DE4304517C2 - Stromversorgung für vorwiegend induktive Lasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung für vorwiegend induktive Lasten mit mindestens zwei steuerbaren Spannungs­ quellen, die jeweils eine Spannungsstelleinheit umfassen, die eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist und die an Ausgangsanschlüssen eine gesteuerte Ausgangsspan­ nung abgeben kann, wobei die Gleichspannungsquellen potenti­ algetrennt und die Ausgangsanschlüsse der Spannungsstellein­ heiten in Reihe geschaltet sind.

Bei medizinischen Kernspinresonanz-Bildgeräten ist es zur schnellen zweidimensionalen Bildgebung erforderlich, einem magnetischen Grundfeld in rascher Folge verschiedene magneti­ sche Gradientenfelder zu überlagern. Zum Beispiel wird beim sogenannten Echo-Planar-Imaging (EPI) abwechselnd das Vorzei­ chen eines Auslesegradienten in rascher Folge geändert.

Eine Möglichkeit, die zur Vorzeichenänderung benötigten schnellen Stromänderungen zu realisieren, besteht darin, ei­ nen Schwingkreis aus einem Kondensator und einer Gradienten­ spule bei seiner Resonanzfrequenz, die typisch im kHz-Bereich liegt, zu betreiben. In derartigen Systemen sind keine belie­ bigen, sondern nur sinusförmige Impulsformen des Auslesegra­ dienten möglich. Das dabei erhaltene Echosignal muß entspre­ chend abgetastet und gefiltert werden. Zusätzlich können Ein­ schwingvorgänge das Ergebnis verschlechtern.

Eine Stromversorgung zur Speisung von Gradientenspulen eines Magnetresonanzgerätes, also zur Speisung von vorwiegend in­ duktiven Lasten, ist aus dem Artikel "A General Purpose Non- Resonant Gradient Power System", von O. M. Mueller/P. B. Roe­ mer/J. N. Park/S. P. Souza bekannt, erschienen in Book of Ab­ stracts, Vol. 1, Society of Magnetic Resonance in Medicine, Tenth Anual Scientific Meeting and Exhibition, Aug. 10-16, 1991. Diese Stromversorgung bietet eine weitere Möglichkeit die zur Vorzeichenänderung der Gradientenfelder benötigten schnellen Stromänderungen zu realisieren. Dazu ist parallel zu einem linearen Gradientenverstärker eine Hochspannungs­ quelle angeordnet, die im Bedarfsfall an die Gradientenspule geschaltet wird. Damit ist es zwar möglich, nahezu rechteck­ förmige Ströme mit steilen Flanken an die Gradientenspule zu liefern, jedoch ist der Stromanstieg im wesentlichen ungere­ gelt und abhängig vom ohmschen Widerstand der Spule, ihrer Induktivität und der Spannung des Hochspannungsnetzteils.

Eine Stromversorgung der eingangs genannten Art ist aus der DE 40 17 207 bekannt. Diese Stromversorgung findet Verwendung auf den Gebieten der Funkenerosion, der Kathodenzerstäubung von Metallen oder der Anregung von Lasern für die Werkstoff­ bearbeitung. Als Spannungsstelleinheiten werden Tiefsetzstel­ ler eingesetzt, die jeweils versetzt getaktet werden. Wegen der dadurch bedingten höherfrequenten Welligkeit der Aus­ gangsspannung kann die Induktivität der Glättungsdrossel ge­ genüber dem sonst üblichen Wert verringert werden. Die ange­ schlossenen Verbraucher können daher mit einem rasch verän­ derbaren Gleichstrom versorgt werden. Die dort beschriebene Stromversorgung kann jedoch nur Gleichströme in einer Rich­ tung liefern. Zum anderen sind auch bei niedrigen Ausgangs­ spannungen, d. h. bei vorwiegend induktiven Lasten, nur klei­ ne Stromänderungen, alle in Reihe geschalteten gesteuerten Spannungsquellen, wenn auch mit nur geringer Aussteuerung der Spannungsstelleinheiten, aktiv. Das verursacht bei Anwendun­ gen, bei denen nur kurzzeitig hohe Spannungen benötigt wer­ den, entsprechend hohe Schaltverluste.

In der US 5,066,914 ist eine Stromversorgung für eine Gra­ dientenspule (Gradientenverstärker) mit einer Reihenschaltung von einzelnen gesteuerten Spannungsquellen beschrieben. Dabei werden die einzelnen Spannungsquellen in der Reihenschaltung - ausgehend von einem Master-Steuersignal - nahezu gleich ausgesteuert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Stromver­ sorgung anzugeben, die impulsförmige hohe Ausgangsströme mit einem steilen geregelten Impulsanstieg liefern kann. Ein steiler Stromanstieg bedeutet bei vorwiegend induktiven La­ sten, daß die Stromversorgung hohe regelbare Spannungen lie­ fern muß. Dabei sollen die Schaltverluste in den Spannungs­ stelleinheiten auch dann niedrig sein, wenn nur kurzzeitig Spitzenspannungen benötigt werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine erste steuerbare Spannungsquelle für einen Grundlastbetrieb zur Lieferung ei­ ner Grundausgangsspannung ausgebildet ist und daß mindestens eine weitere steuerbare Spannungsquelle für einen Spitzen­ lastbetrieb zur Lieferung von die Grundausgangsspannung über­ steigenden Spitzenausgangsspannungen ausgebildet ist. Damit werden die Verluste in den Spannungsstelleinheiten insbeson­ dere dann niedrig gehalten, wenn nur kurzzeitig Spitzenspan­ nungen benötigt werden. In der nicht benötigten Spannungs­ quelle für Spitzenlast entstehen nur laststrombedingte Durch­ laßverluste in der Spannungsstelleinheit, z. B. an darin an­ geordneten Dioden und eingeschalteten Stellgliedern.

