DE19812069A1 - Leistungsverstärker und Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für einen Leistungsverstärker - Google Patents

Abstract

Ein Leistungsverstärker mit mindestens zwei ausgangsseitig in Reihe geschalteten Endstufen (10.1, 10.2, ..., 10.n), die je eine Leistungs-Brückenschaltung (14.1, 14.2, ..., 14.n) aufweisen, um je eine Endstufenspannung (U¶E1¶, U¶E2¶, ..., U¶En¶) durch Pulsweitenmodulation gemäß je einem Endstufen-Schalttrakt zu erzeugen, wobei sich eine Ausgangsspannung (U¶A¶) des Leistungsverstärkers als Summe der Endstufenspannungen (U¶E1¶, U¶E2¶, ..., U¶En¶) ergibt, ist dadurch weitergebildet, daß die Endstufen-Schalttakte der Endstufen (10.1, 10,2, ..., 10.n) gegeneinander versetzt sind, um die effektive Schaltfrequenz der Ausgangsspannung (U¶A¶) zu erhöhen. Ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für einen Leistungsverstärker weist entsprechende Merkmale auf. Durch die Erfindung lassen sich Schaltverstärker mit hoher Ausgangsspannung und hoher effektiver Schaltfrequenz kostengünstig herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Die Erfindung ist bei allen Arten von Leistungsverstärkern ein­ setzbar. Insbesondere ist eine Verwendung für medizinische Geräte, besonders Kernspintomographen, vorgesehen. Der Lei­ stungsverstärker kann im letztgenannten Fall als Gradienten­ verstärker eingesetzt werden, um eine Gradientenspule mit Strom zu versorgen.

Beim Betrieb eines Kernspintomographen oder einer Magnet­ resonanzanlage werden magnetische Feldgradienten durch Gra­ dientenspulen erzeugt. Jede Gradientenspule wird von einem Strom durchflossen, der in einer exakt festgelegten Stromkur­ venform Werte bis beispielsweise 300 A oder mehr erreichen kann. Die Stromkurvenform weist oft steile Flanken auf. Um die geforderten hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten zu er­ zielen, kann es erforderlich sein, eine Spannung von bei­ spielsweise 2000 V oder mehr an die Gradientenspule anzu­ legen.

Typischerweise weisen heutige Gradientenverstärker Schalt­ regler auf, deren Endstufentransistoren direkt mit den gefor­ derten Spannungen und Schaltfrequenzen betrieben werden. Mit heutigen Technologien ist dies jedoch nur für Spannungen bis etwa 800 V und Schaltfrequenzen bis etwa 25 kHz möglich und erfordert auch in diesen Grenzen einen hohen Aufwand und Platzbedarf. Halbleiter, die mehr als 800 V bei den auftre­ tenden Stromstärken mit der nötigen Steilheit schalten kön­ nen, sind derzeit nicht verfügbar.

Es bereits in der gattungsbildenden DE 43 04 517 A1 vorge­ schlagen worden, bei einer Stromversorgung für vorwiegend induktive Lasten mindestens zwei steuerbare Spannungsquellen ausgangsseitig in Reihe zu schalten. Zwei Steuereinheiten sind als Modulatoren zum Erzeugen von Pulsbreiten-Ansteuer­ signalen für die Spannungsquellen ausgebildet. Die Einschalt­ zeiten der in den Spannungsquellen angeordneten Spannungs­ stelleinheiten werden von den Steuereinheiten durch Vergleich eines gemeinsamen Dreiecksignals mit einem Reglerausgangs­ signal bestimmt.

In einer in der DE 43 04 517 A1 genannten Ausführungsalterna­ tive sind mehrere Spannungsquellen vorgesehen, die zur Liefe­ rung einer Spitzenausgangsspannung beitragen. In diesem Fall können die Spannungsquellen zeitlich versetzt angesteuert werden, um die Welligkeit der Gesamtausgangsspannung zu ver­ ringern. Diese Lehre betrifft jedoch nicht eine zeitlich ver­ setzte Ansteuerung aller zur Ausgangsspannung beitragenden Grund- und Spitzenlastspannungsquellen.

