CN1744855A - 开关式电源设备及使用它的磁共振成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于MRI设备的磁场产生线圈的开关式电源设备，其中开关电源(9～11)由相对于作为负载工作的磁场产生线圈(6～8)而并联的具有相同电势的第一和第二多级PWM反相器(12，13)构成，同时还构建有用于驱动控制第一和第二多级PWM反相器(12，13)的开关控制电路(19)来改变彼此开关相位的方式驱动控制第一和第二多级PWM反相器(12，13)，从而消除从第一和第二多级PWM反相器(12，13)输出的脉动分量并能提供给负载(6～8)一个在总体上进一步降低了脉动分量的电流。

Description

开关式电源设备及使用它的磁共振成像设备
技术领域
本发明涉及开关式电源设备，该设备适用于磁场产生用线圈，即用于需要高电流精度和例如1000～2000V和500A的非常高的电压和非常大的电流的磁共振成像设备(以后称为MRI设备)的静态磁场，梯度磁场或高频磁场产生用线圈，以及使用它的MRI设备。
背景技术
开关式电源已经作为MRI设备的电源设备而大量使用，近来，为了适应增加电流的需求，用于MRI设备的磁场产生用线圈的电源设备通过并联两级PWM反相器而构成，正如JP-A-8-211139中所公开的那样。而且，在驱动三相电动机的反相器电源的领域，使用了多级反相器技术来提升电压和增强电流并反方向地测量高次谐波分量，如在Jose Rodriguez等的“Multilevel Inverters：A Survey ofTopologies，Control，and Applications”(IEEE TRANSACTION ON INDUSTRIALELECTRONICS，2002年8月，第4号，卷49，724-728页)所公开的。
虽然当前用于MRI设备的电源设备为了高速成像而需要提升电压和增强电流，但即便将以上所提及的多级PWM反相器用于开关式电源，在开关操作期间仍然会产生电流脉动，从而降低了提供给作为负载工作的磁场产生用线圈的电流精度，而这妨碍了取得高质量的MRI图像。
发明内容
本发明的目的是提供一种能进一步降低电流波纹的高电压和大电流的开关式电源设备以及使用它的MRI设备。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于MRI设备的磁场产生线圈的开关式电源设备，其中，开关电源通过相对于作为负载工作的用于MRI设备的磁场产生线圈并联关系的具有相同电势的第一和第二多级PWM反相器构成，同时还构建有用于驱动控制第一和第二多级PWM反相器的开关控制电路来以彼此移位的方式驱动控制第一和第二多级PWM反相器的开关相位，从而消除从第一和第二多级PWM反相器输出的电流脉动并能提供给负载一个在总体上进一步降低了脉动分量的电流。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的MRI设备所使用的电源设备的结构框图；
图2是图1所示的用于MRI设备所使用的电源设备的多级二极管簎位型PWM反相器的电路图；
图3是图2所示的并联的各个多级二极管箝位型PWM反相器的电压和电流输出波形图以及其总的输出电流波形图；
图4显示的是将传统的两级反相器和传统的五级反相器进行比较的输出电流波形图；和
图5显示的是图1所示的开关电路19的内部结构的结构图。
具体实施方式
现参考附图来解释本发明的实施例。
图1显示了当将根据本发明的一个实施例的开关式电源设备应用于MRI设备的梯度磁场线圈时的结构框图。
用于MRI设备的梯度磁场线圈用电源设备2以从三相AC电源3供电的方式构成并连接到作为负载工作的梯度磁场用线圈1以对其提供电流。用于MRI设备的梯度磁场线圈用电源设备2提供有一个连接到三相AC电源3并能将三相AC电压转换成DC电压的AC/DC转换器4，连接到AC/DC转换器4的输出端并平滑DC电压的平滑电容5以及连接到平滑电容5以接收平滑DC电压并分别给在梯度磁场用线圈1中的X轴线圈6，Y轴线圈7和Z轴线圈8提供电流的起到电流放大器功能的开关电源9～11。