Zur Erzeugung von höheren Ausgangsspannungen wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mindestens eine weitere steuerbare Spannungsquelle für Spitzenlastbetrieb vorgesehen, wobei die mindestens zwei Spannungsquellen für Spitzenlastbe­ trieb zur gestaffelten Lieferung der Spitzenausgangsspannun­ gen ausgebildet sind. Durch die gestaffelte Lieferung der Spitzenausgangsspannungen sind die Verluste in den einzelnen Spannungsquellen gering gehalten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ebenfalls mindestens eine weitere steuerbare Spannungsquelle für Spit­ zenlastbetrieb vorgesehen, wobei die mindestens zwei Span­ nungsquellen für Spitzenlastbetrieb zur Lieferung der Spit­ zenausgangsspannung zu im wesentlichen gleichen Teilen ausge­ bildet sind. Auf Kosten etwas höherer Verluste ist hier ein guter Gleichlauf der Spannungsquellen für Spitzenlastbetrieb gewährleistet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zur Lieferung der Spitzenaus­ gangsspannung zu gleichen Teilen zeichnet sich dadurch aus, daß die Spannungsstelleinheiten der mindestens zwei Spannungsquellen für Spitzenlastbetrieb im Schaltbetrieb über eine Pulsbreitenmodulation die Spitzenausgangsspan­ nungen beeinflussen und daß die Spannungsstelleinheiten zeitlich versetzt schalten. Unter Verzicht auf die ge­ staffelte Lieferung der Ausgangsspannung der Spannungs­ quellen für Spitzenlastbetrieb werden diese mit zeitlich versetzten Schaltsignalen angesteuert, wodurch für die Gesamtausgangsspannung die Schaltfrequenz erhöht ist. Die Welligkeit der Ausgangsspannung wie die Welligkeit im Strom sind kleiner als bei zeitlich zusammenfallenden Schaltvorgängen der Spannungsquellen.

Zur Erzeugung von steilen positiven und negativen Flanken der Stromimpulse umfaßt eine Spannungsstelleinheit zwei Brückenzweige, die parallel an der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, wobei jeder Brückenzweig aus zwei in Reihe geschalteten Stellelementen besteht und wobei die Ausgangsanschlüsse zwischen den Stellelementen jedes Zweigs angeordnet sind.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Stellelemente für Schaltbetrieb ausgebildet, mit denen die Ausgangsspannung über eine Pulsbreitenmodulation steuer­ bar ist. Der Schaltbetrieb ermöglicht eine verlustarme Steuerung der Ausgangsspannung. Bei genügend hoher Schalt­ frequenz ist eine hohe Regeldynamik sichergestellt, die Stromwelligkeit des Ausgangsstromes ist dann zudem ver­ nachlässigbar gering.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der schal­ tenden Spannungsstelleinheit ist einem zur Pulbreitenmo­ dulation benötigten Modulator, der der Spannungsquelle für Spitzenlastbetrieb zugeordnet ist, eine Offset-Einrichtung vorgeschaltet, die ein Reglerausgangssignal mit mindestens einem zeitlich konstanten Signal beaufschlagt. Die Offset- Einrichtung bewirkt, daß die Spannungsquelle für Spitzen­ lastbetrieb erst moduliert wird, wenn die Aussteuergrenzen der Spannungsquelle für Grundlastbetrieb erreicht sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß den Modulatoren jeweils Verstärker zur An­ passung des Reglerausgangssignals zugeordnet sind. Damit ist es möglich, die aus den Kennlinien der einzelnen Span­ nungsquellen zusammengesetzte Kennlinie der Stromversor­ gung zu linearisieren.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verstärkung der Verstärker in der Nähe der Austeuergrenzen der Modulatoren halbierbar. Diese Maßnahme dient ebenfalls der Linearisierung der Kennlinie der Stromversorgung.

Zur Vermeidung von Aufladungen der Gleichspannungsquellen aufgrund einer unsymmetrischen Aussteuerung ist parallel zu den Gleichspannungsquellen eine erste Entladeeinrich­ tung angeordnet.

Ebenfalls zur Vermeidung von Aufladungen und gleichzeitig zur Verminderung der durch die Durchlaßspannung hervor­ gerufenen Nichtlinearitäten bei der Ansteuerung der Stell­ elemente ist eine zweite Endladeeinrichtung vorgesehen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nur dann Verluste in der Entladeeinrichtung entstehen, wenn die Spannungs­ quelle eine Ausgangsspannung liefert.

Die Stromversorgung ist besonders dazu geeignet, in einem Kernspinresonanz-Bildgerät die zur Erzeugung von Gradien­ tenfeldern benötigten Ströme an eine Gradientenspule zu liefern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 12 Figuren er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Stromversorgung mit einer Reihenschaltung einer gesteuerten Spannungsquelle für Grundlast und einer gesteuerten Spannungsquelle für Spitzenlast;

Fig. 2 eine gesteuerte Spannungsquelle für Schaltbetrieb;

Fig. 3 eine gesteuerte Spannungsquelle für Linearbetrieb;

Fig. 4 den Zeitverlauf eines impulsförmigen Ausgangsstromes;

Fig. 5 die Ausgangsspannung der Stromversorgung bei dem Im­ pulsstrom nach Fig. 4;

Fig. 6 beispielhafte Ansteuersignale für die Spannungs­ quelle nach Fig. 2;

