DE102018115907A1

DE102018115907A1 - Pulsleistungssystem und Steuerverfahren für dieses

Info

Publication number: DE102018115907A1
Application number: DE102018115907.2A
Authority: DE
Inventors: Ruxi Wang; Juan Antonio Sabate; Fei Xu; Xiaohu Liu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2019-01-10
Also published as: US10768249B2; CN109217845A; US20190011512A1; CN109217845B

Abstract

Es ist ein Pulsleistungssystem offenbart, das wenigstens H-Brücken aufweist, die zur Lieferung eines gepulsten Stroms zu einer Last kaskadiert sind, wobei jede H-Brücke wenigstens zwei Schenkel aufweist und jeder Schenkel wenigstens zwei Transistorschalter aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Transistorschalter einen Transistor und eine Diode aufweist, die mit dem Transistor elektrisch parallel geschaltet ist, und eine Steuereinrichtung ist eingerichtet, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms niedriger als ein Schwellenwert ist, und ist eingerichtet, um Schaltverluste zu reduzieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist.

Description

HINTERGRUND
Diese Offenbarung betrifft allgemein eine Leistungsversorgungstechnologie und insbesondere ein Pulsleistungssystem und Steuerverfahren für dieses.
Gepulste Leistung ist eine einzigartige Technologie, die Energie in einen kurzen, jedoch intensiven Stoß komprimieren kann, um extreme Bedingungen ohne den Bedarf nach einer sehr großen energetischen Leistungsquelle zu schaffen. Die gepulste Leistung wird in weitem Umfang in vielen industriellen Bereichen, wie etwa der Magnetresonanz-Bildgebung (MR-Bildgebung), verwendet.
Im Allgemeinen basieren MR-Bildgebungsuntersuchungen auf den Wechselwirkungen zwischen einem primären Magnetfeld, einem Hochfrequenz(HF)-Magnetfeld und zeitveränderlichen Magnetgradientenfeldern mit gyromagnetischem Material, das Kernspins aufweist, innerhalb eines interessierenden Objektes, wie etwa eines Patienten. Die Magnetfelder, die zur Erzeugung von Bildern in MR-Bildgebungssystemen verwendet werden, umfassen ein stark homogenes, statisches Magnetfeld, das durch einen primären Feldmagneten erzeugt wird. Es wird eine Reihe von Gradientenfeldern durch einen Satz Gradientenspulen erzeugt, die um das Objekt herum angeordnet sind. Die Gradientenfelder kodieren Positionen einzelner Ebenen- oder Volumenelemente (Pixel oder Voxel) in zwei oder drei Dimensionen. Eine HF-Spule wird verwendet, um ein HF-Magnetfeld zu erzeugen. Dieses HF-Magnetfeld stört die Spins einiger der gyromagnetischen Kerne gegenüber ihren Gleichgewichtsrichtungen, was die Spins veranlasst, um die Achse ihrer Gleichgewichtsmagnetisierung herum zu präzedieren. Manche gyromagnetischen Materialien, wie etwa Wasserstoffkerne in Wassermolekülen, weisen charakteristische Verhalten als Reaktion auf externe Magnetfelder auf. Die Präzession der Spins dieser Kerne kann durch eine Manipulation der Felder beeinflusst werden, um HF-Signale zu erzeugen, die detektiert, verarbeitet und zur Rekonstruktion eines nützlichen Bildes verwendet werden können.
In einem MR-Bildgebungssystem sind die Gradiententreiber eingerichtet, um Gradientenspulen anzuregen, die um ein Objekt, z.B. einen Patienten, herum, angeordnet sind, um Magnetfeldgradienten entlang einer X-Achsenrichtung, Y-Achsenrichtung und Z-Achsenrichtung zu generieren. Die zeitveränderlichen Magnetgradientenfelder werden durch Stromimpulssquenzen mit einem großen dynamischen Bereich getrieben. Ein Gradiententreiber enthält im Allgemeinen eine Anordnung von in Reihe und/oder parallel verbundenen Halbleitern, die gestapelt sein können, um eine Impulsfolge mit höherer Amplitude anzutreiben. Jedoch weisen typische Konfigurationen von Gradiententreibern nicht sowohl eine hohe Schaltfrequenz als auch niedrige Schaltverluste auf.
