DE102019214674A1 - Converter circuit and method for converting electrical signals - Google Patents

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Abstract

Eine Stromrichterschaltung (1) mit konstanter Schaltfrequenz und geringen Schaltverlusten weist einen Eingangskreis (2) zum Erhalten eines Eingangssignals auf, sowie einen Ausgangskreis (3) zum Ausgeben eines Ausgangssignals. Ein Hauptschaltelement (4) ist angeordnet und eingerichtet, den Eingangskreis (2) mit einer Energiequelle (5) zu verbinden oder davon zu trennen. Ein Hilfskreis (6) ist mit dem Eingangskreis (2) und dem Ausgangskreis (3) verbunden. Ein Hilfsschaltelement (7) ist angeordnet und eingerichtet, den Hilfskreis (6) wahlweise mit der Energiequelle (5) zu verbinden oder davon zu trennen. Eine Steuereinheit (8) ist dazu eingerichtet, das Hauptschaltelement (4) mit einer vorgegebenen lastunabhängigen Frequenz stromlos zu schalten und das Hilfsschaltelement (7) mit der Frequenz und mit einem lastabhängigen Tastgrad stromlos zu schalten.A converter circuit (1) with a constant switching frequency and low switching losses has an input circuit (2) for receiving an input signal and an output circuit (3) for outputting an output signal. A main switching element (4) is arranged and set up to connect the input circuit (2) to an energy source (5) or to disconnect it therefrom. An auxiliary circuit (6) is connected to the input circuit (2) and the output circuit (3). An auxiliary switching element (7) is arranged and set up to optionally connect the auxiliary circuit (6) to the energy source (5) or to separate it therefrom. A control unit (8) is set up to de-energize the main switching element (4) with a predetermined load-independent frequency and de-energize the auxiliary switching element (7) with the frequency and with a load-dependent duty cycle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichterschaltung mit konstanter Schaltfrequenz, aufweisend einen Eingangskreis zum Erhalten eines Eingangssignals, einen Ausgangskreis zum Ausgeben eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals und ein Hauptschaltelement, das angeordnet und eingerichtet ist, den Eingangskreis wahlweise mit einer elektrischen Energiequelle zu verbinden oder von dieser zu trennen. Die Erfindung betrifft ferner ein Magnetresonanztomographiegerät mit einer solchen Stromrichterschaltung, eine Verwendung einer solchen Stromrichterschaltung sowie ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in ein elektrisches Ausgangssignal.The present invention relates to a converter circuit with constant switching frequency, having an input circuit for receiving an input signal, an output circuit for outputting an output signal dependent on the input signal and a main switching element which is arranged and set up to optionally connect the input circuit to or from an electrical energy source to separate. The invention also relates to a magnetic resonance tomography device with such a converter circuit, a use of such a converter circuit and a method for converting an electrical input signal into an electrical output signal.

Bei der Verwendung von Vorrichtungen, die bestimmte charakteristische Frequenzen nutzen, kann es erforderlich sein, diese Frequenzen nicht durch elektrische Schaltkreise in der Umgebung der Vorrichtung, beispielsweise eine Stromrichterschaltung, zu stören.When using devices that use certain characteristic frequencies, it may be necessary not to interfere with these frequencies by electrical circuits in the vicinity of the device, for example a converter circuit.

Beispielsweise werden Stromrichter, insbesondere Gleichspannungswandler, also DC/DC-Konverter, in abgeschirmten Räumen zur Durchführung von Untersuchungen mittels Magnetresonanztomographie, MRT, sogenannten Magneträumen, eingesetzt, um Versorgungsspannungen oder Versorgungsströme für ein MRT-Gerät oder sonstige elektrische Geräte bereitzustellen. Dabei kann es insbesondere wichtig sein, im Bereich der Empfangsfrequenz des MRT-Geräts, also im Bereich der Larmorfrequenz, keine oder nur geringe Störungen zu verursachen, da diese die Untersuchung negativ beeinflussen könnten.For example, power converters, in particular DC / DC converters, are used in shielded rooms to carry out examinations using magnetic resonance tomography, MRT, so-called magnetic rooms, in order to provide supply voltages or supply currents for an MRT device or other electrical devices. In this context, it can be particularly important not to cause any or only slight interference in the range of the reception frequency of the MRT device, i.e. in the range of the Larmor frequency, since this could negatively affect the examination.

Beispielsweise können Frequenzen, die einer vorgegebenen Grundfrequenz im Bereich von einigen MHz oder Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen, frei von entsprechenden MRT-Empfangsfrequenzen zu halten, sodass Taktsignale von CPUs, FPGAs oder Schaltwandlern mit diesen Frequenzen verwendet werden können, ohne den Empfang der MRT-Signale zu stören.For example, frequencies that correspond to a given basic frequency in the range of a few MHz or multiples of the basic frequency can be kept free of corresponding MRT reception frequencies so that clock signals from CPUs, FPGAs or switching converters can be used with these frequencies without receiving the MRT signals disturb.

Daher müssen bei solchen Anwendungen Schaltwandler oder sonstige Stromrichter mit einer konstanten, nicht-variablen Schaltfrequenz eingesetzt werden.Switching converters or other converters with a constant, non-variable switching frequency must therefore be used in such applications.

Aus dem Stand der Technik sind hart schaltende Schaltwandler bekannt, also solche, bei denen Schaltelemente betätigt werden, während Strom über diese fließt. Solche Schaltwandler können mit konstanter Frequenz betrieben werden und Lastschwankungen über Pulsweitenmodulation eines Schaltelements können oder Schalttransistors ausgeregelt werden.Hard-switching switching converters are known from the prior art, that is to say those in which switching elements are actuated while current flows through them. Such switching converters can be operated at a constant frequency and load fluctuations can be regulated by means of pulse width modulation of a switching element or switching transistor.

Diese hart schaltenden Schaltwandler haben jedoch den Nachteil großer Schaltverluste, die einen großen Anteil der Gesamtverluste ausmachen können. Dies gilt insbesondere bei relativ hohen Schaltfrequenzen von einigen MHz. Außerdem weisen hart schaltende Schaltwandler, beispielsweise Abwärtswandler, einen Schaltungsknoten auf an dem sich die Spannung schnell ändert, also ein hoher dU/dt-Wert auftritt, was zu Störungen führen kann, die mit größer werdender Frequenz nur langsam abfallen, also bei typischen Lamorfrequenzen von 63 MHz (1,5 T) oder 123 MHz (3t) noch signifikante Störungen verursachen können.However, these hard-switching switching converters have the disadvantage of large switching losses, which can make up a large proportion of the total losses. This is especially true at relatively high switching frequencies of a few MHz. In addition, hard-switching switching converters, for example step-down converters, have a circuit node at which the voltage changes quickly, i.e. a high dU / dt value occurs, which can lead to disturbances that only decrease slowly with increasing frequency, i.e. at typical Lammor frequencies of 63 MHz (1.5 T) or 123 MHz (3t) can still cause significant interference.

Neben hart schaltenden Schaltwandlern sind Schaltwandler mit resonanten Schaltelementen aus dem Stand der Technik bekannt, bei denen die Schaltelemente weich, also entweder spannungslos oder stromlos, geschaltet werden können. Bekannte spannungslos schaltende Schaltwandler weisen bei niedrigem Laststrom hohe Verluste auf. Bekannte stromlos schaltende Schaltwandler werden mit variabler Frequenz betrieben, um Lastschwankungen auszuregeln, was in den oben skizzierten Anwendungsgebieten jedoch inakzeptabel ist. Außerdem bieten solche resonanten Schaltwandler häufig nur einen stark begrenzten Bereich für die Lastausregelung.In addition to hard-switching switching converters, switching converters with resonant switching elements are known from the prior art, in which the switching elements can be switched softly, that is to say either de-energized or de-energized. Known switching converters that switch to zero voltage have high losses when the load current is low. Known currentless switching converters are operated at a variable frequency in order to regulate load fluctuations, which, however, is unacceptable in the areas of application outlined above. In addition, such resonant switching converters often only offer a very limited range for load regulation.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur Wandlung elektrischer Signale anzugeben, bei denen eine Schaltfrequenz nicht variiert werden muss, um Lastschwankungen auszugleichen und das gleichzeitig geringe Schaltverluste verursacht, die Nachteile aus dem Stand der Technik bekannter Schaltwandler also überwindet.Against this background, it is an object of the present invention to provide an improved concept for converting electrical signals, in which a switching frequency does not have to be varied in order to compensate for load fluctuations and which at the same time causes low switching losses, thus overcoming the disadvantages of the switching converters known from the prior art .

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this object is achieved by the respective subject matter of the independent claims. Advantageous further developments and preferred embodiments are the subject of the dependent claims.

Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, neben einem Hauptschaltelement, das mit einer vorgegebenen, lastunabhängigen Frequenz stromlos geschaltet wird, ein Hilfsschaltelement mit derselben Frequenz, jedoch mit lastabhängigem Tastgrad, ebenfalls stromlos zu schalten, um Lastveränderungen ausgleichen zu können.The improved concept is based on the idea of switching an auxiliary switching element with the same frequency, but with a load-dependent duty cycle, also de-energizing, in addition to a main switching element that is de-energized at a predetermined, load-independent frequency in order to be able to compensate for load changes.

Gemäß einem unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird eine Stromrichterschaltung, insbesondere ein Gleichspannungswandler, mit konstanter Schaltfrequenz angegeben. Die Stromrichterschaltung weist einen Eingangskreis auf, um ein Eingangssignal, insbesondere von einer elektrischen Energiequelle, zu erhalten. Die Stromrichterschaltung weist einen Ausgangskreis zum Ausgeben eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals auf. Die Stromrichterschaltung weist ein Hauptschaltelement auf, das angeordnet und eingerichtet ist, den Eingangskreis, und insbesondere damit auch den Ausgangskreis, wahlweise mit der elektrischen Energiequelle zu verbinden oder von der elektrischen Energiequelle zu trennen, insbesondere um das Ausgangssignal zu erzeugen. Die Stromrichterschaltung weist einen Hilfskreis auf, der an einem Knotenpunkt der Stromrichterschaltung mit dem Eingangskreis und mit dem Ausgangskreis verbunden ist, sowie ein Hilfsschaltelement, das angeordnet und eingerichtet ist, den Hilfskreis wahlweise mit der Energiequelle zu verbinden oder von der Energiequelle zu trennen. Die Stromrichterschaltung weist eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, das Hauptschaltelement mit einer vorgegebenen, insbesondere konstanten, lastunabhängigen Frequenz stromlos zu schalten und das Hilfsschaltelement mit derselben vorgegebenen lastunabhängigen Frequenz und mit einem lastabhängigen Tastgrad stromlos zu schalten.According to an independent aspect of the improved concept, a converter circuit, in particular a DC-DC converter, with a constant switching frequency is specified. The converter circuit has an input circuit in order to receive an input signal, in particular from an electrical energy source. The converter circuit has an output circuit for outputting a circuit that is dependent on the input signal Output signal. The converter circuit has a main switching element which is arranged and set up to optionally connect the input circuit, and thus also the output circuit, to the electrical energy source or to disconnect it from the electrical energy source, in particular to generate the output signal. The converter circuit has an auxiliary circuit which is connected to the input circuit and to the output circuit at a node of the converter circuit, as well as an auxiliary switching element which is arranged and set up to optionally connect the auxiliary circuit to the energy source or to disconnect it from the energy source. The converter circuit has a control unit which is set up to de-energize the main switching element with a predetermined, in particular constant, load-independent frequency and to de-energize the auxiliary switching element with the same predetermined load-independent frequency and with a load-dependent duty cycle.

