DE19735749C1 - Leistungsverstärker und Kernspintomograph - Google Patents

Leistungsverstärker und Kernspintomograph

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Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker sowie einen Kernspintomographen. Der Leistungsverstärker ist in allen An­ wendungsgebieten einsetzbar, bei denen hohe Ausgangsspannun­ gen und -ströme insbesondere für induktive Lasten bereitge­ stellt werden müssen. Beispielsweise eignet sich der Verstär­ ker für die Ansteuerung von Motoren und Aktoren in der Auto­ matisierungstechnik, der Verkehrstechnik und der Anlagentech­ nik; insbesondere ist jedoch eine Anwendung des Verstärkers in der Medizintechnik als Gradientenverstärker bei der Kern­ spintomographie (Magnetresonanz-Bildgebung) vorgesehen.
Ein Kernspintomograph weist typischerweise ein orthogonales Gradientenspulensystem auf, das den Patientenraum umschließt. Für jede Gradientenspule ist ein Gradientenverstärker vorge­ sehen, durch den die Spule mit einem genau geregelten Strom versorgt wird. Die Genauigkeit und Dynamik des Gradienten­ stroms sind für die Bildqualität entscheidend. So müssen beispielsweise Ströme bis zu 300 A mit einer Genauigkeit im mA-Bereich eingehalten werden, und zum Erzeugen ausreichend steiler Stromflanken müssen zum Beispiel Spannungen bis zu über 1 kV an die Gradientenspule anlegbar sein. Der Ausgangs­ strom darf ferner nur eine geringe Restwelligkeit aufweisen.
Die DE 40 24 160 A1 zeigt einen Gradientenverstärker, der ei­ ne Schaltendstufe in Brückenschaltung mit vier FET-Leistungs­ transistoren und vier parallel dazu angeordneten Freilauf­ dioden aufweist. Bei jeder Richtung des Laststroms werden zwei in der Brückenschaltung diagonal gegenüberliegende Tran­ sistoren periodisch getaktet, und zusätzlich werden zwei in der Brückenschaltung in Reihe liegende Transistoren in Gegen­ phase angesteuert.
Aus der DE 40 07 566 A1 ist ein weiterentwickelter Gradien­ tenverstärker bekannt, bei dem zwischen die Brückenzweige Drosseln eingefügt sind, um Querströme zu vermeiden. Dieser Gradientenverstärker weist ferner eine spezielle Aufbautopo­ logie auf, um parasitäre Induktivitäten zu verringern.
Diese bekannten Gradientenverstärker sind jedoch wegen der oben geschilderten hohen Anforderungen sehr komplex und auf­ wendig. Insbesondere die erforderlichen hochwertigen Bauteile für den Verstärker, die komplizierte Ansteuerung, die be­ trächtliche Baugröße und die Kühlungserfordernisse verur­ sachen hohe Kosten.
Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, die genannten Proble­ me zu vermeiden und einen Leistungsverstärker bereitzustel­ len, der die erforderliche Leistungsfähigkeit in quantitati­ ver und qualitativer Hinsicht bei geringem Aufwand und mög­ lichst geringen Kosten aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Leistungsver­ stärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Kernspintomographen mit den Merkmalen des Anspruchs 13 ge­ löst.
Die Erfindung geht von der Grundidee aus, eine zusätzliche Polwender-Baugruppe vorzusehen, um einen von einer Verstär­ kerbaugruppe stammenden Verstärkerstrom wahlweise mit der ursprünglichen oder mit vertauschter Stromrichtung als Aus­ gangsstrom bereitzustellen. Überraschenderweise verringert sich damit der Gesamtaufwand für den Gradientenverstärker, denn die Verwendung der Polwender-Baugruppe ermöglicht es, die Verstärkerbaugruppe in einer einfacheren Ausführung nur für eine einzige Stromrichtung auszubilden. Wie oben darge­ legt, ist wegen der hohen Anforderungen der Aufwand für die Verstärkerbaugruppe sehr hoch, so daß die hier erzielbaren Einsparungen den zusätzlichen Aufwand für die relativ einfach aufgebaute Polwender-Baugruppe schnell ausgleichen.