KURZE BESCHREIBUNG
In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Pulsleistungssystem bereit, das aufweist: wenigstens zwei H-Brücken, die zur Lieferung eines gepulsten Stroms zu einer Last kaskadiert sind, wobei jede H-Brücke wenigstens zwei Schenkel aufweist und jeder Schenkel wenigstens zwei in Reihe geschaltete Transistorschalter aufweist, wobei jeder Transistorschalter einen Transistor und eine Diode aufweist, die elektrisch parallel zu dem Transistor geschaltet ist, und die Diode eingerichtet ist, um einen Strom durch eine Source- und eine Drain-Elektrode des Transistors zu leiten; und eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms niedriger als ein Schwellenwert ist, und eingerichtet ist, um Schaltverluste zu reduzieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist.
In dem zuvor erwähnten Pulsleistungssystem kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, um eine erste Schaltfrequenz zu aktivieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist, und eine zweite Schaltfrequenz, die niedriger als die erste Schaltfrequenz ist, zu aktivieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Pulsleistungssystem kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und wenigstens eine H-Brücke in leitendem Zustand zu halten und den Rest H-Brücken in schaltendem Zustand zu halten, wenn die Abstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als der vorbestimmte Wert ist.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist und den Laststrom über einen vorbestimmten Wert hinaus zu erhöhen, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als der vorbestimmte Wert ist.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Pulsleistungssystems kann jeder Schenkel mehrere Module aufweisen, die parallel geschaltet sind, wobei jedes Modul zwei Transistorschalter aufweisen kann, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Diode eingerichtet sein kann, um Strom über eine Source- und eine Drain-Elektrode des Transistors zu leiten, und wobei Knoten zwischen zwei Transistorschaltern jedes Moduls elektrisch verbunden sein können, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet sein kann, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und um wenigstens ein Modul ausgeschaltet und den Rest der Module in schaltendem Zustand zu halten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als der vorbestimmte Wert ist.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Steuerverfahren für ein Pulsleistungssystem, das wenigstens zwei H-Brücken aufweist, die zur Lieferung eines gepulsten Stroms zu einer Last kaskadiert sind, bereit, das ein Empfangen eines Laststroms und eines Referenzstromsignals, Generieren eines Spannungsbefehlssignals auf der Basis des Laststroms und des Referenzstromsignals, Bestimmen einer Anstiegsgeschwindigkeit und einer Stromamplitude des Laststroms, der dem Referenzstromsignal zugeordnet ist, Reduzieren von Schaltverlusten, wenn die Antiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist, aufweist.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Reduzieren von Schaltverlusten ein Aktivieren einer ersten Schaltfrequenz, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist, und Aktivieren einer zweiten Schaltfrequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist, aufweisen.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann das Reduzieren von Schaltverlusten ein Halten wenigstens einer H-Brücke im leitenden Zustand und Halten des Rests der H-Brücken im schaltenden Zustand aufweisen, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Reduzieren der Schaltverluste ein Halten des Laststroms über einem vorbestimmten Wert aufweisen, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens können alle H-Brücken jeweils wenigstens zwei Schenkel aufweisen, wobei jeder Schenkel mehrere Module aufweisen kann, die parallel geschaltet sind, wobei jedes Modul zwei Transistorschalter aufweisen kann, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Diode eingerichtet sein kann, um Strom zu leiten, um ein Nullspannungspotential über einer Source- und einer Drain-Elektrode des Transistors zu bewirken, und wobei Knoten zwischen zwei Transistorschaltern jedes Moduls elektrisch verbunden sein können, wobei das Reduzieren von Schaltverlusten ein Halten wenigstens eines Moduls im ausgeschalteten Zustand und des Rests der Module im schaltenden Zustand aufweisen kann, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein MR-Bildgebungssystem bereit, das einen primären Feldmagneten, mehrere Gradientenspulen, eine HF-Sendespule und ein Pulsleistungssystem aufweist, das aufweist: wenigstens zwei H-Brücken, die zur Lieferung eines gepulsten Stroms zu einer Gradientenspule kaskadiert sind, wobei jede H-Brücke wenigstens zwei Schenkel aufweist und jeder Schenkel wenigstens zwei Transistorschalter aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Transistorschalter einen Transistor und eine Diode aufweist, die mit dem Transistor elektrisch parallel geschaltet ist; und eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit des Reststroms in der Gradientenspule niedriger als ein Schwellenwert ist, und eingerichtet ist, um Schaltverluste zu reduzieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist.
