DE60113166T2 - Geregelter Resonanzwandler - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen geregelten Resonanzwandler. Insbesondere betrifft sie Serienresonanzwandler zum Bereitstellen einer Gleichspannungs(DC-) Stromversorgung für Elektromagnete.
  • Geregelte Resonanzwandler sind bestens bekannt und finden beim Umsetzen einer Netzwechselspannung (AC) auf eine geregelte Versorgungsspannung Anwendung. Geregelte Resonanzwandler werden in großem Maßstab in einer Vielfalt von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Akkuladegeräten, bei der induktiven Erwärmung und als Stromversorgung für Elektromagnete. Die folgende Erörterung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die Verwendung von Resonanzleistungswandlern in magnetischen Resonanzbildaufbereitungssystemen (magnetic resonant imaging – MRI), um eine gesteuerte Stromversorgung für Gradientenspulen mit dem Ziel bereitzustellen, das magnetische Feld eines MRI-Magneten entsprechend den Anforderungen für die Bildaufbereitung zu verändern. Jeder Resonanzwandler fungiert als DC-Stromversorgung für einen Dreiachsen-Gradientenverstärker, dessen Ausgang mit den Gradientenspulen verbunden ist. Die britische Patentanmeldung GB-A-2311387 beschreibt einen geregelten Resonanzwandler in einem MRI-System und ist hier unter Bezugnahme mitinbegriffen.
  • Bekannte geregelte Resonanzwandler umfassen einen Serienresonanzschaltkreis, dessen Stromflussrichtung über eine Anordnung von Schalttransistoren, die aus dem Wechselspannungsnetz über einen Gleichrichter stromversorgt werden, abwechselnd in verschiedene Richtungen mit einer Frequenz umgeschaltet wird, die der Resonanzfrequenz des Serienresonanzschaltkreises entspricht oder ihr nahe kommt. Auf diese Weise werden Störungen mit höheren Frequenzen weitgehend abgeschwächt. Die Funktion der Schalttransistoren wird durch Signale gesteuert, die in Abhängigkeit von einem Rückkopplungs-Probenwert einer im Resonanzschaltkreis entstehenden Ausgangsspannung des Wandlers in einer Steuerschaltung und durch eine die Polarität wechselnde Spannung (crossover voltage) erzeugt werden, die in Abhängigkeit von einer Stromrichtungsumkehr in einer Induktionsspule, die Teil des Resonanzschaltkreises ist, abgeleitet wird, wobei die Regelung in Abhängigkeit von Änderungen des Rückkopplungsprobenwertes erfolgt.
  • Ein typischer parallel belasteter Serienresonanzwandler für ein MRI-System wandelt die Eingangsspannung einer dreiphasigen 400-V-Wechselspannung mit 50 Hz (oder einer 480-V-Wechselspanung mit 60 Hz) in sechs galvanisch voneinander getrennte Ausgangsgleichspannungen von 400 V. Die parallel zu einem Kondensator des Resonanzschaltkreises angelegte Last kann zwischen 0 und 25 kW liegen.
  • Die verwendeten Transistorschalter sind üblicherweise bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT), es können jedoch auch Leistungstransistoren oder Abschalt (GTO-) Thyristoren verwendet werden.
  • Nach herkömmlicher Art wird die Ausgangsspannung durch die Steuerung der Schaltfrequenz in einer Transistor-Brückenanordnung, z.B. in einer Halbbrücke mit zwei Schaltern oder einer H-Brücke mit vier Schaltern, geregelt. Beim Spitzenwert der Netzspannung und minimaler Last ist der Spitzenwert des Stroms in den Schaltern und in der Resonanzinduktionsspule ein Maximum, und folglich entsteht ein Leistungsverlust. Bei fehlender Last sind die Brückenanordnung und der Resonanzschaltkreis höheren Belastungen ausgesetzt als bei Volllast.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die oben erwähnten Probleme zu vermeiden oder abzuschwächen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Verfahren und Vorrichtungen bereitgestellt, wie sie in den anhängenden unabhängigen Ansprüchen dargelegt werden.
  • Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
  • 1 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zeigt, bei der ein Resonanzwandler eingesetzt wird, um die Gradientenspulen eines MRI-Systems mit Strom zu versorgen;
  • 2 ein Prinzipschaltbild eines geregelten Resonanzwandlers zeigt, wie er in der britischen Patentanmeldung GB-A-2311387 beschrieben wird;
  • 3 ein Prinzipschaltbild eines geregelten Resonanzwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 den Steuerkreis des geregelten Resonanzwandlers von 3 in größerer Ausführlichkeit zeigt;
  • 5 ein Zeitdiagramm zeigt, das die Zustände der Schalter mit der resultierenden Ausgangsspannung vergleicht;
  • 6A und 6B alternative Anordnungen des Resonanzschaltkreises zeigen, der in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann; und
  • 7A und 7B die vom Resonanzschaltkreis erzeugten Kurven unter Verwendung bekannter und erfindungsgemäßer Verfahren vergleichen.
  • 1 veranschaulicht eine typische Schaltungsanordnung für eine Stromversorgung X, Y und Z der Gradientenspulen 1, 2 und 3 eines MRI-Systems (nicht gezeigt). Ein geregelter Resonanzwandler 4 wird über drei Anschlussklemmen 5, 6 und 7 aus einem Dreiphasen-Wechselstromnetz mit 400 V und 50 Hz gespeist. Auf der Ausgangsleitung 8 stellt der geregelte Resonanzwandler 4 eine Einphasen-Wechselspannung von 400 V und mit einer Frequenz von etwa 20 kHz zur Verfügung. Die 400-V-Wechselspannung mit 20 kHz wird den drei Primärwicklungen 9, 10 und 11 der drei Transformatoren 12, 13, bzw. 14 zugeführt, die eine Trennfunktion übernehmen. Die Sekundärwicklungen 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b der drei Transformatoren 12, 13 bzw. 14 sind wie gezeigt mit Gleichrichtern 15, 16, 17, 18, 19 und 20 verbunden, so dass 400-V-Gleichspannungen für die Gradientenverstärker 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26 erzeugt werden. Um in den Gradientenspulen 1, 2 und 3 die erforderliche Stromänderungsrate bereitzustellen, sind die Gradientenverstärker zu Paaren dergestalt zusammengefasst, dass die Gradientenverstärker 21 und 22 die Gradientenspule 1, die Gradientenverstärker 23 und 24 die Gradientenspule 2 und die Gradientenverstärker 25 und 26 die Gradientenspule 3 speisen.
  • Im Betrieb werden die Gradientenverstärker 21 bis 26 geschaltet, so dass sie in jeder der Gradientenspulen 1, 2 und 3 den in 27 (als Auszugsbild) gezeigten Signalverlauf erzeugen, um eine geeignete, für die Bildaufbereitung benötigte Änderung des vom Magneten eines MRI-Systems erzeugten Magnetfeldes zu bewirken. Die Funktionsprinzipien des Magneten, des MRI-Systems und des Bildaufbereitungssystems sind dem Fachmann bestens bekannt und stehen bei der vorliegenden Erfindung nicht im Mittelpunkt. Folglich werden sie hier nicht ausführlicher beschrieben.
  • 2 zeigt in größerer Ausführlichkeit einen bekannten geregelten Resonanzwandler 4, bei dem die Dreiphasen-Eingangsleitungen 5, 6 und 7 mit einem Gleichrichter 28 verbunden sind (gestrichelt umrandet gezeigt), so dass zwischen den Leitungen 29 und 30 eine Gleichspannung anliegt, die einem Paar von in Serie geschalteten Transistoren 31 und 32 in einer Anordnung zugeführt wird, die als Halbbrücke bekannt ist. Ein Verbindungspunkt 33 zwischen den Schalttransistoren 31 und 32 ist über einen Serienresonanzschaltkreis, der einen Kondensator 34 und eine Induktionsspule 35 umfasst, mit einem Verbindungspunkt zwischen zwei Kondensatoren 36 und 37 verbunden, welche ihrerseits zwischen die Gleichspannungsleitungen 29 und 30 geschaltet sind. Zu den Transistoren 31 und 32 ist die Reihenschaltung aus den Dämpfungskondensatoren 38 und 39 parallelgeschaltet, und deren gemeinsamer Verbindungspunkt ist mit dem Verbindungspunkt 33 zwischen den Transistoren 31 und 32 verbunden. Parallel zu den Dämpfungskondensatoren 38 und 39 liegt jeweils eine Diode 40 bzw. 41.