Vorzugsweise ist die Verstärkerbaugruppe als Schaltverstärker ausgebildet. In diesem Fall sind die durch die Erfindung er­ zielbaren Vorteile besonders groß. Beispielsweise weist bei den aus der DE 40 24 160 A1 und DE 40 07 566 A1 bekannten Gradientenverstärkern die Schaltendstufe je zwei vollständige Verstärkerhälften auf, die je zwei aktive und zwei passive Gruppen von Bauelementen enthalten. Von diesen beiden Verstärkerhälften ist bei jeder Stromrichtung nur je eine aktiv. Durch die erfindungsgemäße Lösung, bei der die Verstärkerbaugruppe nur für eine einzige Stromrichtung ausgelegt werden muß, kann damit der Aufwand für diese Baugruppe sowie für die zugeordneten Ansteuer- und Hilfsschaltungen um die Hälfte reduziert werden. Vorzugsweise weist die Verstärkerbaugruppe eine Brückenschaltung aus lediglich zwei Gruppen von Schaltelementen und zwei Gruppen von Freilaufdioden auf.
Bei den aus der DE 40 24 160 A1 und DE 40 07 566 A1 bekannten Gradientenverstärkern treten ferner Probleme bei Umschaltvor­ gängen in der Schaltbrücke auf. Um hier einen Brückenkurz­ schluß zu vermeiden, müssen zwischen den Schaltflanken soge­ nannte Totzeiten eingehalten werden. Dies schränkt die Regel­ barkeit des Verstärkers ein, da der Modulationshub deutlich kleiner als 100% ist. Gemäß der DE 40 07 566 A1 sind ferner zusätzliche Bauteile (Drosseln) zum Vermeiden von Querströmen vorgesehen.
Überraschenderweise löst die Erfindung, wenn sie bei einem Schaltverstärker angewendet wird, auch diese Probleme, da ein Umschalten der Stromrichtung der Verstärkerbaugruppe nicht mehr erforderlich ist. Die Verstärkerbaugruppe kann so aus­ gelegt sein, daß ein Brückenkurzschluß nicht möglich ist und dementsprechend auch keine Totzeiten eingehalten werden müs­ sen und keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn bei der Verstärkerbaugruppe zwei Paare aus je einem aktiven und einem passiven Bauteil vorge­ sehen sind. Vorzugsweise sind diese Paare parallelgeschaltet, und eine Zwischenkreisspannung liegt an ihnen an. Als aktive Bauteile (Schaltelemente) der Verstärkerbaugruppe sind bevor­ zugt MOSFET- oder IGBT-Transistoren vorgesehen.
Die Polwender-Baugruppe ist bevorzugt als Brückenschaltung aus vier aktiven Steuerelementen ausgebildet, von denen je zwei in Reihe geschaltet sind. An den so gebildeten Paaren liegt vorzugsweise eine Verstärkerspannung an. Eine derartige Schaltung ermöglicht das einfache Weiterleiten des Verstär­ kerstromes in unveränderter oder vertauschter Stromrichtung, indem je zwei diagonal gegenüberliegende Steuerelemente in einen leitenden beziehungsweise nichtleitenden Zustand ge­ schaltet werden. Diese Betriebszustände werden als Durch­ schaltbetrieb beziehungsweise als Umkehrbetrieb bezeichnet.
Die Steuerelemente der Polwender-Baugruppe können als aktive Bauelemente je einen IGBT- oder einen MOSFET-Transistor auf­ weisen. Ferner kann je eine Freilaufdiode parallel zur Schaltstrecke des Transistors vorgesehen sein. Bei einem MOSFET-Transistor kann diese Freilaufdiode durch die inhären­ te Diode des Transistors gebildet sein. Ein integriertes Steuermodul kann ein Steuerelement oder mehrere Steuerelemen­ te, gegebenenfalls mit den zugeordneten Freilaufdioden, auf­ weisen. Da die Steuerelemente nur mit der relativ geringen Frequenz des Ausgangsstromes schalten müssen, werden wegen ihrer geringeren Durchlaßspannung und ihrer hohen Sperrfähig­ keit bevorzugt IGBT-Transistoren eingesetzt.