Das MR-Bildgebungssystem kann jede beliebige Ausführungsform des Pulsleistungssystems aufweisen, das vorstehend in Verbindung mit dem Pulsleistungssystem des ersten Aspektes erwähnt ist.
Figurenliste
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile überall in den Zeichnungen darstellen, worin zeigen:

1 eine dargestellte Ansicht eines MR-Bildgebungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 eine schematische Ansicht eines Pulsleistungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 eine illustrative Ansicht einer Pulsleistungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 eine illustrative Ansicht eines Laststroms der Gradientenspule gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 eine illustrative Ansicht einer Pulsleistungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
6 eine illustrative Ansicht eines ausgeschalteten Moduls einer Pulsleistungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
7 ein Flussdiagramm eines Steuerfahrens für ein Pulsleistungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
8 ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens für ein Pulsleistungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hier nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind allgemein bekannte Funktionen oder Konstruktionen nicht im Einzelnen beschrieben, um die Offenbarung nicht durch unnötige Einzelheiten unklar zu machen.
Sofern sie nicht anderweitig definiert sind, haben technische und wissenschaftliche Ausdrücke, die hierin verwendet werden, die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise durch einen Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Offenbarung gehört, verstanden wird. Die Ausdrücke „erste“, „zweite“ und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, bezeichnen keine Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit, sondern werden hingegen dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Ferner bezeichnen die Ausdrücke „ein“ und „eine“ keine Mengenbeschränkung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, die Gegenwart wenigstens eines der in Bezug genommenen Elemente anzuzeigen. Der Ausdruck „oder“ ist im einschließlichen Sinne gemeint und soll einer oder alle der aufgeführten Elemente bedeuten. Die Verwendung von „enthalten“, „aufweisen“ oder „haben“ und deren Varianten hierin soll die danach aufgeführten Elemente und deren Äquivalente sowie weitere Elemente umfassen. Die Ausdrücke „verbunden“, „geschaltet“ und „gekoppelt“ sind nicht auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt und können elektrische Verbindungen oder Kopplungen, direkte oder indirekte, umfassen.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können hierin anhand funktioneller Komponenten und verschiedener Prozessschritte beschrieben sein. Es sollte erkannt werden, dass derartige funktionelle Komponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmenwarekomponenten realisiert werden können, die eingerichtet sind, um die speziellen Funktionen zu erfüllen. Z.B. kann eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, z.B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente, Nachschlagetabellen und dergleichen, verwenden, die vielfältige Funktionen unter der Steuerung durch einen oder mehrere Mikroprozessoren oder andere Steuervorrichtungen ausführen können. Zusätzlich können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl von Datenübertragungsprotokollen umgesetzt werden.
Bezug nehmend auf 1 der Zeichnungen ist ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem 10 in schematischer Weise veranschaulicht, wie es einen Scanner 12 und ein Steuersystem 14 enthält, die gemeinsam dazu verwendet werden, Magnetresonanzdaten zu akquirieren und ein Bild eines interessierenden Objektes zu erzeugen. Während das MR-Bildgebungssystem 10 einen beliebigen geeigneten Scanner oder Detektor enthalten kann, enthält das System 10 in der veranschaulichten Ausführungsform einen Ganzkörperscanner 12 mit einem Gehäuse 20, durch das eine Bohrung 22 hindurch ausgebildet ist. Ein Tisch 24 ist in die Bohrung 22 hinein bewegbar, um einem Patienten 26 zu ermöglichen, zur Abbildung einer ausgewählten Anatomie innerhalb des Patienten darin positioniert zu werden.
