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Die Erfindung betrifft ein Endstufenmodul für eine Leistungsverstärkereinrichtung, insbesondere für eine Leistungsverstärkereinrichtung einer Sendeeinheit einer Magnetresonanzeinrichtung, eine Leistungsverstärkereinrichtung und eine Magnetresonanzeinrichtung.
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Gängige und bekannte Magnetresonanzeinrichtungen werden vor allem für klinische Anwendungen eingesetzt. Als Teil des Bildgebungsprozesses werden durch die Magnetresonanzeinrichtung über eine Sendeantenne ausgerichtete Kernspins eines Untersuchungsobjekts angeregt und mittels einer Empfangsantenne die Bilddaten aufgenommen. Zum Betrieb der Sendeantenne werden hohe Leistungen benötigt, die von einer Leistungsverstärkereinrichtung, die üblicherweise in einer Sendeeinheit der Magnetresonanzeinrichtung verbaut ist, zur Verfügung gestellt werden.
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Dabei ist eine Leistungsverstärkereinrichtung bekannt, bei der möglichst viele Komponenten und/oder Leiterstrukturen auf einer gemeinsamen Leiterplatte realisiert sind. Die bekannte Leistungsverstärkereinrichtung weist dabei mehrere Leistungsmodule auf, beispielsweise vier Leistungsmodule, die eine Ausgangsleistung von 5–8 kW erzeugen können, so dass in Kombination einer Leistung von beispielsweise 30 kW erreicht werden kann. Die Leistungsmodule, die letztlich eine Endstufe darstellen, können auch als Endstufenmodule betrachtet werden. Es ist dabei üblich, Gegentakt-Endstufen zu verwenden, die nach dem Push-Pull-Prinzip mit symmetrischen Eingangssignalen arbeiten.
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Nachdem bei äußerst hohen Leistungen gearbeitet wird, benötigen die in den Endstufenmodulen verwendeten Transistoren eine Kühlung. Dies wird bei der bekannten Leistungsverstärkereinrichtung so realisiert, dass unterhalb der bereits erwähnten Leiterplatte eine Kupferplatte angeordnet ist, durch die, zu kühlende Positionen ablaufend, Kühlmittelkanäle geführt sind. Die Leiterplatte ist an den für die Transistoren vorgesehenen Stellen mit Durchbrüchen versehen, so dass die in einem Gehäuse vorgesehenen Transistoreinheiten dort eingesetzt und in unmittelbaren Kontakt mit der unterhalb der Leiterplatte vorgesehenen Kupferplatte gebracht werden können.
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Die hierfür verwendeten, ein eigenes Gehäuse aufweisenden Transistoreinheiten haben eine Vielzahl von Nachteilen. Die bislang genutzten Transistoreinheiten werden durch Reflow-Löten (Wiederaufschmelzlöten) befestigt und überstehen lediglich drei Reflow-Zyklen. Der erste Zusammenbau nimmt bereits zwei dieser Zyklen vorweg, so dass nur ein Reflow-Zyklus zur Reparatur verbleibt. Andererseits beeinträchtigt das Ersetzen eines beschädigten Transistors die Lötqualität der anderen eingebauten Transistoren. Dieses technische Problem beruht auf der Gesamtkonstruktion der Leiterplatte der Leistungsverstärkereinrichtung. Der gewollte kompakte Aufbau verlangt eine flanschlose Transistoreinheit, die auf die Kupferplatte, welche mit der Leiterplatte verbunden ist, aufgelötet werden muss. Zudem ist diese Lösung insgesamt teuer, nicht nur im Bezug auf die Herstellung der Transistoreinheit mit dem Gehäuse, sondern auch im Bezug auf die auf der Kupferplatte angeordnete Leiterplatte, und es ist äußerst kompliziert, einen beschädigten Transistor zu ersetzen. Bei Reparaturvorgängen muss ein Leistungsverlust riskiert werden.