  • Im Betrieb werden die Transistoren 31 und 32 durch Signale geschaltet, die über die Leitungen 42 bzw. 43 an die jeweiligen Gate-Anschlüsse gelegt werden. Die Signale zum Schalten der Transistoren 31 und 32 werden in einer Steuerschaltung 44 abgeleitet, die über die optischen Verbindungen 45 und 46 (nur schematisch gezeigt) mit den Transistoren 31 und 32 verbunden ist. Die optischen Verbindungen haben hier den gleichen Zweck wie die Transformatoren in 1; sie trennen den Leistungswandlerschaltkreis galvanisch ab. Die optischen Signale werden in der Steuerschaltung 44 in den Sendeeinheiten 47 und 48 erzeugt und in den Empfängereinheiten 49 und 50 in entsprechende elektrische Signale umgesetzt, die dem Transistor 31 bzw. 32 zugeleitet werden. Das Schalten wird durch die Steuerschaltung 44 in Abhängigkeit von einer Spannung mit wechselnder Polarität, die der Steuerschaltung 44 über die Leitungen 51 und 52 zugeführt wird, und eine Rückkopplungsspannung, die der Steuerschaltung 44 über die Leitungen 53 und 54 zugeleitet wird, bewerkstelligt.
  • Die Spannung mit wechselnder Polarität wird über einen Kopplungswandler 55 von der Leitung 33 abgeleitet, und die Rückkopplungsspannung umfasst also einen Probenwert einer Ausgangsspannung vom geregelten Resonanzwandler, die sich zwischen den Leitungen 56 und 57 am Kondensator 34, der Teil des Resonanzschaltkreises ist, aufbaut, wobei der Probenwert über einen Rückkopplungstransformator 58 und einen Brückengleichrichter 59 zugeleitet wird, um einen Gleichspannungssignalpegel auf den Leitungen 53 und 54 bereitzustellen, der durch einen Widerstand 60 und einen Kondensator 61 geglättet wird.
  • In der in 3 gezeigten Schaltung finden sich viele Merkmale von Resonanzwandlern nach dem Stand der Technik gemäß 2. Der Resonanzwandler 300 in 3 kann als der geregelte Resonanzwandler 4 aus 1 ausgeführt sein.
  • 3 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Resonanzwandlers 300 zum Anschluss an eine Dreiphasen-Spannungsquelle von 400 V Wechselspannung und 50 Hz. Es ist klar, dass die gleiche Schaltung auch zum Anschluss an eine alternative Dreiphasen-Spannungsquelle mit 480 V Wechselspannung und 60 Hz oder allgemeiner mit nur wenigen Änderungen für Spannungsquellen mit Werten im Bereich von 360 V bis 528 V eingerichtet werden kann. Die Eingangsleitungen 5, 6 und 7 führen zu einer Brücke aus Dioden und dem Filterschaltkreis 320. Die Ausgänge der Brücke aus Dioden und dem Filterschaltkreis 320 stellen zwischen den Leitungen 329 und 330 eine Gleichspannung bereit, die an das erste Paar von in Reihe geschalteten Schalttransistoren (Q1, Q3) 331, 332 und an das zweite Paar von in Reihe geschalteten Schalttransistoren (Q2, Q4) 351, 352 in einer Anordnung, die als H-Brücke oder Vollbrücke bekannt ist, angelegt wird, wobei das erste Paar 331, 332 parallel zu dem zweiten Paar 351, 352 geschaltet ist.