Bevorzugt ist eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Steuer- und Schaltelemente des Leistungsverstärkers vorgese­ hen. Die Steuereinrichtung kann in mehrere Steuermodule unterteilt sein, wobei die sich die Unterscheidung auf die konkrete Bauform der Steuereinrichtung beziehen oder ledig­ lich konzeptuell sein kann.
In bevorzugten Ausführungsformen sind ausschließlich der Durchschalt- und der Umkehrbetrieb der Polwender-Baugruppe vorgesehen. Die Steuerelemente werden dazu bevorzugt mit binären Signalen angesteuert. Vorzugsweise erfolgt das Um­ schalten zwischen den beiden Betriebszuständen möglichst genau im Nulldurchgang des Ausgangsstromes. Dadurch entstehen im Idealfall weder Störungen noch Schaltverluste. Der Null­ durchgang wird in bevorzugten Ausführungsformen entweder ge­ messen oder von der Steuereinrichtung entsprechend den Steu­ ersignalen der Verstärkerbaugruppe bestimmt.
Um eventuelle Schwierigkeiten bei der Ansteuerung der Ver­ stärkerbaugruppe für sehr kleine Verstärkerstromstärken und bei der Bestimmung des exakten Nulldurchgangszeitpunktes zu vermeiden, ist in bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, die Polwender-Baugruppe in einem vorbestimmten Bereich klei­ ner Ausgangsstromstärken (beispielsweise von +1 A bis -1 A) linear anzusteuern. In diesem Linearbetrieb werden, ebenso wie im Durchschalt- oder Umkehrbetrieb, nur je zwei Steuer­ elemente der Polwender-Baugruppe angesteuert. Sie werden jedoch nicht durchgeschaltet, sondern wirken als regelbare Widerstände, um den Ausgangsstrom wie bei einer Linear­ endstufe verzerrungsfrei zu regeln. Da der Ausgangsstrom relativ gering ist, treten hierbei nur geringe Verlust­ leistungen auf.
Besonders groß ist der durch die Erfindung bewirkte Einspar­ effekt, wenn der Leistungsverstärker statt einer einzigen Verstärkerbaugruppe mehrere in Reihe geschaltete Verstärker­ baugruppen aufweist, an die eine einzige Polwender-Baugruppe angeschlossen ist. Die Verstärkerbaugruppen werden vorzugs­ weise mit zeitlich versetzten Pulsweiten-Modulationssignalen angesteuert, um eine Ausgangsspannung mit sehr geringer Rest­ welligkeit zu erreichen. In einer weiteren Ausführungsalter­ native können mehrere Leistungsverstärker, jeder mit einer eigenen Polwender-Baugruppe, sowie andere Baueinheiten (bei­ spielsweise Booster) in Reihe geschaltet und an eine als Last dienende Gradientenspule angeschlossen sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen genauer beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Gradientenverstärkers,
Fig. 2 je zwei Stromverlaufskurven sowie zwei Steuersignal­ kurven, und
Fig. 3 eine Darstellung wie Fig. 2 in einer Ausführungs­ alternative.
Der in Fig. 1 gezeigte Gradientenverstärker eines Kernspin­ tomographen weist eine Verstärkerbaugruppe 10 auf, die über Verbindungsleitungen 12, 14 an eine Polwender-Baugruppe 16 angeschlossen ist. An der Polwender-Baugruppe 16 liegt dabei eine Verstärkerspannung UV an, und ein Verstärkerstrom IV fließt zwischen der Verstärkerbaugruppe 10 und der Polwender- Baugruppe 16.