Fig. 7 beispielhafte Ansteuersignale für die Spannungs­ quelle nach Fig. 3;

Fig. 8 eine Kennlinie der Stromversorgung, wenn die Span­ nungsquelle für Grundlast im Linearbetrieb und die Spannungsquelle für Spitzenlast im Schaltbetrieb arbeitet;

Fig. 9 eine durch unterschiedliche Offset-Signale teilweise linearisierte Kennlinie;

Fig. 10 eine Kennlinie der Spannungsquelle für Grundlast im Linearbetrieb, bei der im oberen Aussteuerungsbe­ reich die Verstärkung halbiert ist;

Fig. 11 eine Kennlinie einer Spannungsquelle für Spitzen­ last im Schaltbetrieb, bei der im unteren Aussteuer­ bereich die Verstärkung halbiert ist und

Fig. 12 eine Kennlinie der Stromversorgung aus der Summe der Kennlinien nach Fig. 8 und 9.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt den Auf­ bau einer Stromversorgung für eine vorwiegend induktive Last 2, in der hohe impulsförmige Ströme i mit steilen Stromflanken fließen sollen. Die Amplituden der Ströme liegen im Bereich von 250 A, während die für die schnellen Stromänderungen benötigten Spannungen in der Größenordnung von bis zu 2 kV liegen sollen. Derartige Anforderungen werden an Stromversorgungen von Gradientenspulen für Kern­ spinresonanz-Bildgeräte gestellt, wenn das Bildgerät Schnittbilder in kürzester Zeit erstellen soll. Dabei besteht noch zusätzlich die Forderung, daß der Stroman­ stieg und Stromabfall geregelt sein muß, um unabhängig von Last- und Spannungsschwankungen zu sein. Die Regelung soll außerdem ohne Einschwingen auf den jeweiligen Endwert er­ folgen.

Kennzeichnend für die in Fig. 1 dargestellte Stromversor­ gung ist eine Reihenschaltung von gesteuerten Spannungs­ quellen 4 und 6, die an ihren Ausgangsanschlüssen 81 und 82 bzw. 101 und 102 eine Ausgangsspannung u_A1 bzw. u_A2 abgeben, die in Summe die Spannung u_A an der Last 2 bestimmen.

Die einzelnen Spannungsquellen 4 und 6 umfassen jeweils eine Spannungsstelleinheit 12 bzw. 14 und eine damit ver­ bundene Gleichspannungsquelle 16 bzw. 18. Die Gleichspan­ nungsquellen 16, 18 erzeugen die Eingangsspannung für die Spannungsstelleinheiten 12, 14 aus einer Wechselspannung, wobei eine Potientialtrennung der Gleichspannungsquellen 16 und 18 voneinander durch Trenntransformatoren 20 bzw. 22 auf der Wechselspannungsseite erreicht wird.

Die für die Spannungsstelleinheiten 12 und 14 benötigten Steuersignale werden von Steuereinheiten 24 bzw. 26 aus einem entsprechend aufbereiteten Reglerausgangssignal i_R erzeugt. Dazu wird das Reglerausgangssignal i_R über Ver­ stärker 28 und 30 verstärkt, wie weiter unten noch anhand der Fig. 8 bis 12 beschrieben ist.

Die gesteuerte Spannungsquelle 4 ist zum einen vorgesehen zur Lieferung des ohmschen Spannungsanteils der Last 2 und zum anderen zur Lieferung des induktiven Spannungs­ anteils für langsame Stromänderungen. Das bedeutet, die Spannungsquelle 4 ist für einen Grundlastbetrieb zur Lie­ ferung einer Grundausgangsspannung ausgebildet. Dagegen ist die gesteuerte Spannungsquelle 6 für einen Spitzen­ lastbetrieb zur Lieferung von die Grundausgangsspannung übersteigende Spitzenausgangsspannungen ausgebildet. Das bedeutet, daß die Spannungsquelle 6 erst dann aktiviert wird, wenn die Spannungsquelle 4 die für eine Stromände­ rung benötigte Spannung nicht mehr allein aufbringen kann.

Um den schon erwähnten Spitzenlastbetrieb sicherzustellen, wird den Verstärkern 30 ein von einer Offset-Einrichtung 32 aufbereitetes Signal zugeführt, die dem Reglerausgangs­ signal i_R ein konstantes Signal 34 (hier symbolisiert durch eine Gleichspannungsquelle) hinzufügt, so daß die Steuereinheit 26 erst dann Steuersignale zur Erzeugung einer von Null verschiedenen Ausgangsspannung u_A2 abgibt, wenn das Regelerausgangssignal i_R einen vorgebbaren Wert über- bzw. unterschreitet. Wenn die Ausgangsspannung u_A2 Null sein soll, ist die Spannungsstelleinheit 14 auf un­ gehinderten Stromdurchlaß für den Laststrom i geschaltet.

Die für den Grundlastbetieb ausgebildete gesteuerte Spannungsquelle 4 arbeitet hier im Linear- oder Analog- Betrieb, d. h. die Ausgangsspannung u_A1 ist im Idealfall eine lineare Funktion der vom Verstärker 28 aufbereiteten Reglerausgangsspannung i_R. Die Steuereinheit 24 ist dann als Treiberschaltung ausgebildet, die zwei Ansteuersignale liefern muß. Die gestrichelt gezeichneten Verbindungen zwischen der Steuereinheit 24 und der Spannungsstellein­ heit 12 sind zusätzlich vorzusehen, wenn die Spannungs­ stelleinheit 12 für Schaltbetrieb ausgebildet ist.

