DE19841422A1

DE19841422A1 - Thermic stress supervision for final power stage

Info

Publication number: DE19841422A1
Application number: DE1998141422
Authority: DE
Inventors: Peter Schweighofer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-03-16

Abstract

The method includes the steps of modelling the thermic stress of the final power stage (12) in dependence on its operating data (I, SX, R), determining at least one stress value (L) in response to the modeled thermic stress, and comparing the stress value with a threshold value (T). The stress value and/or the threshold value is determined in dependence on at least one measured temperature of the final power stage, whereby at higher final power stage temperature, the threshold value is reduced and/or the stress value increased. When modelling the thermic stress of the final power stage, temperature changes are preferably considered, which result more quickly, as they are determined through the measurement of the final stage temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Schritten des Oberbegriffes von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 10.The invention relates to a method with the steps of The preamble of claim 1 and a device with the Features of the preamble of claim 10.

Das Verfahren und die Vorrichtung sind zur Überwachung der thermischen Belastung einer Leistungsendstufe, insbesondere einer Schaltendstufe, vorgesehen. Besonders eignen sich das Verfahren und die Vorrichtung zur Verwendung bei einer Schaltendstufe eines Gradientenverstärkers für einen Kern spintomographen. Das Verfahren und die Vorrichtung sind je doch auch bei anderen Leistungsendstufen, zum Beispiel in Vorrichtungen zur induktiven Erwärmung, einsetzbar.The method and the device are used to monitor the thermal load of a power output stage, in particular a switching amplifier. This is particularly suitable Method and apparatus for use in a Switching amplifier of a gradient amplifier for a core spin tomograph. The method and the device are each but also with other power stages, for example in Devices for inductive heating, can be used.

Beim Betrieb eines Kernspintomographen werden magnetische Feldgradienten von Gradientenspulen erzeugt. Jede Gradienten spule wird von einem Gradientenstrom durchflossen, der in ei ner vorab festgelegten Stromkurvenform Werte bis zu mehreren hundert Ampere erreichen kann. Die Stromkurvenform muß mit einer Genauigkeit von wenigen Milliampere eingehalten werden. Um die ferner erforderlichen hohen Stromänderungsgeschwindig keiten zu erreichen, müssen Spannungen mit bis zu mehreren hundert oder bis zu mehreren tausend Volt an die Gradienten spule angelegt werden. Diese Spannungen werden von einem Gra dientenverstärker erzeugt.When operating a magnetic resonance scanner, magnetic Field gradients generated by gradient coils. Any gradient A gradient current flows through the coil up to several values in a predetermined current waveform can reach a hundred amps. The current curve shape must also with an accuracy of a few milliamps. To speed the high current change required To achieve this, tensions with up to several a hundred or up to several thousand volts to the gradients coil are created. A Gra service amplifier generated.

Gradientenverstärker, die die gerade geschilderten hohen Lei stungs- und Genauigkeitsanforderungen erfüllen, sind aufwen dig und teuer. Sie sind im Regelfall als Leistungsverstärker mit einer oder mehreren Schaltendstufen ausgebildet. Jede Schaltendstufe weist typischerweise vier Halbleiter-Schalt elemente in einer H-Brückenanordnung auf. Um eine unwirt schaftliche Überdimensionierung der Schaltendstufen zu ver meiden, wird beim Betrieb des Gradientenverstärkers die Lei stungsfähigkeit der Schaltelemente möglichst weitgehend aus genutzt. Es ist daher erforderlich, die Schaltelemente und sonstige Bauteile des Gradientenverstärkers hinsichtlich ihrer thermischen Belastung zu überwachen, um eine unzulässig hohe Bauteiltemperatur zu vermeiden.Gradient amplifier, the high lei just described Performance and accuracy requirements are involved dig and expensive. They are usually used as a power amplifier trained with one or more switching amplifiers. Each Switching output stage typically has four semiconductor switching elements in an H-bridge arrangement. To be an unwirt economic oversizing of the switching amplifiers avoid the Lei when operating the gradient amplifier Stability of the switching elements as much as possible used. It is therefore necessary to switch and other components of the gradient amplifier with regard monitor their thermal load to make an impermissible to avoid high component temperature.

