DE102016114430A1 - Stromrichter und MRI-System, welches einen solchen Umrichter umfasst - Google Patents

Stromrichter und MRI-System, welches einen solchen Umrichter umfasst Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter, umfassend wenigstens eine Gruppe von vier steuerbaren Stromschaltern, die in einer H-Brücke angeordnet sind, oder eine funktional äquivalente Schaltung, welche zwei Schaltstrecken von zwei Reihenschaltern umfasst, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind, wobei jeder Stromschalter eine Antiparallel-Diode umfasst, eine Steuereinrichtung, die zum Steuern der Schalter mit einer Austastlücke eingerichtet ist, eine Rückkopplungsschleife für den Laststrom, gekennzeichnet durch eine erste Biasstrom-Injektionsschaltung, die mit einem zentralen Punkt der ersten Strecke der H-Brücke gekoppelt ist, und eine zweite Biasstrom-Injektionsschaltung, die mit dem zentralen Punkt der zweiten Strecke der H-Brücke gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner einen MRI-Scanner, der mit einem Stromrichter in Übereinstimmung mit einem der vorhergehenden Ansprüche zum Antreiben der Gradientenspulen versehen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter und ein Magnetresonanzbildgebung(MRI)-System, welches einen solchen Umrichter umfasst. Die Erfindung umfasst insbesondere einen Stromrichter, welcher zur Kompensation eines sogenannten Austastlückenfehlers eingerichtet ist. Austastlückenkompensation wird typischerweise bei Stromrichtern angewendet, die zum Antreiben der Gradientenspulen in einem MRI-System verwendet werden.
  • Gradientenspulen in einem MRI-System dienen zum Bereitstellen eines magnetischen Feldes, welches zum Durchführen von Bildgebungsmessungen verwendet wird, und benötigen eine hohe Spannung und hohen Strom, welcher gesteuert werden muss. Diese Spannung ist typischerweise in einer Ordnung von 2000 V und darüber. Der erforderliche Spitzenstrom ist in der Ordnung von 600 A und darüber. Um detaillierte MRI-Bilder zu erhalten, muss der Strom genau und wiederholt einer Referenz folgen. Die Spannung und der Strom zum Versorgen der Gradientenspulen werden durch eine elektronische Stromschaltung bereitgestellt, welche in sogenannten Schaltstrecken angeordnete Schaltelemente umfasst, die zusammen eine H-Brücke bilden. Diese elektronischen Stromschaltungen mit Schaltstrecken erfordern eine Austastlücke, das heißt eine Zeit, zu der alle Schalter einer Strecke zur selben Zeit geöffnet sind, welches Probleme beim genauen Verfolgen der Referenz bei niedrigen Ausgabeströmen verursacht.
  • Um die hohe Ausgabespannung und hohen Ausgabestrom zu erzeugen, wird typischerweise ein Einzel-H-Brücken- oder Stapel-H-Brücken-Mehrstufen-Stromrichter mit einem Ausgabefilter verwendet. Zum Beispiel kann eine Einzel-H-Brücke mit IGBT-Schaltern mit Antiparallel-Dioden oder stattdessen im Prinzip ein elektronisch gesteuerter Schalter mit einer Parallel-Diode verwendet werden. Die Schalter werden mit einem Pulsbreitenmodulationsschema gesteuert, welches für eine H-Brücke geeignet ist (zum Beispiel eine unipolare oder bipolare PWM). Eine Stapel-H-Brücke mit Ausgabefilter besteht aus mehreren H-Brücken, die in Reihe mit einem Ausgabefilter angeordnet sind. Jede H-Brückenzelle kann eine einfache H-Brücke, wie oben beschrieben, sein, aber sie kann ebenso eine funktional äquivalente Schaltung sein, welche durch zwei Schaltstrecken von zwei Reihenschaltern, welche mit einer Spannungsquelle verbunden sind, gebildet ist. Eine solche funktional äquivalente Schaltung ist eine dV/dt-gefilterte H-Brücke. Der Ausgabestrom des Stromrichters, welcher durch eine Last fließt, wird als der Laststrom im übrigen Teil dieser Patentbeschreibung bezeichnet.