Die Bezeichnung „Stromrichter“ kann dabei insbesondere derart verstanden werden, dass davon elektrische Geräte beziehungsweise elektronische Schaltkreise umfasst sind, die zur Umwandlung einer eingespeisten elektrischen Spannung oder eines eingespeisten elektrischen Stroms von einer Art in eine andere Art dienen, also von Gleichstrom beziehungsweise Gleichspannung zu Wechselstrom beziehungsweise Wechselspannung oder jeweils umgekehrt. Stromrichter umfassen auch elektrische Geräte beziehungsweise elektronische Schaltkreise zur Änderung charakteristischer elektrischer Parameter wie beispielsweise der Spannung oder der Frequenz der eingespeisten Spannung oder des eingespeisten Stroms.The term “converter” can be understood to include electrical devices or electronic circuits that are used to convert a fed-in electrical voltage or a fed-in electrical current from one type to another, i.e. from direct current or direct voltage to alternating current or alternating voltage or vice versa. Power converters also include electrical devices or electronic circuits for changing characteristic electrical parameters such as, for example, the voltage or the frequency of the voltage or current that is fed in.

Insbesondere kann der Stromrichter als Umrichter, Gleichrichter, Wechselrichter oder als Schaltregler oder Schaltwandler, insbesondere als Gleichspannungswandler, ausgestaltet sein.In particular, the converter can be configured as a converter, rectifier, inverter or as a switching regulator or switching converter, in particular as a DC voltage converter.

Dementsprechend kann es sich bei dem Eingangssignal um ein Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal handeln (so bei Gleichspannungswandlern, Schaltreglern, Schaltwandlern oder Wechselrichtern) oder um ein Wechselspannungs- beziehungsweise Wechselstromsignal (so bei Umrichtern und Gleichrichtern). Entsprechend kann es sich bei dem Ausgangssignal um ein Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal handeln (so bei Gleichspannungswandlern, Schaltreglern, Schaltwandlern oder Gleichrichtern) oder um ein Wechselspannungs- beziehungsweise Wechselstromsignal (so bei Umrichtern oder Wechselrichtern). Accordingly, the input signal can be a direct voltage or direct current signal (as in the case of direct voltage converters, switching regulators, switching converters or inverters) or an alternating voltage or alternating current signal (as in the case of converters and rectifiers). Accordingly, the output signal can be a direct voltage or direct current signal (as in the case of direct voltage converters, switching regulators, switching converters or rectifiers) or an alternating voltage or alternating current signal (as in the case of converters or inverters).

Unter einem Kreis, also dem Eingangskreis, dem Ausgangskreis sowie einem Hilfskreis, kann hier und im Folgenden ein entsprechender elektrischer oder elektronischer Schaltkreis verstanden werden.A circuit, that is to say the input circuit, the output circuit and an auxiliary circuit, can be understood here and in the following to be a corresponding electrical or electronic circuit.

Der Knotenpunkt ist insbesondere ein Knotenpunkt der Stromrichterschaltung, an dem der Ausgangskreis und der Eingangskreis miteinander verbunden sind.The node is in particular a node of the converter circuit at which the output circuit and the input circuit are connected to one another.

Das Trennen, beispielsweise des Eingangskreises oder des Hilfsreises, von der Energiequelle kann insbesondere derart verstanden werden, dass wenigstens eine elektrische Verbindung zwischen einem Pol der Energiequelle und dem jeweiligen Kreis, also dem Eingangskreis oder dem Hilfskreis, getrennt wird.The separation, for example of the input circuit or the auxiliary circuit, from the energy source can in particular be understood to mean that at least one electrical connection between one pole of the energy source and the respective circuit, i.e. the input circuit or the auxiliary circuit, is separated.

Die Energiequelle kann insbesondere als Stromquelle oder Spannungsquelle ausgestaltet sein.The energy source can in particular be designed as a current source or voltage source.

Unter einem stromlosen Schalten kann hier und im Folgenden eine Betätigung des entsprechenden Schaltelements verstanden werden, um dieses von einem sperrenden in einen leitenden Zustand oder umgekehrt zu schalten, wobei während des Schaltvorgangs, insbesondere bei Beginn des Schaltvorgangs, ein Strom über das Schaltelement gleich Null oder im Wesentlichen gleich Null ist. Dies kann beispielsweise beim Nulldurchgang eines Stromes der Fall sein oder während eines Zeitraums, in dem der Strom über das jeweilige Schaltelement gleich Null oder im Wesentlichen gleich Null ist.Here and below, de-energized switching can be understood to mean actuation of the corresponding switching element in order to switch it from a blocking to a conducting state or vice versa, with a current through the switching element equal to zero or zero during the switching process, in particular at the start of the switching process is essentially zero. This can be the case, for example, when a current crosses zero or during a period in which the current through the respective switching element is equal to zero or essentially equal to zero.

Das stromlose Schalten kann auch als Zero Current Switching, ZCS, bezeichnet werden.The currentless switching can also be referred to as Zero Current Switching, ZCS.

Insbesondere kann die Stromrichterschaltung auf einem resonanten Schaltkreis beziehungsweise auf einem elektrischen Oszillator beruhen, also einen solchen enthalten.In particular, the converter circuit can be based on a resonant circuit or on an electrical oscillator, that is to say contain one.

Unter dem Schalten mit der Frequenz kann verstanden werden, dass die Ein- und Ausschaltvorgänge des jeweiligen Schaltelements periodisch erfolgen, wobei eine Periodendauer für das Einschalten und/oder eine Periodendauer für das Ausschalten durch die Frequenz gegeben sind.Switching with the frequency can be understood to mean that the switching-on and switching-off processes of the respective switching element take place periodically, a period for switching on and / or a period for switching off being given by the frequency.

Das Einschalten entspricht dabei dem Schalten des jeweiligen Schaltelements in den leitenden Zustand und das Ausschalten entspricht dem Schalten des Schaltelements in den sperrenden Zustand.Switching on corresponds to switching the respective switching element into the conductive state and switching off corresponds to switching the switching element into the blocking state.

Durch das Schalten des Hauptschaltelements mittels der Steuereinheit wird insbesondere der Eingangskreis mit der Energiequelle verbunden oder von dieser getrennt. Entsprechend wird durch das Schalten des Hilfsschaltelements der Hilfskreis von der Energiequelle getrennt oder mit dieser verbunden.By switching the main switching element by means of the control unit, in particular the input circuit is connected to or disconnected from the energy source. Accordingly, by switching the auxiliary switching element, the auxiliary circuit is separated from the energy source or connected to it.

„Lastunabhängig“ beziehungsweise „lastabhängig“ kann hier und im Folgenden als unabhängig beziehungsweise abhängig von dem Ausgangssignal und/oder einem weiteren Ausgangssignal und/oder einem Betrag der Last verstanden werden. Als Betrag der Last kann beispielsweise ein Widerstands- oder Impedanzwert der Last verstanden werden, der an einem Ausgang des Ausgangskreises anliegt, an dem das Ausgangssignal ausgegeben wird.“Load-independent” or “load-dependent” can be understood here and below as being independent or dependent on the output signal and / or a further output signal and / or an amount of the load. The amount of the load can be understood, for example, as a resistance or impedance value of the load that is present at an output of the output circuit at which the output signal is output.

Die Stromrichterschaltung kann beispielsweise einen Hauptkreis aufweisen, der den Eingangskreis und den Ausgangskreis beinhaltet oder der aus dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis besteht.The converter circuit can, for example, have a main circuit which contains the input circuit and the output circuit or which consists of the input circuit and the output circuit.

Gemäß dem verbesserten Konzept erzeugt der Hauptkreis beziehungsweise der Eingangskreis die notwendigen Strom- und Spannungsverläufe, damit das Hauptschaltelement und auch das Hilfsschaltelement stromlos geschaltet werden können.According to the improved concept, the main circuit or the input circuit generates the necessary current and voltage profiles so that the main switching element and also the auxiliary switching element can be de-energized.

Durch den lastabhängigen Betrieb des Hilfskreises, also durch den lastabhängigen Tastgrad mit dem das Hilfsschaltelement geschaltet wird, kann das Ausgangssignal insbesondere mit einer höheren Leistung oder Ausgangsleistung bereitgestellt werden, wodurch Schwankungen in der Last beziehungsweise im Laststrom kompensiert werden können, ohne dass die Schaltfrequenz eines Schaltelements verändert werden muss.Due to the load-dependent operation of the auxiliary circuit, i.e. the load-dependent duty cycle with which the auxiliary switching element is switched, the output signal can in particular be provided with a higher power or output power, whereby fluctuations in the load or in the load current can be compensated without affecting the switching frequency of a switching element must be changed.

Dadurch, dass die Frequenz, mit der das Haupt- und das Hilfsschaltelement geschaltet werden, lastunabhängig und konstant ist, also insbesondere eine Stromrichterschaltung mit konstanter Schaltfrequenz angegeben wird, kann die Störung anderer Frequenzen in einer Umgebung der Stromrichterschaltung vermieden werden.Because the frequency at which the main and auxiliary switching elements are switched is load-independent and constant, i.e. in particular a converter circuit with a constant switching frequency is specified, interference with other frequencies in the vicinity of the converter circuit can be avoided.

Zudem fallen bei der Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept nur sehr geringe Schaltverluste an oder keine Schaltverluste an, da das Hilfsschaltelement und das Hauptschaltelement jeweils stromlos, also insbesondere weich, geschaltet werden.In addition, with the converter circuit according to the improved concept, only very low switching losses or no switching losses occur, since the auxiliary switching element and the main switching element are each switched in a currentless manner, that is to say in particular in a soft manner.

Mit einem Stromrichter nach dem verbesserten Konzept können also die Vorteile bekannter hart schaltender Vorrichtungen und bekannter schaltfrequenzabhängiger Vorrichtungen kombiniert werden, ohne dass deren jeweilige Nachteile auftreten.With a converter according to the improved concept, the advantages of known hard-switching devices and known switching-frequency-dependent devices can be combined without their respective disadvantages occurring.

Die Steuereinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, das Hauptschaltelement mit einem lastunabhängigen Tastgrad zu schalten.The control unit is set up in particular to switch the main switching element with a load-independent duty cycle.