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DE 602 12 957 T2 betrifft die Kühlung von elektrischen Anordnungen. Dort soll ein effizienteres thermisches Verwaltungssystem für das Kühlen von elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise Leistungstransistoren, dadurch erreicht werden, dass ein enger thermischer Kontakt mit einem Kühlmittel zur Verfügung gestellt wird, das durch Kanäle fließt, die innerhalb oder auf der Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte ausgeformt sind, die elektronische Bauteile trägt. Beispielsweise können in den Schichten einer vielschichtigen gedruckten Leiterplatte Strömungskanäle in großer Nähe zu ausgewählten elektronischen Bauteilen ausgeformt sein.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine günstigere, einfach zu verbauende und dennoch eine adäquate Kühlung der Transistoren erlaubende Möglichkeit zur Konstruktion der Endstufenmodule anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Endstufenmodul für eine Leistungsverstärkereinrichtung vorgesehen, umfassend ein Gehäuse, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten, als Keramikträger ausgebildeten Träger mit wenigstens zwei darauf angeordneten Transistor-Bausteinen, wobei insbesondere je wenigstens ein Transistor einer Phase eines symmetrischen Eingangssignals zugeordnet ist, sowie in und/oder auf dem Träger eine die Drain-Ausgänge der Transistor-Bausteine zu einem Ausgangssignal insbesondere induktiv verbindende erste Leiterstruktur und zwei jeweils ein Eingangssignal an wenigstens einen Gate-Eingang der Transistor-Bausteine führende zweite Leiterstrukturen, wobei innerhalb des Trägers wenigstens ein wenigstens einen Transistor-Baustein benachbart geführter Kühlkanal vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, das gesamte Endstufenmodul als eine Baueinheit, die in einem Gehäuse angeordnet ist, zu realisieren. Hierbei wird anstatt einer üblichen Leiterplatte ein Träger aus einem nicht elektrisch leitenden, wärmeleitenden Material mit geringen elektrischen Verlusten, konkret ein Keramikträger, verwendet, bei dem es problemlos möglich ist, einen Kühlkanal in die Trägerstruktur zu integrieren. Derartige Träger, also Keramikträger, mit Kühlmöglichkeiten für verschiedene Bausteine (Dies) wurden im Stand der Technik bereits in anderen Anwendungen vorgeschlagen. Der Träger ist dabei, insbesondere zentral, innerhalb des Gehäuses gehaltert und trägt die notwendige Elektronik des Endstufenmoduls, konkret also die Leiterstrukturen und die Transistor-Bausteine. Dabei ist hervorzuheben, dass es bei derartigen Trägern durchaus auch möglich ist, mehrlagige Leiterstrukturen zu realisieren. Letztlich wirkt der Träger also wie eine Leiterplatte, die es allerdings aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften erlaubt, auch einen Kühlkanal vorzusehen, der dann unmittelbar am Transistor-Baustein entlanggeleitet werden kann.
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Dabei weist das Modul selbstverständlich auch Ein- und Ausgangsanschlüsse auf, die an die entsprechenden Leiterstrukturen angekoppelt sind. Ferner sind wenigstens zwei Kühlmittelanschlüsse zum Zuführen und Abführen von Kühlmittel in den Kühlkanal bzw. aus dem Kühlkanal vorgesehen.
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Das Endstufenmodul arbeitet bevorzugt im Push-Pull-Betrieb, mithin als Gegentakt-Endstufe, bei der jeweils einer gleichen Menge von Transistoren eine Phase eines symmetrischen Eingangssignals zugeordnet ist, das bedeutet, eine erste Gruppe von Transistoren (die auch nur einen Transistor umfassen kann) erhält ein 0°-Signal, während die andere Gruppe von Transistoren (die wiederum nur einen Transistor umfassen kann) ein gegenphasiges 180°-Signal erhält. Die Drain-Ansänge der Transistor-Bausteine werden dann wieder in der ersten Leiterstruktur zusammengeführt, so dass sich insbesondere durch induktive Kopplung das Ausgangssignal auf grundsätzlich bekannte Art und Weise erzeugen lässt. Die erste Leiterstruktur wirkt mithin als Übertrager.