Die Verstärkerbaugruppe 10 weist ihrerseits eine Spannungs­ quelle 18 und eine daran angeschlossene Schaltendstufe 20 auf. Die Spannungsquelle 18 stellt eine konstante Zwischen­ kreisspannung UZ für die Schaltendstufe 20 bereit, wobei in dem von der Spannungsquelle 18 und der Schaltendstufe 20 gebildeten Zwischenkreis ein Zwischenkreisstrom IZ fließt.
Die Schaltendstufe 20 enthält eine Brückenschaltung aus zwei Schaltelementen 22, 24 und zwei Freilaufdioden 26, 28. Die Schaltelemente 22, 24 sind als MOSFET-Leistungstransistoren ausgestaltet. Das Schaltelement 22 ist einerseits an den Pluspol der Spannungsquelle 18 und andererseits an die Katho­ de der Freilaufdiode 26 und die Verbindungsleitung 12 ange­ schlossen. Die Anode der Freilaufdiode 26 und ein Anschluß des Schaltelements 24 sind an den Minuspol der Spannungsquel­ le 18 angeschlossen, und der andere Anschluß des Schaltele­ ments 24 ist mit der Anode der Freilaufdiode 28 und der Ver­ bindungsleitung 14 verbunden. Die Kathode der Freilaufdiode 28 ist an den Pluspol der Spannungsquelle 18 angeschlossen. Damit ist die Polwender-Baugruppe 16 über die Verbindungslei­ tungen 12, 14 in den Brückenquerzweig der Schaltendstufe 20 geschaltet.
Die Polwender-Baugruppe 16 weist vier in Brückenschaltung an­ geordnete Steuerelemente 30-36 auf. Jedes Steuerelement 30 -36 ist als IGBT-Modul mit je einem IGBT (insulated gate bipolar transistor) 38-44 und einer parallel dazu geschal­ teten Freilaufdiode 46-52 ausgebildet. Je zwei Steuerele­ mente 30, 32 beziehungsweise 34, 36 sind in Reihe geschaltet und an die Verbindungsleitungen 12, 14 angeschlossen. Ein Ausgangsanschluß 54 ist mit den Steuerelementen 30, 32 ver­ bunden, und ein weiterer Ausgangsanschluß 56 ist über einen Stromsensor 58 mit den Steuerelementen 34, 36 verbunden.
Eine als Last wirkende Gradientenspule 60 ist über die Aus­ gangsanschlüsse 54, 56 an den Gradientenverstärker ange­ schlossen. Somit sind die Gradientenspule 60 und der Strom­ sensor 58 im Brückenquerzweig der aus den vier Steuerelemen­ ten 30-36 gebildeten Brückenschaltung angeordnet. Die Gra­ dientenspule 60 wird von einem Ausgangsstrom IA durchflossen, wobei eine Ausgangsspannung UA an ihr anliegt.
Eine Steuereinrichtung ist aus zwei über ein Leitungsbündel 62 miteinander verbundenen Steuermodulen 64, 66 gebildet. Die Steuereinrichtung dient zum genauen Regeln des Ausgangsstro­ mes IA gemäß einer vorgegebenen Stromkurvenform oder einem Stromsollwert. Dazu ist das erste Steuermodul 64 mit den Gate-Anschlüssen der beiden Schaltelemente 22, 24 verbunden, um diese mit Pulsweiten-Modulationssignalen anzusteuern. Das zweite Steuermodul 66 dient zum Ansteuern der Gates der Steuerelemente 30-36 mit Steuersignalen S1-S4. Das zweite Steuermodul 66 erhält und verarbeitet ein Ausgangsstrom- Meßwertsignal von dem Stromsensor 58 und führt dieses Signal über eine Leitung des Leitungsbündels 62 als Stromistwert­ signal dem ersten Steuermodul 64 zu. Ferner erhält das zweite Steuermodul 66 über eine weitere Leitung des Leitungsbündels 62 von dem ersten Steuermodul 64 ein Modussignal, das den einzustellenden Betriebszustand der Steuerelemente 30-36 anzeigt.