Der Scanner 12 enthält eine Reihe von zugehörigen Spulen zur Erzeugung gesteuerter Magnetfelder zur Anregung des gyromagnetischen Materials innerhalb der Anatomie des gerade abgebildeten Objektes. Insbesondere ist eine primäre Magnetspule 28 zur Generierung eines primären Magnetfeldes vorgesehen, das im Wesentlichen mit der Bohrung 22 ausgerichtet ist. In der veranschaulichten Ausführungsform liefert eine Hauptenergieversorgung 40 Leistung zu der primären Feldspule 28. Eine Reihe von Gradientenspulen 30, 32 und 34, von denen alle oder einige durch den hierin beschriebenen Gradiententreiber gesteuert sein können, ermöglichen die Erzeugung gesteuerter Magnetgradientenfelder zur Positionskodierung bestimmter der gyromagnetischer Kerne im Inneren des Patienten 26 während Untersuchungssequenzen.
Es ist eine Hochfrequenz(HF)-Spule 36 vorgesehen, die eingerichtet ist, um Hochfrequenzimpulse zur Anregung der bestimmten gyromagnetischen Kerne im Inneren des Patienten zu generieren. Zusätzlich zu den Spulen, die zu dem Scanner 12 lokal sein können, enthält das System 10 ferner einen Satz von Empfangsspulen 38 (z.B. eine Anordnung von Spulen), die zur proximalen Platzierung an dem (gegen den) Patienten 26 eingerichtet sind. Die Empfangsspulen 38 können eine beliebige Geometrie, einschließlich sowohl geschlossener als auch einseitiger Geometrien, aufweisen. Als ein Beispiel können die Empfangsspulen 38 zervikale/thorakale/lumbale (CTL-) Spulen, Kopfspulen, einseitige Wirbelsäulenspulen und dergleichen enthalten. Im Allgemeinen werden die Empfangsspulen 38 nahe an oder oben auf dem Patienten 26 platziert, um die schwachen HF-Signale (schwach im Vergleich zu den ausgesandten Impulsen, die durch die Scannerspulen generiert werden) zu empfangen, die durch bestimmte der gyromagnetischen Kerne im Inneren des Patienten 26 generiert werden, wenn diese zu ihrem relaxierten Zustand zurückkehren. Die Empfangsspulen 38 können ausgeschaltet werden, um nicht die durch die Scannerspulen generierten Sendeimpulse zu empfangen oder nicht mit diesen mitzuschwingen, und können eingeschaltet werden, um die HF-Signale zu empfangen oder mit den HF-Signalen mitzuschwingen, die durch die relaxierenden gyromagnetischen Kerne erzeugt werden.
Der Scanner 12 weist einen Gradiententreiber 42 auf, der eingerichtet ist, um Gradientenspulen anzuregen. Das Steuersystem 14 koordiniert den Scanner 12, um funktionssicher zu arbeiten, die akquirierten Bilddaten zur Rekonstruktion zu speichern und ein Bild des gerade gescannten Materials zu erzeugen. Es sollte beachtet werden, dass das beschriebene MR-Bildgebungssystem lediglich dazu bestimmt ist, nur beispielhaft zu sein, und andere Systemtypen, wie etwa sogenannte „offene“ MR-Bildgebungssyteme, ebenfalls verwendet werden können. Ebenso können derartige Systeme anhand der Stärke ihres Primärmagneten ausgelegt sein, und es kann ein beliebiges geeignetes ausgelegtes System verwendet werden, das in der Lage ist, die nachstehend beschriebene Datenakquisition und Verarbeitung auszuführen.
In einem Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystem sind die Gradiententreiber eingerichtet, um Gradientenspulen anzuregen, die um ein Objekt, z.B. einen Patienten, herum angeordnet sind, um Magnetfeldgradienten entlang der X-Achsenrichtung, Y-Achsenrichtung und Z-Achsenrichtung zu generieren. Um genug Gradientenmagnetfelder innerhalb einer kurzen Zeitdauer zu generieren, muss der Gradiententreiber ausgelegt sein, um einen Hochstrom (von mehr als 1000A) und eine Hochspannung (von mehr als 2000V) anzutreiben. Derweil ist auch eine hohe Schaltfrequenz erwünscht, um die Ausgangsfiltergröße zu reduzieren und die Steuerungsbandbreite zu verbessern. Die neuen SiC-Vorrichtungen mit großer Bandlücke, wie etwa MOSFETs, bieten mehrere Vorteile, die über diejenigen der SI-basierten IGBTs nach dem Stand der Technik hinausgehen. SiC-MOSFETs erreichen einen viel niedrigeren Einschaltwiderstand und eine schnellere Schaltgeschwindigkeit im Vergleich zu ähnlich bemessenen Si-Entsprechungen. Selbst wenn die Schaltverluste der SiC-Vorrichtung (bei höherem Strom) viel niedriger sind als bei der Silizium-Vorrichtung, ist jedoch die Verarmungskapazität von SiC viel höher als bei der Silizium-Vorrichtung, was den Siliziumcarbid-Gradiententreiber bei der Regelung eines Nullstroms weniger effizient macht.