Die für Spitzenlastbetrieb vorgesehene Spannungsquelle 6 ist in ein er ersten Variante für Schaltbetrieb ausgebil­ det. Die Ausgangspannung u_A2 wird über eine Pulsbreiten­ modulation aus der von der Gleichspannungsquelle 18 er­ zeugten Gleichspannung erzeugt. Die Steuereinheit 26 ist somit als Modulator ausgebildet, der durch Vergleich eines periodischen Dreiecksignals 36 mit dem aufbereiteten Reg­ lerausgangssignal i_R die Einschaltzeit der in der Span­ nungstelleinheit angeordneten Stellglieder bestimmt. Die gestrichelt gezeichnete Verbindung zur Zuführung des periodischen Dreiecksignals 36 zur Steuereinheit 24 kann vorgesehen werden, wenn die Spannungsquelle 4 ebenfalls für Schaltbetrieb ausgebildet ist und über eine Puls­ breitenmodulation die Ausgangsspannung u_A1 erzeugt. Die gestrichelt gezeichneten Verbindungen zwischen Steuerein­ heit 26 und Stelleinheit 14 sowie zwischen Steuereinheit 26 und dem periodischen Dreiecksignal 36 entfallen, falls die Spannungsquelle 6 in einer zweiten Variante im Linear­ betrieb arbeitet. In diesem Fall ist die Steuereinheit 26 als Treiberschaltung ausgebildet, die dann nur zwei An­ steuersignale liefern muß.

Da im Normalfall die Elektronikschaltungen auf ein ein­ ziges Bezugspotential bezogen sind, müssen zumindest der Spannungsstelleinheit 14 die Steuersignale potentialfrei zugeführt werden. Die Potentialtrennung kann über Opto­ koppler, Lichtleiter, Impulstrafos oder Trennverstärker erfolgen.

Der Ausgangsstrom i mit seinem Stromanstieg und Stromab­ fall ist regelbar. Der Stromistwert i_ist wird gebildet aus dem durch den Strom i an einem Widerstand 37 verursachten Spannungsabfall, der durch einen Differenzverstärker 38 zum Stromistwert i_ist aufbereitet wird. Der Stromistwert i_ist und ein Stromsollwert i_soll werden einem Regler 39 zugeführt, der aus den Eingangsgrößen i_ist und i_soll das Reglerausgangssignal i_R erzeugt.

Werden mehrere Spannungsquellen 6, die zu gleichen Teilen zur Lieferung der Spitzenausgangsspannung beitragen und im Schaltbetrieb arbeiten, in Reihe geschaltet, so kann die Ansteuerung der Spannungsquellen 4 oder 6 zum einen gleichzeitig oder zum anderen zeitlich versetzt erfolgen. Bei der gleichzeitigen Ansteuerung der Spannungsquellen ergibt sich ein guter Gleichlauf, wobei nur ein Modula­ tor für alle Stelleinheiten 26 erforderlich ist. Bei der zeitlich versetzten Ansteuerung ist für jede Spannungs­ quelle 6 ein Modulator erforderlich, jedoch ist dabei die Welligkeit der Gesamtausgangsspannung u_A verringert.

Fig. 2 zeigt nun den Aufbau einer gesteuerten Spannungs­ quelle, die im Schaltbetrieb arbeitet. Die Gleichspannungs­ quelle 18 umfaßt, wie schön in Fig. 1 gezeigt, einen Trenn­ transformator 22 mit einem nachgeschalten Brückengleich­ richter 40, der auf Ladekondensatoren 41 arbeitet.

Die Spannungsstelleinheit 14 umfaßt zwei parallel geschal­ tete Brückenzweige 42 und 44, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Stellelemente 461, 471 und 462, 472 umfassen. Als Stellelemente 461, 462, 471, 472 werden hier parallel geschaltete MOS-Feldeffekt-Transistoren oder Insulated- Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) eingesetzt, denen am Steueranschluß 481, 482, 483, 484 jeweils das Steuersignal U1, U2, U3 bzw. U4 zugeführt wird, mit dem der Ein- bzw. Auszustand der Stellelemente 461, 462 und 471, 472 ge­ steuert werden kann. Parallel zu den Stellelementen 461, 462, 471 und 472 sind Freilaufdioden 491, 492, 493, 494 geschaltet. Die Ausgangsanschlüsse 101 und 102 sind je­ weils zwischen den Stellelementen 461, 471 und 462, 472 des Zweigs 42 und 44 angeordnet. Über eine Pulsbreitenmo­ dulation wird die Höhe der Ausgangsspannung u_A2 bestimmt, wobei die Schaltperiode so kurz gewählt ist, daß die geforderte Regeldynamik erreicht werden kann.

Eine erste Entladeeinrichtung 50 ist parallel zu der Gleichspannungsquelle 18 und eine zweite Entladeeinrich­ tung 52 ist parallel zu den Ausgangsanschlüssen 101, 102 angeordnet. Die Funktion der Entladeeinrichtungen wird weiter unten noch ausführlich beschrieben.

Die in Fig. 3 dargestellte gesteuerte Spannungsquelle ar­ beitet im Linearbetrieb. Die im Linearbetrieb arbeitende Spannungsquelle kann sowohl als Spannungsquelle 4 für Grundlast als auch als Spannungsquelle 6 für Spitzenlast eingesetzt werden. In der folgenden Beschreibung ist von einem Einsatz als Spannungsquelle 6 für Spitzenlast aus­ gegangen. Die Gleichspannungserzeugung der Gleichspan­ nungsquelle 18 erfolgt in gleicher Weise, wie anhand von Fig. 2 schon beschrieben. Ebenfalls umfaßt hier die Span­ nungsstelleinheit 14 zwei parallele Brückenzweige 42 und 44, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Stellelemente 461, 471 und 462, 472, die hier als bipolare Transistoren dargestellt sind, umfassen. Dadurch, daß die Stellelemente 461 und 462 der oberen Brückenseite mit NPN-Transistoren und die Stellelemente 471 und 472 der untere Brückenseite mit PNP-Transistoren realisiert sind, kann die Ansteuerung der Stellglieder 461, 471 und 462, 472 eines Zweiges 42 bzw. 44 jeweils aus einem Ansteuersignal U5, U6 erfolgen, das über die Anschlüsse 485 und 486 zugeführt wird.