Aus der DE 40 17 207 A1 ist eine Einrichtung zur Speisung ei­ nes Verbraucherzweipols bekannt, bei der mehrere Gleichspan­ nungs-Tiefsetzsteller nach dem Prinzip der Pulsweitenmodula­ tion angesteuert werden, wobei die einheitlich großen Takt­ perioden jeweils um 1/n der Periodendauer versetzt sind. Die Tiefsetzsteller weisen je ein einziges Schaltelement auf, um eine Gleichspannung fester Polarität zu schalten. Die Tief­ setzsteller sind ausgangsseitig in Reihe geschaltet und an einen Verbraucherzweipol, zum Beispiel ein Plasma-Magnetron, angeschlossen. Eine Anwendung für Gradientenverstärker ist nicht offenbart.

Insbesondere bei der kritischen Anwendung für bildgebende diagnostische Verfahren besteht nach wie vor das Problem der Filterung der Ausgangsspannung. Hierbei sind unterschiedliche Kriterien zu berücksichtigen. Vor allem ist es wünschenswert, daß die effektive Schaltfrequenz der Ausgangsspannung mög­ lichst hoch ist, um einen großen Abstand zum Frequenzbereich des Nutzstromes zu erzielen.

Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, einen Leistungsver­ stärker und ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für einen Leistungsverstärker bereitzustellen, durch die sich Schaltverstärker mit hoher Ausgangsspannung und hoher effek­ tiver Schaltfrequenz kostengünstig herstellen lassen. Vor­ zugsweise soll die Ausgangsspannung ferner gute Eigenschaften hinsichtlich der Filterung von Schalttaktsignalen oder Schaltflanken oder Störspannungen und -strömen haben, damit Störungen sonstiger Baugruppen vermieden werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merk­ malen des Anspruchs 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche be­ treffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung geht von der Grundidee aus, bei einem gattungs­ gemäßen Leistungsverstärker alle Endstufen mit gegeneinander versetzten Schaltsignalen anzusteuern. Durch diese Maßnahme vervielfachen sich sowohl die maximale Ausgangsspannung als auch die effektive Schaltfrequenz um einen Faktor, der im allgemeinen der Anzahl der Endstufen entspricht.

Durch die Erfindung können erstmals Leistungsverstärker mit hohen Schaltfrequenzen (50 kHz oder größer) und hohen Aus­ gangsspannungen (mehrere kV) kostengünstig hergestellt wer­ den. Das Preis-Leistungsverhältnis verbessert sich im Ver­ gleich zu bekannten Leistungsverstärkern erheblich, bei­ spielsweise um den Faktor 5. Der Grund dafür ist, daß die einzelnen Endstufen, aus denen der erfindungsgemäße Verstär­ ker zusammengeschaltet ist, keine besonders hohen Anforderun­ gen erfüllen müssen und deshalb überproportional kostengün­ stiger als eine einzige Hochleistungs-Endstufe sind. Bei­ spielsweise können die Vorteile preiswerter, aber relativ langsam schaltender Leistungstransistoren (zum Beispiel IGBTs - insulated gate bipolar transistors) ausgenutzt werden. Durch die niedrige Schaltfrequenz der einzelnen Endstufen entstehen überdies deutlich geringere Verluste.

Im Vergleich zu einem Leistungsverstärker mit einer einzigen Hochleistungs-Endstufe hat die Erfindung ferner den Vorteil, daß die steilflankigen Spannungssprünge, die bei jedem Schalttakt auf den Zuleitungen zur Last (beispielsweise einer Gradientenspule) auftreten, nur einen Bruchteil der Gesamt­ spannung ausmachen. Dadurch lassen sich auch diese Spannungs­ hübe leichter filtern, und elektromagnetische Störungen im Hochfrequenzbereich, die bildwirksam sein könnten, werden vermieden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die erhöhte ef­ fektive Schaltfrequenz der Ausgangsspannung auch zu einem schnelleren Ansprechen des Leistungsverstärkers auf eine zu verstärkende Eingangsspannung und damit zu einer geringeren Regelkreis-Verzögerung führt.

In bevorzugten Ausführungsformen ist eine ungerade Anzahl von Endstufen vorgesehen. Die Anzahl der Endstufen kann insbeson­ dere fünf betragen. Der Phasenwinkel der Endstufen-Schalt­ taktsignale beträgt vorzugsweise 360°/n oder 180°/n, wobei n die Anzahl der Endstufen ist. Bei einer ungeraden Endstufen­ zahl ist ein Phasenwinkel von 360°/n besonders bevorzugt.