Ein Gradiententreiber 42, der gemäß den vorliegenden Ausführungsformen ein Pulsleistungssystem 44 enthält, ist zur gepulsten Ansteuerung der Gradientenspulen 30, 32 und 34 vorgesehen. Aspekte des Pulsleistungssystems sind nachstehend in Bezug auf die 2-6 in weiteren Einzelheiten erläutert. Das Pulsleistungssystem kann auch in anderen Industriezweigen, für andere Anwendungen verwendet werden, die gepulste Leistungsversorgung erfordern. Eine Ausführungsform eines Pulsleistungssystems 44 zum Treiben der Gradientenspulen 30, 32, 34 des MR-Scanners 12 nach 1 ist in 2 schematisch dargestellt. Wie in 2 veranschaulicht, weist ein Pulsleistungssystem 44 für Gradientenspulen in einer Magnetresonanz-Bildgebung (MR-Bildgebung) eine Pulsleistungsschaltung 84 und eine Steuereinrichtung 86 auf.
Bezug nehmend auf 3 der Zeichnungen weist die Pulsleistungsschaltung 84 wenigstens zwei H-Brücken auf, die kaskadiert sind, um gepulsten Strom zu einer Last, der Gradientenspule 30 in der vorliegenden Ausführungsform, zu liefern. Wie in 3 veranschaulicht, weist jede H-Brücke wenigstens zwei Schenkel auf, die ein erster Schenkel 53 und ein zweiter Schenkel 54 sind. Jeder Schenkel weist wenigstens zwei in Reihe geschaltete Transistorschalter 50 auf. Jeder Transistorschalter weist einen Transistor 51 und eine Diode 52 auf, die mit dem Transistor elektrisch parallel geschaltet ist, und die Diode ist eingerichtet, um Strom zu leiten, um ein Nullspannungspotential über einer Source- und einer Drain-Elektrode des Transistors zu bewirken. Die Last ist zwischen einem Knoten zwischen den beiden Transistorschaltern 50 des ersten Schenkels der ersten H-Brücke und einem Knoten zwischen den beiden Transistorschaltern des zweiten Schenkels der letzten H-Brücke angeschlossen. Ein Knoten zwischen den beiden Transistorschaltern 50 des zweiten Schenkels der ersten H-Brücke ist mit einem Knoten zwischen den beiden Transistorschaltern 50 des ersten Schenkels der nächsten H-Brücke verbunden, usw., bis ein Knoten zwischen den beiden Transistorschaltern 50 des zweiten Schenkels der vorletzten H-Brücke mit einem Knoten zwischen den beiden Transistorschaltern 50 des ersten Schenkels der letzten H-Brücke verbunden ist.
Der Transistor der Transistorschalter kann SiC-Vorrichtungen oder Si-Vorrichtungen, wie etwa ein SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder Si-MOSFET, sein. In einigen Fällen können einige oder alle der Transistorschalter 50 Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) anstelle von MOSFETS sein. Demgemäß sollte erkannt werden, dass, obwohl die Schalter 50 vorliegend als SiC-MOSFETS erläutert sind, ihre zugehörigen Beschreibungen alle Variationen des Materials oder der Konfiguration, einschließlich MOSFETS und IGBTs, jedoch nicht darauf beschränkt, umfassen sollen. In einer Ausführungsform können SiC-MOSFETs erwünscht sein, um ein schnelleres Schalten und eine Reduktion von Schaltverlusten im Vergleich zu anderen MOSFET-Materialien, einschließlich Si, zu ermöglichen.
Der Laststrom (I_last ) sieht, wie in 4 veranschaulicht, aus. Während des Tein wird der Gradientenstrom mit einem bestimmten Muster (trapezförmig, dreieckig, sinusförmig, etc.) gesteuert. Während des Taus sind die Stromamplitude und die Stromanstiegsgeschwindigkeit sehr klein. Der Strom kann in dem Bereich von wenigen Amper liegen. Das Strommuster wird mit der Periode TR wiederholt.