Als Tastgrad kann hier und im Folgenden das Verhältnis von Ein-Zeit zu Periodendauer der Schaltung des entsprechenden Schaltelements verstanden werden. Der Tastgrad kann auch als Aussteuergrad oder Duty Cycle bezeichnet werden.Here and in the following, the duty cycle can be understood as the ratio of on-time to period of the switching of the corresponding switching element. The duty cycle can also be referred to as the duty cycle or duty cycle.

Dementsprechend kann der Tastgrad grundsätzlich Werte von Null bis Eins annehmen.Accordingly, the duty cycle can in principle assume values from zero to one.

Der lastunabhängige Tastgrad, mit dem das Hauptschaltelement geschaltet wird, ist jedoch insbesondere größer als Null. Der lastabhängige Tastgrad, mit dem das Hilfsschaltelement geschaltet wird, kann gleich Null sein oder größer als Null.The load-independent duty cycle with which the main switching element is switched is, however, in particular greater than zero. The load-dependent duty cycle with which the auxiliary switching element is switched can be equal to zero or greater than zero.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept ist der Eingangskreis als resonanter Schaltkreis oder Schaltkreis mit resonanten Schaltelementen ausgestaltet und/oder weist einen Schwingkreis auf.According to at least one embodiment of the converter circuit according to the improved concept, the input circuit is designed as a resonant circuit or a circuit with resonant switching elements and / or has an oscillating circuit.

Dementsprechend wird das Schalten im stromlosen Zustand ermöglicht, indem ein entsprechender Strom durch den Eingangskreis selbstständig auf Null geht.Accordingly, switching in the de-energized state is made possible by a corresponding current automatically going to zero through the input circuit.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthalten das Hauptschaltelement und/oder das Hilfsschaltelement jeweils einen Transistor, insbesondere einen Leistungstransistor, beispielsweise einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT. Entsprechendes gilt für gegebenenfalls im Folgenden eingeführte weitere Hilfsschaltelemente.In accordance with at least one embodiment, the main switching element and / or the auxiliary switching element each contain a transistor, in particular a power transistor, for example a bipolar transistor with an insulated gate electrode, IGBT. The same applies to any further auxiliary switching elements introduced below.

Die Steuereinheit ist insbesondere mit einem Steueranschluss, beispielsweise einem Gate-Anschluss, der Transistoren verbunden, um jeweilige Steuersignale an den Transistoren anzulegen. Je nach Steuersignal können die Transistoren in den leitenden oder sperrenden Zustand geschaltet werden.The control unit is in particular connected to a control connection, for example a gate connection, of the transistors in order to apply respective control signals to the transistors. Depending on the control signal, the transistors can be switched to the conducting or blocking state.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Eingangskreis und der Ausgangskreis galvanisch gekoppelt oder verbunden. Mit anderen Worten sind der Eingangskreis und der Ausgangskreis nicht galvanisch voneinander getrennt. Insbesondere ist die Stromrichterschaltung nicht mit einem Transformator ausgestaltet, der den Eingangskreis mit dem Ausgangskreis induktiv koppelt und diese galvanisch voneinander trennt.According to at least one embodiment, the input circuit and the output circuit are galvanically coupled or connected. In other words, the input circuit and the output circuit are not galvanically isolated from one another. In particular, the converter circuit is not designed with a transformer which inductively couples the input circuit with the output circuit and galvanically separates them from one another.

Dies hat den Vorteil, dass kein Transformator mit einem Magnetkern oder einem ferromagnetischen Kern vorgesehen werden muss, der gegebenenfalls in einer Umgebung zu einem MRT-Gerät aufgrund hoher Streufeldstärken in Sättigung gehen würde und die Funktion der Stromrichterschaltung dadurch eingeschränkt würde.This has the advantage that there is no need to provide a transformer with a magnetic core or a ferromagnetic core which, if necessary, would saturate in the vicinity of an MRI device due to high stray field strengths and thereby restrict the function of the converter circuit.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, insbesondere zum Schalten des Hauptschaltelements und des Hilfsschaltelements, das Hauptschaltelement und das Hilfsschaltelement gleichzeitig von der Energiequelle zu trennen. Mit anderen Worten schaltet die Steuereinheit das Hilfsschaltelement und das Hauptschaltelement jeweils periodisch ein und aus, wobei das Ausschalten des Hilfsschaltelements gleichzeitig mit dem Ausschalten des Hauptschaltelements erfolgt.According to at least one embodiment, the control unit is set up, in particular for switching the main switching element and the Auxiliary switching element to separate the main switching element and the auxiliary switching element from the energy source at the same time. In other words, the control unit periodically switches the auxiliary switching element and the main switching element on and off, the auxiliary switching element being switched off at the same time as the main switching element is switched off.

Dies kann die Ansteuerung der Schaltelemente durch die Steuereinheit vereinfachen.This can simplify the activation of the switching elements by the control unit.

Insbesondere können die entsprechenden Steuersignale zur Steuerung des Hauptschaltelements und des Hilfsschaltelements synchronisiert sein, derart, dass die genannten Ausschaltzeitpunkte beziehungsweise die entsprechenden fallenden Signalflanken jeweils zusammenfallen.In particular, the corresponding control signals for controlling the main switching element and the auxiliary switching element can be synchronized in such a way that the aforementioned switch-off times or the corresponding falling signal edges coincide.

Der Eingangskreis gibt beispielsweise durch eine Resonanzbedingung vor, wann der Strom durch das Hauptschaltelement gleich Null ist. Ist dies der Fall, kann die Steuereinheit das Hauptschaltelement beispielsweise ausschalten. Zu diesem Zeitpunkt ist dann auch der Strom durch das Hilfsschaltelement gleich Null, sodass es vorteilhaft ist, beide Schaltelemente gleichzeitig zu schalten.The input circuit specifies, for example by means of a resonance condition, when the current through the main switching element is zero. If this is the case, the control unit can switch off the main switching element, for example. At this point in time, the current through the auxiliary switching element is then also zero, so that it is advantageous to switch both switching elements at the same time.

Dadurch ist mit Vorteil keine separate Regelung des Ausschaltzeitpunkts des Hilfsschaltelements erforderlich.This advantageously means that no separate regulation of the switch-off time of the auxiliary switching element is required.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, Einschaltzeitpunkte des Hilfsschaltelements, also Zeitpunkte, zu denen das Hilfsschaltelement mit der Energiequelle verbunden wird, lastabhängig zu steuern oder zu regeln, um das Hilfsschaltelement mit dem lastabhängigen Tastgrad zu schalten.According to at least one embodiment, the control unit is set up to control or regulate switch-on times of the auxiliary switching element, i.e. times at which the auxiliary switching element is connected to the energy source, in order to switch the auxiliary switching element with the load-dependent duty cycle.

Zum lastabhängigen Steuern oder Regeln des Hilfsschaltelements kann dabei insbesondere eine Pulsweitenmodulation eingesetzt werden.Pulse width modulation can in particular be used for load-dependent control or regulation of the auxiliary switching element.

Insbesondere kann die Steuerung oder Regelung des Hilfsschaltelements abhängig von dem Ausgangssignal oder einem weiteren Ausgangssignal erfolgen.In particular, the auxiliary switching element can be controlled or regulated as a function of the output signal or a further output signal.

Durch die Regelung der Einschaltzeitpunkte des Hilfsschaltelements können auftretende Lastveränderungen ausgeglichen werden, ohne dass die Frequenz verändert werden muss.By regulating the switch-on times of the auxiliary switching element, load changes that occur can be compensated for without the frequency having to be changed.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Eingangskreis ein induktives Element, insbesondere eine Spule, und ein kapazitives Element, insbesondere einen Kondensator. Der Knotenpunkt ist zwischen dem induktiven Element und dem kapazitiven Element angeordnet. Der Hilfskreis ist zwischen dem Knotenpunkt und der Energiequelle angeordnet.According to at least one embodiment, the input circuit contains an inductive element, in particular a coil, and a capacitive element, in particular a capacitor. The node is arranged between the inductive element and the capacitive element. The auxiliary circuit is arranged between the node and the energy source.

Insbesondere weist der Eingangskreis einen Schwingkreis mit dem induktiven und dem kapazitiven Element auf.In particular, the input circuit has an oscillating circuit with the inductive and the capacitive element.

Insbesondere ist eine Resonanzfrequenz des Schaltkreises größer oder gleich der Frequenz, mit der das Hauptschaltelement geschaltet wird. Dadurch kann das Schalten des Hauptschaltelements beispielsweise bei einem Stromnulldurchgang oder, beispielsweise unter Verwendung einer Diode in dem Eingangskreis, auch nach dem Nulldurchgang beziehungsweise nach dem Erreichen des Stromwerts von Null geschaltet werden. Dass der Hilfskreis zwischen dem Knotenpunkt und der Energiequelle angeordnet ist, kann insbesondere derart verstanden werden, dass der Hilfskreis mit dem Knotenpunkt verbunden ist und, insbesondere über das Hilfsschaltelement, mit der Energiequelle verbindbar ist.In particular, a resonance frequency of the circuit is greater than or equal to the frequency with which the main switching element is switched. As a result, the switching of the main switching element can be switched for example when the current crosses zero or, for example using a diode in the input circuit, also after the zero crossover or after the current value of zero has been reached. The fact that the auxiliary circuit is arranged between the node and the energy source can in particular be understood to mean that the auxiliary circuit is connected to the node and can be connected to the energy source, in particular via the auxiliary switching element.

Der Schwingkreis sorgt dafür, dass der Strom durch das Hauptschaltelement und damit auch durch das Hilfsschaltelement Null wird, um die Bedingung zum stromlosen Schalten zu realisieren.The resonant circuit ensures that the current through the main switching element and thus also through the auxiliary switching element becomes zero in order to implement the condition for currentless switching.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das induktive Element eine Luftspule.According to at least one embodiment, the inductive element contains an air core coil.

Die Verwendung einer Luftspule ist vorteilhaft, da damit auf einen ferromagnetischen Kern verzichtet werden kann. Ein solcher könnte beispielsweise in dem MRT Streufeld in Sättigung gehen und nicht mehr wie erforderlich funktionieren.The use of an air core coil is advantageous because it means that a ferromagnetic core can be dispensed with. Such a device could, for example, become saturated in the MRT stray field and no longer function as required.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Hilfskreis ein gleichrichtendes Element auf, beispielsweise eine Diode, welches mit dem Hilfsschaltelement in Reihe geschaltet ist.According to at least one embodiment, the auxiliary circuit has a rectifying element, for example a diode, which is connected in series with the auxiliary switching element.