Vorzugsweise erfolgt eine gleichmäßige Aufteilung der Gesamt­ belastung auf die einzelnen Endstufen. Die Endstufen können insbesondere zu gleichen Teilen und/oder in symmetrischer Weise zur Ausgangsspannung beitragen. Beispielsweise können die Endstufen so angesteuert werden, daß sie Spannungsimpulse gleicher Breite liefern. Bei einer nur langsam veränderlichen Eingangsspannung können die Ansteuerimpulse der Endstufen - bis auf den gewünschten zeitlichen Versatz - im wesentlichen identisch sein. In diesem Fall ist gewährleistet, daß sowohl beim Aufmagnetisieren einer induktiven Last als auch beim Abmagnetisieren die Energie symmetrisch aus allen Endstufen­ netzteilen entnommen beziehungsweise in diese zurückgespeist wird. Es sind dann keine Maßnahmen zur Energiesymmetrierung zwischen den Netzteilen erforderlich, und der Leistungsver­ stärker verhält sich als vollwertiger Vier-Quadrantensteller. Verändert sich die Eingangsspannung schnell, so kann kurzzei­ tig (innerhalb eines Schalttaktzyklus) eine unterschiedliche Belastung der Endstufen auftreten. Diese Unterschiede fallen jedoch nicht ins Gewicht, da sie sich im Durchschnitt gleich­ mäßig auf die Endstufen verteilen.

In bevorzugten Ansteuerverfahren für die Leistungs-Brücken­ schaltungen werden in jedem Zyklus des Endstufen-Schalttakts zwei Endstufen-Spannungssimpulse erzeugt, die von je einem Endstufen-Freilaufbetrieb getrennt sind. Die beiden Span­ nungsimpulse können je einem Diagonalbetrieb der Brücken­ schaltung entsprechen, und die beiden Freilaufbetriebe je einem Zustand der Brückenschaltung, in dem ein Laststrom ungehindert durch die Brücke fließen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise ebenfalls ge­ mäß den gerade beschriebenen oder entsprechenden Merkmalen weitergebildet.

Besonders in den gerade beschriebenen bevorzugten Weiterbil­ dungen der Erfindung können neben den Endstufen und der Last weitere Baugruppen des Leistungsverstärkers im Lastkreis vor­ gesehen sein, zum Beispiel Booster, Resonanzschaltungen, li­ neare Endstufen oder schaltbare Spannungsquellen. Somit wird das Merkmal, daß sich die Ausgangsspannung des Leistungsver­ stärkers als Summe der Endstufenspannungen ergibt, insbeson­ dere bei weitergebildeten Ansteuerverfahren nicht als wesent­ liches Merkmal der Erfindung betrachtet.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen genauer erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungsver­ stärkers,

Fig. 2a bis Fig. 2e Spannungsverlaufskurven beim Betrieb des Leistungsverstärkers mit unterschiedlichen Aussteuerungsgraden,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Leistungsverstär­ kers mit fünf Endstufen,

Fig. 4a und Fig. 4b Spannungs- und Stromverlaufskurven beim Betrieb des Leistungsverstärkers von Fig. 3 mit unterschiedlichen Ansteuerverfah­ ren,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Leistungsverstär­ kers mit vier Endstufen, und

Fig. 6a bis Fig. 6c Spannungs- und Stromverlaufskurven beim Betrieb des Leistungsverstärkers von Fig. 5 mit unterschiedlichen Ansteuerverfah­ ren.

Der in Fig. 1 dargestellte Leistungsverstärker ist als Gra­ dientenverstärker eines Kernspintomographen ausgebildet. Er weist mehrere Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.n auf, die aus­ gangsseitig in Reihe geschaltet und mit einer als Gradienten­ spule ausgestalteten Last 12 verbunden sind. Die Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.n erzeugen Endstufenspannungen U_E1, U_E2, . . . U_En, als deren Summe sich die an der Last 12 anliegende Ausgangsspannung U_A des Leistungsverstärkers ergibt. Es gilt also U_A = U_E1 + U_E2 + . . . + U_En. Bei einer zu erzielenden maxi­ malen Ausgangsspannung U_A von etwa 2000 V und einer sinnvol­ len Endstufenspannung von einigen hundert Volt beträgt die Anzahl n der Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.n typischerweise vier, fünf oder sechs. Im hier beschriebenen Ausführungsbei­ spiel ist n = 5. In Ausführungsalternativen sind andere Werte vorgesehen.