  • Ein Verbindungspunkt 333 zwischen dem ersten Paar von Schalttransistoren (Q1, Q3) 331 und 332 ist über einen Serienresonanzschaltkreis, der einen Kondensator 334 und eine Induktionsspule 335 umfasst, mit einem Verbindungspunkt 353 zwischen dem zweiten Paar von Schalttransistoren (Q2, Q4) 351 und 352 verbunden. Zu den Schalttransistoren 331, 332, 351, 352 ist jeweils ein Dämpfungskondensator 338, 339, 358, 359 parallel geschaltet. Zu den Dämpfungskondensatoren 338, 339, 358, 359 ist jeweils eine Diode 340, 341, 360 bzw. 361 parallel geschaltet.
  • Die Schalttransistoren 331, 332, 351 und 352 werden durch Signale geschaltet, die an ihre jeweiligen Gate-Anschlüsse über die Leitungen 342, 343, 362 bzw. 363 angelegt werden. Die Signale zum Schalten der Transistoren 331, 332, 351 und 352 werden in einer Steuerschaltung 310 abgeleitet. Alle Schalttransistoren Q1, Q2, Q3 und Q4 schalten ein, wenn kein Strom durch sie fließt und wenn die an ihnen liegende Spannung 0 ist.
  • Das Schalten wird durch die Steuerschaltung 310 in Abhängigkeit von einer Spannung mit wechselnder Polarität bewirkt, die über die Leitungen 312 und 314 an die Steuerschaltung angelegt wird, und eine Rückkopplungsspannung, die der Steuerschaltung 310 über die Leitungen 316 und 318 zugeführt wird. Die Spannung mit wechselnder Polarität wird über einen Kopplungswandler 355 von der Leitung zwischen den Verbindungspunkten 333 und 353 abgeleitet. Die Rückkopplungsspannung umfasst einen Probenwert einer Ausgangsspannung vom geregelten Resonanzwandler, die sich zwischen den Leitungen 316 und 318 am Kondensator CR (334), der ein Teil des Resonanzschaltkreises ist, aufbaut.
  • 4 veranschaulicht die Steuerschaltung 310 der 3 in größerer Ausführlichkeit. Der am Kondensator CR 334 aufgebaute Ausgangsspannungs-Probenwert wird über einen Rückkopplungstransformator 412 und einen Brückengleichrichter 414 der Rückkopplungsschaltung 416 zugeleitet, um einen Gleichspannungssignalpegel bereitzustellen. Gleichermaßen wird durch den Stromtransformator CT 355 die längs der Leitungen 312 und 314 erfasste Spannung einem Polaritätsänderungsschaltkreis 410 zugeleitet. Mit der Rückkopplungsspannung von der Rückkopplungsschaltung 416 und der Polaritätsänderungserkennungseinheit des Polaritätsänderungsschaltkreises 410 kann das Verarbeitungsmittel 418 die Signale 342, 362, 343 und 363 zur Steuerung der Schalttransistoren Q1, Q2, Q3 bzw. Q4 bereitstellen. Wie in 2 werden die Steuersignale mittels einer optischen Vorrichtung 420 galvanisch getrennt.
  • Im herkömmlichen Betrieb wird eine H-Brückenanordnung von vier Schaltern gesteuert, so dass die Schaltfrequenz gemäß den Rückkopplungspegeln der Ausgangsspannung verändert wird. Bei der beispielhaften H-Brücke in 3 sind die Schalter Q1 und Q4 so geschaltet, dass sie im Tandembetrieb arbeiten. Beide Schalter schalten gleichzeitig in den EIN-Zustand und verbleiben gleichlange im EIN-Zustand, der „EIN-Zeit". Auch die EIN-Zeiten und das Schalten in den EIN-Zustand der Schalter Q2 und Q3 sind jeweils identisch und laufen gleichzeitig ab. Der Ausgangsspannungspegel kann durch Verändern der Schaltfrequenz geregelt werden.