Aus der DE 196 40 361 A1 sind ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Chiptemperaturüber wachung bekannt. Bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung wird die thermische Belastung jedes Schaltelements der End stufe modelliert, indem dessen augenblickliche Verlustlei stung durch ein analoges Netzwerk nachgebildet wird. Eine dreistufige thermische Ersatzschaltung modelliert die Wärme kapazitäten des Schaltelementchips, des Chipgehäuses und des Kühlkörpers sowie die Wärmewiderstände zwischen diesen Bau teilen. Als Ausgabe liefert die Ersatzschaltung einen Schätz wert für die Chiptemperatur. Dieser geschätzte Belastungswert wird mit einem konstanten Schwellwert verglichen, der die maximal zulässige Chiptemperatur angibt. Bei Überschreiten des Schwellwerts wird ein Fehlersignal generiert.DE 196 40 361 A1 describes a generic method and a generic device for chip temperature over watch known. With this method and device the thermal load of each switching element is the end level modeled by its instantaneous loss is simulated by an analog network. A three-stage thermal equivalent circuit models the heat Capacities of the switching element chip, the chip housing and the Heatsink as well as the thermal resistances between this construction divide. The equivalent circuit provides an estimate as output worth the chip temperature. This estimated exposure value is compared with a constant threshold value, which is the specifies the maximum permissible chip temperature. If exceeded an error signal is generated of the threshold value.

Diese bekannte Lösung erfordert eine genaue Nachbildung der thermischen Eigenschaften der Endstufe. Der technische Auf wand für diese genaue Nachbildung, insbesondere für die drei stufige thermische Ersatzschaltung und für die Ermittlung der in Wärme umgesetzten Verluste in jedem Betriebszustand, ist hoch. Überdies muß jedes Schaltelement einzeln überwacht wer den, so daß der Aufwand linear mit der Anzahl der Schaltele mente ansteigt. Wegen der hohen Zeitkonstanten bei der Küh lung eines Gradientenverstärkers werden für die thermische Ersatzschaltung, die als Kondensator-Widerstands-Netzwerk aufgebaut ist, hochohmige Widerstände verwendet. Die Schal tung ist somit störanfällig und muß in aufwendiger Weise ge gen Störimpulse des Leistungsverstärkers abgeschirmt werden. This known solution requires an exact replica of the thermal properties of the output stage. The technical up wall for this exact replica, especially for the three stage thermal equivalent circuit and for determining the losses converted into heat in any operating state high. In addition, each switching element must be monitored individually the, so that the effort is linear with the number of Schaltele ment increases. Because of the high time constants at the Küh gradient amplifier for thermal Equivalent circuit that acts as a capacitor-resistor network is built up, high-resistance resistors are used. The scarf tion is therefore prone to failure and must be ge in a complex manner against interference pulses from the power amplifier.

Um die thermischen Eigenschaften der Endstufe möglichst genau zu modellieren, ist eine aufwendige Anpassung der Ersatz schaltung erforderlich. Eine Änderung der technischen Daten der Schaltelemente erfordert jedenfalls eine Bestückungsände rung der Ersatzschaltung. Eine Anpassung der Ersatzschaltung an Streuungen im Fertigungsprozeß und individuelle Bauteilab weichungen ist jedoch kaum praktikabel. Daher müssen Unge nauigkeiten bei der Temperaturschätzung in Kauf genommen wer den, die eine optimale Auslastung der Schaltelemente verhin dern. Ferner gehen temporäre Abweichungen während des Be triebs des Leistungsverstärkers, beispielsweise Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Strömungsgeschwindigkeit eines Kühlmediums, nicht in die Modellierung ein.To the thermal properties of the output stage as precisely as possible Modeling is a complex adaptation of the replacement circuit required. A change in the technical data the switching elements in any case requires a change of assembly equivalent circuit. An adaptation of the equivalent circuit on scatter in the manufacturing process and individual components However, softening is hardly practical. Therefore Unge who tolerated inaccuracies in the temperature estimation the one that prevents optimal utilization of the switching elements other. There are also temporary deviations during loading drive of the power amplifier, for example changes the ambient temperature or the flow rate of a cooling medium, not in the modeling.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Probleme des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung der thermischen Belastung einer Leistungsendstufe bereitzustellen, die mit möglichst geringem Aufwand eine exakte Überwachung ermöglichen. Insbesondere soll durch die Erfindung ferner eine flexible und auch bei außergewöhnlichen Betriebsbedingungen zuverlässige Tempera turüberwachung bereitgestellt werden.The invention has the task of solving the problems mentioned Avoid prior art and a method and a Device for monitoring the thermal load on a To provide power output stage with the lowest possible Exact monitoring enables effort. In particular is also intended to be flexible and also by the invention exceptional operating conditions reliable tempera door monitoring can be provided.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.According to the invention, this object is achieved by a method the features of claim 1 and a device with the Features of claim 10 solved. The dependent claims relate to preferred embodiments of the invention.