Jede der Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.n weist in an sich be­ kannter Weise eine Leistungs-Brückenschaltung 14.1, 14.2, . . ., 14.n auf, die von je einem Netzteil 16.1, 16.2, . . ., 16.n mit einer potentialfreien Zwischenkreisspannung versorgt wird. Ferner ist je ein Pufferkondensator 18.1, 18.2, . . ., 18.n zum Glätten der Zwischenkreisspannungen vorgesehen.

Die Leistungs-Brückenschaltung 14.1 der Endstufe 10.1 weist vier Schaltelemente 20.1, 22.1, 24.1, 26.1 auf, die zum Bei­ spiel als IGBTs mit integrierten Freilaufdioden ausgestaltet sein können. Je zwei Schaltelemente 20.1, 22.1 und 24.1, 26.1 sind in Reihe geschaltet, um je einen Brückenzweig zwischen den beiden Polen der Zwischenkreisspannung zu bilden. Am Brückenquerzweig wird die Endstufenspannung U_E1 abgegriffen. Den Schaltelementen 20.1, 22.1, 24.1, 26.1 ist je ein Treiber 28.1, 30.1, 32.1, 34.1 zugeordnet. Die Treiber 28.1, 30.1, 32.1, 34.1 werden angesteuert von einer allen Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.n gemeinsamen Steuerschaltung, die pulsweiten­ modulierte Steuersignale für alle Schaltelemente bereit­ stellt. Die Steuerschaltung kann entweder als einheitliche Baugruppe oder in mehreren Modulen aufgebaut sein, von denen je eines jeder Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.n zugeordnet ist.

Die weiteren Endstufen 10.2, . . ., 10.n sind ebenso wie die Endstufe 10.1 mit Schaltelementen 20.2, 22.2, 24.2, 26.2; . . .; 20.n, 22.n, 24.n, 26.n und Treibern 28.2, 30.2, 32.2, 34.2; . . .; 28.n, 30.n, 32.n, 34.n aufgebaut.

Beim Betrieb des Leistungsverstärkers werden die Leistungs- Brückenschaltungen 14.1, 14.2, . . ., 14.n nach an sich bekann­ ten Pulsweitenmodulationsverfahren angesteuert. Prinzipiell ist hierfür eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren ein­ setzbar. Bevorzugt werden jedoch Modulationsverfahren verwen­ det, wie sie in der DE 34 38 034 A1 und der DE 40 24 160 A1 ausführlich beschrieben sind. Auf ein besonders bevorzugtes Verfahren wird unten noch genauer eingegangen. Hinsichtlich der Modulationsverfahren wird die Offenbarung der genannten Schriften ausdrücklich in die vorliegende Anmeldung einbezo­ gen.

Grundlegend für die Erfindung ist, daß die der Pulsweiten­ modulation zugrundeliegenden Schalttakte gegeneinander auf eine Weise versetzt sind, die zu einer Vervielfachung der effektiven Schalttaktfrequenz der Ausgangsspannung U_A im Ver­ gleich zu den Schalttakten der einzelnen Endstufenspannungen U_E1, U_E2, . . ., U_En führt. Überdies werden durch diese Auf­ teilung große Spannungssprünge in der Ausgangsspannung U_A vermieden. Diese Effekte sind in Fig. 2a bis Fig. 2e für den Fall eines fünf Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.5 aufweisenden Leistungsverstärkers beispielhaft dargestellt.

Bei dem den Fig. 2a bis Fig. 2e zugrundeliegenden Modula­ tionsverfahren erzeugt jede Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5 in jedem Schalttakt zwei Spannungsimpulse, die zueinander einen Phasenwinkel von 180° aufweisen und von je einem Freilauf­ betrieb getrennt sind. Während des Freilaufbetriebs befindet sich die Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5 in einem für den Stromfluß im Lastkreis leitenden Zustand. Der Freilaufbetrieb ist in Fig. 2a bis Fig. 2e durch einen niedrigen Pegel der Endstufenspannungen U_E1, U_E2, . . ., U_En dargestellt. Die Schalt­ takte der Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.5 sind um 180°/5 = 36° gegeneinander versetzt. Die Schaltfrequenz jeder Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5 beträgt 10 kHz, und die Schaltfrequenz der Ausgangsspannung U_A beträgt stets 50 kHz. Abgesehen von dem zeitlichen Versatz und von Änderungen der Impulsbreite, die durch einen sich während des zeitlichen Versatzes ändern­ den Eingangsspannungspegel des Leistungsverstärkers hervorge­ rufen werden, wird jede Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5 mit identischen Schaltsignalen angesteuert. Daher erzeugt jede Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5 Spannungsimpulse im wesentli­ chen gleicher Breite, und die Gesamtbelastung verteilt sich in allen Betriebszuständen gleichmäßig auf alle Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.5, ohne daß aufwendige Energiesymmetrie­ rungsmaßnahmen erforderlich wären.