开关电源9由两个分别在其输入端与表示DC电压源的平滑电容5并联的多级PWM反相器12和13，分别连接在多级PWM反相器12和13的输出端并与作为负载工作的梯度磁场用线圈1中的X轴线圈6串联的限流装置14～17，用于检测开关电源9和开关控制电路19的输出电流的电流检测装置18，该输出电流作为从MRI设备的序列发生器70来的电流指令值和从电流检测装置18输出的电流检测值的输入并驱动控制多级PWM反相器12和13，所以，这两个值的差为零，并且开关控制电路19提供有控制功能来改变并联的两个多级PWM反相器12和13的开关相位以消除输出的电流脉动。
由于分别连接到梯度磁场用线圈1中的Y轴线圈7和Z轴线圈8的开关电源10和11的结构与以上所说明的开关电源9的结构相同，因此仅指出以上的事实，而省略对其的说明。
图2是作为多级PWM反相器12和13的实例的五级二极管箝位型PWM反相器的电路图。
五级二极管簎位型PWM反相器以如下方式构成，在其输入端连接有DC电源E和E0，而其输出端A和B能够输出任何所需的电压波形。五级二极管箝位型PWM反相器的分压电容20～23在DC电压源E和E0端连接在一起以将DC电压分成4个(E/4)，而且五级二极管簎位型PWM反相器包括有四组支路32～35，每个支路都由四对表示半导体开关的MOSFET 321～324，331～334，341～344和351～354以及与其反向并联的二极管325～328，335～338，345～348和355～358串联而成，并且四个支路都以全桥连接。在分压电容20和21间的连接点与全桥结构的各个支路32～35的半导体开关321，331，341和351以及半导体开关322，332，342和352间的各个连接点之间，分别连接有箝压用二极管36～39。而且，在分压电容21和22间的连接点和各个支路32～35的半导体开关322，332，342和352以及半导体开关323，333，343和353间的各个连接点之间，分别连接有箝压用二极管40～43。类似地，在分压电容22和23间的连接点与半导体开关323，333，343和353以及半导体开关324，334，344和354间的各个连接点之间，分别连接有簎压用二极管44～47。
这里，对于开关控制电路19，当支路32中的半导体开关321～324导通时，在输出端A输出电压+E，当支路32中的半导体开关322～324和支路33中的半导体开关331导通时，在输出端A输出电压+E·3/4，当支路32中的半导体开关323，324和支路33中的半导体开关331，332导通时，在输出端A输出电压+E·1/2，当支路32中的半导体开关324和支路33中的半导体开关331～333导通时，在输出端A输出电压+E·1/4，而且，当支路33中的半导体开关331～334导通时，在输出端A输出电压0，这样就能在输出端A获得五级电压输出。
而且，以相同的方式，对于输出端B，当支路34中的半导体开关341～344导通时，在输出端B输出电压+E，当支路34中的半导体开关342～344和支路35中的半导体开关351导通时，在输出端B输出电压+E·3/4，当支路34中的半导体开关343，344和支路35中的半导体开关351，352导通时，在输出端B输出电压+E·1/2，当支路34中的半导体开关344和支路35中的半导体开关351～353导通时，在输出端B输出电压+E·1/4，而且，当在支路35中的半导体开关351～354导通时，在输出端B输出电压0，这样，也能在输出端B获得五级电压输出。
因此，当考虑到在输出端A和B之间的电压差时，可以获得九种电压，-E，-E·3/4，-E/2，-E·1/4，0，+E·1/4，+E/2，+E·3/4和+E。
而且，通过将这些电压进行PWM调制，就能相应于E和E0间的双电压而输出从-E到+E的任何想要的电压。