  • Das Pulsbreitenmodulationsschema der Schalter enthält ebenso eine Austastlücke (Totzeit). Diese Austastlücke ist eine Zeit, zu der Oberschalter und Unterschalter (anders gesagt: alle Schalter einer Strecke) dazu angewiesen sind, aus zu sein. Diese Austastlücke wird hinzugefügt, um Kurzschließen der Spannungsquelle (Durchschuss) auf Grund der Anschalt- und Ausschaltverzögerungen der Schalter zu verhindern. Auf Grund der erforderlichen Spannen der Austastlücke gibt es einen Moment, zu dem der Ober- und Unterschalter einer einzelnen Schaltstrecke aus sind, wobei während dieser Zeit die Ausgabespannung der H-Brücke durch das Vorzeichen des Stromes in jeder Schaltstrecke bestimmt wird, da dies bestimmt, welche Parallel-Dioden leiten werden. Diese stromabhängige Ausgabespannung hat eine negative Wirkung auf die Ausgabesignalqualität vom Stromrichter. Die Wirkung erzeugt ebenso ein Totband als Antwort auf die Ausgabespannung/-strom auf einem sich ändernden Steuersignal, insbesondere bei niedrigen Lastströmen. Beim Verwenden von mehr H-Brückenzellen wird die Wirkung der Austastlücke größer, da jede H-Brückenzelle eine gewisse Austastlücke erfordert. Um die erforderliche Ausgabequalität (Spannungs-/Stromwellenform) an die Gradientenspulen in einer MRI-Anwendung bereitzustellen, wird der Laststrom typischerweise in einer geschlossenen Schleife mit einer Rückkopplungsschaltung gesteuert. Der Laststrom wird gemessen und mit einem Referenzsignal verglichen; basierend auf dem Fehler werden die Schaltsignale geändert, um den Fehler zu verringern. Auf Grund des Totbandes bei niedrigen Ausgabeströmen ist es schwierig, den Ausgabestrom zu steuern, wodurch eine schlechte Ausgabequalität mit einem großen Fehler zwischen dem Laststrom und dem Referenzsignal geschaffen wird.
  • Diesem Problem wird sich im Stand der Technik gewidmet: In der internationalen Patentanmeldung WO2013/046099 werden zum Beispiel Verfahren zum Kompensieren des Austastlückenfehlers durch berechnete Kompensation vorgeschlagen, während die internationale Patentanmeldung WO2012/020363 eine adaptive Online-Modellsimulation vorschlägt. In dem US-Patent US6535402 wird die erforderliche Kompensation der Schaltsignale basierend auf dem gemessenen Vorzeichen des Ausgabestromes bestimmt. Die vorgeschlagenen Verfahren stellen modell- und messungsbasierte Kompensation bereit, welche auf Messungen und Kenntnis von variablen parasitären Komponentenparametern beruht, wodurch die Leistung dieser Verfahren begrenzt wird.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Stromrichter und ein MRI-System, welches einen solchen Stromrichter umfasst, bereitzustellen, welches die obigen Nachteile des Standes der Technik überwindet. Die Erfindung schlägt dazu einen Stromrichter vor, welcher wenigstens eine Gruppe von vier steuerbaren Stromschaltern, die in einer H-Brücke angeordnet sind, oder eine funktional äquivalente Schaltung, welche zwei Schaltstrecken von zwei Reihenschaltern umfasst, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind, eine Steuereinrichtung, die zum Steuern der Schalter mit einer Austastlücke eingerichtet ist und eine Rückkopplungsschleife für den Laststrom aufweist, und eine erste Biasstrom-Injektionsschaltung, die mit einem zentralen Punkt der ersten Schaltstrecke der H-Brücke gekoppelt ist; und eine zweite Biasstrom-Injektionsschaltung umfasst, die mit einem zentralen Punkt der zweiten Schaltstrecke der H-Brücke gekoppelt ist. Vorzugsweise umfasst jeder Stromschalter eine Antiparallel-Diode. Weil die vorliegende Erfindung eine Biasstrom-Injektionsschaltung betrifft, welche dazu verwendet wird, um die Richtung des Stromes von jeder Schaltstrecke der H-Brücke zu erzwingen, sind keine Messungen oder exakte Kenntnis von parasitären Komponentenparametern erforderlich. Durch Erzwingen einer bekannten Stromrichtung in jeder Schaltstrecke der H-Brücke ist kein Austastlückenfehler bei niedrigen Lastströmen vorhanden, wodurch sich kein Totband und eine gute Steuerung bei niedrigen Lastströmen ergeben. Auf Grund der begrenzten Stärke des Biasstromes wird der Austastlückenfehler verschoben zu einer hohen Laststromstärke (positiv und negativ). Dies ist jedoch kein Problem, da die Systemverstärkung bei hohen Strömen vergrößert ist und das Rückkopplungssteuersystem mit geschlossener Schleife den Fehler daher kompensieren kann.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst der Stromrichter ein dV/dt-Filter, wobei das Filter einen ersten Induktor, der zwischen dem zentralen Punkt der ersten Strecke der ersten H-Brücke gekoppelt ist; und einen zweiten Induktor umfasst, der zwischen dem zentralen Punkt der zweiten Strecke der H-Brücke gekoppelt ist. Das dV/dt-Filter kann ferner wenigstens einen Filterkondensator und/oder vier Dioden umfassen, die in einer H-Brücken-Konfiguration angeordnet sind.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Strom-Injektionsschaltung zum Injizieren eines bekannten Biasstromes in die jeweilige Strecke eingerichtet. Dieser Biasstrom der Stromquellen kann derart gesteuert werden, dass die Streckenschaltmomente während der Austastlücke bei niedrigen Lastströmen definiert werden.