Konstantstromquellen 54 verhindern in Verbindung mit Dioden 56 eine Überlastung der Treiberverstärker, die das Ansteuersignal liefern. Dabei muß der von den Konstant­ stromquellen 54 lieferbare Strom so hoch gewählt sein, daß für die Ansteuerung der Transistoren 461, 462, 471, 472 auch bei maximalem Laststrom i noch genügend Reserve vor­ handen ist. Die Dioden 58 begrenzen die Spannungen der Treiberverstärker und vermeiden zusammen mit den Dioden 56 eine Sättigung der Transistoren 461, 462, 471, 472. Es soll noch vermerkt werden, daß die einzelnen Transistoren 461, 462 und 471, 472 durch Darlingtonschaltungen oder auch Parallelschaltungen von mehreren Einzeltransistoren ersetzt werden können.

Nachfolgend wird am Beispiel des in Fig. 4 dargestellten impulsförmigen Laststroms i die Funktionsweise der Strom­ versorgung erläutert. Die gesteuerte Spannungsquelle 4 arbeitet im Grundlastbetrieb, während die gesteuerte Spannungsquelle 6 im Spitzenlastbetrieb arbeitet. Die Last 2 ist induktiv mit ohmschen Verlusten. In Fig. 5 ist die zum Strom i nach Fig. 4 gehörende Ausgangsspannung u_A dar­ gestellt. Sie entspricht der Reglerausgangsspannung i_R unter der Voraussetzung, daß die Reglerausgangsspannung i_R und die Spannung u_A an der Last 2 zueinander proportional sind.

In Fig. 4 sind nun drei positive Stromimpulse 60, 62 und 64 mit zunehmend steilen Stromflanken sowie ein negativer Stromimpuls 66 dargestellt. In der Darstellung der Aus­ gangsspannung u_A in Fig. 5 ist die von der ersten Span­ nungsquelle 4 gelieferte Ausgangsspannung u_A1 schräg schraffiert von rechts oben nach links unten während die von der Spannungsquelle 6 gelieferte Ausgangsspannung u_A2 schräg schraffiert ist von links oben nach rechts unten. Die Summe der Ausgangsspannungen u_A1 und u_A2 ergibt die Spannung u_A an der Last 2.

Fig. 6 zeigt beispielhaft die Ansteuersignale U1, U2, U3, U4 an den Steueranschlüssen 481, 482, 483, 484 einer im Schaltbetrieb arbeitenden Spannungsquelle 6 nach Fig. 2, wenn sie bei einer vorgegebenen Last die in Fig. 4 darge­ stellten Stromimpulse liefern soll.

Fig. 7 zeigt beispielhaft die Ansteuersignale U5, U6 an den Steueranschlüssen 485 und 486 einer im Linearbetrieb arbeitenden Spannungsquelle 6 nach Fig. 3, wenn sie bei einer vorgegebenen Last die in Fig. 4 dargestellten Strom­ impulse liefern soll.

Die Steilheit des ersten Stromimpulses 60 ist so gering, daß die Ausgangsspannung u_A1 der Spannungsquelle 4 zum Aufbau des Stromimpulses 60 ausreicht. Die Spannungs­ quelle 6 ist dabei auf Durchlaß geschaltet, das bedeutet, daß bei der Spannungsquelle 6 nach Fig. 2 z. B. die Stell­ elemente 461, 462 über die Steueranschlüsse 481, 482 ein­ geschaltet sind, während die Stellelemente 471, 472 über die Steueranschlüssse 483, 484 ausgeschaltet sind. Bei der Spannungsquelle 6 nach Fig. 3 sind dann z. B. die Stell­ elemente 461, 462 leitend gesteuert, während die Stell­ elemente 471, 472 gesperrt sind. Dazu sind die Ansteuer­ spannungen U5 und U6 an den Steueranschlüssen 485 bzw. 486 negativ. Die Amplitude muß in diesem Fall so hoch sein, daß die Stellelemente 471, 472 auch durch einen laststrombedingten Spannungsabfall an den Dioden 491, 492 nicht leitend werden.

Bei den Spannungsquellen 6 nach Fig. 2 und Fig. 3 wird somit ein Stromfluß ermöglicht von Anschluß 101 nach Anschluß 102 über Diode 491 und Stellglied 462, oder ein Stromfluß von Anschluß 102 nach Anschluß 101 über Diode 492 und Stellglied 461. Die in den Halbleitern auftretende Verlustleistung ergibt sich aus den Durchlaßverlusten der laststromführenden Dioden, z. B. Dioden 491 oder 492, und des angesteuerten laststromführenden Stellgliedes, z. B. Stellglied 462 oder 461. Es soll noch vermerkt werden, daß selbstverständlich auch die Möglichkeit besteht, daß zur Erzeugung der Ausgangsspannung Null die Stellglieder 471 und 472 für Durchlaß angesteuert und die Stellglieder 461 und 462 gesperrt werden. Die Schaltung nach Fig. 2 und Fig. 3 verhält sich dann sinngemäß wie im obigen Beispiel, von dem im weiteren ausgegangen wird.