Dadurch kann der Strom durch das Hilfsschaltelement nur ein Vorzeichen annehmen oder gleich Null sein. Dementsprechend wird die verfügbare Zeitdauer, zu der das Hilfsschaltelement stromlos geschaltet werden kann, vergrößert.As a result, the current through the auxiliary switching element can only have one sign or be equal to zero. Accordingly, the available period of time during which the auxiliary switching element can be de-energized is increased.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Eingangskreis ein gleichrichtendes Element, beispielsweise eine Diode, auf, das in Reihe zu dem Hauptschaltelement geschaltet ist.According to at least one embodiment, the input circuit has a rectifying element, for example a diode, which is connected in series with the main switching element.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Hilfskreis ein induktives Hilfselement auf, das mittels des Hilfsschaltelements parallel zu dem induktiven Schaltelement des Eingangskreises schaltbar ist, insbesondere durch die Steuereinheit.According to at least one embodiment, the auxiliary circuit has an inductive auxiliary element, which can be switched in parallel to the inductive switching element of the input circuit by means of the auxiliary switching element, in particular by the control unit.

Dadurch kann bei einem Tastgrad zum Schalten des Hilfsschaltelements, der größer als Null ist, durch das induktive Hilfselement weitere Leistung bereitgestellt werden, um eine höhere Last am Ausgang des Ausgangskreises bedienen zu können.As a result, with a duty cycle for switching the auxiliary switching element that is greater than zero, further power can be provided by the inductive auxiliary element in order to be able to serve a higher load at the output of the output circuit.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet das induktive Hilfselement eine Spule, insbesondere eine Luftspule.According to at least one embodiment, the inductive auxiliary element contains a coil, in particular an air-core coil.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Induktivität des induktiven Hilfselements von einer Induktivität des induktiven Elements des Eingangskreises verschieden und beispielsweise kleiner als diese.According to at least one embodiment, an inductance of the inductive auxiliary element is different from an inductance of the inductive element of the input circuit and, for example, smaller than this.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Stromrichterschaltung einen weiteren Hilfskreis auf, der mit dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis verbunden ist, sowie ein weiteres Hilfsschaltelement, das angeordnet und eingerichtet ist, den weiteren Hilfskreis wahlweise mit der Energiequelle zu verbinden oder von der Energiequelle zu trennen. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, das weitere Hilfsschaltelement mit der Frequenz und mit einem weiteren lastabhängigen Tastgrad stromlos zu schalten.According to at least one embodiment, the converter circuit has a further auxiliary circuit, which is connected to the input circuit and the output circuit, as well as a further auxiliary switching element which is arranged and set up to optionally connect the further auxiliary circuit to the energy source or to disconnect it from the energy source. The control unit is set up to de-energize the further auxiliary switching element with the frequency and with a further load-dependent duty cycle.

Durch die Verwendung des weiteren Hilfskreises wird ein größerer Lastbereich ausgleichbar beziehungsweise regelbar oder es können ein Grob- und eine Feinregelung realisiert werden.By using the further auxiliary circuit, a larger load range can be compensated or regulated, or a coarse and fine regulation can be implemented.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Hauptschaltelement und das weitere Hilfsschaltelement gleichzeitig von der Energiequelle zu trennen.According to at least one embodiment, the control unit is set up to disconnect the main switching element and the further auxiliary switching element from the energy source at the same time.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, Einschaltzeitpunkte des weiteren Hilfsschaltelements lastabhängig zu steuern oder zu regeln, um das weitere Hilfsschaltelement mit dem weiteren lastabhängigen Tastgrad zu schalten.According to at least one embodiment, the control unit is set up to control or regulate switch-on times of the further auxiliary switching element as a function of the load in order to switch the further auxiliary switching element with the further load-dependent duty cycle.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der weitere Hilfskreis ein weiteres induktives Hilfselement auf, das mittels des weiteren Hilfsschaltelements parallel zu dem induktiven Schaltelement des Eingangskreises schaltbar ist.According to at least one embodiment, the further auxiliary circuit has a further inductive auxiliary element, which can be switched in parallel to the inductive switching element of the input circuit by means of the further auxiliary switching element.

Das weitere induktive Hilfselement enthält insbesondere eine Spule, beispielsweise eine Luftspule.The further inductive auxiliary element contains in particular a coil, for example an air-core coil.

Weitere Ausführungsformen der Stromrichterschaltungen ergeben sich durch die analog zu dem Hilfskreis und dem weiteren Hilfskreis zwischen Energiequelle und Knotenpunkt angeordnete weitere Hilfskreise.Further embodiments of the converter circuits result from the further auxiliary circuits arranged analogously to the auxiliary circuit and the further auxiliary circuit between the energy source and the node.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Stromrichterschaltung als Gleichspannungswandler, insbesondere als Abwärtswandler, ausgestaltet.In accordance with at least one embodiment, the converter circuit is designed as a DC voltage converter, in particular as a step-down converter.

Solche Ausführungsformen eignen sich insbesondere für die Anwendung in einem Magnetraum, in dem ein MRT-Gerät betrieben wird. Ein solcher Magnetraum weist typischerweise eine Abschirm- oder Filtervorrichtung auf, die dazu dient, den Magnetraum magnetisch oder elektromagnetisch von einer Umgebung abzuschirmen. Wird innerhalb des Magnetraums eine relativ kleine Spannung benötigt und würde diese durch die Abschirm- oder Filtervorrichtung hindurch direkt bereitgestellt werden, würden daraus relativ große Verluste resultieren. Daher ist es vorteilhaft, eine größere Spannung in den Magnetraum zu leiten und innerhalb des Magnetraums mittels eines Abwärtswandlers auf die benötigte kleinere Spannung zu wandeln.Such embodiments are particularly suitable for use in a magnet room in which an MRT device is operated. Such a magnet space typically has a shielding or filter device which serves to magnetically or electromagnetically shield the magnet space from an environment. If a relatively small voltage is required within the magnet space and this were to be provided directly through the shielding or filter device, this would result in relatively large losses. It is therefore advantageous to conduct a larger voltage into the magnet space and convert it to the required lower voltage within the magnet space by means of a step-down converter.

Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein MRT-Gerät mit einer Energieversorgungsvorrichtung angegeben, wobei die Energieversorgungsvorrichtung eine Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept beinhaltet.According to a further independent aspect of the improved concept, an MRT device with an energy supply device is specified, the energy supply device containing a converter circuit according to the improved concept.

Dadurch kann mit Vorteil eine Störung der zur Durchführung der MRT verwendeten Frequenz, also Empfangsfrequenz der MRT-Empfangsspulen, vermieden werden. Insbesondere wird dazu die Schaltfrequenz zum Schalten des Haupt- und Hilfsschaltelements der Stromrichterschaltung von der Empfangsfrequenz des Magnetresonanztomographiegeräts verschieden gewählt.In this way, interference with the frequency used to carry out the MRT, that is to say the reception frequency of the MRT reception coils, can advantageously be avoided. In particular, the switching frequency for switching the main and auxiliary switching elements of the converter circuit is selected to be different from the reception frequency of the magnetic resonance tomography device.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Frequenz, mit der das Hauptschaltelement und das Hilfsschaltelement geschaltet werden, in der Größenordnung von einigen MHz, beispielsweise zwischen 1 MHz und 5 MHz.According to at least one embodiment, the frequency with which the main switching element and the auxiliary switching element are switched is of the order of a few MHz, for example between 1 MHz and 5 MHz.

Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird die Verwendung einer Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept zur elektrischen Energieversorgung einer Vorrichtung innerhalb eines abgeschirmten Raumes, insbesondere eines elektromagnetisch abgeschirmten Raumes, angegeben.According to a further independent aspect of the improved concept, the use of a converter circuit according to the improved concept for supplying electrical energy to a device within a shielded room, in particular an electromagnetically shielded room, is specified.

Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in ein elektrisches Ausgangssignal angegeben. Dabei wird das Eingangssignal von einer elektrischen Energiequelle bereitgestellt. Ein Eingangskreis, insbesondere einer Stromrichterschaltung, wird, insbesondere mittels einer Steuereinheit, mit einer vorgegebenen lastunabhängigen Frequenz stromlos mit der Energiequelle verbunden beziehungsweise von dieser getrennt. Ein Hilfskreis, insbesondere der Stromrichterschaltung, wird, insbesondere mittels der Steuereinheit, mit der vorgegebenen Frequenz und mit einem lastabhängigen Tastgrad stromlos mit der Energiequelle verbunden beziehungsweise von dieser getrennt. Das Ausgangssignal wird mittels eines Ausgangskreises, insbesondere der Stromrichterschaltung, abhängig von dem Eingangssignal ausgegeben, insbesondere erzeugt und ausgegeben.According to a further independent aspect of the improved concept, a method for converting an electrical input signal into an electrical output signal is specified. The input signal is provided by an electrical energy source. An input circuit, in particular a converter circuit, is also de-energized, in particular by means of a control unit, with a predetermined load-independent frequency connected to the energy source or separated from it. An auxiliary circuit, in particular the converter circuit, is connected to or disconnected from the energy source without current, in particular by means of the control unit, with the specified frequency and with a load-dependent duty cycle. The output signal is output, in particular generated and output, by means of an output circuit, in particular the converter circuit, as a function of the input signal.

Das stromlose Verbinden des Eingangskreises mit der Energiequelle beziehungsweise das stromlose Trennen des Eingangskreises von der Energiequelle wird insbesondere durch stromloses Schalten eines Hauptschaltelements erreicht.The currentless connection of the input circuit to the energy source or the currentless separation of the input circuit from the energy source is achieved in particular by currentless switching of a main switching element.

Das stromlose Verbinden des Hilfskreises mit der Energiequelle beziehungsweise das stromlose Trennen des Hilfskreises von der Energiequelle wird insbesondere durch stromloses Schalten eines Hilfsschaltelements erreicht.The currentless connection of the auxiliary circuit to the energy source or the currentless separation of the auxiliary circuit from the energy source is achieved in particular by currentless switching of an auxiliary switching element.

Gemäß zumindest einer Ausgestaltungsform des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept werden der Hilfskreis und der Eingangskreis gleichzeitig von der Energiequelle getrennt.According to at least one embodiment of the method according to the improved concept, the auxiliary circuit and the input circuit are separated from the energy source at the same time.

Dies erfolgt insbesondere periodisch mit der vorgegebenen Frequenz.In particular, this takes place periodically at the specified frequency.

Gemäß zumindest einer Ausgestaltungsform des Verfahrens nach dem verbesserten Konzept werden Einschaltzeitpunkte, zu denen der Hilfskreis mit der Energiequelle verbunden wird, lastabhängig gesteuert oder geregelt, insbesondere mittels der Steuereinheit, um den Hilfskreis mit dem lastabhängigen Tastgrad mit der Energiequelle zu verbinden beziehungsweise von dieser zu trennen.According to at least one embodiment of the method according to the improved concept, switch-on times at which the auxiliary circuit is connected to the energy source are controlled or regulated as a function of the load, in particular by means of the control unit, in order to connect or disconnect the auxiliary circuit with the load-dependent duty cycle to the energy source .

Gemäß zumindest einer Ausgestaltungsform wird das Eingangssignal als Eingangsgleichspannung bereitgestellt und das Ausgangssignal wird als Ausgangsgleichspannung ausgegeben, wobei die Ausgangsgleichspannung insbesondere einen kleineren Absolutwert besitzt als die Eingangsgleichspannung.According to at least one embodiment, the input signal is provided as input direct voltage and the output signal is output as output direct voltage, the output direct voltage in particular having a smaller absolute value than the input direct voltage.