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Die Erfindung beschreibt mithin eine getrennt herstellbare, kompakte Baueinheit, die vorteilhaft in Leistungsverstärkereinrichtungen, insbesondere Leistungsverstärkereinrichtungen von Magnetresonanzeinrichtungen, eingesetzt werden kann. Das Endstufenmodul und die gesamte Leistungsverstärkervorrichtung können mit einem geringeren Gewicht realisiert werden, nachdem keine Kupferplatte benötigt wird, an die Transistoreinheiten angelötet werden. Die Materialkosten des Endstufenmoduls sind zudem äußerst gering, wobei geeignete Technologien zur Herstellung bereits vorhanden sind. Durch die Verwendung von Baueinheiten besteht keine Notwendigkeit für eine Reparatur, da das Endstufenmodul leicht durch ein neues Endstufenmodul ersetzt werden kann. Das Design der vorliegenden Erfindung ist also auf eine Modularität ausgelegt.
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Dabei sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass das Endstufenmodul als eine Basiseinheit angesehen werden kann, die auch kaskadiert verwendet werden kann, um die letztendlich gewünschte Ausgangsleistung zu erreichen. Beispielsweise können drei Endstufenmodule miteinander verbunden werden, um letztlich die dreifache Leistung zu erhalten.
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Wo an den Leiterstrukturen letztlich die Betriebsspannung angreift, hängt von der genauen Art der realisierten Endstufe ab, wobei es bei Gegentakt-Endstufen üblich ist, die Betriebsspannung mit dem Drain-Ausgang der Transistoren zu koppeln, während die Source-Eingänge der Transistor-Baueinheiten auf Masse gelegt werden können. Hierauf wird im Folgenden noch näher eingegangen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweiten Leiterstrukturen als eine Balun-Leiterstruktur ausgebildet sind, wobei die beiden Leiterstrukturen um 180° phasenverschobene Signale als Eingangssignale für die Transistor-Bausteine erzeugen. Wird also nicht bereits ein symmetrisches Signal mit seinen beiden gegenphasigen Anteilen ohnehin durch andere Komponenten einer Leistungsverstärkereinrichtung zur Verfügung gestellt, kann ein Balun, insbesondere wiederum auf induktiver Kopplung basierend, ebenso in den Gesamtaufbau des Endstufenmoduls, konkret also in und/oder auf dem Träger, integriert werden. Dadurch wird die Integration und die kompakte Ausbildung in dem als Baueinheit realisierten Endstufenmodul weiter vorteilhaft gefördert. Eine derartig ausgebildete zweite Leiterstruktur kann auch als „Gate Balun Structure” bezeichnet werden. Analog kann die erste Leiterstruktur allgemein als „Drain Combiner Structure” bezeichnet werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine insbesondere induktiv wirkende Leiterstruktur als eine Mehrschicht-Leiterstruktur ausgeführt, wobei wenigstens eine eine Leiterbahn tragende Schicht innerhalb des Trägers vorgesehen ist. Bekannte Techniken für derartige als Leiterplatten fungierende Träger erlauben es, auch beispielsweise bei einem Keramikträger Mehrschicht-Leiterstrukturen vorzusehen, wodurch die kompakte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Endstufenmoduls weiter gefördert wird. So kann beispielsweise für die erste Leitungsstruktur auf einer Außenfläche des Trägers wenigstens eine mit den Drain-Ausgängen der Transistor-Bausteine verbundene Leiterfläche vorgesehen werden, die mit in Schichten innerhalb des Trägers gegensinnig verlaufenden Leiterbahnen, in die die das Ausgangssignal bildenden Ströme induziert werden, wechselwirkt; in diesem Falle wären beispielsweise zwei innerhalb des Trägers gelegene Schichten mit leitenden Flächen, insbesondere Leiterbahnen, vorgesehen. Doch auch Balun-Leiterstrukturen können selbstverständlich in mehreren Schichten auf grundsätzlich bekannte Art und Weise realisiert werden.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei induktiv wirkenden Leiterstrukturen wenigstens ein Anschlusspaar zum Anschluss eines zur Einstellung der Resonanzfrequenz einer Leiterschleife der Leiterstruktur dienenden externen Kondensators vorgesehen ist. Das bedeutet also, dass die Leiterschleifen nicht bereits innerhalb der Baueinheit durch einen eine bestimmte Resonanzfrequenz festlegenden Kondensator geschlossen sind, sondern dies durch extern anzuschließende, mithin aber auch frei wählbare Kondensatoren geschieht. Das bedeutet aber, dass das erfindungsgemäße Endstufenmodul für eine Mehrzahl von Betriebsfrequenzen nutzbar wird, nachdem die Abstimmung durch externe Bauelemente erfolgen kann. Auf diese Weise wird der Einsatzbereich eines solchen Endstufenmoduls erweitert, so dass es in größeren Mengen und somit günstiger hergestellt werden kann.