Die Erfindung geht von der Grundidee aus, zusätzlich zu der Modellierung der Endstufenbelastung mindestens eine an geeig neter Stelle gemessene Endstufentemperatur in die Überwachung einfließen zu lassen. Eine höhere gemessene Temperatur deutet dabei auf das Vorliegen einer Endstufenüberlastung hin, so daß der Schwellwert für den durch die Modellierung ermittel ten Belastungswert abgesenkt wird. Eine äquivalente Wirkung wird erfindungsgemäß durch eine Korrektur des Belastungswerts nach oben erreicht. The invention is based on the basic idea, in addition to Model the output stage load at least one appropriately The final stage temperature measured in the monitoring to flow in. A higher measured temperature indicates thereby the presence of a power amplifier overload, so that the threshold for that determined by the modeling th load value is reduced. An equivalent effect according to the invention by correcting the load value reached upwards.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden Fehler bei der Mo dellierung der thermischen Endstufeneigenschaften selbständig ausgeglichen. Es sind daher nur erheblich geringere Genauig keitsanforderungen für die Modellierung einzuhalten, so daß entsprechend weniger Aufwand erforderlich ist. Ein Abgleich im Hinblick auf mögliche Bauteilstreuungen braucht nicht zu erfolgen. Ferner werden temporäre Störungen, beispielsweise Unterbrechungen der Kühlmittelzufuhr, durch die Temperatur messung automatisch erkannt und angezeigt.The solution according to the invention eliminates errors in the Mo dellation of the thermal output stage properties independently balanced. It is therefore only considerably less accurate compliance requirements for the modeling, so that accordingly less effort is required. A comparison with regard to possible component scatter does not need to respectively. Furthermore, temporary disturbances, for example Coolant supply interruptions due to temperature measurement automatically recognized and displayed.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dient die Mo dellierung der thermischen Belastung hauptsächlich zum Erken nen kurzzeitiger Überlastzustände. Dies kann insbesondere die Überhitzung eines einzelnen Halbleiterchips sein. Wegen der geringen Wärmekapazität eines Chips kann dieser thermisch zerstört werden, noch bevor eine Temperaturerhöhung des Ge häuses oder Kühlkörpers meßbar ist.In preferred embodiments of the invention, the Mo dellation of the thermal load mainly for detection short-term overload conditions. This can be particularly the case Overheating of a single semiconductor chip. Because of the The low thermal capacity of a chip can cause it to thermally be destroyed even before the temperature of the Ge housing or heat sink is measurable.

Die Temperaturmessung erfaßt dagegen vorzugsweise die abso lute Temperatur an einer oder mehreren geeigneten Stellen der Endstufe in einem langsameren zeitlichen Maßstab. Insbesonde re kann die Temperatur eines Kühlkörpers für einen oder meh rere Leistungshalbleiter oder die Gehäusetemperatur eines oder mehrerer Leistungshalbleiter gemessen werden. Somit er folgt in bevorzugten Ausführungsformen die Überwachung hin sichtlich schneller Temperaturänderungen durch die Modellie rung und die Überwachung hinsichtlich langsamer Vorgänge durch die Temperaturmessung.The temperature measurement, however, preferably records the abso lute temperature in one or more suitable places of the Power amp on a slower time scale. In particular re can be the temperature of a heat sink for one or more rere power semiconductors or the housing temperature of a or several power semiconductors can be measured. So he monitoring follows in preferred embodiments Visibly faster temperature changes through the model and monitoring for slow processes through the temperature measurement.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen zumin dest ein Teil des Überwachungsvorgangs durch eine digitale Schaltung ausgeführt wird. Insbesondere können die Funktionen der Temperaturüberwachung ganz oder teilweise durch geeignete Programmodule eines Digitalprozessors, zum Beispiel eines Mikrocontrollers oder eines digitalen Signalprozessors (DSP), ausgeführt werden. Eine derartige Implementierung durch eine digitale Schaltung oder durch ein Programmodul ist stör unempfindlich und erlaubt eine einfache Variation der Verfah rensparameter. So kann beispielsweise bei der Wartung des Leistungsverstärkers eine neue Softwareversion eingespielt werden, oder die einzelnen Verfahrensparameter können durch einfaches Umprogrammieren eines Speicherbausteins geändert werden.Embodiments in which at least least part of the surveillance process by a digital Circuit is running. In particular, the functions temperature monitoring in whole or in part by suitable Program modules of a digital processor, for example one Microcontroller or a digital signal processor (DSP), be carried out. Such an implementation by digital circuit or through a program module is disruptive insensitive and allows a simple variation of the procedure rens parameters. For example, when maintaining the Power amplifier imported a new software version be, or the individual process parameters can by simple reprogramming of a memory chip changed become.