在各个多级PWM反相器12和13中，由于通过分压电容20～23对DC电压电源的电压进行了分压并且可以通过在各个支路32～34中的半导体开关321～324，331～334，341～344和351～354以及簎压用二极管36～47连接到各个半导体开关的连接点，因此，只有分压后的DC电压提供给了各个半导体开关321～324，331～334，341～344和351～354，所以，即便使用低耐压半导体开关，也能获得高输出电压。而且，由于多级PWM反相器12和13还用作开关电源9～11的电流放大器，因此与传统的两级PWM反相器相比，能降低可能的电流脉动。
图4是在本发明的实施例中所提供的传统的两级反相器和传统的五级反相器的电压和电流的示意性波形图。
由于在传统的两级反相器中的输出电流波形50是从正负两个电势所得到的，例如输出电压波形51所示，因此，当应用输出波形51所示的电压时，电流变化是很明显的，结果，扩大了电流脉动。另一方面，由于在传统的五级反相器中的输出电流波形52是从五个电势获得的，如输出电压波形53所示，因此由输出波形53所示的五个电势所产生的电流变化非常轻微，从而与传统的两级反相器相比，降低了电流脉动。
现将说明彼此并联并作为开关电源9～11的电流放大器的多级PWM反相器的优点。
如图1所示，在用于MRI设备的梯度磁场用电源设备2中，并联使用了如图2所示的多级二极管箝位型PWM反相器12和13并且在其输出端相对于负载串联有例如电抗线圈的电流控制装置14～17。开关控制电路19提供有控制功能，该功能通过改变两个多级二极管箝位型PWM反相器12和13的开关相位来执行驱动控制以使在从序列发生器70来的电流指令值和从电流检测装置18来的电流检测值之间的差为零，这将在以下具体说明。由于反相器的这种并联结构，不仅能增加输出电流，而且还改变了开关相位，例如，正如以下所要说明的，在将开关相位改变180°的同时执行该操作，能进一步降低电流脉动。
作为开关控制电路19的实例，图5显示了控制电路的示意图，其中在将开关相位改变180°的同时操作反相器。控制电路19是电流指令值和电流检测值的输入并在将开关相位彼此改变180°的同时输出PWM信号A和PWM信号B来执行该操作。电流指令值和电流检测值是反馈处理单元61的输入。反馈处理单元61执行处理以使在电流指令值和电流检测值之间的差为零并输出相应的控制变量。而且，基准时钟产生装置62产生频率为开关频率工作时的50％的基准时钟，并且其输出端通过逻辑反相单元64连接到一个锯齿波产生装置63和另一个锯齿波产生装置65。对于锯齿波产生装置63和65，所产生的锯齿波相位彼此相差180°并且分别输出到比较器66和67。比较器66和67从锯齿波产生装置63和65接收锯齿波和从反馈处理单元61来的控制变量并将其进行比较，同时输出PWM信号A和PWM信号B。
图3显示了将五级二极管箝位型PWM反相器用作多级PWM反相器12和13并且在将二者间的开关相位改变180°的同时执行PWM控制时的电压输出波形48A和48B以及电流输出波形49A和49B。而且，曲线49表示通过交叠输出电流波形49A和49B所形成的总的输出电流波形，并且可以观察到通过改变两个反相器的开关相位，电流脉动在整体上降低了。
正如结合图4所做的说明，与两级反相器相比，五级二极管箝位型PWM反相器本身就能产生降低了电流脉动的输出电流波形，但结合输出电压波形48A和48B中的变化，仍然能观察到一些电流脉动。另一方面，由于本发明的开关控制电路19为改变在两个多级PWM反相器12和13间的开关相位而提供有驱动控制的控制功能，以使在电流指令值和从电流检测装置18来的电流检测值之间的差为零，因而彼此消除了在相位改变180°的多级PWM反相器之间的电流脉动，从而，能获得降低了脉动的电流输出。为了达到这种脉动消除效果，优选地是相位改变180°，但相位改变的数值并不限于此，当两个多级PWM反相器12和13之间的开关相位充分改变时都能使得电流脉动降低。
当电源设备用于MRI设备时，在输出高电压和大电流的同时降低了dv/dt噪声和降低了电流脉动是很重要的。通过使用多个并联连接的多级PWM反相器12和13，能实现高电压和大电流，而且，由于用于改变并联的多级PWM反相器彼此的开关相位的驱动控制，能实现降低dv/dt噪声和降低电流脉动。