  • 5 veranschaulicht die Funktion eines Resonanzwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn sie in der Schaltung von 3 realisiert wird.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben Q1 und Q2 eine gleichlange festgelegte EIN-Zeit TF. Es ist klar, dass die tatsächliche EIN-Zeit durch ein Potentiometer eingestellt wird und von dem gewünschten Ausgangsspannungspegel abhängt. Wenn das Potentiometer moduliert wird, können die EIN-Zeiten von Q1 und Q2 unterschiedlich sein. Die Länge der Zeit, während der sich Q3 und Q4 im EIN-Zustand befinden, TV, ist hingegen variabel gestaltet, liegt jedoch trotzdem innerhalb der EIN-Zeit-Dauer von Q1 bzw. Q2: Das heißt TV ≤ TF. Wie für Q1 und Q2 ist die EIN-Zeit TV für Q3 und Q4 im Wesentlichen die gleiche; streng genommen unterscheidet sich die variable EIN-Zeit TV von Q3 und Q4 aber innerhalb eines Zyklus, doch diese Abweichung innerhalb eines Zyklus ist vernachlässigbar. Hier werden die EIN-Zeiten durch eine Rückkopplung vom Ausgangsspannungspegel gesteuert, ausschlaggebend ist jedoch, dass die Schaltfrequenz unverändert bleiben kann. Es ist klar, dass sowohl die Schaltfrequenz als auch die EIN-Zeiten für die Schalter Q3 und Q4 gleichzeitig verändert werden können. Die gleichzeitige Veränderung ist insbesondere dann wünschenswert, wenn eine niedrige Ausgangsspannung benötigt wird.
  • Die Impulsverläufe a) bis d) in 5 entsprechen den Schaltsignalen, die den Schaltern Q1 bis Q4 jeweils zugeführt werden. Eine erste Zyklushälfte wird von den Schaltern Q1 und Q4 gesteuert. Zum Zeitpunkt to sind sowohl Q1 als auch Q4 EIN-geschaltet. Nach einer variablen Zeitdauer TV des EIN-Zustandes geht das Signal zum Schalten des Schalters Q4 zum Zeitpunkt t1 auf AUS. Das Signal zum Schalten von Q1 geht etwas später zum Zeitpunkt t2 auf AUS. Während der ersten Zyklushälfte bleiben die Signale zum Schalten von Q2 und Q3 auf AUS. Das hat zur Folge, dass während der gesamten Zeitdauer von to bis t1 Strom über die Leitung 329, durch den Schalter Q1 331 zum Verbindungspunkt 333, durch die Induktionsspule LR 335 und den Kondensator CR 334 des Resonanzschaltkreises, zum Verbindungspunkt 353, durch den Schalter Q4 352 und zurück über die Leitung 330 fließen kann – der Spannungsabfall zwischen den Verbindungspunkten 333 und 353 (VA–VB) ist positiv, wie aus der Darstellung der Impulsfolge e) zu sehen ist. Während der Zeitdauer von t1 bis t2 ist lediglich der Schalter Q1 EIN-geschaltet, und der Spannungsabfall (VA–VB) geht auf null zurück.
  • Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ist keiner der Schalter EIN-geschaltet, aber der Spannungsabfall wird negativ, da sich der Kondensator 334 des Resonanzschaltkreises entlädt. Der Strom IL durch die Induktionsspule LR 335 wird als Signalverlauf f) in 5 gezeigt. Der Strom IL durch die Induktionsspule eilt dem Spannungsabfall am Resonanzschaltkreis um 90° nach.
  • Wenn sich die Richtung des Stroms IL durch die Induktionsspule umkehrt, erkennt der Stromtransformator CT 355 einen Vorzeichenwechsel und teilt das Umkehrereignis dem Umkehrschaltkreis mit. Wenn die Steuerschaltung einen Polaritätswechsel erkennt, setzt sie beide Signale für die Schalter Q2 und Q3 auf EIN, t3: Es beginnt eine zweite Zyklushälfte, die durch die Schalter Q2 und Q3 gesteuert wird. Es fließt nun durch den Resonanzschaltkreis, durch den Schalter Q2 vom Verbindungspunkt 353 zum Verbindungspunkt 333 und zurück über die Leitung 330 über den Schalter Q3 ein Strom in im Vergleich zur ersten Zyklushälfte entgegengesetzter Richtung. Zum Zeitpunkt t9 geht das Steuersignal für den Schalter Q3 auf AUS. Der Spannungsabfall am Resonanzschaltkreis (VA–VB) geht auf null zurück. Die festgelegte EIN-Zeit TF des Schalters Q2 endet am Zeitpunkt t5, und der Kondensator CR 334 kann sich frei entladen. Auch hier definiert das Umkehrereignis des Stromes durch die Induktionsspule die Zeit t6, zu der eine neue erste Zyklushälfte beginnt.