Beim zweiten Stromimpuls 62 sind die Stromflanken steiler, so daß die beiden Spannungsquellen 4 und 6 zum Stromaufbau aktiviert werden müssen. Die Spannungsquelle 4 ist voll­ ständig ausgesteuert, zusätzlich erfolgt noch eine Aus­ steuerung der Spannungsquelle 6. Die Spannungsquelle 6 nach Fig. 2 liefert eine positive Ausgangsspannung u_A2, wenn in Form einer Pulsbreitenmodulation die Stellelemen­ te 461 und 471 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, wobei der Mittelwert der Ausgangsspannung u_A2, wie in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt, mit zunehmender Einschaltdauer von Stellelement 471 zunimmt. Das Stellelement 462 ist weiter­ hin eingeschaltet, das Stellelement 472 ist weiterhin aus­ geschaltet. Die Spannungsquelle 6 nach Fig. 3 liefert eine zunehmend positive Ausgangsspannung u_A2 wenn, wie in Fig. 7 dargestellt, bei weiterhin negativer Ansteuerspannung U6 die Ansteuerspannung U5 zunehmend positiv wird.

Am Impulsdach - dem waagerechten Teil des Impulses 62 - wird nur die Spannungsquelle 4 moduliert, um die ohmschen Verluste zu decken. Die Spannungsquelle 6 ist wiederum auf Durchlaß geschaltet. Am Ende des Strompulses 62 ist durch die notwendige negative Spannung die Spannungsquelle 4 vollständig angesteuert; auch hier erfolgt eine zusätz­ liche Aussteuerung der Spannungsquelle 6. Die Spannungsquelle 6 nach Fig. 2 liefert eine negative Ausgangsspan­ nung u_A2, wenn in Form einer Pulsbreitenmodulation die Stellelemente 462 und 472 abwechselnd ein- und ausge­ schaltet werden, wobei der Mittelwert der Ausgangsspannung u_A2, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, mit zunehmender Ein­ schaltdauer von Stellelement 472 negativer wird. Dabei ist das Stellelement 461 eingeschaltet, das Stellelement 471 ist ausgeschaltet.

Die Spannungsquelle 6 nach Fig. 3 erzeugt eine zunehmend negativer werdende Ausgangsspannung u_A2, wenn, wie in Fig. 7 dargestellt, bei negativer Ansteuerspannung US die Ansteuer­ spannung U6 zunehmend positiv wird.

Beim Stromimpuls 64 ist zusätzlich zur Spannungsquelle 4 auch die Spannungsquelle 6 fast vollständig ausgesteuert. Beim Stromabbau des Impulses 64 ist eine Spannungsumkehr an der Last 2 erforderlich, wozu die Spannungsquelle 4 vollständig und die Spannungsquelle 6 nahezu vollständig moduliert wird. Der Stromabbau des Impulses 64 geht stetig über in den Stromaufbau des negativen Stromimpulses 66, wobei, die Spannung für das Impulsdach des Impulses 66 aus­ schließlich durch eine negative Spannung der gesteuerten Spannung 4 aufgebracht werden kann.

Zu erkennen ist das Prinzip, daß die Spannung der für Grundlastbetrieb vorgesehenen Spannungsquelle 2 zum Aufbau von Stromimpulsen mit einer geringen Rampensteilheit sowie zur Deckung der ohmschen Spannungsabfälle ausreicht. Erst wenn für steilere Stromflanken eine höhere Spannung ge­ braucht wird, die die Spannungsquelle 4 allein nicht auf­ bringen kann, wird die Spannungsquelle 6 zugeschaltet. Da­ bei ist die Spannungsquelle 4 vollständig ausgesteuert. Die Spannungsquelle 6 wird nur bei hohem Spannungsbedarf moduliert.

Es soll hier vermerkt werden, daß bei der im Schaltbetrieb arbeitenden Spannungsquelle 6 nach Fig. 2 die Modulation um das Kriterium der Stromrichtung und Stromhöhe erweitert werden kann. Das bedeutet, daß die Modulation nur bei kleinen Strömen wie dargestellt erfolgt. Bei höheren Strömen von Anschluß 101 in die Spannungsquelle 6 und von Anschluß 102 aus der Spannungsquelle 6 heraus werden dann grundsätzlich die nicht stromdurchflossenen Stellelemente 461 und 472 ausgeschaltet. Bei höheren Strömen in umge­ kehrter Richtung wie oben werden dann grundsätzlich die nicht stromdurchflossenen Stellelemente 462 und 471 aus­ geschaltet.

Ferner soll hier vermerkt werden, daß bei der Spannungs­ quelle 6 nach Fig. 3 beim Stromabbau eine Energierückge­ winnung über die Freilaufdioden 491 bis 494 auftritt unter der Bedingung, daß die linear arbeitende Spannungsquelle 6 nach Fig. 3 vollständig angesteuert ist und dabei eine der Ansteuerspannungen U5 oder U6 negativ ist und die andere Ansteuerspannung U6 bzw. U5 positiv und größer als die Spannung der Gleichspannungsquelle 18 ist. Dieser Umstand einer möglichen Energierückgewinnung bei der Spannungs­ quelle 6 nach Fig. 3 rechtfertigt die Entladeeinrichtungen 50 und 52 bei der linear arbeitenden Spannungsquelle 6.