Weitere Ausgestaltungsformen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausführungsformen der Stromrichterschaltung, des MRT-Geräts sowie der Verwendung der Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept und jeweils umgekehrt.Further embodiments of the method result directly from the various embodiments of the converter circuit, the MRT device and the use of the converter circuit according to the improved concept and vice versa.

Insbesondere kann eine Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept dazu eingerichtet sein, ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen oder die Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept führt ein Verfahren nach dem verbesserten Konzept durch.In particular, a converter circuit according to the improved concept can be set up to carry out a method according to the improved concept, or the converter circuit according to the improved concept carries out a method according to the improved concept.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, um den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen und/oder die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von denen abweichen.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations in order to leave the scope of the invention . Designs and combinations of features are also to be regarded as disclosed which do not have all the features of an originally formulated independent claim and / or which go beyond or differ from the combinations of features set forth in the back-references of the claims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand konkreter Ausführungsbeispiel und zugehöriger schematischer Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren können gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Beschreibung gleicher oder funktionsgleicher Elemente wird gegebenenfalls nicht notwendigerweise bezüglich verschiedener Figuren wiederholt.The invention is explained in more detail below with the aid of a specific exemplary embodiment and associated schematic drawings. In the figures, elements that are the same or have the same function can be provided with the same reference symbols. The description of identical or functionally identical elements may not necessarily be repeated with respect to different figures.

In den Figuren zeigen:

  • 1 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept;
  • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept;
  • 3 eine schematische Darstellung von Signalverläufen in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept; und
  • 4 eine schematische Darstellung einer Verwendung einer Stromrichterschaltung nach dem verbesserten Konzept sowie eines MRT-Geräts nach dem verbesserten Konzept.
In the figures show:
  • 1 a block diagram of an exemplary embodiment of a power converter circuit according to the improved concept;
  • 2 a schematic representation of a further exemplary embodiment of a converter circuit according to the improved concept;
  • 3 a schematic representation of signal curves in a further exemplary embodiment of a converter circuit according to the improved concept; and
  • 4th a schematic representation of a use of a converter circuit according to the improved concept and an MRT device according to the improved concept.

In 1 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Stromrichterschaltung 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt. Die Stromrichterschaltung 1 kann beispielsweise als Gleichspannungswandler, insbesondere als Abwärtswandler, ausgestaltet sein.In 1 Figure 13 is a block diagram of an exemplary embodiment of a power converter circuit 1 presented according to the improved concept. The converter circuit 1 can for example be designed as a DC voltage converter, in particular as a step-down converter.

Die Stromrichterschaltung 1 weist zwei Eingangskontakte 26, 26' auf, zwischen denen eine Spannungsquelle 5 schaltbar ist, die ein Eingangssignal, insbesondere eine Eingangsspannung VE der Stromrichterschaltung 1, bereitstellen kann. Die Stromrichterschaltung 1 weist außerdem zwei Ausgangskontakte 27, 27' auf, zwischen die eine Last 9, insbesondere ein Lastwiderstand, schaltbar ist. Im Betrieb liegt zwischen den Ausgangskontakten 27, 27' eine Ausgangsspannung VA an, die über der Last 9 abfällt. Die Ausgangsspannung VA stellt ein Ausgangssignal der Stromrichterschaltung 1 dar.The converter circuit 1 has two input contacts 26th , 26 ' on, between which a voltage source 5 is switchable, which is an input signal, in particular an input voltage V E of the converter circuit 1 , can provide. The converter circuit 1 also has two output contacts 27 , 27 ' on, between the one load 9 , in particular a load resistor, is switchable. During operation lies between the output contacts 27 , 27 ' an output voltage V A across the load 9 falls off. The output voltage V A represents an output signal of the converter circuit 1 represent.

Die Stromrichterschaltung 1 ist dazu eingerichtet, die Eingangsspannung VE in die Ausgangsspannung VA zu wandeln.The converter circuit 1 is set up to convert the input voltage V E into the output voltage V A.

Insbesondere ist die Stromrichterschaltung 1 als Schaltwandler, auch als Schaltregler bezeichnet, ausgestaltet.In particular, the converter circuit 1 designed as a switching converter, also referred to as a switching regulator.

Die Stromrichterschaltung 1 weist einen Eingangskreis 2 auf, der zwischen den Eingangskontakten 26, 26' angeordnet ist. Die Stromrichterschaltung 1 weist außerdem einen Ausgangskreis 3 auf, der zwischen den Ausgangskontakten 27, 27' angeordnet ist. Der Eingangskreis 2 ist mit dem Ausgangskreis 3 verbunden, insbesondere galvanisch verbunden.The converter circuit 1 has an input circle 2 on that between the input contacts 26th , 26 ' is arranged. The converter circuit 1 also has an output circle 3 on that between the output contacts 27 , 27 ' is arranged. The input circle 2 is with the starting circle 3 connected, in particular galvanically connected.

Dementsprechend kann der Eingangskreis 2 das Eingangssignal, also die Eingangsspannung VE, erhalten und der Ausgangskreis 3 kann das Ausgangssignal, also die Ausgangsspannung VA, ausgeben.Accordingly, the input circuit 2 the input signal, i.e. the input voltage V E , and the output circuit 3 can output the output signal, i.e. the output voltage V A.

Die Stromrichterschaltung 1 weist außerdem ein Hauptschaltelement 4 auf, das zwischen dem Eingangskreis 2 und einem ersten der Eingangskontakte 26 angeordnet ist, sodass der Eingangskreis 2 bei geöffnetem Schaltelement 4, also bei ausgeschaltetem Schaltelement 4, von der Spannungsquelle 5 getrennt ist und bei geschlossenem Hauptschaltelement 4, also bei eingeschaltetem Hauptschaltelement 4, mit der Spannungsquelle 5 verbunden ist.The converter circuit 1 also has a main switching element 4th on that between the input circle 2 and a first of the input contacts 26th is arranged so that the input circle 2 with the switching element open 4th , i.e. with the switching element switched off 4th , from the voltage source 5 is separated and with the main switching element closed 4th , i.e. with the main switching element switched on 4th , with the voltage source 5 connected is.

Das Hauptschaltelement 4 kann dabei insbesondere als Transistor, beispielsweise als IGBT, ausgestaltet sein. Das Öffnen und Schließen beziehungsweise das Ein- und Ausschalten des Hauptschaltelements 4 erfolgt dann durch Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung beziehungsweise eines entsprechenden Steuersignals an einem Steueranschluss oder Gate-Anschluss des Hauptschaltelements 4.The main switching element 4th can in particular be designed as a transistor, for example as an IGBT. Opening and closing or switching the main switching element on and off 4th then takes place by applying a corresponding control voltage or a corresponding control signal to a control connection or gate connection of the main switching element 4th .

Die Stromrichterschaltung 1 weist außerdem eine Steuereinheit 8 auf, die dazu eingerichtet ist, das Hauptschaltelement 4 zu steuern, also insbesondere zu öffnen und zu schließen beziehungsweise ein- und auszuschalten. Dazu ist die Steuereinheit 8 mit dem Steueranschluss des Hauptschaltelements 4 verbunden, um das entsprechende Steuersignal anzulegen.The converter circuit 1 also has a control unit 8th on, which is set up, the main switching element 4th to control, so in particular to open and close or switch on and off. This is the control unit 8th with the control connection of the main switching element 4th connected to apply the appropriate control signal.

Zudem weist die Stromrichterschaltung 1 einen Hilfskreis 6 auf, der mit einem Knotenpunkt 14 verbunden ist, wobei der Eingangskreis 2 mit dem Ausgangskreis 3 ebenfalls an dem Knotenpunkt 14 miteinander verbunden ist. Zudem weist die Stromrichterschaltung 1 ein Hilfsschaltelement 7 auf, das zwischen dem Hilfskreis 6 und dem Eingangskontakt 26 angeordnet ist.In addition, the converter circuit 1 an auxiliary circle 6th on that with a node 14th is connected, the input circuit 2 with the starting circle 3 also at the junction 14th connected to each other. In addition, the converter circuit 1 an auxiliary switching element 7th on that between the auxiliary circle 6th and the input contact 26th is arranged.

Auch das Hilfsschaltelement 7 kann als Transistor, insbesondere IGBT, ausgestaltet sein und kann, wie bezüglich des Hauptschaltelements beschrieben, von der Steuereinheit 8 gesteuert werden.Also the auxiliary switching element 7th can be designed as a transistor, in particular IGBT, and can, as described with regard to the main switching element, from the control unit 8th to be controlled.

Gemäß verbesserten Konzept ist die Steuereinheit 8 dazu eingerichtet, das Hauptschaltelement 4 mit einer vorgegebenen, insbesondere von der Last 9 und der Ausgangsspannung VA unabhängigen, Frequenz ein- und auszuschalten und das Hilfsschaltelement 7 mit derselben Frequenz ein- und auszuschalten.According to an improved concept, the control unit 8th set up for this purpose, the main switching element 4th with a predetermined, in particular from the load 9 and the output voltage V A independent, frequency on and off and the auxiliary switching element 7th on and off at the same frequency.

Die Ein- und Ausschaltzeitpunkte werden von der Steuereinheit 8 dabei derart gewählt, dass das Ein- und Ausschalten sowohl des Hauptschaltelements 4 wie auch des Hilfsschaltelements 7 jeweils stromlos erfolgen, also zu Zeitpunkten, zu denen kein Strom über das Hauptschaltelement 4 beziehungsweise das Hilfsschaltelement 7 fließt.The switch-on and switch-off times are controlled by the control unit 8th selected in such a way that the switching on and off of both the main switching element 4th as well as the auxiliary switching element 7th take place in each case without current, i.e. at times when there is no current through the main switching element 4th or the auxiliary switching element 7th flows.

Dabei schaltet die Steuereinheit 8 das Hauptschaltelement 4 beispielsweise mit einem konstanten, insbesondere lastunabhängigen, Tastgrad. Die Steuereinheit 8 schaltet das Hilfsschaltelement 7 dagegen mit einem lastabhängigen Tastgrad. Der lastabhängige Tastgrad kann dabei einen Wert von 0 bis 1 einnehmen.The control unit switches 8th the main switching element 4th for example with a constant, in particular load-independent, duty cycle. The control unit 8th switches the auxiliary switching element 7th on the other hand with a load-dependent duty cycle. The load-dependent duty cycle can have a value from 0 to 1.

Durch die periodische Schaltung des Hauptschaltelements 4 wird der entsprechende Strom- und Spannungsverlauf bereitgestellt, der notwendig ist, um auch das Hilfsschaltelement 7 stromlos schalten zu können. Das Hilfsschaltelement 7 schaltet den Hilfskreis 6 dann abhängig von der Last 9 zu, um zusätzliche Leistung am Ausgang 27, 27' bereitzustellen.Due to the periodic switching of the main switching element 4th the corresponding current and voltage curve is provided, which is necessary for the auxiliary switching element 7th to be able to switch off the current. The auxiliary switching element 7th switches the auxiliary circuit 6th then depending on the load 9 too, to get extra power at the output 27 , 27 ' to provide.