  • Die variable Länge der EIN-Zeiten TV wird durch die Rückkopplungsspannung VC am Kondensator CR 334 bestimmt. Mit anderen Worten, die Zeitpunkte t1 und t4 werden durch den Ausgangsspannungspegel gesteuert. Die Ausgangsspannung weist einen Verlauf auf, der in 5 durch g) gekennzeichnet ist. Eine Erhöhung der EIN-Zeit von Q3 und Q4 hat eine höhere Spannung am Resonanzschaltkreis (VA–VB) zwischen den Anschlusspunkten 333 und 353 zur Folge. Auf diese Weise findet eine Regelung der Spannung VC statt.
  • Es ist klar, dass ein Resonanzschaltkreis aus viel mehr passiven Bauteilen aufgebaut werden kann, als in der Prinzipschaltung von 3 dargestellt sind. Das Entscheidende dabei ist, dass eine Induktionsspule mit den übrigen Bauteilen des Resonanznetzwerks in Reihe geschaltet wird. 6A zeigt lediglich die Resonanzschaltkreis-Bauteile der Einheit von 3, einen Kondensator CR 334 und eine Induktionsspule LR 335. Eine bevorzugte alternative Anordnung weist zwei gleichartige Induktionsspulen und einen dazu in Reihe geschalteten Kondensator auf, wobei wie in 6B gezeigt jeder der beiden Anschlüsse des Kondensators mit jeweils einer Induktionsspule verbunden ist. Ein Resonanzschaltkreis mit einer ersten Induktionsspule LR1, einem Kondensator CR und einer zweiten in Reihe geschalteten Induktionsspule LR2 kann das Verhalten der Resonanzschaltkreisspannung gegenüber Erde über einen Schaltzyklus glätten. Ähnliche Resonanzschaltkreise, bei denen die erste und die zweite Induktionsspule unterschiedlich sind, sind ebenfalls möglich.
  • Zum Schluss wird die Art der Steuerungsverfahren der vorliegenden Erfindung anhand der Resonanzkurven in Bezug auf den zugehörigen Resonanzschaltkreis veranschaulicht. Bei herkömmlichen Steuerungsverfahren kann die Schaltfrequenz verändert werden, was in 7A der Veränderung in Richtung der X-Achse entspricht. Ausschließlich zum Zwecke der Veranschaulichung zeigt 7A eine typische Resonanzkurve 700 und den Bereich 720, in dem die Schaltfrequenz verändert wird (hier werden als typische Werte für die Steuerfrequenz 20 bis 40 kHz angegeben; die Resonanzfrequenz fR 710 liegt irgendwo darunter).
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet eine Variation der Spannung am Resonanzschaltkreis. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Variation der Spannung bei einer bestimmten Schaltfrequenz, die einer in 7B dargestellten Veränderung in Richtung der Y-Achse entspricht. Die Abbildung zeigt mehr als eine Resonanzkurve 700, 702, die den Bereich 730 definieren, über den sich der Spannungsabfall am Resonanzschaltkreis verändert.