Durch eine programmbasierte Implementierung können viele unterschiedliche Berechnungsfunktionen bei der Ermittlung des Belastungswertes bzw. des Schwellwertes ausgeführt werden, die sich nur schwer als Analogschaltung verwirklichen ließen. Ferner kann der Prozessor mehrere Überwachungsprogramme ver zahnt oder quasi-parallel ausführen. Dadurch läßt sich mit einem einzigen Prozessor eine Vielzahl von Schaltelementen individuell überwachen.With a program-based implementation, many can different calculation functions when determining the Load value or the threshold value are carried out, which were difficult to implement as an analog circuit. Furthermore, the processor can ver several monitoring programs toothed or quasi-parallel. This allows you to a large number of switching elements in a single processor monitor individually.

Bevorzugt wird das digitale Berechnungsverfahren bei der Er mittlung des Belastungswertes und/oder des Schwellwerts ein gesetzt. In beiden Fällen können Funktionszusammenhänge ent weder durch geeignete mathematische Operationen oder durch einen Zugriff auf eine vorgegebene Nachschlagetabelle (look- up table) berechnet werden.The digital calculation method is preferred for the Er averaging the load value and / or the threshold value set. In both cases, functional relationships can arise neither by suitable mathematical operations or by access to a given lookup table (look- up table) can be calculated.

Zur Berechnung des Belastungswertes werden vorzugsweise Be triebsdaten der Endstufe oder der einzelnen Schaltelemente herangezogen. Beispielsweise kann ein (grob quantifiziertes) Stromstärkensignal, das die Größenordnung eines durch die Endstufe fließenden Laststroms angibt, ausgewertet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die augenblickliche Strom richtung und/oder ein Schaltsignal für jedes Schaltelement ausgewertet werden. Das Schaltsignal ermöglicht sowohl eine Modellierung derjenigen Verluste, die während des eingeschal teten Zustands eines Schaltelements auftreten, als auch der Verluste während eines Ein- und Ausschaltereignisses. To calculate the load value, Be drive data of the output stage or the individual switching elements used. For example, a (roughly quantified) Amperage signal, the order of magnitude by one Output stage flowing load current indicates be evaluated. Alternatively or additionally, the instantaneous current direction and / or a switching signal for each switching element be evaluated. The switching signal enables both Modeling of the losses incurred during the shuttering tied state of a switching element occur as well Losses during an on and off event.

Die Modellierung der thermischen Eigenschaften der Endstufe ist in bevorzugten Ausführungsformen lediglich einstufig, so daß keine Unterscheidung zwischen Chiptemperatur, Gehäusetem peratur und Kühlkörpertemperatur getroffen wird.Modeling the thermal properties of the final stage is only one stage in preferred embodiments, so that no distinction between chip temperature, housing temperature temperature and heat sink temperature is taken.

In bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Belastungsmodel lierung für jedes Schaltelement der Endstufe getrennt. Dies bedeutet insbesondere bei der Implementierung durch einen Digitalprozessor keinen oder nur einen geringen Mehraufwand. Die Temperaturmessung kann dagegen für mehrere oder alle Schaltelemente gemeinsam ausgeführt werden, beispielsweise durch einen an einem gemeinsamen Kühlkörper angebrachten Tem peratursensor. Diese Ausführungsform bedingt einen besonders geringen Bauteilaufwand. In Ausführungsalternativen ist am Gehäuse jedes einzelnen Leistungshalbleiters ein eigener Tem peratursensor vorgesehen.In preferred embodiments, the load model takes place Separation for each switching element of the output stage. This means especially when implemented by a Digital processor with little or no additional effort. The temperature measurement, however, can be for several or all Switching elements are executed together, for example by a temperature attached to a common heat sink temperature sensor. This embodiment requires one in particular low component effort. In alternative versions is on Housing of each individual power semiconductor has its own tem temperature sensor provided.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in bevorzugten Weiter bildungen ebenfalls Merkmale auf, die den oben beschriebenen und/oder in den abhängigen Ansprüchen erwähnten Merkmalen entsprechen.The device according to the invention preferably has further features education also features that the above described and / or features mentioned in the dependent claims correspond.

Ein Ausführungsbeispiel und mehrere Ausführungsalternativen der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen detailliert erläutert. Es stellen dar:One embodiment and several alternative designs the invention are based on the schematic Drawings explained in detail. They represent:

Fig. 1 ein Blockschaltbild von wesentlichen Baugruppen eines Gradientenverstärkers mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung, Fig. 1 is a block diagram of essential components of a gradient amplifier according to the invention with a monitoring device,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Überwachungsmoduls der Über wachungsvorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 2 is a block diagram of a monitoring module of the monitoring device according to Fig. 1 and

Fig. 3 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens ablaufs. Fig. 3 is a flowchart of a process according to the invention.