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In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn bei als induktive Balun-Leiterstruktur ausgebildeten zweiten Leiterstrukturen und einer zentralen Einkopplung eines Ansteuerungssignals zwei einander gegenüberliegend vorgesehene Anschlusspaare zum Anschließen zweier Kondensatoren vorgesehen sind. Betrachtet man also die beispielsweise rechteckige Schaltungsebene durch den Träger, kann an einer Begrenzung zentral der Anschluss für das Ansteuerungssignal vorgesehen werden, während an den benachbarten Kanten jeweils auf der Seite des Ansteuerungssignal-Anschlusses Anschlüsse für Kondensatoren vorgesehen werden. Auf diese Weise ist eine höhere Symmetrie der Anordnung gegeben.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann auf der Außenseite des Trägers wenigstens eine mit Masse gekoppelte Source-Leiterstruktur vorgesehen sein, an die die Source-Eingänge der Transistor-Bausteine angeschlossen, insbesondere drahtgebondet sind und/oder eine mit wenigstens einem Drain-Ausgang eines Transistor-Bausteines verbundene Leiterfläche kann insbesondere an einem zentralen Punkt einen Anschluss für eine Betriebsspannung aufweisen und über eine Kapazität mit Masse verbunden sein. Es kann also ferner eine auf Masse-Potential liegende Source-Leiterstruktur vorgesehen werden, die vorteilhaft wenigstens teilweise den Transistor-Bausteinen benachbart auf der Außenseite des Trägers liegt. Die Betriebsspannung kann dann an einem zentralen Punkt einer mit den Drain-Ausgängen wenigstens eines Transistor-Bausteines verbundene Leiterfläche der ersten Leiterstruktur angekoppelt werden. Bei Verstärkerkonzepten, bei denen die Betriebsspannung über den Source-Eingang eines Transistors eingesteuert wird, ist eine analoge Ausgestaltung denkbar.
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In diesem Zusammenhang kann in zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass bei auf einer Seite einer mit einem Drain-Ausgang verbundenen Leiterfläche der ersten Leiterstruktur vorgesehenen Source-Eingängen der Transistor-Bausteine ein brückenartiges Leiterelement der Source-Leiterstruktur, insbesondere eine aus Kovar bestehende Brücke, zur Kontaktierung der Source-Eingänge vorgesehen ist. Häufig weisen Transistor-Bausteine mehrere Source-Eingänge auf, nachdem an Source eine niedrigimpedante Ankopplung gewünscht ist. Mit einem derartigen brückenartigen Leiterelement, welches über die Leiterfläche der ersten Leiterstruktur geführt wird, können letztlich nach beiden Seiten Source-Eingänge des Transistors mit Masse verbunden werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Träger beidseitig mit Transistor-Bausteinen bestückt ist, insbesondere eine beidseitig gleiche Außenstruktur aufweist. Auf diese Weise ist auf beiden Seiten, insbesondere symmetrisch, eine Schaltungsstruktur mit Transistor-Bausteinen vorgesehen, so dass das Endstufenmodul kompakter gefertigt werden kann. Besondere Vorteile ergeben sich insbesondere dann, wenn eine mehrschichtige Leitungsstruktur, die auf induktiver Wechselwirkung basiert, verwendet wird, da dann die im Inneren des Trägers realisierten Anteile der Leitungsstruktur von beiden Seiten aus genutzt werden können. Insbesondere kann beispielsweise bei einer induktiv wirkenden, aus den Signalen der Drain-Ausgänge der Transistor-Bausteine das Ausgangssignal ableitenden Struktur mit mit den Drain-Ausgängen der Transistor-Bausteine verbundenen Leiterflächen als „Primärwicklung” eine für beide Seiten des Trägers nutzbare, gemeinsame „Sekundärwicklung” geschaffen werden, die in insbesondere zwei Schichten im Inneren des Trägers liegt. Allgemein ist bei dieser Ausgestaltung wie gesagt eine Symmetrie der gesamten Anordnung gegeben. Durch die zweiseitige Bestückung auf demselben Resonator („Sekundärwicklung”) ist sozusagen ein ultrakompaktes Design gegeben.