  • Im Prinzip ist die Injektionsschaltung mit einer Stromquelle aufgebaut, welche mit dem mittleren Knoten (Schaltknoten) der Reihenverbindung von zwei Schaltern (Schaltstrecke) in der H-Brücke verbunden ist. Jede H-Brücke erfordert daher zwei Stromquellen, um jede Schaltstrecke zu kompensieren. Der Ausgabestrom der Stromquelle ist dazu eingerichtet, dass die Schaltmomente während der Austastlücke bei niedrigen Lastströmen definiert werden. Ein Streckenstrom ist als der Strom definiert, welcher in der Strecke fließt. Bei einem niedrigen Laststrom wird die Summe des Biasstromes und des Streckenstromes beim Übergang von einem leitenden Unterschalter zu einem leitenden Oberschalter negativ und beim Übergang von einem leitenden Oberschalter zu einem leitenden Unterschalter positiv. Um die Implementierung der Stromquelle zu vereinfachen, kann die Stromquelle ebenso in zwei Stromquellen aufgeteilt sein, wobei jede einen unipolaren Ausgabestrom bereitstellt. Der Biasstrom der Stromquellen ist vorzugsweise derart gesteuert, dass die Summe des Biasstromes und eines Stromes, welcher sich aus einer Spannung ergibt, die über die H-Brücke an eine Last angelegt ist, beim Übergang von einem leitenden Unterschalter zu einem leitenden Oberschalter negativ wird und beim Übergang von einem leitenden Oberschalter zu einem leitenden Unterschalter positiv wird. Bei einer praxisnahen Ausführungsform kann die Stromquelle eine Reihenschaltung einer positiven Stromquelle und einer negativen Stromquelle umfassen, deren zentraler Punkt mit dem zentralen Punkt der entsprechenden Strecke der H-Brücke gekoppelt ist.
  • Eine mögliche Implementierung der Stromquelle mit Schaltungselementen kann einen Reihenschalter umfassen, der am Ausgang jeder Stromquelle hinzugefügt ist, um einen Kurzschluss der Zufuhrspannung UDC durch die Antiparallel-Diode in den in der Stromquelle verwendeten Schaltern zu verhindern. Ein Vergleicher der Schaltknotenspannung kann dazu verwendet werden, das Schaltmoment zwischen der positiven und der negativen Stromquelle zu bestimmen. Freilaufdioden sind am Ausgang der Stromquelle dazu hinzugefügt, einen Pfad bereitzustellen, wenn der Reihenschalter der Stromquelle ausgeschaltet wird. Durch Anlegen der vorgeschlagenen Biasstrom-Injektion wird der Austastlückenfehler und das Totband, welches durch die Austastlücke hervorgerufen wird, bei niedrigen Ausgabeströmen entfernt, wodurch die Rückkopplungssteuerung mit geschlossener Schleife des Hochgenauigkeitsverstärkers vereinfacht wird. Bei höherem Ausgabestrom können die Fehler durch das Rückkopplungssteuersystem mit geschlossener Schleife kompensiert werden, wodurch sich eine in einer Gesamtheit erhöhte Ausgabequalität ergibt, z. B. einem geringerer Unterschied zwischen der Lastspannung und dem Referenzsignal. Dies reduziert zusätzlich die Filterstromwelligkeit und schlussendlich die Lastspannungs- und -stromwelligkeit des Verstärkers. Wenn der Verstärker in einer MRI-Anwendung zum Antreiben der Gradientenspulen verwendet wird, kann die Bildqualität verbessert werden. Die Erfindung wird nun im weiteren Detail mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, in denen:
  • 1 eine H-Brücke in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik zeigt;
  • 2 eine Stapel-H-Brücke mit LC-Ausgabefilter und Last in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik zeigt;
  • 3 eine H-Brücke mit einem dV/dt-Filter in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik zeigt;
  • 4 ein Steuersystem in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik zeigt;
  • 5 eine H-Brücke in Übereinstimmung einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 6 Wellenformen entsprechend der H-Brücke von 5 zeigt;
  • 7 eine H-Brücke in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 8 Wellenformen entsprechend der H-Brücke von 7 zeigt;
  • 9 eine mögliche Implementierung von Stromquellen zeigt;
  • 10 Wellenformen entsprechend der H-Brücke von 7 bei keinem Laststrom zeigt; und
  • 11 Wellenformen entsprechend der H-Brücke von 7 bei einem hohen Laststrom zeigt.