In Fig. 1 sind ein Modulator 10 und eine Schaltendstufe 12 eines Gradientenverstärkers für einen Kernspintomographen gezeigt. Der Modulator 10 erhält ein beispielsweise 12 Bit breites, digitales Stromstärkensignal Î und generiert daraus vier Schaltsignale S₁, S₂, S₃, S₄ (im folgenden S_x) für je ein Schaltelement der Endstufe 12. Die (in Fig. 1 nur schematisch dargestellten) vier Schaltelemente, die beispielsweise als Feldeffekttransistoren oder IGBTs ausgebildet sind, sind in einer Vollbrückenanordnung an eine Endstufenspannungsversor gung angeschlossen. Eine (in Fig. 1 nicht gezeigte) Gradien tenspule des Kernspintomographen ist als Last in den Brücken querzweig geschaltet.In Fig. 1, a modulator 10 and a switching output stage 12 are shown a gradient amplifier for a magnetic resonance tomograph. The modulator 10 receives, for example, a 12-bit wide digital current signal Î and generates four switching signals S ₁ , S ₂ , S ₃ , S ₄ (hereinafter S _x ) for each switching element of the output stage 12 . The (only schematically shown in Fig. 1) four switching elements, which are designed for example as field effect transistors or IGBTs, are connected in a full-bridge arrangement to an output stage voltage supply. A gradient coil (not shown in FIG. 1) of the magnetic resonance scanner is connected as a load in the bridges across the branch.

Eine aus vier Überwachungsmodulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4 (im folgenden 14.x) gebildete Überwachungsvorrichtung dient zur Kontrolle der thermischen Belastung der Endstufe 12. Genauer gesagt ist jedes Überwachungsmodul 14.x einem der Schaltele mente der Endstufe 12 zugeordnet und erhält das entsprechende Schaltsignal S_x von dem Modulator 10. Allen vier Überwa chungsmodulen 14.x wird ferner ein Stromrichtungssignal R, das die Richtung des durch die Endstufe 12 fließenden Last stroms angibt, zugeführt. Außerdem erhält jedes Überwachungs modul 14.x die vier höchstwertigen Bits des am Modulator 10 anliegenden Signals Î als grob quantifiziertes Stromstärken signal I.A monitoring device formed from four monitoring modules 14.1 , 14.2 , 14.3 , 14.4 (hereinafter referred to as 14 .x) serves to control the thermal load on the output stage 12 . More specifically, each monitoring module 14 .x is assigned to one of the switching elements of the output stage 12 and receives the corresponding switching signal S _x from the modulator 10 . All four monitoring modules 14 .x are also supplied with a current direction signal R, which indicates the direction of the load current flowing through the output stage 12 . In addition, each monitoring module 14 .x receives the four most significant bits of the signal Î applied to the modulator 10 as a roughly quantified current signal I.

Ein Temperatursensor 16 ist an einem Kühlkörper der Endstufe 12 angebracht und gibt ein der Endstufentemperatur ϑ entspre chendes Signal an die Überwachungsmodule 14.x aus. In Ausfüh rungsalternativen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist jedem Schaltelement der Endstufe 12 ein eigener Temperatursensor 16 zugeordnet, dessen Ausgangssignal nur je einem Überwachungs modul 14.x zugeführt wird.A temperature sensor 16 is attached to a heat sink of the output stage 12 and outputs a signal corresponding to the output stage temperature ϑ to the monitoring modules 14 .x. In exporting the circuit shown in FIG. 1 approximately alternative is associated with its own temperature sensor 16 12, the output of which only a respective monitoring module is supplied 14 .x each switching element of the output stage.

Jedes Überwachungsmodul 14.x gibt ein Fehlersignal E₁, E₂, E₃, E₄ (im folgenden E_x) aus, das einen Übertemperaturzustand des entsprechenden Schaltelements anzeigt. Beim Auftreten eines Fehlersignals E_x wird die Endstufe 12 kontrolliert abgeschal tet. In Ausführungsalternativen kann neben dem Fehlersignal E_x ein geeignetes Vorwarnsignal ausgegeben werden.Each monitoring module 14 .x outputs an error signal E ₁ , E ₂ , E ₃ , E ₄ (hereinafter E _x ) which indicates an overtemperature condition of the corresponding switching element. When an error signal E _{x occurs} , the output stage 12 is switched off in a controlled manner. In alternative embodiments, a suitable pre-warning signal can be output in addition to the error signal E _x .