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Zweckmäßigerweise können die Transistor-Bausteine mit ihrem Drain-Ausgang auf eine einen Teil der ersten Leiterstruktur bildende Leiterfläche des Trägers gelötet sein und ihr Gate-Eingang an die entsprechende zweite Leiterstruktur drahtgebondet sein. Bei Vorliegen einer Source-Leiterstruktur ist in diesem Fall der Transistor-Baustein ebenso auf die Source-Leiterstruktur drahtgebondet. Der Träger bildet also die Möglichkeit, durch Vorsehen geeigneter Leiterflächen auf der Außenseite des Trägers die Transistor-Bausteine mit ihrem Drain-Ausgang unmittelbar auf den Träger aufzulöten, ohne dass hier ein Drahtbonding vorliegt. Es wird also ein Direktbonding für den Drain-Ausgang verwendet, so dass nur die Gate- und Source-Eingänge an die entsprechende Leiterstruktur drahtgebondet werden müssen.
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In einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf einer Seite des Trägers, insbesondere auf beiden Seiten des Trägers, acht Transistorbausteine vorgesehen sind, wobei jeweils zwei Transistoren einer Phase über eine Leiterfläche des Trägers mit zwei Transistoren der anderen Phase gekoppelt sind. Auf diese Weise ist ein kompakter und symmetrischer Aufbau gegeben, der acht Transistoren und die zusätzlichen notwendigen induktiven Wechselwirkungs-Leiterstrukturen in einer einzigen Baueinheit auf eine äußerst kompakte Weise integriert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Innenseite des Gehäuses eine als Massefläche wirkende Leiterfläche, insbesondere eine Metallisierung, aufweisen und der Träger ohne eine Massefläche ausgebildet sein. Das Gehäuse kann beispielsweise aus Kunststoff bestehen. Auf diese Weise wird es also ermöglicht, dass eine besonders einfache Massekontaktierung (Grounding) möglich ist, nachdem das metallisierte Gehäuse als Massefläche genutzt werden kann und somit nicht auf komplizierte Weise eine Masseebene innerhalb des Trägers vorgesehen werden muss. Dies vereinfacht den aufgrund der planaren Anordnung der Komponenten bereits einfachen Aufbau des Endstufenmoduls weiter. Ist beispielsweise eine Source-Leiterstruktur als Masse auf der Außenseite des Trägers vorgesehen, kann diese insbesondere durch Drahtbonding leicht mit einer Metallisierung des Gehäuses verbunden werden.
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Vorzugsweise kann der wenigstens eine Kühlkanal in seiner Breite und Lage der der benachbarten Transistor-Bausteine entsprechen. Ist beispielsweise eine beidseitige Bestückung vorgesehen, kann der Kühlkanal zwischen den beiden auf gegenüberliegenden Seiten des Trägers vorgesehenen Transistor-Bausteinen angeordnet werden und in der Breite im Wesentlichen der Breite der Transistor-Bausteine entsprechen. Somit werden an einer Stelle gleich zwei Transistor-Baueinheiten gekühlt.
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Wie bereits erwähnt, ist der Träger als Keramikträger ausgebildet, da Keramiken günstige Materialien mit den gewünschten Eigenschaften, also hoher Wärmeleitfähigkeit, stabilen elektrischen Eigenschaften (geringe Verluste) und nicht vorhandener elektrischer Leitfähigkeit, darstellen. Vorzugsweise kann der Keramikträger aus Aluminiumoxidkeramik (Alumina) und/oder Aluminiumnitridkeramik bestehen.