Fig. 2a zeigt Verlaufskurven der Endstufenspannungen U_E1, U_E2, . . ., U_E5 bei geringer Aussteuerung des Leistungsverstärkers. Die von den Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.5 erzeugten, rela­ tiv kurzen Spannungsimpulse wechseln in der Ausgangsspannung U_A einander ohne Überlappung ab. In der Summe ergibt sich so­ mit die gewünschte Verfünffachung der Frequenz bei einer Aus­ gangsspannung U_A, die maximal dem Betrag einer Endstufenspan­ nung U_E1, U_E2, . . ., U_E5 entspricht.

In Fig. 2b ist eine etwas größere Aussteuerung des Leistungs­ verstärkers dargestellt. Die Spannungsimpulse einer Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5 überlappen sich hier mit denen der in der Schalttaktreihenfolge nachfolgenden Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5. Die Ausgangsspannung U_A beträgt nun maximal das Doppelte der Endstufenspannung U_E1, U_E2, . . ., U_E5. Die hohe Schalttaktfrequenz in der Ausgangsspannung U_A bleibt erhal­ ten. Auch hier variiert die Ausgangsspannung U_A nur um den Betrag einer maximalen Endstufenspannung U_E1, U_E2, . . ., U_E5.

Fig. 2c und Fig. 2d zeigen weiter erhöhte Aussteuerungspegel des Leistungsverstärkers. Die Breite der Endstufen-Spannungs­ impulse liegt in Fig. 2c zwischen 2/5.180° und 3/5.180° und in Fig. 2d zwischen 3/5.180° und 4/5.180°. Die mitt­ lere Ausgangsspannung U_A beträgt einen entsprechenden Bruch­ teil der maximal erreichbaren fünffachen Endstufenspannung.

In Fig. 2e ist die mögliche Vollaussteuerung des Leistungs­ verstärkers nahezu erreicht. Die hohe Schaltfrequenz und die relativ geringen Spannungssprünge der Ausgangsspannung U_A sind nach wie vor vorhanden.

Im folgenden werden die Eigenschaften eines Modulationsver­ fahrens genauer beschrieben, bei dem jeder Zyklus des Endstu­ fen-Schalttakts in vier Abschnitte aufgeteilt ist. In diesen Abschnitten nimmt die Endstufe vier Betriebszustände ein, und zwar zwei Freilauf-Betriebszustände (oberer und unterer Frei­ laufbetrieb) und zwei Diagonal-Betriebszustände. Diese vier Betriebszustände werden im folgenden am Beispiel der in Fig. 1 gezeigten Endstufe 10.1 erläutert.

Im oberen Freilaufbetrieb leiten die Schaltelemente 20.1 und 24.1 (entweder durch aktive Ansteuerung oder wegen der inte­ grierten Freilaufdioden). Der durch die Endstufe 10.1 führen­ de Stromweg ist somit mit dem positiven Pol des Netzteils 16.1 gekoppelt. Entsprechend leiten im unteren Freilaufbe­ trieb die Schaltelemente 22.1 und 26.1, so daß der Stromweg durch die Endstufe 10.1 mit dem Minuspol des Netzteils 16.1 verbunden ist. Der erste Diagonalbetrieb erfolgt beim Über­ gang von dem oberen in den unteren Freilaufbetrieb und wird deshalb als "fallender Diagonalbetrieb" bezeichnet. Hier lei­ ten, je nach der gewünschten Stromänderung im Lastkreis, ent­ weder die Schaltelemente 20.1 und 26.1 oder die Schaltelemen­ te 22.1 und 24.1. Dasselbe gilt für den zweiten Diagonalbe­ trieb, der beim Übergang von dem unteren in den oberen Frei­ laufbetrieb erfolgt und deshalb als "steigender Diagonalbe­ trieb" bezeichnet wird. Die Stromänderungsgeschwindigkeit im Lastkreis wird durch die Dauer des steigenden und fallenden Diagonalbetriebs bestimmt. Bei jedem Diagonalbetrieb, also zweimal pro Schalttaktzyklus, erzeugt die Endstufe 10.1 einen Spannungsimpuls der Endstufenspannung U_E1. Entsprechendes gilt für die anderen Endstufen 10.2, . . ., 10.n des Leistungs­ verstärkers.