In Fig. 1 sind zum besseren Verständnis die vier Überwa chungsmodule 14.x als voneinander getrennte Baugruppen dar gestellt. Diese Trennung gibt die unabhängige Arbeitsweise der Überwachungsmodule 14.x wieder. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Funktionen der vier Überwa chungsmodule 14.x zum Teil von Softwareroutinen ausgeführt, die in quasi-paralleler Weise von einem einzigen digitalen Signalprozessor bearbeitet werden. Dieser digitale Signalpro zessor ist Teil des Modulators 10. Neben den noch im Detail beschriebenen Überwachungsaufgaben führt er eine Reihe wei terer Ansteuer- und Überwachungsfunktionen aus.In Fig. 1, the four surveillance modules 14 .x are shown as separate modules. This separation reflects the independent functioning of the monitoring modules 14 .x. In the exemplary embodiment described here, the functions of the four monitoring modules 14 .x are carried out in part by software routines which are processed in a quasi-parallel manner by a single digital signal processor. This digital signal processor is part of the modulator 10 . In addition to the monitoring tasks described in detail, it performs a number of other control and monitoring functions.

Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbilds die Funktionswei se eines Überwachungsmoduls 14.x. Ein Belastungsinkrement modul 18 berechnet aus dem Stromstärkensignal I, dem Schalt signal S_x und dem Stromrichtungssignal R ein Belastungsinkre ment Δ, das die augenblickliche Belastung pro Zeiteinheit des jeweiligen Schaltelements der Endstufe 12 angibt. Das Bela stungs- oder Verlustinkrement Δ wird auf an sich bekannte Weise durch Modellierung der Verlusteigenschaften des Schalt elements in Abhängigkeit von dessen Betriebszustand bestimmt. Hierzu wird auf die DE 196 40 361 A1 verwiesen, deren diesbe zügliche Offenbarung in den Inhalt der vorliegenden Beschrei bung aufgenommen wird. Fig. 2 shows in the form of a block diagram the func tion of a monitoring module 14 .x. A load increment module 18 calculates a load increment Δ from the current signal I, the switching signal S _x and the current direction signal R, which indicates the instantaneous load per unit time of the respective switching element of the output stage 12 . The load or loss increment Δ is determined in a manner known per se by modeling the loss properties of the switching element as a function of its operating state. For this purpose, reference is made to DE 196 40 361 A1, the relevant disclosure of which is included in the content of the present description.

Ein Summenspeicher 20 summiert das von dem Belastungsinkre mentmodul 18 bestimmte Belastungsinkrement Δ in ersten, re gelmäßigen Zeitintervallen auf. Die Kühlung des Schaltele ments wird dadurch berückdichtigt, daß der Wert des Summen speichers 20 in zweiten, ebenfalls festen Zeitabständen hal biert wird. Zu diesem Zweck wird der im Summenspeicher 20 enthaltene Binärwert um eine Bitposition nach rechts verscho ben. Die Dauer der zweiten Zeitintervalle entspricht der Kühlzeitkonstante der Endstufe 12. Diese Dauer kann identisch mit den ersten Zeitintervallen sein oder davon abweichen.A total memory 20 sums up the load increment Δ determined by the load increment module 18 in first, regular time intervals. The cooling of the Schaltele element is corrected in that the value of the sum memory 20 is halated in second, also fixed time intervals. For this purpose, the binary value contained in the sum memory 20 is shifted to the right by one bit position. The duration of the second time interval corresponds to the cooling time constant of the final stage 12 . This duration can be identical to the first time intervals or differ.

Die Ausgabe des Summenspeichers 20 gibt die durch die Model lierung abgeschätzte, augenblickliche thermische Belastung des entsprechenden Schaltelements der Endstufe 12 in Form ei nes Belastungswertes L an. Der Belastungswert L wird einem Eingang eines Vergleichers 22 zugeführt. Der andere Eingang des Vergleichers 22 erhält einen Schwellwert T von einem Schwellwertmodul 24. Der Vergleicher 22 erzeugt ein Fehler signal E_x, wenn der Belastungswert L den Schwellwert T über steigt.The output of the total memory 20 indicates the instantaneous thermal load of the corresponding switching element of the output stage 12 estimated by the modeling, in the form of a load value L. The load value L is fed to an input of a comparator 22 . The other input of the comparator 22 receives a threshold value T from a threshold value module 24 . The comparator 22 generates an error signal E _x when the load value L exceeds the threshold value T.