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Neben dem Endstufenmodul betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Leistungsverstärkereinrichtung, insbesondere für eine Sendeeinheit einer Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens ein Endstufenmodul, insbesondere ein Gegentakt-Endstufenmodul, gemäß der vorliegenden Erfindung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des Endstufenmoduls lassen sich analog auf die Leistungsverstärkereinrichtung übertragen, welche mithin günstiger, kompakter und leichter zu reparieren hergestellt werden kann. Auch können leichtere Leistungsverstärkereinrichtungen realisiert werden, nachdem keine Kupferplatte mehr notwendig ist. In der Verstärkereinrichtung können die Endstufenmodule auf besonders einfache Weise kaskadiert verwendet werden, um eine gewollte Gesamtleistung (Ausgangsleistung) des Leistungsverstärkers zu erreichen.
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Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Magnetresonanzeinrichtung, die wenigstens eine Sendeeinheit mit einer erfindungsgemäßen Leistungsverstärkereinrichtung umfasst. Auch auf die Magnetresonanzeinrichtung lassen sich die genannten Ausführungen übertragen. Gerade im Bereich der Magnetresonanzeinrichtungen sind besonders kompakte und leichtbauende Einrichtungen vorteilhaft und mithin gewinnbringend einsetzbar.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Endstufenmodul,
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2 die Schaltungsstruktur und Leitungsstrukturen des erfindungsgemäßen Endstufenmoduls,
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3 die Nutzung eines einzelnen Endstufenmoduls,
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4 eine kaskadierte Anwendung mit drei Endstufenmodulen in einer erfindungsgemäßen Leistungsverstärkereinrichtung, und
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5 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung.
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes, als Baueinheit realisiertes Endstufenmodul 1, während 2 die Schaltungsstruktur mit den verschiedenen Leiterstrukturen, insbesondere der Ausgestaltung bezüglich dem Verlauf der Leiter, näher zeigt.
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Das Endstufenmodul 1 umfasst ein aus Kunststoff bestehendes Gehäuse 2, welches auf seiner Innenseite mit einer metallischen Beschichtung 3, die sowohl als Abschirmung als auch als Massefläche dient, versehen ist. In dem Gehäuse 2 gehaltert ist ein Träger 4 aus Keramik, hier einer Aluminiumoxid-Keramik, der in kompakter Form die in 2 dargestellte Schaltungsstruktur trägt.
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Die Strukturen, die auf und/oder in dem Träger 4 realisiert sind, sind im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut. So sind zunächst zwei zweite Leiterstrukturen 5, hier Balun-Strukturen, vorgesehen, die exakt gegenphasige, also um 180° verschobene Eingangssignale an den beiden Seiten erzeugen. Diese gegenphasigen Eingangssignale werden benötigt, nachdem das Endstufenmodul als eine Gegentakt-Endstufe ausgebildet ist.
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Wie aus 2 am besten zu erkennen ist, arbeitet der durch die zweite Leiterstruktur 5 realisierte Balun induktiv, indem auf der Außenseite des Trägers 4 aufgebrachte Leiterflächen 5 als „Sekundärwindung” mit in zwei inneren Schichten des Trägers 4 realisierten Leiterbahnen 7, 8 zusammenwirken, um aus einem über ein Anschlusspaar 9 eingegebenen Signal das gewünschte Eingangssignal zu erzeugen.
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Ersichtlich weisen die Leiterbahnen 7, 8 der mehrschichtigen zweiten Leiterstruktur 5 an beiden Seiten weitere externe Anschlusspaare 10 auf, die zum Anschluss eines externen Kondensators dienen, über den ein Schwingkreis der beiden Leiterbahnen 7, 8 mit der passenden Eigenfrequenz gebildet wird, das bedeutet, das Endstufenmodul 1 ist durch externe Bauelemente abstimmbar.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass, falls bereits ein hinreichend gutes symmetrisches Signal als Ansteuersignal zur Verfügung gestellt wird, auf die Ausbildung der zweiten Leiterstrukturen 5 als Balun-Leiterstrukturen auch verzichtet werden kann.