In Abwandlungen dieses Verfahrens können in den einzelnen Be­ triebszuständen einer Endstufe zusätzlich zu den oben genann­ ten Schaltelementen weitere Schaltelemente angesteuert wer­ den. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt die Modulation der Endstufen gemäß der bereits erwähnten DE 40 24 160 A1. Hier werden bei jeder Richtung des Laststro­ mes zwei in der Leistungs-Brückenschaltung diagonal gegen­ überliegende Schaltelemente periodisch getaktet, und zusätz­ lich werden jeweils zwei in der Brückenschaltung in Reihe liegende Schaltelemente in Gegenphase getaktet. Durch dieses Ansteuerungsverfahren ergeben sich günstige Eigenschaften bei einem Stromrichtungswechsel im Lastkreis und bei sehr kleinen Pulsbreiten.

In Fig. 3 ist nochmals der an die Last 12 angeschlossene Lei­ stungsverstärker mit fünf wie in Fig. 1 aufgebauten Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.5 schematisch dargestellt. Ferner sind in Fig. 3 Kapazitäten 36.1, 36.2, . . ., 36.5 eingezeichnet, um die Koppelkapazitäten zwischen jeder Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5 einerseits und Masse beziehungsweise Erde bezie­ hungsweise anderen Bauteilen des Tomographen andererseits zu veranschaulichen. Ferner ist durch eine Kapazität 38 die (erheblich größere) Koppelkapazität der als Gradientenspule ausgebildeten Last 12 angedeutet.

Fig. 4a zeigt den Leistungsverstärker von Fig. 3 in demselben Betriebszustand und mit demselben Ansteuerverfahren wie in Fig. 2a, also bei geringer Aussteuerung und einem Versatz der Endstufen-Schalttakte von 180°/5 = 36°. Die fünf Kurven S_E1, S_E2, . . ., S_E5 stellen die Spannungspotentiale an den Ausgangs­ anschlüssen je einer Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5 dar.

So befindet sich die Endstufe 10.1 (Spannungspotentialkurve S_E1) zunächst im oberen Freilaufbetrieb. Die Schaltelemente 20.1 und 24.1 leiten, so daß beide Ausgangsanschlüsse der Endstufe 10.1 mit dem Pluspol des Endstufennetzteils 16.1 verbunden sind und ein hohes Spannungspotential aufweisen. Im Phasenwinkelbereich um 0° wechselt eine Seite der Brücke auf Minuspotential, während die andere Seite weiterhin auf hohem Potential liegt. Dieser fallende Diagonalbetrieb ist durch die Doppelkontur der Spannungspotentialkurve S_E1 dargestellt. Es folgt der untere Freilaufbetrieb, in dem die Schaltelemen­ te 22.1 und 26.1 leiten und somit beide Ausgangsanschlüsse das Potential der negativen Zwischenkreisspannung aufweisen. Im Bereich um 180° wechseln die beiden Brückenseiten nachein­ ander auf das hohe Potential. Der zeitliche Versatz zwischen dem "Umspringen" der beiden Brückenseiten entspricht der Dau­ er des steigenden Diagonalbetriebs. Nach dem Wechsel beider Brückenseiten ist wieder der obere Freilaufbetrieb erreicht.

Die Ausgangsspannungskurve U_A in Fig. 4a ist identisch mit der in Fig. 2a gezeigten. Die unterste Kurve in Fig. 4a gibt den Gleichtaktladestrom I_GTL an, der aufgrund der Koppelkapa­ zitäten 36.1, 36.2, . . ., 36.5 und 38 bei jedem Potentialwech­ sel durch die zwischen dem Leistungsverstärker und der Last 12 verlaufenden Leitungen fließt. Durch die negativen Poten­ tialwechsel eines fallenden Diagonalbetriebs wird ein negati­ ver Gleichtaktladestromimpuls hervorgerufen, und umgekehrt entsteht bei einem steigenden Diagonalbetrieb ein positiver Stromimpuls. Der Gleichtaktladestrom I_GTL überlagert den Nutz­ strom und kann zu bildwirksamen Störungen führen. Daher ist es wünschenswert, das Ansteuerverfahren so zu wählen, daß der Gleichtaktladestrom minimiert wird oder zumindest eine Strom­ verlaufsform aufweist, die gut gefiltert werden kann.