In Fig. 2 ist eine zu erzielende Verlaufskurve des durch die Gradientenspule 60 fließenden Ausgangsstromes IA beispielhaft gezeigt. Der Ausgangsstrom IA ist anfangs negativ und verrin­ gert sich (betragsmäßig betrachtet) zunächst auf Null (Zeit­ punkt t1), um dann auf einen positiven Dachwert (zum Beispiel 300 A) anzusteigen. Nach beispielsweise 20 µs wird dieser Dachwert verlassen, und der Ausgangsstrom IA fällt schnell auf Null (Zeitpunkt t2). Nach dieser positiven Halbwelle des Ausgangsstroms IA im Zeitraum t1-t2 folgt eine negative Halbwelle (Zeitraum t2-t3). Dieser Stromzyklus wird fort­ laufend wiederholt.
Beim Betrieb des Gradientenverstärkers von Fig. 1 fließt zwi­ schen der Verstärkerbaugruppe 10 und der Polwender-Baugruppe 16 der Verstärkerstrom IV gemäß der in Fig. 2 gezeigten Stromverlaufskurve. Der Verstärkerstrom IV ist stets positiv, fließt also nur in eine einzige Richtung. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, stimmt der Verstärkerstrom IV betragsmäßig stets mit dem Ausgangsstrom IA überein. Im Zeitabschnitt t1- t2 und nach dem Zeitpunkt t3 weisen der Verstärker- und der Ausgangsstrom dasselbe Vorzeichen auf, während vor dem Zeit­ punkt t1 und im Zeitabschnitt t2-t3 die Stromrichtung des Ausgangsstromes IA gegenüber der des Verstärkerstromes IV vertauscht ist.
Um den Ausgangsstrom IA geeignet umzupolen, werden die Steuerelemente 30-36 der Polwender-Baugruppe 16 von dem zweiten Steuermodul 66 entsprechend angesteuert. Das dazu an das Steuerelement 30 angelegte Steuersignal S1 und das an das Steuerelement 32 angelegte Steuersignal S2 sind in Fig. 2 ge­ zeigt, wobei ein hoher Signalpegel einen Leitzustand des zu­ geordneten Steuerelements und ein niedriger Signalpegel einen Sperrzustand bewirken. Das Steuersignal S3 (Steuerelement 34) stimmt mit dem Steuersignal S2 überein, und das Steuersignal S4 (Steuerelement 36) stimmt mit dem Steuersignal S1 überein.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, arbeitet die Polwender-Bau­ gruppe 16 im Zeitraum t1-t2 und nach dem Zeitpunkt t3 im Durchschaltbetrieb. Die Steuerelemente 30 und 36 (Steuer­ signale S1 und S4) leiten, und die Steuerelemente 32 und 34 (Steuersignale S2 und S3) sperren. Vor dem Zeitpunkt t1 und im Zeitraum t2-t3 arbeitet die Polwender-Baugruppe 16 dagegen im Umkehrbetrieb. Hier sind die Schaltzustände der Steuer­ elemente 30-36 gegenüber dem Durchschaltbetrieb invertiert.
Der einzustellende Betriebszustand wird dem zweiten Steuer­ modul 66 durch das von dem ersten Steuermodul 64 erzeugte Modussignal angezeigt. Dabei werden die Umschaltzeitpunkte t1, t2, t3, ... zwischen den beiden Betriebszuständen durch die Nulldurchgänge des Ausgangsstromes IA bestimmt. Um die Nulldurchgänge festzustellen, wird das Ausgangsstrom-Meßwert­ signal des Stromsensors 58 von dem zweiten Steuermodul 66 ausgewertet.
