 werden während des
Betriebs durch Signale geschaltet, die über Leitungen 42 bzw. 43 an
ihre jeweiligen Gate-Anschlüsse
angelegt werden. Die Signale zum Schalten der Transistoren 31 und 32 werden
in einem Steuerkreis 44 abgeleitet, der über optische
Leitungen 45 und 46 (schematisch dargestellt)
mit den Transistoren 31 und 32 gekoppelt ist.
Optische Signale werden innerhalb des Steuerkreises 44 in
Sendern 47 und 48 erzeugt und in Empfängern 49 und 50 in
entsprechende elektrische Signale umgewandelt, die den Transistoren 31 bzw. 32 zugeführt werden.
Das Schalten erfolgt durch den Steuerkreis 44 in Abhängigkeit
von einer Querspannung, die über
Leitungen 51 und 52 an den Steuerkreis 44 angelegt
wird, und von einer Rückspeisespannung,
die über
Leitungen 53 und 54 in den Steuerkreis 44 eingespeist
wird.
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Die
Querspannung wird über
einen Kopplungswandler 55 von der Leitung 33 abgeleitet,
und die Rückspeisespannung
umfasst tatsächlich
ein Abtastsignal einer Ausgangsspannung von dem geregelten Resonanzwandler,
das zwischen Leitungen 56 und 57 an dem Kondensator 34 entwickelt
wird, der ein Bestandteil des Schwingkreises ist, wobei das Abtastsignal über einen
Rückspeisetransformator 58 und
einen Brückengleichrichter 59 eingespeist
wird, um einen Gleichspannungspegel auf den Leitungen 53 und 54 zu
liefern, der durch einen Widerstand 60 und einen Kondensator 61 geglättet wird,
um die Rückspeisespannung
zu liefern.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, wo der Steuerkreis 44 detaillierter
dargestellt ist die zwischen den Leitungen 53 und 54 entwickelte
Rückspeisespannung
wird über
einen Widerstand 62 an eine Eingangsklemme 63 eines
Operationsverstärkers 64 angelegt,
wobei die Eingangsklemme 63 außerdem von einem Spannungsteiler 65 gespeist
wird, der eine Referenzspannung definiert, die über einen Widerstand 66 an
die Eingangsklemme 63 des Operationsverstärkers 64 angelegt
wird. Der Operationsverstärker 64 wird
durch einen Kondensator 67 überbrückt, und eine weitere Eingangsklemme 68 des Operationsverstärkers 64 ist
geerdet. Der Operationsverstärker 64 ist
so geschaltet, dass er über
eine Leitung 69 eine Eingangsklemme 70 eines Komparators 71 speist,
dessen andere Eingangsklemme 72 aus einer Stromquelle 73 gespeist
wird, die einen Kondensator 74 lädt, wobei dieser Kondensator durch
einen MOSFET 75 entladen wird. Die Ausgangssignale des
Komparators 71 werden an eine Leitung 76 angelegt,
die ein Paar von UND-Gattern 77 und 78 speist.
Eine Eingangsleitung 79, die das UND-Gatter 77 speist,
und eine Eingangsleitung 80, die das UND-Gatter 78 speist,
sind durch einen Inverter 81 gekoppelt, wobei die Leitungen 79 und 80 ein erstes
und ein zweites Differenzierglied speisen, welche einen Widerstand 82 und
einen Kondensator 83 bzw. einen Widerstand 84 und
einen Kondensator 85 umfassen. Die Kondensatoren 83 und 85 des
ersten bzw. zweiten Differenziergliedes sind so geschaltet, dass
sie Leitungen 86 bzw. 87 speisen, um Eingangssignale
für ein
ODER-Gatter 88 zur Verfügung zu
stellen, dessen Ausgangssignale wie dargestellt an den MOSFET 75 angelegt
werden. Somit werden die Ausgangssignale von den UND-Gattern 77 und 78 auf
den Leitungen 89 bzw. 90 verwendet, um die Sender 47 bzw. 48 zu
erregen, um dadurch entsprechende optische Signale in den Optokopplern 45 und 46 zu
erzeugen.
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Die
Querspannung auf den Leitungen 51 und 52 wird über ein
Differenzierglied, das einen Widerstand 91 und einen Kondensator 92 umfasst,
einem Komparator 93 zugeführt. Die Ausgangssignale des Komparators 93 werden
an die Leitung 79 angelegt, die das UND-Gatter 77 und
den Kondensator 85 des zweiten Differenziergliedes speist.
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Während des
Betriebs des geregelten Resonanzwandlers wird, wie in 1 dargestellt
und im Weiteren bei Bedarf unter Bezugnahme auf die Wellenformdiagramme
der 4 und 5, eine im Wesentlichen konstante
Spannung an den Primärwicklungen 9, 10 und 11 der
Transformatoren 12, 13 und 14 aufrechterhalten.
Dies wird durch einen Betrieb des geregelten Resonanzwandlers, wie
in 2 dargestellt, erreicht, wobei der Steuerkreis 44 bewirkt,
dass die zwischen den Leitungen 53 und 54 entwickelte
Rückspeisespannung
mit der Referenzspannung verglichen wird, die über das Potentiometer 65 im
Operationsverstärker 64 abgeleitet
wird. Ein auf der Leitung 69 am Ausgang des Operationsverstärkers 64 erzeugtes
Fehlersignal VI wird effizient genutzt, um die Frequenz, mit welcher
der den Kondensator 34 und die Induktionsspule 35 umfassende Schwingkreis
schwingt, und folglich die an dem Kondensator 34 erzeugte
Spannung, welche die Ausgangsspannung auf den Leitungen 56 und 57 definiert,
zu ändern.