Bedingt durch unterschiedliche Schalt- und Sicherheits­ zeiten und unterschiedliche Ansteuersignale der in Reihe geschalteten Spannungsstelleinheiten 12, 14 sowie durch unterschiedlich steil ansteigende und abfallende Strom­ rampen kann es zur Aufladung der mit den Spannungsstell­ einheiten 12, 14 verbundenen Gleichspannungsquellen 16 und 18 kommen. Diese durch Unsymmetrien bedingte Aufladung der Spannungsquellen 4 und 6 wird im einfachsten Fall durch die in den Fig. 2 und 3 dargestellte erste Entladungs­ vorrichtung 50 verhindert. Die Entladevorrichtung 50 besteht hier aus einem Widerstand, der parallel zu den Lade­ kondensatoren 41 geschaltet ist und dessen Größe von den Unsymmetrien im Stromverlauf und von den ohmschen Verlu­ sten im Lastkreis abhängt. Weniger Verluste bietet eine nur bei Bedarf wirksame Entladeeinrichtung 50, die ent­ weder ferneinschaltbar oder in Abhängigkeit von der Span­ nung der Gleichspannungsquelle 16 oder 18 arbeitet. Ein DC-DC-Wandler als Entladeeinrichtung 50, der die Energie einer Aufladung auf die anderen Gleichspannungsquellen 16 oder 18 verteilt, vermeidet die Umwandlung der Energie in Verlustwärme.

Die zweite Entladevorrichtung 52 besteht hier ebenfalls aus einem Widerstand, der parallel zu den Ausgangsan­ schlüssen 10 geschaltet ist. Die Entladevorrichtung 52 hat den Vorteil hat, daß nur dann Verlustleistung entsteht, wenn an der Spannungsquelle 4 oder 6 eine Ausgangsspannung u_A1 bzw. u_A2 anliegt. Zusätzlich weist die zweite Entlade­ einrichtung 52 den positiven Nebeneffekt auf, daß die durch Durchlaßspannungen hervorgerufenen Nichtlinearitäten bei Durchlaßansteuerung vermindert werden. Bei Verwendung eines RC-Gliedes als Entladeeinrichtung 52 in Verbindung mit der Spannungsquelle 6 nach Fig. 2 würde Verlustleistung durch die Schaltvorgänge entstehen. In Verbindung mit der Spannungsquelle 6 nach Fig. 3 würde Verlustleistung nur durch Änderung der Ausgangsspannung u_A2 entstehen.

Im Schaltbetrieb der Spannungsstelleinheit 14 wird - be­ dingt durch die Sicherheitszeiten im Ansteuersignal - die Zeit, in der ein als ein Schalter ausgebildetes Stell­ element eingeschaltet werden soll, verkürzt und die Zeit, in der es ausgeschaltet sein soll, verlängert. Die unter­ schiedlichen Stromwege in den im Schaltbetrieb arbeitenden Stelleinheiten 12, 14 beim Stromaufbau und beim Stromabbau führen damit zu einer hystereseförmigen Kennlinie der Spannungsquelle 6. Werden ausschließlich Spannungsquellen 4 und 6 in Reihe geschaltet, die mit Spannungsstelleinhei­ ten 12, 14 im Schaltbetrieb arbeiten, ergeben sich durch die insgesamt hystereseförmige Kennlinie der Stromquelle keine zusätzlichen Anforderungen an die Regelung. Arbeitet jedoch die Spannungsstelleinheit 12 im Linearbetrieb und die Spannungsstelleinheit 14 im Schaltbetrieb sind zur Stabilisierung des Regelkreises zusätzliche Maßnahmen er­ forderlich. Das Problem wird im folgenden anhand der Fig. 8 erläutert. Bei den in den Fig. 8 bis 12 dargestellten Kenn­ linien wird davon ausgegangen, daß die gesteuerte Span­ nungsquelle 4 für Grundlast im Linearbetrieb arbeitet, während die gesteuerte Spannungsquelle 6 für Spitzenlast im Schaltbetrieb arbeitet. In Fig. 8 ergibt sich für den oberen Teil der Kennlinie eine hystereseähnliche Form, wobei für den Stromaufbau der Zweig 70 und für den Strom­ abbau der Zweig 72 der Kennlinie maßgeblich ist. Ein waagrechter Teil 74 der Kennlinie ergibt sich beim Strom­ aufbau durch die Ansteuerlücke bzw. durch die Sicherheits­ zeiten. Beim Stromabbau werden durch Gegenspannung in einem Bereich 76 beide Spannungsstelleinheiten 12 und 14 angesteuert. Hier verdoppelt sich die Verstärkung der Reihenschaltung der beiden Spannungsquellen 4 und 6, was in einem Regelkreis bei einer Aussteuerung in diesem Be­ reich zu Regelschwingungen führen kann. Durch ein höheres Offset-Signal 34 kann die Ansteuerkennlinie der Spannungs­ quelle 6 so verschoben werden, daß die Erhöhung der Ver­ stärkung nicht auftritt. Dann tritt aber eine große An­ steuerlücke 74 auf, wie anhand von Fig. 9 zu erkennen ist.

Diese Ansteuerlücke 74 kann durch die im folgenden anhand von Fig. 10 bis 12 beschriebenen Anpassung der Kennlinien vermieden werden. Fig. 10 zeigt die Kennlinie der Grund­ lastspannungsquelle 4, wobei jetzt in dem Überlappungsbereich 78, in dem doppelte Verstärkung auftreten könnte, die Verstärkung in der Kennlinie halbiert ist. Ähnlich wird in der in Fig. 11 dargestellten Kennlinie der Span­ ungsquelle 6 im Anfangsüberlappungsbereich 78 ebenfalls die Verstärkung halbiert. Durch eine entsprechende Ein­ stellung der Offset-Einrichtung 32 werden die beiden Kennlinien nun so ineinandergeschoben, daß im gesamten Überlappungsbereich 78 die Verstärkung zumindest die Hälfte der sonst wirkenden Verstärkung beträgt, sie aber nicht größer als die normale Verstärkung wird. Die Ge­ samtkennlinie als Summe der Einzelkennlinien zeigt Fig. 12, wodurch erreicht ist, daß der ungünstige Einfluß der dop­ pelten Verstärkung und der Verstärkung Null, wie er in der Kennlinie nach Fig. 9 auftritt, kompensiert ist.