Bei dem in Fig. 4a gezeigten Ansteuerverfahren mit einem Schalttaktversatz von 36° wechseln Blöcke von je fünf fallen­ den und steigenden Diagonalbetrieben einander ab. Dementspre­ chend weist der Gleichtaktladestrom I_GTL jeweils fünf Impulse gleicher Polarität in Folge auf. Der Gleichtaktladestrom I_GTL beinhaltet somit als Grundschwingung die Schaltfrequenz der Endstufen 10.1, 10.2, . . ., 10.5. Dadurch ist eine effektive Filterung erschwert.

In Fig. 4b ist ein alternatives Ansteuerverfahren darge­ stellt, bei dem der Schalttaktversatz 360° geteilt durch die Anzahl der Endstufen beträgt. Im vorliegenden Fall sind dies 360°/5 = 72°. Dieser Versatz der Endstufen-Schaltsignale be­ wirkt ebenfalls eine Erhöhung der effektiven Schaltfrequenz der Ausgangsspannung U_E und eine Verringerung der Spannungs­ sprünge in der Ausgangsspannung U_E um jeweils den Faktor fünf. Hinsichtlich dieser Eigenschaften ist das Ansteuerver­ fahren also optimal. Überdies sind die Impulse des Gleich­ taktladestroms I_GTL zwischen der Last 12 und dem Leistungsver­ stärker streng abwechselnd positiv und negativ. Die Grundfre­ quenz des Gleichtaktladestroms I_GTL beträgt somit das Fünffa­ che der Schaltfrequenz einer Endstufe 10.1, 10.2, . . ., 10.5. Dadurch läßt sich dieser Strom leicht und weitgehend aus dem gesamten Stromfluß von und zu der Last 12 ausfiltern.

In Fig. 5 ist ein Leistungsverstärker ähnlich wie der in Fig. 3 gezeigt, bei dem jedoch nur vier Endstufen 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 vorgesehen sind.

Fig. 6a stellt die Eigenschaften des Verstärkers von Fig. 5 bei einem Ansteuerverfahren wie in Fig. 4a dar. Die Schalt­ takte der Endstufen 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 sind hierbei um 180°/4 = 45° gegeneinander versetzt. Es ergeben sich dadurch die bereits in Zusammenhang mit Fig. 4a beschriebenen Vor- und Nachteile, nämlich eine Erhöhung der effektiven Schalt­ frequenz und eine Verminderung der Spannungssprünge in der Ausgangsspannung U_A, aber eine ungünstige Filterbarkeit des Gleichtaktladestroms I_GTL.

In Fig. 6b beträgt der Versatz der Endstufen-Schalttakte 90°, also 360° geteilt durch die Anzahl der Endstufen 10.1, 10.2, 10.3, 10.4. Die Gleichtaktstörungen heben sich hierbei exakt auf, da stets zwei Brücken gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung schalten. Die effektive Taktfrequenz der Ausgangs­ spannung U_A ist jedoch nicht vervierfacht, sondern nur ver­ doppelt. Auch die Spannungssprünge der Ausgangsspannung U_A sind relativ hoch, nämlich gleich der doppelten Betriebs­ spannung einer Endstufe 10.1, 10.2, 10.3, 10.4. Die beiden letztgenannten Eigenschaften erschweren die Filterbarkeit der Ausgangsspannung U_A.

Fig. 6c zeigt schließlich ein Ansteuerverfahren, bei dem der Versatz zwischen den Endstufen-Schalttakten, ebenso wie in Fig. 6a, 45° beträgt. Die Leistungs-Brückenschaltungen 14.2 und 14.4 der zweiten und vierten Endstufe 10.2 und 10.4 wer­ den hierbei jedoch invertiert angesteuert. Gegenüber der Dar­ stellung in Fig. 5 sind die Ausgangsanschlüsse dieser beiden Endstufen 10.2 und 10.4 vertauscht, um eine unveränderte Ausgangsspannung U_A zu erhalten. Bei diesem Ansteuerverfahren weist die Ausgangsspannung U_A bezüglich der Schaltfrequenz und des Spannungshubes optimale Werte auf. Die Impulse des Gleichtaktladestroms I_GTL wechseln sich in ihrer Richtung innerhalb einer Halbperiode (Phasenwinkel 180°) ab. Nach je­ der Halbperiode tritt jedoch ein Phasensprung von 45° auf, der wiederum die Filterung dieser Störströme erschwert.