  • Wenn zum Kondensator 334 des Resonanzschaltkreises 300 eine hohe Last parallel geschaltet wird, wird ein relativ höherer Strom gezogen und dadurch die Amplitude des Spitzenwertes der Resonanzkurve gedämpft. Allerdings wird der gegenteilige Effekt beobachtet, wenn die Last sehr klein oder null ist: Es wird von der Last nur ein geringer Strom gezogen, und der Spitzenwert der Resonanzkurve ist sehr groß. Das Aufrechterhalten eines konstanten Ausgangspannungspegels führt bei der Verwendung des herkömmlichen Frequenzvariationsverfahrens zu einer deutlichen Erhöhung der Schaltfrequenz. Die Erhöhung der Schaltfrequenz wiederum hat zur Folge, dass beim Strom IL durch die Induktionsspule hohe Spitzenwerte auftreten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden hohe Werte des Stroms durch die Induktionsspule vermieden, indem der Spannungsabfall am Resonanzschaltkreis geändert wird.
  • Dem Fachmann wird sofort ersichtlich, dass ein geregelter Resonanzwandler gemäß der Erfindung in einer Reihe von Einheiten realisiert werden kann, z.B. in Stromversorgungen für Elektromagnete, in Ausrüstungen für induktive Erwärmung und in Akku-Ladeinheiten.
  • Darüber hinaus ist sofort erkennbar, dass der Schaltkreis der Erfindung noch weitere herkömmliche Bauelemente enthalten kann, ohne dass der Effekt der Erfindung beeinträchtig wird, beispielsweise kann zwischen die Verbindungspunkte 333 und 335 ein weiterer Kondensator (nicht gezeigt) zur Wechselspannungskopplung geschaltet werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Regeln der Ausgangsspannung eines Resonanzleistungswandlers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält: a) Bereitstellen von Strom an einen Resonanzschaltkreis (CR, LR) mittels einer Schaltanordnung mit einer Vielzahl von Schaltern, wobei die Schaltanordnung eine H-Brücke umfasst, die Folgendes beinhaltet: einen ersten Schalter (Q1), einen zweiten Schalter (Q2), einen dritten Schalter (Q3) und einen vierten Schalter (Q4); wobei der erste Schalter (Q1) mit dem dritten Schalter (Q3) in Serie geschaltet ist und der zweite Schalter (Q2) mit dem vierten Schalter (Q4) in Serie geschaltet ist, wobei ein erster Verbindungspunkt (333) zwischen dem ersten Schalter (Q1) und dem dritten Schalter (Q3) und ein zweiter Verbindungspunkt (353) zwischen dem zweiten Schalter (Q2) und dem vierten Schalter (Q4) bereitgestellt wird, und wobei der Resonanzschaltkreis (CR, LR) zwischen dem ersten Verbindungspunkt (333) und dem zweiten Verbindungspunkt (353) angeordnet ist, wobei die Schalter einen in seiner Flussrichtung sich ändernden Strom durch den Resonanzschaltkreis steuern; b) Bereitstellen eines Rückkopplungssignals (316, 318); und c) Steuern des Verhaltens der Schalter gemäß dem Rückkopplungssignal, um die Dauer zu steuern, während der Strom durch den Resonanzschaltkreis fließt; wobei Schritt c) des Weiteren die Erzeugung eines sich wiederholenden Zyklus von Schaltsignalen enthält, wobei die Erzeugung eines sich wiederholenden Zyklus die folgenden Teilschritte umfasst: i) Bereitstellen des ersten Schalters mit einem ersten Schaltsignal, das eine erste EIN-Zeit von festgelegter Dauer (TF), einen ersten Einschaltzeitpunkt (t0) und einen ersten Endzeitpunkt (t2) hat; ii) Bereitstellen des zweiten Schalters mit einem zweiten Schaltsignal, das eine zweite EIN-Zeit von festgelegter Dauer (TF), einen zweiten Einschaltzeitpunkt (t3) und einen zweiten Endzeitpunkt (t5) aufweist, iii)Bereitstellen des dritten Schalters mit einem dritten Schaltsignal, das eine dritte EIN-Zeit von variabler Dauer (TV) aufweist, wobei die dritte EIN-Zeit am zweiten Einschaltzeitpunkt (t3) beginnt und an einem dritten Endzeitpunkt (t4) endet, und iv) Bereitstellen des vierten Schalters mit einem vierten Schaltsignal, das eine vierte EIN-Zeit von variabler Dauer (TV) aufweist, wobei die vierte EIN-Zeit am ersten Einschaltzeitpunkt (t0) beginnt und an einem vierten Endzeitpunkt (t1) endet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste EIN-Zeit und die zweite EIN-Zeit im Wesentlichen die gleiche festgelegte Länge (TF) haben.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dritte EIN-Zeit und die vierte EIN-Zeit im Wesentlichen die gleiche variable Dauer (TV) innerhalb jedes sich wiederholenden Zyklus von Schaltimpulsen aufweisen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Schritt c) durch Verändern des dritten Endzeitpunkts (t4) des dritten Schaltsignals und des vierten Endzeitpunkts (t1) des vierten Schaltsignals in Abhängigkeit vom Rückkopplungssignal ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren die folgenden Schritte enthält: d) Erkennen eines Stromrichtungsumkehr-Ereignisses (312, 314, 355); und e) Erzeugen eines Polaritätswechselsignals, das dem Stromrichtungsumkehr-Ereignis entspricht.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Schritt c) der Änderung des Spannungsabfalls am Resonanzschaltkreis (CR, LR) entspricht.