Das Schwellwertmodul 24 bestimmt den Schwellwert T in Abhän gigkeit von der durch den Temperatursensor 16 gemessenen End stufentemperatur ϑ. Der Schwellwert T wird um so niedriger angesetzt, je höher die Endstufentemperatur ϑ ist, und umge kehrt. Beispielsweise kann das Schwellwertmodul 24 eine Funk tion C-ϑ für eine geeignete Konstante C oder eine Funktion 1/ϑ berechnen. In Ausführungsalternativen berechnet das Schwellwertmodul 24 eine komplexere Funktion der gemessenen Temperatur ϑ, durch die eine thermische Kennlinie des Lei stungsverstärkers 12 modelliert wird.The threshold value module 24 determines the threshold value T as a function of the output temperature ϑ measured by the temperature sensor 16 . The higher the final stage temperature ϑ, the lower the threshold value T, and vice versa. For example, the threshold value module 24 can calculate a function C-ϑ for a suitable constant C or a function 1 / ϑ. In alternative embodiments, the threshold value module 24 calculates a more complex function of the measured temperature ϑ, by means of which a thermal characteristic curve of the power amplifier 12 is modeled.

Die in Fig. 2 gezeigten Funktionsblöcke entsprechen in Aus führungsvarianten der Erfindung einzelnen Baugruppen einer digitalen oder analogen Schaltung. Auch Kombinationen von Digital- und Analogbaugruppen sind in weiteren Ausführungs alternativen vorgesehen. So können beispielsweise das Bela stungsinkrementmodul 18, der Summenspeicher 20 und der Ver gleicher 22 als Analogschaltung aufgebaut sein, während die von dem Temperatursensor 16 gemessene Endstufentemperatur ϑ von einem Analog/Digital-Wandler in einen Digitalwert umge wandelt wird. Dieser Digitalwert wird von einer Programmrou tine des digitalen Signalprozessors geeignet verarbeitet, um einen digitalen Schwellwert zu erzeugen, der seinerseits von einem Digital/Analog-Wandler in den dem Vergleicher 22 zuge führten, analogen Schwellwert T umgewandelt wird.The function blocks shown in FIG. 2 correspond to individual assemblies of a digital or analog circuit in implementation variants of the invention. Combinations of digital and analog modules are also provided in other alternative embodiments. For example, the load increment module 18 , the sum memory 20 and the comparator 22 can be constructed as an analog circuit, while the output stage temperature ϑ measured by the temperature sensor 16 is converted into a digital value by an analog / digital converter. This digital value is suitably processed by a program routine of the digital signal processor in order to generate a digital threshold value, which in turn is converted by a digital / analog converter into the analog threshold value T fed to the comparator 22 .

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Funktionen des Überwachungsmoduls 14.x weitgehend durch Pro grammteile des digitalen Signalprozessors ausgeführt, wie dies beispielhaft in dem Flußdiagramm von Fig. 3 gezeigt ist. Das dort dargestellte Verfahren entspricht den Funktionen des Belastungsinkrementmoduls 18, des Summenspeichers 20 und des Vergleichers 22 in Fig. 2. Die Darstellung von Fig. 2 ist somit nur als logische Funktionsgliederung anzusehen.In the exemplary embodiment described here, the functions of the monitoring module 14 .x are largely carried out by program parts of the digital signal processor, as is shown by way of example in the flowchart in FIG. 3. The method shown there corresponds to the functions of the load increment module 18 , the sum memory 20 and the comparator 22 in FIG. 2. The representation of FIG. 2 is therefore only to be regarded as a logical function structure.

Im ersten Schritt 26 der in Fig. 3 gezeigten Programmschleife wird das Belastungsinkrement Δ ermittelt, indem eine vorgege bene Nachschlagetabelle in Abhängigkeit von dem gegenwärtigen Stromstärkensignal I, dem Schaltsignal S_x und dem Stromrich tungssignal R adressiert wird. Als Alternative können geeig nete Formelzusammenhänge berechnet werden. In Schritt 28 wird der augenblickliche Belastungswert L um das Belastungsinkre ment Δ erhöht.In the first step 26 of the program loop shown in FIG. 3, the load increment Δ is determined by addressing a predetermined look-up table as a function of the current current signal I, the switching signal S _x and the current direction signal R. As an alternative, suitable formula relationships can be calculated. In step 28 , the current load value L is increased by the load increment Δ.