Dadurch wird es möglich, die Frequenz, mit der die Schaltelemente 4, 7 geschaltet werden, konstant zu halten und dennoch bei stets stromlosem Schalten Lastschwankungen, insbesondere Schwankungen des Lastwiderstands, auszugleichen.This makes it possible to adjust the frequency with which the switching elements 4th , 7th are switched, to keep them constant and nevertheless to compensate for load fluctuations, in particular fluctuations in the load resistance, when switching is always de-energized.

In 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Stromrichterschaltung 1 nach dem verbesserten Konzept gezeigt, die auf der Stromrichterschaltung 1 der 1 basiert.In 2 FIG. 3 is a schematic illustration of a further exemplary embodiment of a power converter circuit 1 according to the improved concept shown on the converter circuit 1 the 1 based.

Die Stromrichterschaltung 1 der 2 ist als Abwärtswandler ausgestaltet.The converter circuit 1 the 2 is designed as a step-down converter.

Insbesondere ist die Stromrichterschaltung 1 der 2 als Resonanzkreis oder resonanter Schaltwandler, auch als Schaltwandler mit resonanten Bauelementen bezeichnet, ausgestaltet.In particular, the converter circuit 1 the 2 designed as a resonant circuit or resonant switching converter, also referred to as a switching converter with resonant components.

Dies bedeutet insbesondere, dass der Eingangskreis 2 einen Schwingkreis aufweist beziehungsweise eine Spule 10 und einen Kondensator 15. Dabei ist die Spule 10 zwischen dem ersten Eingangskontakt 26 und dem Knotenpunkt 14 angeordnet und der Kondensator 15 ist beispielsweise zwischen dem Knotenpunkt 14 und einem zweiten der Eingangskontakte 26' angeordnet. Der zweite Eingangskontakt 26' kann dabei insbesondere direkt mit einem zweiten der Ausgangskontakte 27' verbunden sein.This means in particular that the input circle 2 has an oscillating circuit or a coil 10 and a capacitor 15th . Here is the coil 10 between the first input contact 26th and the node 14th arranged and the capacitor 15th is for example between the node 14th and a second of the input contacts 26 ' arranged. The second input contact 26 ' can in particular directly with a second of the output contacts 27 ' be connected.

Der Eingangskreis 2 kann außerdem eine Diode 12 aufweisen, die beispielsweise zwischen dem ersten Eingangskontakt 26 und dem Knotenpunkt 14 mit der Spule 10 in Reihe geschaltet ist. Beispielsweise ist eine Anode der Diode 12 mit dem ersten Eingangskontakt 26 gekoppelt und eine Kathode der Diode 12 mit der Spule 10.The input circle 2 can also have a diode 12 have, for example, between the first input contact 26th and the node 14th with the coil 10 is connected in series. For example, an anode is the diode 12 with the first input contact 26th coupled and a cathode of the diode 12 with the coil 10 .

Der Ausgangskreis 3 weist insbesondere eine Spule 17 auf, die zwischen dem Knotenpunkt 14 und dem ersten Ausgangskontakt 27 angeordnet ist sowie einen Kondensator 18 und eine Diode 16. Die Diode 16 und der Kondensator 18 sind parallel zueinander und parallel zu den Ausgangskontakten 27, 27' geschaltet. Beispielsweise ist eine Anode der Diode 16 mit dem zweiten Eingangskontakt 26' und dem zweiten Ausgangskontakt 27' gekoppelt und eine Kathode der Diode 16 ist mit dem ersten Eingangskontakt 27 gekoppelt. Die Spule 17 des Ausgangskreises 3 ist zwischen der Diode 16 und dem Kondensator 18 angeordnet, insbesondere zwischen einem ersten Kontakt des Kondensators 18 und der Kathode der Diode 16.The starting circle 3 in particular has a coil 17th on that between the node 14th and the first output contact 27 is arranged and a capacitor 18th and a diode 16 . The diode 16 and the capacitor 18th are parallel to each other and parallel to the output contacts 27 , 27 ' switched. For example, an anode is the diode 16 with the second input contact 26 ' and the second output contact 27 ' coupled and a cathode of the diode 16 is with the first input contact 27 coupled. The sink 17th of the output circle 3 is between the diode 16 and the capacitor 18th arranged, in particular between a first contact of the capacitor 18th and the cathode of the diode 16 .

In 3 ist ein Signaldiagramm betreffend die Stromrichterschaltung 1 aus 2 gezeigt.In 3 Fig. 16 is a signal diagram relating to the power converter circuit 1 out 2 shown.

Dabei ist in Abbildung a) ein zeitlicher Verlauf des Steuersignals S4 zum Steuern des Hauptschaltelements 4 dargestellt. In figure a) is a time profile of the control signal S 4 for controlling the main switching element 4th shown.

Das Hauptschaltelement 4 wird beispielsweise zu einem Haupteinschaltzeitpunkt t0 eingeschaltet und zu einem Ausschaltzeitpunkt t2 ausgeschaltet.The main switching element 4th is switched on, for example, at a main switch-on time t 0 and switched off at a switch-off time t 2 .

Ein entsprechender Stromverlauf eines Stroms i10 über die Spule 10 des Eingangskreises 2 ist in ) der 3 dargestellt. Die Resonanz des Schwingkreises des Eingangskreises 2, also insbesondere der Spule 10 und des Kondensators 15, führt dazu, dass der Strom i10, welcher auch einem Strom durch das Hauptschaltelement 4 entspricht, zum Ausschaltzeitpunkt t2 oder vor dem Ausschaltzeitpunkt t2 von selbst auf Null geht. Durch die Diode 12 kann sichergestellt werden, dass der Strom durch das Hauptschaltelement 4 zum Ausschaltzeitpunkt t2 ebenfalls bei Null bleibt.A corresponding current curve of a current i 10 across the coil 10 of the input circuit 2 is in ) the 3 shown. The resonance of the resonant circuit of the input circuit 2 , so in particular the coil 10 and the capacitor 15th , leads to the current i 10 , which is also a current through the main switching element 4th corresponds to, at the switch-off time t 2 or before the switch-off time t 2 goes to zero by itself. Through the diode 12 can ensure that the current through the main switching element 4th at the switch-off time t 2 also remains at zero.

In ) ist die resultierende Spannung U14 am Knotenpunkt 14, also insbesondere zwischen dem Knotenpunkt 14 und dem zweiten Ausgangskontakt 27' beziehungsweise dem zweiten Eingangskontakt 26', also insbesondere die Spannung, die über den Kondensator 15 des Eingangskreises 2 abfällt, dargestellt.In ) is the resulting voltage U 14 at the node 14th , so especially between the node 14th and the second output contact 27 ' or the second input contact 26 ' , so in particular the voltage across the capacitor 15th of the input circuit 2 falling, shown.

Die Spannung U14 steigt ab einem Zeitpunkt t1, der beispielsweise nach dem Zeitpunkt t0 liegt, an, insbesondere bis sie einen Wert angenommen hat, der dem Zweifachen der Eingangsspannung VE entspricht.The voltage U 14 rises from a time t 1 , which is for example after the time t 0 , in particular until it has assumed a value which corresponds to twice the input voltage V E.

Wie in 2 gezeigt, weist der Hilfskreis 6 ebenfalls eine Spule 11 auf, die zwischen dem Knotenpunkt 14 und dem Hilfsschaltelement 7 angeordnet ist. Beispielsweise weist der Hilfskreis 6 auch eine Diode 13 auf, die in Reihe zu der Spule 11 geschaltet ist und beispielsweise eine Anode aufweist, die mit dem ersten Eingangskontakt 26 gekoppelt ist und eine Kathode, die mit der Spule 11 gekoppelt ist.As in 2 shown, the auxiliary circle 6th also a coil 11 on that between the node 14th and the auxiliary switching element 7th is arranged. For example, the auxiliary circle 6th also a diode 13th on that in series with the coil 11 is connected and, for example, has an anode connected to the first input contact 26th is coupled and a cathode connected to the coil 11 is coupled.

In Abbildung b) der 3 ist das Steuersignal S7 zur Steuerung des Hilfsschaltelements 7 dargestellt. Das Hilfsschaltelement 7 wird von der Steuereinheit 8 insbesondere zu einem Hilfseinschaltzeitpunkt t0' eingeschaltet. Insbesondere ist eine Einschaltzeitdifferenz Δt zwischen dem Haupteinschaltzeitpunkt t0 und dem Hilfseinschaltzeitpunkt t0' gegeben durch die Last 9, insbesondere den Lastwiderstand beziehungsweise die Ausgangsspannung VA oder einen zugehörigen Ausgangsstrom.In Figure b) the 3 is the control signal S 7 for controlling the auxiliary switching element 7th shown. The auxiliary switching element 7th is from the control unit 8th in particular switched on at an auxiliary switch-on time t 0 '. In particular, a switch-on time difference Δt between the main switch-on time t 0 and the auxiliary switch-on time t 0 'is given by the load 9 , in particular the load resistance or the output voltage VA or an associated output current.

Der Hilfseinschaltzeitpunkt t0' kann, insbesondere je nach Tastgrad des Hilfsschaltelements 7, vor oder nach dem Haupteinschaltzeitpunkt t0 liegen.The auxiliary switch-on time t 0 'can, in particular, depending on the duty cycle of the auxiliary switching element 7th , before or after the main switch-on time t 0 .

Das Hilfsschaltelement 7 kann beispielsweise zum selben Ausschaltzeitpunkt t2 ausgeschaltet werden wie das Hauptschaltelement 4, wie es im Beispiel der 3 gezeigt ist. Durch das gleichzeitige Abschalten kann die Steuerung vereinfacht werden.The auxiliary switching element 7th can for example be switched off at the same switch-off time t 2 as the main switching element 4th as in the example of 3 is shown. The control can be simplified by switching off at the same time.

Die Ausschaltzeitpunkte des Hauptschaltelements 4 und des Hilfsschaltelements 7 stimmen aber nicht zwingend überein. Insbesondere steht für beide Schaltelemente 4, 7 je ein Zeitfenster zur Verfügung, während dem es stromlos abgeschaltet werden kann. Das Zeitfenster für das Hauptschaltelement 4 beginnt beispielsweise zum Zeitpunkt t4, zu dem der Strom i10 durch die Spule 10 Null wird, und endet zum Zeitpunkt t5, zu dem U14 die Eingangsspannung VE unterschreitet. Entsprechend beginnt das Zeitfenster für das Hilfsschaltelement 7 zum Zeitpunkt t4', zu dem der Strom i11 durch die Spule 11 Null wird, und endet ebenfalls zum Zeitpunkt t5.The switch-off times of the main switching element 4th and the auxiliary switching element 7th but do not necessarily match. In particular, stands for both switching elements 4th , 7th a time window is available during which it can be switched off without power. The time window for the main switching element 4th begins, for example, at time t 4 , at which the current i 10 through the coil 10 Becomes zero and ends at time t 5 , at which U 14 falls below the input voltage V E. The time window for the auxiliary switching element begins accordingly 7th at time t 4 'at which the current i 11 through the coil 11 Becomes zero, and also ends at time t 5 .