  • 1 zeigt eine Einzel-H-Brücke 1 mit IGBT-Schaltern mit Parallel-Dioden D1 bis D4 in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik. Die Schalter sind mit S1 bis S4 bezeichnet. Die Brücke ist mit einer Spannungsquelle verbunden, die mit UDC bezeichnet ist. Die Schalter werden mit einem Pulsweitenmodulationsschema gesteuert, welches für eine H-Brücke geeignet ist (zum Beispiel unipolare oder bipolare PWM). Die Schalter sind IGBT-Schalter mit Parallel-Dioden, wobei aber stattdessen im Prinzip ein elektronisch gesteuerter Schalter mit einer Parallel-Diode verwendet werden kann.
  • 2 zeigt eine Stapel-H-Brücke 2 mit Ausgabefilter, welche aus mehreren H-Brückenzellen 1', 1''–1''' besteht, die in Reihe mit einem Ausgabefilter angeordnet sind, welches Lf1, Lf2 und Cf umfasst. Jede H-Brückenzelle kann eine einfache, wie oben beschriebene H-Brücke, wie in 1 gezeigt, sein, aber kann ebenso eine funktional äquivalente Schaltung sein, die aus zwei Schaltstrecken von zwei Reihenschaltern gebildet ist, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind.
  • 3 zeigt eine solche funktional äquivalente H-Brückenzelle 3, welches eine dV/dt-gefilterte H-Brücke ist. Die Ausgabeverbindungsanschlüsse U1, U2 des Stromrichters sind durch einen Kreis mit einer diagonalen Linie hindurch bezeichnet, wobei diese Ausgabeverbindungen mit der Last verbunden sind, welche durch die Reihenverbindung von „L” und „R” repräsentiert wird.
  • 4 zeigt eine Rückkopplungsschaltung 4 zum Steuern des Laststromes in einer geschlossenen Schleife, welche die erforderliche Ausgabequalität (Spannungs-/Stromwellenform) an die Gradientenspulen in einer MRI-Anwendung bereitstellt. Der Laststrom wird gemessen und mit einem Referenzsignal verglichen; basierend auf dem Fehler werden die Schaltsignale derart geändert, dass der Fehler verringert wird. Auf Grund des Totbandes bei niedrigen Ausgabeströmen ist es schwierig, den Ausgabestrom zu steuern, wodurch eine niedrige Ausgabequalität mit einem großen Fehler zwischen dem Laststrom und dem Referenzsignal bereitgestellt wird.
  • 5 zeigt einen Stromrichter 5 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, welcher wenigstens eine Gruppe von vier steuerbaren Stromschaltern S1–S4, die in einer H-Brücke angeordnet sind, wobei jeder Stromschalter eine Antiparallel-Diode D1–D4 umfasst, eine Steuereinrichtung mit einer Austastlücke, eine Rückkopplungsschleife für einen Laststrom Ia, Ib, eine erste Biasstrom-Injektionsschaltung Iinj,a, welche mit dem zentralen Punkt der ersten Strecke der H-Brücke gekoppelt ist, und eine zweite Biasstrom-Injektionsschaltung Iinj,b umfasst, welche mit dem zentralen Punkt der zweiten Strecke der H-Brücke gekoppelt ist.