Somit wird, wenn die Frequenz verringert wird, die Ausgangsspannung
zwischen den Leitungen 56 und 57 erhöht. Der
Steuerkreis 44 bewirkt eine Erhöhung der Frequenz, indem er
die „EIN"-Zeit der Transistoren 31 und 32 verringert;
welcher Transistor eingeschaltet wird und wann wird somit in Abhängigkeit
von einem Strom IL bestimmt, der durch den Schwingkreis fließt, der
durch den Kondensator 34 und die Induktionsspule 35 definiert
ist. Der Kopplungswandler 55 dient dazu, diesen Strom IL
zu überwachen,
und eine entsprechende Querspannung, die an einem Widerstand 55a abfällt, der von
dem Kopplungswandler 55 gespeist wird, wird zwischen den
Leitungen 51 und 52 an den Steuerkreis 44 angelegt.
Dieses Querspannungssignal wird an das durch den Kondensator 92 und
den Widerstand 91 definierte Differenzierglied angelegt,
um dadurch eine Spannung zu erzeugen, die zum Strom IL proportional
ist, jedoch bezüglich
desselben eine Phasenvoreilung aufweist.
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Der
Ausgang des Komparators 93 hat High-Pegel, wenn die Amplitude
des Signals, das über
den Kondensator 92 des Differenziergliedes einer Eingangsklemme 93a zugeführt wird,
den Spannungspegel an seiner anderen Eingangsklemme 93b übersteigt.
Der Ausgang des Komparators auf der Leitung 79 ändert seinen
Zustand zu einem Zeitpunkt unmittelbar bevor der Strom IL in dem
Schwingkreis, der den Kondensator 34 und die Induktionsspule 35 umfasst,
seine Richtung umkehrt. Signale VC und VD auf den Leitungen 79 bzw. 80 werden
verwendet, um Torsignale für
die Schalttransistoren 31 und 32 abzuleiten. Ein
Signal VJ zeigt die „EIN"-Zeit desjenigen der
Schalttransistoren 31, 32, der zum jeweiligen Zeitpunkt
aktiv ist. Der Ausgang des Komparators 71 hat High-Pegel,
wenn das Fehlersignal VI an seiner Eingangsklemme 70 größer als
ein Signal VH an seiner anderen Klemme 72 ist.
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Es
ist offensichtlich, dass der Einbau des Differenziergliedes, das
den Kondensator 92 und den Widerstand 91 umfasst,
dazu dient, die Funktionsweise des Steuerkreises zu verbessern,
indem die „Einschalt"-Schaltverluste in
den Schalttransistoren 31 und 32 verringert werden,
und indem der Effektivstrom in den Überspannungsschutzkondensatoren 38 und 39 verringert
wird. Die oben genannten Vorteile können anhand der Wellenformdiagramme
von 5 beurteilt werden, in denen die Schaltfolge ohne
den Vorteil des durch die Bauelemente 91 und 92 definierten
Differenziergliedes betrachtet wird.
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Es
ist leicht einzusehen, dass die Transistoren „einschalten", nachdem sich die
Richtung des Stroms IL im Schwingkreis umgekehrt hat, da der Schwingkreis
auf das Erfassen der Stromrichtungsumkehr angewiesen ist, bevor
er einen der beiden Transistoren 31, 32 auf „EIN" schaltet, und außerdem erfordert
das „EIN"-Schalten eines Transistors
eine endliche Zeit.
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Wie
ebenfalls in 5 dargestellt ist, wird angenommen,
dass zu einem Zeitpunkt t1 der Transistor 32 leitend ist,
und dass zu einem Zeitpunkt t2, wenn der Transistor 32 „AUS"-schaltet, eine Spannung
VX an einem Knotenpunkt zwischen diesen Transistoren von der negativen
DC- (GS-) Schiene zur
positiven DC-Schiene schwingt, bis die Diode 40 leitet.
Zu einem Zeitpunkt t3 ist der Strom IL im Schwingkreis null, und
die Diode 40 hört
auf zu leiten. Die Energie in dem Schwingkreis, der den Kondensator 34 und
die Induktionsspule 35 umfasst, zwingt den Strom, der ihn
durchfließt,
zur Richtungsumkehr, und die Spannung VX schwingt dann in Richtung
der negativen DC-Schiene mit einer Geschwindigkeit, die durch die
Zeitkonstante des durch den Kondensator 34 und die Induktionsspule 35 definierten
Schwingkreises und die Werte der Kondensatoren 38 und 39 bestimmt
wird. Nach einer Verzögerung
schaltet der Transistor 31 ein, wenn der Kondensator 38 eine
an ihm abfallende Spannung VZ aufgebaut hat. Diese Situation kann
vermieden werden, indem sichergestellt wird, dass der Transistor
zum Zeitpunkt der Stromrichtungsumkehr „EIN"-geschaltet wird. Die Werte des Differenziergliedes,
das durch den Kondensator 92 und den Widerstand 91 definiert
ist, werden so gewählt,
dass die Verzögerung
durch den Steuerkreis und die Verzögerungen, die in den Gate-Treibern
der Transistoren 31 und 32 verursacht werden,
ausgeglichen werden.
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Innerhalb
des Schutzbereiches der beigefügten
Ansprüche
können
verschiedene Änderungen
an den oben beschriebenen Schaltungsanordnungen vorgenommen werden.