Die Steuereinrichtung ist mit den SiC-MOSFETs verbunden und ist eingerichtet, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms niedriger als ein Schwellenwert ist, und ist eingerichtet, um die Schaltverluste zu reduzieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist. Die Anstiegsgeschwindigkeit ist di/dt des Laststroms.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um eine erste Schaltfrequenz zu aktivieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist, und eine zweite Schaltfrequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, zu aktivieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist. Weil die Stromanstiegsgeschwindigkeit niedrig ist, kann die Bandbreite ohne Abstriche bei dem Stromsteuerungsfehler reduziert werden. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist, steuert die Steuereinrichtung 86 die Pulsleistungsschaltung 84, damit sie normal bei der ersten Schaltfrequenz arbeitet. Die Steuereinrichtung weist eine Steuerplatine auf, die Steuersignale für den Gatetreiber der Transistorschalter zur Veränderung der Schaltfrequenz der Transistorschalter generiert.
Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, um einen Laststrom und ein Referenzstromsignal zu empfangen, ein Spannungsbefehlssignal auf der Basis des Laststroms und des Referenzstromsignals zu erzeugen und eine Anstiegsgeschwindigkeit und eine Stromamplitude des dem Referenzstromsignal zugeordneten Laststroms zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform, Bezug nehmend auf 5 der Zeichnungen, ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und um wenigstens eine H-Brücke im leitenden und nicht schaltenden Zustand zu halten und den Rest der H-Brücken im schaltenden Zustand zu halten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist oder die Stromamplitude des Laststroms nicht niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, steuert die Steuereinrichtung 86 die Pulsleistungsschaltung 84, damit sie normal arbeitet. Die Steuereinrichtung weist eine Steuerplatine auf, die Steuersignale für den Gatetreiber der Transistorschalter zur Ein- und Aus-Steuerung der H-Brücken erzeugt.
Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, um einen Laststrom und ein Referenzstromsignal zu empfangen, ein Spannungsbefehlssignal auf der Basis des Laststroms und des Referenzstromsignals zu generieren und eine Anstiegsgeschwindigkeit und eine Stromamplitude des dem Referenzstromsignal zugeordneten Laststroms zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform, Bezug nehmend auf 3 der Zeichnungen, ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und um den Laststrom (Ilast) höher als ein vorbestimmter Wert zu halten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und somit wird die Ladung der Verarmungskapazität zu der Last, nicht zu dem Kanal entladen. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist oder die Stromamplitude des Laststroms nicht niedriger als vorbestimmter Wert ist, steuert die Steuereinrichtung 86 die Pulsleistungsschaltung 84, damit sie normal arbeitet. Die Steuereinrichtung weist eine Steuerplatine auf, die Steuersignale für den Gatetreiber der Transistorschalter zur Steuerung des Laststroms generiert.
Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, um einen Laststrom und ein Referenzstromsignal zu empfangen, ein Spannungsbefehlssignal auf der Basis des Laststroms und des Referenzstromsignals zu generieren und eine Anstiegsgeschwindigkeit und eine Stromamplitude des dem Referenzstromsignal zugeordneten Laststroms zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform, Bezug nehmend auf die 3 und 6 der Zeichnungen, weist jeder Schenkel aus 3 mehrere Module 55 auf, die parallel geschaltet sind, wobei jedes Modul zwei in Reihe geschaltete SiC-MOSFET-Schalter aufweist und Knoten 56 zwischen zwei SiC-MOSFET-Schaltern jedes Moduls elektrisch verbunden sind. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist und um wenigstens ein Modul ausgeschaltet (im nicht schaltenden Zustand) zu halten und den Rest der Module im schaltenden Zustand zu halten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist oder die Stromamplitude des Laststroms nicht niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, steuert die Steuereinrichtung 86 die Pulsleistungsschaltung 84, damit sie normal arbeitet. Die Steuereinrichtung weist eine Steuerplatine auf, die Steuersignale für den Gatetreiber der Transistorschalter zur Steuerung der Module, um zu schalten oder nicht zu schalten, auf. Z.B. würden für 200A und einen gemeinsam genutzten Gleichspannungszwischenkreis von 600V die Schaltverluste von zwei parallel schaltenden Modulen 60mJ betragen, und für nur ein einzelnes schaltendes Moduls würden sie 46mJ betragen.
Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, um einen Laststrom und ein Referenzstromsignal zu empfangen, ein Spannungsbefehlssignal auf der Basis des Laststroms und des Referenzstromsignals zu generieren und eine Anstiegsgeschwindigkeit und eine Stromamplitude des dem Referenzstromsignals zugeordneten Laststroms zu bestimmen. Die Steuereinrichtung weist mehrere Gate-Treiber auf, die jeweils jedem Modul entsprechen, um den Schaltzustand jedes Moduls unabhängig zu steuern.
Bezug nehmend auf 7 der Zeichnungen stellt die vorliegende Offenbarung ein Pulsleistungssystem-Steuerverfahren für Gradientenspulen in einer Magnetresonanz(MR)-Bildgebung bereit, das die Schritte des Empfangs eines Laststroms und eines Referenzstromsignals, Generierens eines Spannungsbefehlssignals auf der Basis des Laststroms und des Referenzstromsignals, Bestimmens einer Anstiegsgeschwindigkeit und einer Stromamplitude des Laststroms, der dem Referenzstromsignal zugeordnet ist, Reduzierens von Schaltverlusten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist, aufweist. Die Anstiegsgeschwindigkeit ist di/dt des Laststroms.
In einer Ausführungsform, wie in 3 veranschaulicht, weist das Reduzieren von Schaltverlusten Schritte des Aktivierens einer ersten Schaltfrequenz, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms nicht niedriger als ein Schwellenwert ist, und des Aktivierens einer zweiten Schaltfrequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist, auf.
In einer weiteren Ausführungsform, wie in 5 veranschaulicht, weist das Reduzieren von Schaltverlusten Schritte des Haltens wenigstens einer H-Brücke im leitenden und nicht schaltenden Zustand und Haltens der restlichen H-Brücken im schaltenden Zustand auf, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist, und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
In einer Ausführungsform, wie in 3 veranschaulicht, weist das Reduzieren von Schaltverlusten Schritte des Haltens des Laststroms (Ilast) über einem vorbestimmten Wert auf, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
In einer Ausführungsform, wie in 6 veranschaulicht, weist das Reduzieren von Schaltverlusten die Schritte des Haltens wenigstens eines Moduls im ausgeschalteten (nicht schaltenden) Zustand und des Rests der Module im schaltenden Zustand, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, wobei jede Brücke wenigstens zwei Schenkel aufweist, wobei jeder Schenkel mehrere parallel geschaltete Module aufweist, wobei jedes Modul zwei SiC-MOSFET-Schalter aufweist, die in Reihe geschaltet sind, und Knoten 56 zwischen zwei SiC-MOSFET-Schaltern jedes Moduls elektrisch verbunden sind.
Während die Offenbarung in typischen Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben ist, ist sie nicht dazu bestimmt, auf die veranschaulichten Einzelheiten beschränkt zu sein, da verschiedene Modifikationen und Ersetzungen vorgenommen werden können, ohne in irgendeiner Weise von dem Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. An sich können weitere Modifikationen und Äquivalente des hierin offenbarten Offenbarungsgegenstands Fachleuten auf dem Gebiet, die nicht mehr als routinemäßige Experimente verwenden, einfallen, und es wird angenommen, dass all derartige Modifikationen und Äquivalente innerhalb des Geistes und Umfangs der Offenbarung, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, liegen.
Es ist ein Pulsleistungssystem offenbart, das wenigstens H-Brücken aufweist, die zur Lieferung eines gepulsten Stroms zu einer Last kaskadiert sind, wobei jede H-Brücke wenigstens zwei Schenkel aufweist und jeder Schenkel wenigstens zwei Transistorschalter aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Transistorschalter einen Transistor und eine Diode aufweist, die mit dem Transistor elektrisch parallel geschaltet ist, und eine Steuereinrichtung ist eingerichtet, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms niedriger als ein Schwellenwert ist, und ist eingerichtet, um Schaltverluste zu reduzieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist.