  • 6 zeigt beispielhafte Wellenformen 6 für die Stromquelle und 7 zeigt eine vereinfachte Implementierung 7 der Stromquelle, welche in zwei Stromquellen aufgeteilt ist, die jeweils einen unipolaren Ausgabestrom bereitstellen.
  • 8 gibt beispielhafte Stromwellenformen 9 für die in 7 gezeigte Schaltung an. Der Biasstrom der Stromquellen wird derart gesteuert, dass die Summe des Biasstromes und eines Stromes, der sich aus einer Spannung ergibt, die über die H-Brücke an eine Last angelegt wird, beim Übergang von einem leitenden Unterschalter (S2 oder S4) zu einem leitenden Oberschalter (S1 oder S3) negativ und beim Übergang von einem leitenden Oberschalter zu einem leitenden Unterschalter positiv wird.
  • 9 zeigt eine mögliche Implementierung 9a, 9b der Stromquelle, wobei „a”, „b” und „c” die Anschlüsse der Stromquellen angeben, wobei „a” mit der positiven Seite der Busspannung verbunden ist, „b” mit dem Schaltknoten verbunden ist und „c” mit der negativen Seite der Busspannung verbunden ist. Die Stromquelle umfasst einen Reihenschalter (SN und SP), der am Ausgang jeder Stromquelle hinzugefügt ist, um einen Kurzschluss der Zufuhrspannung UDC durch die Antiparallel-Diode in den Schaltern, die in der Stromquelle verwendet werden, zu verhindern. Ein Vergleicher der Schaltknotenspannung (Usn) wird dazu verwendet, das Schaltmoment zwischen der positiven und der negativen Stromquelle zu bestimmen. Freilaufdioden (DN und DP) sind am Ausgang der Stromquelle dazu hinzugefügt, einen Pfad bereitzustellen, wenn der Reihenschalter der Stromquelle ausgeschaltet wird. Die Hilfsspannungsquellen in den Stromquellen (VP+, VP–, VN+, VN–) sind Niedrigspannungsquellen, welche genügend Spannung bereitstellen, um den erforderlichen Injektionsstrom zu erzeugen.
  • 10 zeigt die sich ergebenden Wellenformen 10 der Schaltung von 9, wenn die H-Brücke bei keinem Laststrom betrieben wird.
  • 11 zeigt die Wellenformen 11 der Schaltung von 9, wenn sie bei einem hohen Laststrom betrieben wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/046099 [0005]
    • WO 2012/020363 [0005]
    • US 6535402 [0005]

Claims (4)

  1. Stromrichter, umfassend – wenigstens eine Gruppe von steuerbaren Stromschaltern, die in einer H-Brücke angeordnet sind, oder eine funktional äquivalente Schaltung, welche zwei Schaltstrecken von zwei Reihenschaltern umfasst, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind; – eine Steuereinrichtung, die zum Steuern der Schalter mit einer Austastlücke eingerichtet ist und die eine Rückkopplungsschleife für den Laststrom aufweist; – eine erste Biasstrom-Injektionsschaltung, die mit dem zentralen Punkt der ersten Strecke der H-Brücke gekoppelt ist; – eine zweite Biasstrom-Injektionsschaltung, die mit dem zentralen Punkt der zweiten Strecke der H-Brücke gekoppelt ist; und wobei die erste und die zweite Strom-Injektionsschaltung zum Injizieren eines bekannten Biasstromes in die jeweilige Strecke eingerichtet sind, gekennzeichnet dadurch, dass der Biasstrom der Stromquellen derart gesteuert ist, dass die Summe des Biasstromes und eines Stromes, der sich aus einer Spannung ergibt, die über die H-Brücke an eine Last angelegt ist, beim Übergang von einem leitenden Unterschalter zu einem leitenden Oberschalter negativ und beim Übergang von einem leitenden Oberschalter zu einem leitenden Unterschalter positiv ist.
  2. Stromrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jede Biasstrom-Injektionsschaltung eine Reihenverbindung einer positiven Stromquelle und einer negativen Stromquelle umfasst, deren zentraler Punkt mit dem zentralen Punkt der entsprechenden Strecke der H-Brücke gekoppelt ist.
  3. Stromrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von Stapel-H-Brücken.
  4. MRI-System, welches mit einem Stromrichter nach einem der vorherigen Ansprüche zum Antreiben der Gradientenspulen versehen ist.
DE102016114430.4A 2015-08-13 2016-08-04 Stromrichter und MRI-System, welches einen solchen Umrichter umfasst Pending DE102016114430A1 (de)

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