Die von dem ersten Steuermodul 64 angesteuerte Verstärkerbau­ gruppe 10 erzeugt in an sich bekannter Weise durch Pulswei­ tenmodulation der Zwischenkreisspannung UZ die Verstärker­ spannung UV, um den in Fig. 2 gezeigten Verstärkerstrom IV hervorzurufen. So ist beispielsweise während des konstanten Stromdaches im mittleren Abschnitt des Zeitraums t1-t2 nur eine relativ geringe Verstärkerspannung UV (die im wesent­ lichen gleich der Ausgangsspannung UA ist) erforderlich, um ohmsche Verluste in der Gradientenspule 60 auszugleichen. Die Schaltelemente 22, 24 werden dazu mit einem relativ geringen Tastverhältnis (beispielsweise 10%) angesteuert.
Während des steilen Stromanstiegs zu Beginn des Zeitraums t1 -t2 werden die Schaltelemente 22, 24 im wesentlichen ständig durchgeschaltet, so daß die volle Zwischenkreisspannung UZ über die Schaltelemente 22, 24 und die Steuerelemente 30, 36 als Ausgangsspannung UA an der Gradientenspule 60 anliegt. Während des schnellen Stromabbaus am Ende des Zeitraums t1- t2 befinden sich die Schaltelemente 22, 24 dagegen größten­ teils in einem Sperrzustand. Die in der Gradientenspule 60 gespeicherte magnetische Energie wird dann über die Frei­ laufdioden 26, 28 in die Spannungsquelle 18 zurückgespeist, wobei die Zwischenkreisspannung UZ dem Stromfluß in der Gra­ dientenspule 60 entgegenwirkt. Während des Stromabbaus ist die Verstärkerspannung UV negativ, aber der Verstärkerstrom IV ist nach wie vor positiv.
Entsprechend erfolgt die Ansteuerung der Verstärkerbaugruppe 10 während des Zeitraums t2-t3, wobei der Umkehrbetrieb der Polwender-Baugruppe 16, der durch das von dem ersten Steuer­ modul 64 stammende Modussignal aktiviert wurde, bei der An­ steuerung der Schaltelemente 22, 24 entsprechend berücksich­ tigt wird.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsalternative beruht eben­ falls auf der Schaltung von Fig. 1, wobei sich jedoch die Ansteuerung der Schaltelemente 22, 24 und der Steuerelemente 30-36 von der bisher beschriebenen unterscheidet. Als ein­ ziger in Fig. 3 sichtbarer Unterschied zu Fig. 2 sind die Steuersignale S1 und S2 keine binären Signale, sondern analo­ ge Signale, mit denen die Steuerelemente 30-36 durch Varia­ tion der Gate-Emitter-Spannung als regelbare Widerstände be­ trieben werden können. Wiederum ist das Steuersignal S3 gleich dem Steuersignal S2, und das Steuersignal S4 ist gleich dem Steuersignal S1.
Die Nulldurchgänge des Ausgangsstromes IA erfolgen in Fig. 3 zu den Zeitpunkten t2, t5 und t8. Während der Zeiträume t1- t3, t4-t6 und t7-t9 liegt der Ausgangsstrom IA betragsmäßig unter einem vorbestimmten Grenzwert, hier beispielsweise ±1 A. Während dieser Zeiträume arbeitet die Polwender-Bau­ gruppe 16 in einem Linearbetrieb. Das heißt, daß zwar weiter­ hin der Verstärkerstrom IV, je nach dem Pegel des Modus­ signals, mit unveränderter Stromrichtung (Zeiträume t2-t3, t4-t5 und t8-t9) oder mit vertauschter Stromrichtung (Zeiträume t1-t2, t5-t6 und t7-t8) als Ausgangsstrom IA des Verstärkers durch die Gradientenspule 60 fließt; daß jedoch dieser Verstärkerstrom IV durch die je zwei aktiven Steuerelemente 30, 36 beziehungsweise 32, 34 linear gesteuert wird.