Claims

Pulsleistungssystem, das aufweist: wenigstens zwei H-Brücken, die zur Lieferung eines gepulsten Stroms zu einer Last kaskadiert sind, wobei jede H-Brücke wenigstens zwei Schenkel aufweist und jeder Schenkel wenigstens zwei Transistorschalter aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Transistorschalter einen Transistor und eine Diode aufweist, die mit dem Transistor elektrisch parallel geschaltet ist, und die Diode eingerichtet ist, um einen Strom über eine Source- und eine Drain-Elektrode des Transistors zu leiten; und eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit eines Laststroms niedriger als ein Schwellenwert ist, und eingerichtet ist, um Schaltverluste zu reduzieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist.
Pulsleistungssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um eine erste Schaltfrequenz zu aktivieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist, und eine zweite Schaltfrequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, zu aktivieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist.
Pulsleistungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und um wenigstens eine H-Brücke im leitenden Zustand zu halten und den Rest der H-Brücken im schaltenden Zustand zu halten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als der vorbestimmte Wert ist.
Pulsleistungssystem nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und um den Laststrom über einen vorbestimmten Wert anzuheben, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als der vorbestimmte Wert ist.
Pulsleistungssystem nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Schenkel mehrere parallel geschaltete Module aufweist, jedes Modul zwei Transistorschalter aufweist, die in Reihe geschaltet sind, die Diode eingerichtet ist, um Strom über eine Source- und eine Drain-Elektrode des Transistors zu leiten, und Knoten zwischen zwei Transistorschaltern jedes Moduls elektrisch verbunden sind, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist und eine Stromamplitude des Laststroms niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und um wenigstens ein Modul ausgeschaltet und den Rest der Module im schaltenden Zustand zu halten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als der vorbestimmte Wert ist.
Steuerverfahren eines Pulsleistungssystems, das wenigstens zwei H-Brücken aufweist, die zur Lieferung eines gepulsten Stroms zu einer Last kaskadiert sind, das aufweist: Empfangen eines Laststroms und eines Referenzstromsignals, Generieren eines Spannungsbefehlssignals auf der Basis des Laststroms und des Referenzstromsignals, Bestimmen einer Anstiegsgeschwindigkeit und einer Stromamplitude des dem Referenzstromsignal zugeordneten Laststroms, Reduzieren von Schaltverlusten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Reduzieren von Schaltverlusten ein Aktivieren einer ersten Schaltfrequenz, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit nicht niedriger als ein Schwellenwert ist, und Aktivieren einer zweiten Schaltfrequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, aufweist, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als ein Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Reduzieren von Schaltverlusten aufweist: Halten wenigstens einer H-Brücke im leitenden Zustand und Halten des Rests der H-Brücken im schaltenden Zustand, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist; und/oder Halten des Laststroms über einem vorbestimmten Wert, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 6-8, wobei jede H-Brücke wenigstens zwei Schenkel aufweist, jeder Schenkel mehrere parallel geschaltete Module aufweist, jedes Modul zwei in Reihe geschaltete Transistorschalter aufweist, die Diode eingerichtet ist, um Strom zu leiten, um ein Nullspannungspotential über einer Source- und einer Drain-Elektrode des Transistors zu bewirken, und Knoten zwischen zwei Transistorschaltern jedes Moduls elektrisch verbunden sind, wobei das Reduzieren von Schaltverlusten ein Halten wenigstens eines Moduls im ausgeschalteten Zustand und der restlichen Module im schaltenden Zustand aufweist, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist und die Stromamplitude niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.
MR-Bildgebungssystem, das aufweist: einen primären Feldmagneten; mehrere Gradientenspulen; eine HF-Sendespule; und ein Pulsleistungssystem, das aufweist: wenigstens zwei H-Brücken, die zur Lieferung eines gepulsten Stroms zu der Gradientenspule kaskadiert sind, wobei jede H-Brücke wenigstens zwei Schenkel aufweist und jeder Schenkel wenigstens zwei Transistorschalter aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Transistorschalter einen Transistor und eine Diode aufweist, die zu dem Transistor elektrisch parallel geschaltet ist; eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, um festzustellen, ob eine Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms in der Gradientenspule niedriger als ein Schwellenwert ist, und eingerichtet ist, um Schaltverluste zu reduzieren, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit niedriger als der Schwellenwert ist.