Der Signalprozessor wartet nun auf das Ende des aktuellen Zeitintervalls. Ist dieses Zeitintervall abgelaufen (Abfrage 30), so wird der Belastungswert L um eine Bitposition nach rechts geschoben (Operation "SHR" in Schritt 32) um die Küh lung des Systems zu modellieren. In Abfrage 34 erfolgt ein Vergleich des aktuellen Belastungswerts L mit dem Grenzwert T, der durch eine analoge Schaltung aus der gemessenen End stufentemperatur ϑ ermittelt und durch einen Analog/Digital- Wandler digitalisiert wurde. Falls der Belastungswert L höher als der Grenzwert T ist, wird ein Fehlerzustand 36 angezeigt. Andernfalls wird die Programmausführung fortgesetzt.The signal processor now waits for the end of the current time interval. If this time interval has expired (query 30 ), the load value L is shifted one bit position to the right (operation "SHR" in step 32 ) in order to model the cooling of the system. In query 34 there is a comparison of the current load value L with the limit value T, which was determined by an analog circuit from the measured output temperature ϑ and digitized by an analog / digital converter. If the load value L is higher than the limit value T, an error state 36 is displayed. Otherwise program execution continues.

Die in Fig. 3 gezeigt Programmschleife wird für jedes Schalt element der Endstufe 12 durchlaufen. Da das Programm nur we nige Befehle benötigt, kann es dennoch problemlos von dem be reits im Modulator 10 vorhandenen Signalprozessor ausgeführt werden.The program loop shown in Fig. 3 is run through for each switching element of the output stage 12 . Since the program only requires a few commands, it can still be easily executed by the signal processor that is already in the modulator 10 .

In weiteren Ausführungsalternativen geht die gemessene Tempe ratur ϑ in die Berechnung des Belastungswerts L ein. Der Schwellwert T kann dann entweder konstant oder ebenfalls variabel sein. Ferner kann die gemessene Temperatur ϑ auch durch den Vergleicher 22 berücksichtigt werden. In allen die sen Fällen ergibt sich ein äquivalentes Überwachungsverfah ren, bei dem sowohl die Ergebnisse einer Modellierung als auch die einer Messung ausgewertet werden.In further alternative embodiments, the measured temperature ϑ is included in the calculation of the load value L. The threshold value T can then either be constant or also variable. Furthermore, the measured temperature ϑ can also be taken into account by the comparator 22 . In all of these cases, there is an equivalent monitoring procedure in which both the results of a modeling and a measurement are evaluated.

Claims

1. A method for monitoring the thermal load on a power output stage ( 12 ), in particular a switching stage of a gradient amplifier, with the steps:

a) modeling the thermal load on the output stage ( 12 ) as a function of operating data (I, S _x , R) of the output stage ( 12 ),
b) determining at least one load value (L) as a function of the thermal load modeled in step a), and
c) comparing the load value (L) with a threshold value (T),

characterized in that the load value (L) and / or the threshold value (T) are / are determined as a function of at least one measured output stage temperature (ϑ), the threshold value (T) lower and / or the higher output stage temperature (ϑ) Load value (L) can be set higher and vice versa.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the modeling of the thermal load on the output stage ( 12 ) in step a) temperature changes are taken into account which occur faster than they are determined by measuring the output stage temperature (ϑ).

3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the operating data used in step a) (I, S _x , R) at least from a current signal (I) and / or a switching signal (S _x ) and / or a current direction signal (R) can be determined.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that at least least the determination of the load value (L) at least partially wise digital, especially by a digital processor, he follows.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a load increment (Δ) dependent on the operating data (I, S _x , R) of the output stage ( 12 ) is determined to determine the load value (L) first, predetermined time intervals is added to a sum memory ( 20 ), and that the content of the sum memory ( 20 ) is reduced at second, predetermined time intervals in order to model the effect of final stage cooling.

6. The method according to claim 5, characterized in that a lookup table is used to determine the load increment (Δ), which is addressed as a function of the operating data (I, S _x , R) of the output stage ( 12 ).

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that for each of the several switching elements of the output stage ( 12 ), a separate load value (L) is determined.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that at least least the determination of the threshold value (T) depending on of the measured output stage temperature (ϑ) at least partially digitally, in particular by a digital processor.

9. The method according to claim 8, characterized in that for Er a look-up table is used to determine the threshold value (T), depending on the measured power amplifier temperature (ϑ) is addressed.

10. Device for monitoring the thermal load on a power output stage ( 12 ), in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 9, with:

- A device ( 18 , 20 ) for modeling the thermal load of the output stage ( 12 ) as a function of operating data (I, S _x , R) of the output stage ( 12 ) and for determining at least one load value (L) as a function of modeled thermal load, and
- a comparator ( 22 ) for comparing the load value (L) with a threshold value (T) originating from a threshold value module ( 24 ),

characterized in that the device ( 18 , 20 ) and / or the threshold value module ( 24 ) are set up to determine the load value (L) and / or the threshold value (T) as a function of at least one measured output stage temperature (ϑ) and to set the threshold value (T) lower and / or the load value (L) higher at a higher output temperature (ϑ) and vice versa.