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Das gewünschte Eingangssignal liegt mithin an den Leiterflächen 6 der zweiten Leiterstrukturen 5 an und wird von dort aus den Gate-Anschlüssen von sechzehn auf dem Träger 4 bestückten Transistor-Bausteinen 11 zugeführt. Dies geschieht, wie aus den Figuren ersichtlich, über Drahtbonding mittels eines Drahtes 12. Dabei sind je acht Transistor-Bausteine 11 einer Phase des symmetrischen Eingangssignals zugeordnet, wobei zu beachten ist, dass, wie aus 1 ersichtlich ist, zur Erlangung einer möglichst kompakten Bauweise der Träger 4 beidseitig bestückt ist, wobei aufgrund der speziellen mehrschichtigen Ausgestaltung die innen liegenden Schichten der verschiedenen Leiterstrukturen auf beiden Außenflächen genutzt werden können, im Falle der zweiten Leiterstrukturen 5 können folglich die Leiterbahnen 7, 8 durch beidseitig auf den Außenflächen des Trägers 4 aufgebrachte Leiterflächen 6 genutzt werden.
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Auf den gegenüberliegenden Außenflächen des Trägers 4 ist ferner jeweils eine Source-Leiterstruktur 13 vorgesehen, die neben einer auf der Oberfläche des Trägers 4 aufgebrachten Leiterfläche 14 auf jeder Seite vier Kovar-Brücken 15 umfasst, die im Folgenden noch näher dargelegte Leiterflächen 16 überspannen. Drahtgebondet sind die fünf Source-Eingänge der Transistor-Bauelemente 11 mit der Source-Leiterstruktur 13 verbunden, welche wiederum auf Masse liegt, mithin über eine hier nicht näher gezeigte Verbindung mit der Metallisierung 3 verbunden ist.
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Die Unterseite der Transistor-Bauelemente 11 bildet den Drain-Ausgang des Transistor-Bauelements 11, so dass bei den Transistor-Bauelementen 11 der Drain-Ausgang durch das Aufbringen der Transistor-Bauelemente 11 auf der Leiterfläche 16 unmittelbar mit dieser verbunden ist. Die Leiterfläche 16 bildet Teil einer ersten Leiterstruktur 17, die die am Drain-Ausgang anliegenden Signale der Transistor-Bausteine 11 zu den gemeinsamen, verstärkten Ausgangssignal auf induktive Weise zusammenfassen soll. Hierzu ist ersichtlich auch die erste Leiterstruktur 17 mehrschichtig ausgebildet, das bedeutet, zwischen den auf den Außenflächen des Trägers 4 angeordneten Leiterflächen 16 liegen in zwei weiteren Schichten Leiterbahnen 18, 19, die die „Sekundärwicklung” für die als „Primärwicklung” wirkende Leiterfläche 16 bilden, das bedeutet, es wird ein Strom induziert, wann immer durch die Leiterfläche 16 ein Strom fließt. Wie bereits bei den zweiten Leiterstrukturen 5 weisen die Leiterbahnen 18, 19 nicht nur ein Anschlusspaar 20 zum Abgreifen des Ausgangssignals auf, sondern zudem ein weiteres Anschlusspaar 21, an dem auch hier ein externer Kondensator zur Abstimmung auf die korrekte Arbeitsfrequenz des Endstufenmoduls 1 angeschlossen werden kann. Die Betriebsspannung für das Endstufenmodul 1 wird dabei an der Mitte 22 der Leiterflächen 16 zur Verfügung gestellt, und zwar über einen Ankopplungskondensator 23, der auf der anderen Seite mit Masse, mithin der Metallisierung 3, verbunden ist.
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Nachdem mit dem Endstufenmodul 1 sehr hohe Leistungen erzeugt werden sollen, ist eine Kühlung der Transistor-Bausteine 11 erforderlich. Hierfür sind innerhalb des Trägers 4 Kühlkanäle 24 vorgesehen, die zwischen zwei gegenüberliegend bestückten Transistor-Bausteinen 11 mit selber Breite wie die Transistor-Bausteine 11 vorgesehen sind. Nachdem die Keramik des Trägers 4 nicht elektrisch leitend und mit stabilen elektrischen Eigenschaften bezüglich Verlustleistungen versehen ist, sondern auch wärmeleitend ist, ist auf diese Weise eine effektive Kühlung möglich. Zur Zuführung und Abführung von Kühlmittel in die Kühlkanäle 24 sind entsprechende, hier nicht näher gezeigte Anschlüsse an dem Endstufenmodul 1, mithin Kühlmitteleinlässe und Kühlmittelauslässe, vorgesehen.