Claims (18)

1. Stromversorgung für vorwiegend induktive Lasten (2) mit mindestens zwei steuerbaren Spannungsquellen (4, 6), die je­ weils eine Spannungsstelleinheit (12, 14) umfassen, die ein­ gangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle (16, 18) verbun­ den ist und die an Ausgangsanschlüssen (81, 82; 101, 102) ei­ ne gesteuerte Ausgangsspannung (u_A1, u_A2) abgeben kann, wobei die Gleichspannungsquellen (16, 18) potentialgetrennt und die Ausgangsanschlüsse (82; 102) der Spannungsstelleinheiten (12, 14) in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste steuerbare Spannungsquelle (4) für einen Grund­ lastbetrieb zur Lieferung einer Grundausgangsspannung (u_A1) ausgebildet ist und daß die mindestens zweite steuerbare Spannungsquelle (6) für einen Spitzenlastbetrieb zur Liefe­ rung von die Grundausgangsspannung (u_A1) übersteigenden Spit­ zenausgangsspannungen (u_A2) ausgebildet ist.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zweite Spannungsstelleinheit (14) auf un­ gehinderten Stromdurchlaß geschaltet ist, wenn die von der mindestens zweiten Spannungsquelle (6) erzeugte Spitzenaus­ gangsspannung (u_A2) Null sein soll.

3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere steuerbare Spannungsquelle für Spitzenlastbetrieb vorgesehen ist und daß die mindestens zwei Spannungsquellen für Spitzenlastbetrieb zur gestaffelten Lie­ ferung der Spitzenausgangsspannungen ausgebildet sind.

4. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere steuerbare Spannungsquelle für Spitzenlastbetrieb vorgesehen ist und daß die mindestens zwei Spannungsquellen für Spitzenlastbetrieb im wesentlichen zur Lieferung der Spitzenausgangsspannung zu gleichen Teilen aus­ gebildet sind.

5. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsstelleinheiten der mindestens zwei Span­ nungsquellen für Spitzenlastbetrieb im Schaltbetrieb über ei­ ne Pulsbreitenmodulation die Spitzenausgangsspannungen beein­ flussen und daß die Spannungsstelleinheiten zeitlich versetzt schalten.

6. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsstelleinheiten der mindestens zwei Span­ nungsquellen für Spitzenlastbetrieb im Schaltbetrieb über eine Puls­ breitenmodulation die Spitzenausgangsspannungen beeinflussen und daß die Spannungsstelleinheiten gleichzeitig schalten.

7. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Spannungsstelleinheit (12, 14) zwei Brüc­ kenzweige (42, 44) umfaßt, die parallel an der Gleichspan­ nungsquelle (16, 18) angeschlossen sind, daß jeder Brücken­ zweig (42, 44) aus zwei in Reihe geschalteten Stellelementen (461, 471; 462, 472) besteht und daß die Ausgangsanschlüsse (81, 82; 101, 102) zwischen den Stellelementen (461, 471; 462, 472) jedes Zweigs (42, 44) angeordnet sind.

8. Stromversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, die Stellelemente (461, 471; 462, 472) für Schaltbetrieb aus­ gebildet sind, mit denen die Ausgangsspannung über eine Puls­ breitenmodulation steuerbar ist.

9. Stromversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellelemente (461, 471; 462, 472) für Linearbetrieb ausgebildet sind.

10. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellelement (461, 471; 462, 472) mindestens einen Transistor umfaßt.

11. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellelement (461, 471; 462, 472) mindestens eine Freilaufdiode (491, 492, 493, 494) umfaßt.

12. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellelemente (461, 471; 462, 472) mindestens einer Spannungsstelleinheit (14) mit jeweils einer Steuereinheit oder einem Modulator (26) verbunden sind, der in Abhängigkeit eines Reglerausgangssignals (i_R) und einer periodischen Ver­ gleichsspannung (36) pulsbreitenmodulierte Steuersignale für die Stellelemente (461, 471; 462, 472) erzeugt.

13. Stromversorgung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Modulator (26) oder den Modulatoren der für Spitzen­ lastbetrieb vorgesehenen Spannungsquelle (6) bzw. Spannungs­ quellen eine Offset-Einrichtung (32) vorgeschaltet ist bzw. sind, die das Reglerausgangssignal (i_R) mit mindestens einem zeitlich konstanten Signal (34) beaufschlagt.

14. Stromversorgung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß den Steuereinheiten (24, 26) Verstärker (28, 30) zur An­ passung des Reglerausgangssignals (i_R) zugeordnet sind.

15. Stromversorgung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der Verstärker (28, 30) in der Nähe der Aussteuergrenzen der Steuereinheiten (24, 26) halbierbar ist.

16. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu mindestens einer Gleichspannungsquelle (16, 18) eine erste Entladeeinrichtung (50) angeordnet ist.

17. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Ausgangsanschlüssen (81, 82; 101, 102) einer Spannungsquelle eine zweite Entladeeinrichtung (52) an­ geordnet ist.

18. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanschlüsse (81; 101) mit einer Gradienten­ spule (2) eines Kernspinresonanz-Bildgeräts verbunden sind.