Die oben beschriebenen unterschiedlichen Parameter des An­ steuerverfahrens (Anzahl der Endstufen, Versatz, Invertierung einzelner Signale, . . .) können in weiteren Ausführungsalter­ nativen anders kombiniert werden, um weitere Varianten zu er­ halten. Gegenwärtig erachten die Erfinder einen Leistungsver­ stärker mit einer ungeraden Anzahl von Endstufen, insbesonde­ re fünf Endstufen, und einem Versatz von 360° geteilt durch die Anzahl der Endstufen als den besten Weg zum Ausführen der Erfindung.

Claims (12)

1. Leistungsverstärker, insbesondere Gradientenverstärker ei­ nes Kernspintomographen, mit mindestens zwei ausgangsseitig in Reihe geschalteten Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n), die je eine Leistungs-Brückenschaltung (14.1, 14.2, . . ., 14.n) aufweisen, um je eine Endstufenspannung (U_E1, U_E2, . . ., U_En) durch Pulsweitenmodulation gemäß je einem Endstufen-Schalt­ takt zu erzeugen, wobei sich eine Ausgangsspannung (U_A) des Leistungsverstärkers als Summe der Endstufenspannungen (U_E1, U_E2, . . ., U_En) ergibt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endstufen-Schalttakte der End­ stufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) gegeneinander versetzt sind, um die effektive Schaltfrequenz der Ausgangsspannung (U_A) zu erhöhen.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl (n) der Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) ungerade ist und vorzugs­ weise fünf beträgt.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) zu gleichen Teilen und/oder in symmetrischer Weise zur Ausgangsspannung (U_A) beitragen.

4. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufen-Schalttakte um einen Phasenwinkel von 360° geteilt durch die Anzahl (n) der Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) gegeneinander versetzt sind.

5. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Endstufe (10.1, 10.2, . . ., 10.n) in jedem Zyklus des Endstu­ fen-Schalttakts zwei Endstufen-Spannungsimpulse erzeugt, die von je einem Endstufen-Freilaufbetrieb getrennt sind.

6. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Endstufe (10.1, 10.2, . . ., 10.n) in jedem Zyklus des Endstufen-Schalttakts ein erster Diagonalbetrieb, ein unterer Freilaufbetrieb, ein zweiter Diagonalbetrieb und ein oberer Freilaufbetrieb erfolgen.

7. Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für einen Lei­ stungsverstärker, insbesondere einen Gradientenverstärker ei­ nes Kernspintomographen, bei dem Leistungs-Brückenschaltungen (14.1, 14.2, . . ., 14.n) von mindestens zwei ausgangsseitig in Reihe geschalteten Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) durch Pulsweitenmodulation gemäß je einem Endstufen-Schalttakt an­ gesteuert werden, um je eine Endstufenspannung (U_E1, U_E2, . . ., U_En) zu erzeugen, wobei sich eine Ausgangsspannung (U_A) des Leistungsverstärkers als Summe der Endstufenspannungen (U_E1, U_E2, . . ., U_En) ergibt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endstufen-Schalttakte der Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) gegeneinander versetzt sind, um die effektive Schaltfrequenz der Ausgangsspannung (U_A) zu erhöhen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anzahl (n) der Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) ungerade ist und vorzugsweise fünf beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) zu gleichen Teilen und/oder in symmetrischer Weise zur Ausgangsspannung (U_A) beitragen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Endstufen-Schalttakte um einen Phasenwinkel von 360° geteilt durch die Anzahl (n) der Endstufen (10.1, 10.2, . . ., 10.n) gegeneinander versetzt sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß jede Endstufe (10.1, 10.2, . . ., 10.n) in jedem Zyklus des Endstu­ fen-Schalttakts zwei Endstufen-Spannungssimpulse erzeugt, die von je einem Endstufen-Freilaufbetrieb getrennt sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß jede Endstufe (10.1, 10.2, . . ., 10.n) in jedem Zyklus des Endstu­ fen-Schalttakts einen ersten Diagonalbetrieb, einen unteren Freilaufbetrieb, einen zweiten Diagonalbetrieb und einen obe­ ren Freilaufbetrieb ausführt.