Es ergibt sich beispielsweise ein Stromverlauf i11 über die Spule 11 und damit über das Hilfsschaltelement 7, wie er in Abbildung e) der 3 dargestellt ist. Der Strom i11 steigt ab dem Hilfseinschaltzeitpunkt t0' an und geht auf Null zurück, bevor das Hilfsschaltelement 7 ausgeschaltet wird. Ob dabei i10 vor oder nach i11 auf Null geht hängt insbesondere von den Induktivitäten der Spulen 10 und 11 ab, sowie von den Einschaltzeitpunkten t0, t0'.For example, the result is a current curve i11 across the coil 11 and thus via the auxiliary switching element 7th as shown in Figure e) the 3 is shown. The current i 11 rises from the auxiliary switch-on time t 0 'and goes back to zero before the auxiliary switching element 7th is turned off. Whether i 10 goes to zero before or after i 11 depends in particular on the inductances of the coils 10 and 11 from, as well as from the switch-on times t 0 , t 0 '.

Zu einem Zeitpunkt t3, der beispielsweise nach dem Ausschaltzeitpunkt t2 liegen kann, geht schließlich auch die Spannung U14 zurück auf Null.At a time t 3, for example, after the switch-off time t can be 2, finally, the voltage U is 14 to zero.

Durch das beschriebene Schalten der Schaltelemente 4, 7 werden diese ausgeschaltet, beispielsweise zum Ausschaltzeitpunkt t2, wenn kein Strom durch die Schaltelemente 4, 7 fließt. Das beschriebene Funktionsprinzip führt zum einen dazu, dass bei jedem Einschaltvorgang des Hauptschaltelements 4 eine bestimmte Ladungsmenge in den Kondensator 18 des Ausgangskreises 3 fließt. Durch die beschriebene Schaltung des Hilfsschaltelements 7 können Schwankungen des Laststroms geregelt werden, ohne die Schaltfrequenz verändern zu müssen. Der Eingangskreis 2 gibt dabei insbesondere einen Mindestlaststrom vor und erzeugt die für das stromlose Schalten erforderliche Kurvenform der Spannung U14. Das Hilfsschaltelement 7 schaltet entsprechend gleichzeitig mit dem Hauptschaltelement 4 ab, um vom stromlosen Schalten zu profitieren.By switching the switching elements as described 4th , 7th these are switched off, for example at the switch-off time t 2 , when there is no current through the switching elements 4th , 7th flows. The functional principle described leads on the one hand to the fact that each time the main switching element is switched on 4th a certain amount of charge in the capacitor 18th of the output circle 3 flows. Through the described circuit of the auxiliary switching element 7th fluctuations in the load current can be controlled without having to change the switching frequency. The input circle 2 Specifies, in particular, a minimum load current and generates the curve shape of the voltage U 14 required for currentless switching. The auxiliary switching element 7th accordingly switches simultaneously with the main switching element 4th to benefit from currentless switching.

Wenn der Laststrom steigt, wird der Hilfseinschaltzeitpunkt t0' beispielsweise weiter nach vorne, also insbesondere zu einem früheren Zeitpunkt hin, verschoben um pro Schaltzyklus eine höhere Ladungsmenge durch die Spule 11 in den Kondensator 18 zu befördern. Der schwankende Laststrom kann also durch die Veränderung der Einschaltdauer des Hilfsschaltelements 7 ausgeregelt werden, ohne die Vorteile des Schaltens im stromlosen Zustand zu verlieren. Insbesondere erfolgen das Ausschalten im stromlosen Zustand und das Einschalten bei einer durch die Spule 11 auf einen moderaten Wert begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms.If the load current increases, the auxiliary switch-on instant t 0 'is shifted further forwards, that is to say in particular towards an earlier instant, by a higher amount of charge through the coil per switching cycle 11 into the condenser 18th to transport. The fluctuating load current can therefore be reduced by changing the duty cycle of the auxiliary switching element 7th can be adjusted without losing the advantages of switching in the de-energized state. In particular, the switch-off takes place in the de-energized state and the switch-on takes place when the coil is activated 11 the rate of rise of the current limited to a moderate value.

Optional weist die Stromrichterschaltung 1 einen weiteren Hilfskreis 6' auf, der eine Spule 11' beinhaltet, die zwischen dem Knotenpunkt 14 und dem ersten Eingangskontakt 26 angeordnet ist. In diesem Fall weist die Stromrichterschaltung 1 auch ein weiteres Hilfsschaltelement 7' auf und beispielsweise eine weitere Diode 13', die zwischen dem weiteren Hilfsschaltelement 7' und der weiteren Spule 11' angeordnet ist.Optionally, the converter circuit 1 another auxiliary circle 6 ' on that one coil 11 ' includes those between the node 14th and the first input contact 26th is arranged. In this case, the converter circuit 1 also another auxiliary switching element 7 ' on and for example another diode 13 ' between the further auxiliary switching element 7 ' and the other coil 11 ' is arranged.

Die Steuereinheit 8 kann ein weiteres Steuersignal S7, erzeugen, um das Hilfsschaltelement 7' zu öffnen beziehungsweise zu schließen.The control unit 8th can generate a further control signal S 7 to the auxiliary switching element 7 ' to open or close.

Die Funktionsweise des weiteren Hilfsschaltkreises 6' ist dann analog zu der beschriebenen Funktionsweise des Hilfsschaltkreises 6. Dadurch kann ein größerer Regelbereich für den Laststrom erzielt werden. Mit unterschiedlichen Induktivitäten der Spulen 11, 11' können die verschiedenen Hilfskreise 6, 6' für eine Fein- oder Grobregelung des Laststroms ausgelegt werden. In analoger Weise können noch zusätzliche weitere Hilfskreise vorgesehen werden.The functioning of the further auxiliary circuit 6 ' is then analogous to the described functionality of the auxiliary circuit 6th . This allows a larger control range for the load current to be achieved. With different inductances of the coils 11 , 11 ' can use the various auxiliary groups 6th , 6 ' can be designed for fine or coarse control of the load current. In an analogous manner, additional additional auxiliary circuits can be provided.

Die Stromrichterschaltung 1 nach dem verbesserten Konzept hat außerdem den Vorteil, dass sie keine Masche mit einem sich schnell ändernden Strom aufweist und auch keinen Knoten mit einer besonders schnell ansteigenden Spannung erforderlich ist. Dies ist insbesondere bezüglich hochfrequenter EMV-Störungen vorteilhaft, die insbesondere bei der Verwendung in der Umgebung von MRT-Geräten sehr klein sein sollten.The converter circuit 1 According to the improved concept, it also has the advantage that it does not have a mesh with a rapidly changing current and also no node with a particularly rapidly increasing voltage is required. This is particularly advantageous with regard to high-frequency EMC interference, which should be very small, especially when used in the vicinity of MRT devices.

In 4 ist schematisch die Verwendung einer Stromrichterschaltung 1 nach dem verbesserten Konzept dargestellt.In 4th is a schematic of the use of a converter circuit 1 presented according to the improved concept.

Gezeigt ist ein MRT-Gerät 21 beispielsweise mit einem Steuergerät 22 oder einem sonstigen elektronischen Gerät 22, welches ebenso wie das MRT-Gerät 21 in einem Magnetraum 20 angeordnet ist. Der Magnetraum 20 ist dabei mittels einer Abschirm- oder Filtervorrichtung 25 weitgehend elektromagnetisch abgeschirmt, sodass insbesondere durch das MRT-Gerät 21 erzeugte elektromagnetische Wechselfelder stark gedämpft werden. In unmittelbarer Umgebung zu dem Magnetraum 20 befindet sich ein Steuer- oder Technikraum 19, von dem aus das MRT-Gerät 21 beispielsweise bedient werden kann.An MRT machine is shown 21st for example with a control unit 22nd or any other electronic device 22nd , which as well as the MRI machine 21st in a magnet room 20th is arranged. The magnet room 20th is by means of a shielding or filter device 25th largely electromagnetically shielded, so in particular by the MRT machine 21st generated electromagnetic alternating fields are strongly attenuated. In the immediate vicinity of the magnet room 20th there is a control or technical room 19th from which the MRI machine 21st for example can be operated.

Das Gerät 22 und/oder das MRT-Gerät 21 benötigen zum Betrieb eine relativ geringe Gleichspannung. Wird diese beispielsweise in dem Technikraum 19 bereitgestellt und direkt durch die Abschirmvorrichtung 25 in den Magnetraum 20 geleitet, würde dies gegebenenfalls zu hohen Verlusten führen.The device 22nd and / or the MRI machine 21st require a relatively low DC voltage for operation. This is for example in the technical room 19th provided and directly by the shielding device 25th in the magnet room 20th this would lead to high losses.

Daher ist es vorteilhaft, die Spannungsquelle 5 in dem Technikraum vorzusehen und eine Energieversorgungsvorrichtung 23, welche eine Stromrichterschaltung 1 nach dem verbesserten Konzept aufweist, in dem Magnetraum 20. Dadurch kann eine relativ hohe Gleichspannung von der Spannungsquelle 5 durch eine Durchführung 24 oder dergleichen der Stromrichterschaltung 1 als Eingangsspannung VE bereitgestellt werden, welche von dieser, wie oben beschrieben, in eine niedrigere Ausgangsspannung VA gewandelt werden kann und dann dem Gerät 22 und/oder dem MRT-Gerät 21 zur Verfügung gestellt werden kann.Therefore it is advantageous to use the voltage source 5 to be provided in the technical room and a power supply device 23 , which is a converter circuit 1 according to the improved concept, in the magnet room 20th . This allows a relatively high DC voltage from the voltage source 5 through an implementation 24 or the like of the converter circuit 1 are provided as input voltage V E , which can be converted by this, as described above, into a lower output voltage V A and then to the device 22nd and / or the MRI machine 21st can be made available.

Durch die lastunabhängige konstante Frequenz, mit der die Stromrichterschaltung 1 betrieben wird, können Frequenzbereiche, die von dem MRT-Gerät 21 genutzt werden, insbesondere in der Nähe der Empfangsfrequenz der Spulen des MRT-Geräts 21, freigehalten werden. Dadurch können Störungen aufgrund des Betriebs der Stromrichterschaltung 1, die sich gegebenenfalls auf die Funktion des MRT-Geräts 21 auswirken könnten, vermieden.Due to the load-independent constant frequency with which the converter circuit 1 is operated, frequency ranges can be set by the MRI machine 21st are used, especially in the vicinity of the reception frequency of the coils of the MRI device 21st to be kept free. This can cause malfunctions due to the operation of the converter circuit 1 which may affect the operation of the MRI machine 21st could have an impact, avoided.