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Alles in allem ergibt sich so eine äußerst kompakte Struktur, die insgesamt aus günstigen Materialien hergestellt werden kann. Sie ist zudem äußerst leichtgewichtig und kann im Einsatz in einer Leistungsverstärkereinrichtung leicht ausgetauscht werden.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass statt der Anschlusspaare 10 und 21 Kondensatoren auch innerhalb der Endstufenmodule 1 verbaut sein können, welches dann auf eine bestimmte Arbeitsfrequenz festgelegt ist.
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3 zeigt nun das Endstufenmodul 1 mit den Anschlusspaaren 9, 10, 20 und 21, wobei ersichtlich an den Anschlüssen 10 und 21 externe Kondensatoren 25 zur Abstimmung des Endstufenmoduls 1 auf eine bestimmte Frequenz vorgesehen sind. Mit einer entsprechenden Frequenz wird nun auf der in 3 linken Seite ein symmetrisches Ansteuersignal mit der Phase 0° auf die Anschlüsse 9 gegeben, auf der rechten Seite ein symmetrisches Ansteuersignal mit der Phase 180° ebenso auf das Anschlusspaar 9. Man erhält am Ausgang ein symmetrisches Ausgangssignal mit einer Leistung von beispielsweise 8 kW.
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4 zeigt den kaskadierten Einsatz von drei Endstufenmodulen 1 in einem nur schematisch angedeuteten erfindungsgemäßen Leistungsverstärker 26. Ersichtlich sind die Anschlüsse 9 der beiden äußeren Endstufenmodule 1 kurzgeschlossen, nur am mittleren Endstufenmodul 1 werden die Ansteuersignale mit 0° und 180° eingegeben. Über die Anschlusspaare 10, 20 und 21 sind die Endstufenmodule aneinander gekoppelt, während an den äußeren Endstufenmodulen wiederum externe Kondensatoren 25 zur Abstimmung verwendet werden. Mit dieser Schaltung kann das Dreifache der Ausgangsleistung gewonnen werden, im konkreten Beispiel 24 kW.
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5 zeigt schließlich eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 27, die in bekannter Art und Weise eine unter anderem die Spulen zur Erzeugung des Hauptmagnetfelds umfassende Hauptmagneteinheit 28 mit einer Patientenaufnahme 29 umfasst. Außen an der Hauptmagneteinheit 28 ist ersichtlich eine Sendeeinheit 30 mit einem Gehäuse 31 angeordnet, die die erfindungsgemäße Leistungsverstärkereinrichtung 26 enthält.
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Weitere Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung 27 sind im Stand der Technik weitgehend bekannt und müssen hier nicht näher dargelegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Endstufenmodul
- 2
- Gehäuse
- 3
- Beschichtung
- 4
- Träger
- 5
- Leiterstruktur
- 6
- Leiterfläche
- 7
- Leiterbahn
- 8
- Leiterbahn
- 9
- Anschlusspaar
- 10
- Anschlusspaar
- 11
- Transistor-Baustein
- 12
- Draht-Bonding
- 13
- Source-Leiterstruktur
- 14
- Leiterfläche
- 15
- Kovar-Brücke
- 16
- Leiterfläche
- 17
- Leiterstruktur
- 18
- Leiterbahn
- 19
- Leiterbahn
- 20
- Anschlusspaar
- 21
- Anschlusspaar
- 22
- Mitte
- 23
- Ankopplungskondensator
- 24
- Kühlkanal
- 25
- Kondensator
- 26
- Leistungsverstärker
- 27
- Magnetresonanzeinrichtung
- 28
- Hauptmagneteinheit
- 29
- Patientenaufnahme
- 30
- Sendeeinheit
- 31
- Gehäuse