Beispielsweise werden im Zeitraum t1-t2 die Steuerelemente 32, 34 allmählich von einem Leit- in einen Sperrzustand ge­ bracht (Signal S2), so daß sich der Ausgangsstrom IA linear und verzerrungsfrei Null annähert. Im Zeitraum t2-t3 wird dagegen der Widerstand der Steuerelemente 30, 36 allmählich verringert (Signal S1), um den Ausgangsstrom IA linear an­ steigen zu lassen. Diese Ansteuerung der Steuerelemente 30- 36, die durch das zweite Steuermodul 66 erfolgt, vermeidet Unlinearitäten und Störungen, die sonst bei einer reinen Pulsweitenmodulation der Schaltendstufe 20 bei extrem gerin­ gen Tastverhältnissen im Bereich um den Nulldurchgang auftre­ ten könnten.
In weiteren Ausführungsvarianten ist eine einheitliche Steuereinrichtung vorgesehen, die beispielsweise aus einem Steuerrechner mit einem darauf ablaufenden Programm gebildet sein kann. Die beiden Steuermodule sind dann lediglich als konzeptuelle Gliederung der Funktionen der Steuereinrichtung zu betrachten. Ferner braucht der Nulldurchgang des Ausgangs­ stromes IA nicht notwendigerweise gemessen zu werden, sondern er kann entsprechend der Ansteuerung der Schaltelemente 22, 24 bestimmt werden.

Claims (13)

1. Leistungsverstärker, insbesondere Gradientenverstärker eines Kernspintomographen,
  • 1. mit einer Verstärkerbaugruppe (10) und einer an die Verstärkerbaugruppe (10) angeschlossenen Polwender-Baugruppe (16),
  • 2. bei dessen Betrieb zwischen der Verstärkerbaugruppe (10) und der Polwender-Baugruppe (16) ein Verstärkerstrom (IV) in einer einzigen Stromrichtung fließt, und
  • 3. bei dem die Polwender-Baugruppe (16) dazu eingerichtet ist, den Verstärkerstrom (IV) wahlweise mit unveränderter oder mit umgekehrter Stromrichtung als Ausgangsstrom (IA) des Leistungsverstärkers bereitzustellen.
2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerbaugruppe (10) eine Spannungsquelle (18) und eine daran angeschlossene Schalt­ endstufe (20) aufweist.
3. Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltendstufe (20) eine Brückenschaltung aus zwei Schaltelementen (22, 24) und zwei Freilaufdioden (26, 28) aufweist.
4. Leistungsverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Schaltelement (22, 24) in Reihe mit je einer Freilaufdiode (26, 28) geschaltet und an eine Zwischenkreisspannung UZ angeschlossen ist, und daß die Polwender-Baugruppe (16) in den Querzweig der so gebildeten Brückenschaltung geschaltet ist.
5. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polwender-Baugruppe (16) eine Brückenschaltung mit vier Steuerelementen (30-36) aufweist.
6. Leistungsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente (30-36) paarweise in Reihe geschaltet und an eine Verstärkerspannung (UV) der Verstärkerbaugruppe (10) angeschlossen sind, und daß zwei Ausgangsanschlüsse (54, 56) des Leistungsverstärkers im Querzweig der so gebildeten Brückenschaltung angeordnet sind.
7. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Steuermodul (64) zum Ansteuern der Schaltelemente (22, 24) der Verstärkerbaugruppe (10) vorgesehen ist, um durch Pulsweitenmodulation einen Ver­ stärkerstrom (IV) in einer einzigen Stromrichtung bereitzu­ stellen.
8. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Steuermodul (66) zum Ansteuern der Steuerelemente (30-36) der Polwender-Baugrup­ pe (16) vorgesehen ist, um den Verstärkerstrom (IV) in einem Durchschaltbetrieb mit unveränderter Stromrichtung und in einem Umkehrbetrieb mit umgekehrter Stromrichtung als Aus­ gangsstrom (IA) bereitzustellen.
9. Leistungsverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Steuermodul (66) die Steuerelemente (30-36) ausschließlich im Durchschalt- oder im Umkehrbetrieb anzusteuern vermag und das Umschalten zwi­ schen diesen beiden Betriebszuständen ungefähr im Nulldurch­ gang des Ausgangsstromes (IA) erfolgt.
10. Leistungsverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Steuermodul (66) fer­ ner dazu eingerichtet ist, in einem Linearbetrieb die Steuer­ elemente (30-36) der Polwender-Baugruppe (16) als regelbare Widerstände anzusteuern.
11. Leistungsverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearbetrieb für Stromstär­ ken des Ausgangsstromes (IA) vorgesehen ist, die zwischen ei­ nem vorbestimmten positiven und einem vorbestimmten negativen Schwellwert liegen.
12. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Reihe geschaltete Ver­ stärkerbaugruppen (10) vorgesehen sind, an die eine einzige Polwender-Baugruppe (16) angeschlossen ist.
13. Kernspintomograph mit mindestens einem Leistungsverstär­ ker nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einer daran als Last angeschlossenen Gradientenspule (60).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001076068A2 (en) * 2000-03-31 2001-10-11 Micro Motion, Inc. Circuitry for supplying a controlled signal to a drive system

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE303672T1 (de) * 2000-07-12 2005-09-15 Ami Semiconductor Belgium Bvba Integrierter sinusgenerator mit hoher ausgangsleistung
US6727752B2 (en) * 2002-05-29 2004-04-27 Texas Instruments Incorporated Modulation scheme for switching amplifiers to reduce filtering requirements and crossover distortion
CN1735814B (zh) * 2003-01-07 2010-06-16 皇家飞利浦电子股份有限公司 用于具有多个发送通道的mr设备的高频系统及其中的mr设备
US7253625B2 (en) 2003-02-03 2007-08-07 Koninklijke Philips Electronics N.V. Precision gradient amplifier with multiple output voltage levels
WO2004070411A1 (en) * 2003-02-03 2004-08-19 Koninklijke Philips Electronics N.V. Precision gradient amplifier with multiple output voltage levels
AT508193B1 (de) * 2009-05-08 2015-05-15 Fronius Int Gmbh Verfahren und vorrichtung zum schutz von transistoren
GB2517278B (en) * 2013-06-19 2020-12-30 Cree Fayetteville Inc Nonlinear resonant switch cell
CN107238761A (zh) * 2016-03-28 2017-10-10 通用电气公司 开关放大器、梯度放大器及估算开关放大器剩余寿命的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4024160A1 (de) * 1989-08-11 1991-02-14 Siemens Ag Gleichstromsteller
DE4007566A1 (de) * 1990-03-09 1991-09-12 Siemens Ag Leistungsverstaerker fuer die speisung einer induktivitaet mit geschalteten transistoren

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0250718A1 (de) * 1986-06-30 1988-01-07 Siemens Aktiengesellschaft Stromversorgung für einen induktiven Verbraucher, insbesondere eine Gradientenspule, mit Steuer- und Regeleinrichtung
JP2701652B2 (ja) * 1992-04-08 1998-01-21 日本電気株式会社 磁気ヘッド駆動回路
EP0643473B1 (de) * 1993-09-15 1998-04-29 PAPST-MOTOREN GmbH & Co. KG Anordnung mit einem über eine Halbleiteranordnung kommutierten kollektorlosen Gleichstrommotor
US5701176A (en) * 1995-07-28 1997-12-23 Precision Detectors, Inc. High temperature light scattering measurement device comprising a rigid extension tube
JP3204132B2 (ja) * 1996-11-29 2001-09-04 ヤマハ株式会社 駆動回路

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4024160A1 (de) * 1989-08-11 1991-02-14 Siemens Ag Gleichstromsteller
DE4007566A1 (de) * 1990-03-09 1991-09-12 Siemens Ag Leistungsverstaerker fuer die speisung einer induktivitaet mit geschalteten transistoren

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001076068A2 (en) * 2000-03-31 2001-10-11 Micro Motion, Inc. Circuitry for supplying a controlled signal to a drive system
WO2001076068A3 (en) * 2000-03-31 2002-02-21 Micro Motion Inc Circuitry for supplying a controlled signal to a drive system

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