Gemäß dem verbesserten Konzept wird es wie beschrieben erreicht, eine Stromrichterschaltung zum stromlosen Schalten und entsprechend geringen Schaltverlusten bei konstanter, lastunabhängiger Frequenz zu betreiben. Dazu wird der Eingangskreis der Stromrichterschaltung mit einer oder mehreren weiteren Phasen versehen, die als Hilfskreise bezeichnet werden können, um Lastschwankungen auszuregeln, indem beispielsweise bei konstanter Schaltfrequenz die entsprechenden Pulsbreite gemäß PWM verändert wird.According to the improved concept, it is achieved, as described, to operate a converter circuit for currentless switching and correspondingly low switching losses at a constant, load-independent frequency. For this purpose, the input circuit of the converter circuit is provided with one or more further phases, which can be referred to as auxiliary circuits, in order to regulate load fluctuations, for example by changing the corresponding pulse width according to PWM at a constant switching frequency.

In den zusätzlichen Phasen oder Hilfskreisen können unterschiedliche Induktionswerte der entsprechenden Spulen eingesetzt werden, um verschiedene Leistungsbereiche abzudecken. Es ist damit also insbesondere möglich, dass der Eingangskreis eine Spule mit relativ hoher Induktivität hat, um mit kleiner Leistung, also kleinem Ausgangsstrom, hauptsächlich die Zeitverläufe der Ströme und Spannungen zu erzeugen, welche die weiteren Phasen benötigen, um stromlos schalten zu können. Der Hilfskreis hat dann eine Spule mit der gleichen oder einer anderen Induktivität, um einen bestimmten Bereich der Ausgangsstromregelung abzudecken. Weitere Hilfskreise können beispielsweise eine Spule mit einer Induktivität aufweisen, die deutlich kleiner ist als die des Eingangskreises, beispielsweise ein Zehntel, um eine Grobregelung auch für hohe Ausgangsströme möglich zu machen.In the additional phases or auxiliary circuits, different induction values of the corresponding coils can be used to cover different power ranges. It is therefore particularly possible that the input circuit has a coil with a relatively high inductance in order to generate mainly the time curves of the currents and voltages that the other phases need in order to be able to switch currentless with a low power, i.e. a low output current. The auxiliary circuit then has a coil with the same or a different inductance to cover a certain range of output current regulation. Further auxiliary circuits can, for example, have a coil with an inductance which is significantly smaller than that of the input circuit, for example a tenth, in order to make coarse regulation possible even for high output currents.

Claims (15)

Stromrichterschaltung mit konstanter Schaltfrequenz, aufweisend einen Eingangskreis (2) zum Erhalten eines Eingangssignals; einen Ausgangskreis (3) zum Ausgeben eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignals; und ein Hauptschaltelement (4), das angeordnet und eingerichtet ist, den Eingangskreis (2) wahlweise mit einer elektrischen Energiequelle (5) zu verbinden oder von dieser zu trennen, gekennzeichnet durch einen Hilfskreis (6), der an einem Knotenpunkt (14) mit dem Eingangskreis (2) und dem Ausgangskreis (3) verbundenen ist; ein Hilfsschaltelement (7), das angeordnet und eingerichtet ist, den Hilfskreis (6) wahlweise mit der Energiequelle (5) zu verbinden oder von dieser zu trennen; und eine Steuereinheit (8), die dazu eingerichtet ist, das Hauptschaltelement (4) mit einer vorgegebenen lastunabhängigen Frequenz stromlos zu schalten und das Hilfsschaltelement (7) mit der Frequenz und mit einem lastabhängigen Tastgrad stromlos zu schalten.A converter circuit with a constant switching frequency, comprising an input circuit (2) for receiving an input signal; an output circuit (3) for outputting an output signal dependent on the input signal; and a main switching element (4) which is arranged and set up to optionally connect the input circuit (2) to an electrical energy source (5) or to separate it therefrom, characterized by an auxiliary circuit (6) which is connected to a node (14) the input circuit (2) and the output circuit (3) is connected; an auxiliary switching element (7) which is arranged and set up to optionally connect the auxiliary circuit (6) to the energy source (5) or to separate it therefrom; and a control unit (8) which is set up to de-energize the main switching element (4) with a predetermined load-independent frequency and to de-energize the auxiliary switching element (7) with the frequency and with a load-dependent duty cycle. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist, das Hauptschaltelement (4) und das Hilfsschaltelement (7) gleichzeitig von der Energiequelle (5) zu trennen.Converter circuit according to Claim 1 , characterized in that the control unit (8) is set up to separate the main switching element (4) and the auxiliary switching element (7) from the energy source (5) at the same time. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist, Einschaltzeitpunkte des Hilfsschaltelements (7) lastabhängig zu steuern oder zu regeln, um das Hilfsschaltelement (7) mit dem lastabhängigen Tastgrad zu schalten.Converter circuit according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the control unit (8) is set up to control or regulate switch-on times of the auxiliary switching element (7) depending on the load in order to switch the auxiliary switching element (7) with the load-dependent duty cycle. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangskreis (2) ein induktives Element (10) und ein kapazitives Element (15) enthält; der Knotenpunkt (14) zwischen dem induktiven Element (10) und dem kapazitiven Element (15) angeordnet ist; und der Hilfskreis (6) zwischen dem Knotenpunkt (14) und der Energiequelle (5) angeordnet ist.Converter circuit according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the input circuit (2) contains an inductive element (10) and a capacitive element (15); the node (14) is arranged between the inductive element (10) and the capacitive element (15); and the auxiliary circuit (6) is arranged between the node (14) and the energy source (5). Stromrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskreis (6) ein induktives Hilfselement (11) aufweist, das mittels des Hilfsschaltelements (7) parallel zu dem induktiven Element (10) des Eingangskreises (2) schaltbar ist.Converter circuit according to Claim 4 , characterized in that the auxiliary circuit (6) has an inductive auxiliary element (11) which can be switched by means of the auxiliary switching element (7) parallel to the inductive element (10) of the input circuit (2). Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichterschaltung (1) einen weiteren Hilfskreis (6') aufweist, der mit dem Eingangskreis (2) und dem Ausgangskreis (3) verbundenen ist, sowie ein weiteres Hilfsschaltelement (7'), das angeordnet und eingerichtet ist, den weiteren Hilfskreis (6') wahlweise mit der Energiequelle (5) zu verbinden oder von dieser zu trennen; und die Steuereinheit (8) dazu eingerichtet ist, das weitere Hilfsschaltelement (7') mit der Frequenz und mit einem weiteren lastabhängigen Tastgrad stromlos zu schalten.Converter circuit according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the converter circuit (1) has a further auxiliary circuit (6 ') which is connected to the input circuit (2) and the output circuit (3), and a further auxiliary switching element (7') which is arranged and set up, to optionally connect the further auxiliary circuit (6 ') to the energy source (5) or to disconnect it from it; and the control unit (8) is set up to de-energize the further auxiliary switching element (7 ') with the frequency and with a further load-dependent duty cycle. Stromrichterschaltung Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Hilfskreis (6') zwischen dem Knotenpunkt (14) und der Energiequelle (5) angeordnet ist.Converter circuit Claim 6 , characterized in that the further auxiliary circuit (6 ') is arranged between the node (14) and the energy source (5). Stromrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Hilfskreis (6') ein weiteres induktives Hilfselement (11') aufweist, das mittels des weiteren Hilfsschaltelements (7') parallel zu dem induktiven Schaltelement (10) des Eingangskreises (2) schaltbar ist.Converter circuit according to Claim 7 , characterized in that the further auxiliary circuit (6 ') has a further inductive auxiliary element (11') which can be switched by means of the further auxiliary switching element (7 ') parallel to the inductive switching element (10) of the input circuit (2). Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichterschaltung (1) als Gleichspannungswandler, insbesondere als Abwärtswandler, ausgestaltet ist.Converter circuit according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the converter circuit (1) is designed as a DC voltage converter, in particular as a step-down converter. Magnetresonanztomographiegerät mit einer Energieversorgungsvorrichtung (23), welche eine Stromrichterschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 beinhaltet.Magnetic resonance tomography device with an energy supply device (23) which has a converter circuit (1) according to one of the Claims 1 to 9 includes. Verwendung einer Stromrichterschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur elektrischen Energieversorgung einer Vorrichtung (21, 23) innerhalb eines abgeschirmten Raums (20) .Use of a converter circuit (1) according to one of the Claims 1 to 9 for supplying electrical energy to a device (21, 23) within a shielded room (20). Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in ein elektrisches Ausgangssignal, wobei das Eingangssignal von einer elektrischen Energiequelle (5) bereitgestellt wird; ein Eingangskreis mit einer vorgegebenen lastunabhängigen Frequenz stromlos mit der Energiequelle (5) verbunden und von dieser getrennt wird; ein Hilfskreis (6) mit der vorgegebenen Frequenz und mit einem lastabhängigen Tastgrad stromlos mit der Energiequelle (5) verbunden und von dieser getrennt wird; und das Ausgangssignal mittels eines Ausgangskreises abhängig von dem Eingangssignal ausgegeben wird.Method for converting an electrical input signal into an electrical output signal, wherein the input signal is provided by an electrical energy source (5); an input circuit with a predetermined load-independent frequency is connected to and disconnected from the energy source (5) without current; an auxiliary circuit (6) with the predetermined frequency and with a load-dependent duty cycle is connected to and disconnected from the energy source (5) without current; and the output signal is output by means of an output circuit depending on the input signal. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskreis (6) und der Eingangskreis (2) gleichzeitig von der Energiequelle (5) getrennt werden.Procedure according to Claim 12 , characterized in that the auxiliary circuit (6) and the input circuit (2) are separated from the energy source (5) at the same time. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Einschaltzeitpunkte, zu denen der Hilfskreis (6) mit der Energiequelle (5) verbunden wird, lastabhängig gesteuert oder geregelt werden, um den Hilfskreis (6) mit dem lastabhängigen Tastgrad mit der Energiequelle (5) zu verbinden beziehungsweise von dieser zu trennen.Method according to one of the Claims 12 or 13th , characterized in that switch-on times at which the auxiliary circuit (6) is connected to the energy source (5) are controlled or regulated as a function of the load in order to connect the auxiliary circuit (6) with the load-dependent duty cycle to the energy source (5) or from this to separate. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal als Eingangsgleichspannung bereitgestellt wird; und das Ausgangssignal als Ausgangsgleichspannung ausgegeben wird, wobei die Ausgangsgleichspannung insbesondere einen kleineren Absolutwert besitzt als die Eingangsgleichspannung.Method according to one of the Claims 12 to 14th , characterized in that the input signal is provided as a DC input voltage; and the output signal is output as a DC output voltage, the DC output voltage in particular having a smaller absolute value than the DC input voltage.
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