而且，在以上所说明的实施例中，对于多级PWM反相器12和13，用五级二极管箝位型PWM反相器为例并对其进行了说明，但本发明并不限于此，也可以使用两级以上的多级PWM反相器，由于级数越多，输出电压就越高，越能降低dv/dt噪声和电流脉动，而另一方面，也就增加了半导体开关的数量并增大了反相器的尺寸。而且，虽然以半导体开关使用MOSFET为例来进行了说明，但也能够使用例如双极晶体管，IGBT，GTO，和闸流晶体管来作为半导体开关。此外，虽然说明了两组并联并且具有180°相位差的多级PWM反相器的操作，但如果并联多个反相器并且随着连续的相位改变而操作，那么也能降低电流脉动。而且，虽然限流装置14～17以电抗线圈为例，但其也能使用电阻。而且，如果也能与作为电流放大器的给开关电源9～11提供DC电压的DC电源进行相同的操作，那么对于AC/DC转换器4，平滑电容5和三相AC电源3，系统也并不限于此。而且，对于连接开关式电源设备的负载，除了已经说明了的用于MRI设备的梯度磁场用线圈，开关式电源设备还能用于并连接到作为负载的产生静态磁场或高频磁场的线圈。

Claims (8)

1.一种开关式电源设备，包括：
相对于负载并联的第一和第二开关电源；
电流检测单元，用于检测来自第一和第二开关电源的提供给负载的电流；
开关控制电路，其接收提供给负载的电流指令值和来自电流检测单元的检测电流值，并驱动控制第一和第二开关电源以使这两个值之间的差为零，
其中，第一和第二开关电源分别由具有相同电势的多级PWM反相器构成，而且，开关控制电路进一步驱动控制并联的第一和第二多级PWM反相器，以使其相互间的开关相位改变。
2.根据权利要求1所述的开关式电源设备，其特征在于第一和第二多级PWM反相器分别为多级二极管箝位型PWM反相器。
3.根据权利要求1所述的开关式电源设备，其特征在于开关控制电路产生提供给第一多级PWM反相器的第一PWM开关信号和提供给第二多级PWM反相器的第二PWM开关信号，并且第一和第二PWM开关信号的相位彼此改变，以使在分别从并联的第一和第二多级PWM反相器输出的包含脉动的输出电流总和中的脉动分量在整体上降低。
4.根据权利要求3所述的开关式电源设备，其特征在于从开关控制电路来的分别提供给第一和第二多级PWM反相器的第一和第二PWM开关信号的相位彼此相差180°。
5.根据权利要求1所述的开关式电源设备，其特征在于开关控制电路包括：给第一多级PWM反相器提供第一PWM开关信号的第一比较器，给第二多级PWM反相器提供第二PWM开关信号的第二比较器，基准时钟产生装置，基于从基准时钟产生装置来的时钟而给第一比较器的第一输入端输入锯齿波的第一锯齿波产生装置，通过逻辑反相单元从基准时钟产生装置接收时钟并将反相后的锯齿波输入到第二比较器的第一输入端的第二锯齿波产生装置，以及接收电流指令值和电流检测值的反馈处理单元，其处理反映这两个值之差为零的控制变量并将其输出到第一和第二比较器的第二输入端。
6.根据权利要求2所述的开关式电源设备，其特征在于每个多级二极管箝位型PWM反相器由连接在DC电源之间的串联的第一和第二支路以及串联的第三和第四支路构成，在DC电源之间可以连接有第一，第二，...，第n-1和第n个分压电容，每个第一，第二，第三和第四支路由串联的第一，第二，...，第n-1和第n个半导体开关以及反向并联到第一，第二，...，第n-1和第n个半导体开关的二极管构成，同时在各个支路中的箝压用二极管分别连接在第一和第二分压电容间的连接点和第一和第二半导体开关间的连接点之间，各个支路中的箝压用二极管分别连接在第n-1和第n个分压电容间的连接点和第n-1和第n个半导体开关间的连接点之间，其中，n为大于1的整数。
7.一种提供有根据权利要求1到6中任意一个的开关式电源设备的磁共振成像设备，其特征在于负载是用于磁共振成像设备的梯度磁场用线圈。
8.根据权利要求7的磁共振成像设备，其特征在于电流指令值从磁共振成像设备的序列发生器发送。
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