  7. Leistungswandlervorrichtung zum Liefern einer geregelten Ausgangsspannung, wobei die Vorrichtung Folgendes enthält: einen Resonanzschaltkreis (CR, LR); eine Schaltanordnung, die die Richtung und die Dauer des durch den Resonanzschaltkreis fließenden Stromes steuert, wobei die Schaltanordnung eine H-Brückenanordnung umfasst, die einen ersten Schalter (Q1), einen zweiten Schalter (Q2), einen dritten Schalter (Q3) und einen vierten Schalter (Q4) enthält, wobei der erste Schalter (Q1) mit dem dritten Schalter (Q3) über einen ersten Verbindungspunkt (333) in Serie geschaltet ist und der zweite Schalter (Q2) mit dem vierten Schalter (Q4) über einen zweiten Verbindungspunkt (353) in Serie geschaltet und wobei der Resonanzschaltkreis (CA, LR) zwischen den ersten Verbindungspunkt (333) und den zweiten Verbindungspunkt (353) geschaltet ist, und wobei die Steuerschaltung die H-Brücke durch unabhängiges Ansteuern jedes der vier Schaltern (Q1 bis Q4) mit einem entsprechenden Steuersignal steuert; ein Rückkopplungsmittel (316, 318) zum Liefern eines Rückkopplungssignals; und eine Steuerschaltung (310), die das Verhalten der Schalter (Q1 bis Q4) in der Schaltanordnung in Abhängigkeit vom Rückkopplungssignal (316, 318) steuert; wobei die Steuerschaltung die Schaltanordnung durch Ändern der Dauer, während der Strom durch den Resonanzschaltkreis fließt, in Abhängigkeit vom Rückkopplungssignal (316, 318) steuert und wobei die Steuerschaltung die H-Brücke über ein erstes Schaltsignal steuert, das den ersten Schalter (Q1) ansteuert, und ein zweites Schaltsignal, das den zweiten Schalter (Q2) ansteuert, wobei beide Signale eine festgelegte Dauer (TF)haben, und ein drittes Schaltsignal, das den dritten Schalter (Q3) ansteuert, und ein viertes Schaltsignal, das den vierten Schalter (Q4) ansteuert, wobei beide Signale eine Dauer (TV) aufweisen, die sich in Abhängigkeit des Rückkopplungssignals (316, 318) ändert.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die des Weiteren ein Polaritätswechsel-Erkennungsmittel (355, 356) zum Erkennen eines Stromrichtungsumkehr-Ereignisses im Resonanzschaltkreis (CR, LR) und zum Erzeugen eines entsprechenden Polaritätswechselsignals, um Stromrichtungsumkehr-Ereignisse zu erkennen, wobei die Steuerschaltung (310) das Polaritätswechselsignal dazu verwendet, ein entsprechendes Schaltsignal an mindestens einen der Schalter (Q1 bis Q4) in der Schaltanordnung zu senden.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Polaritätswechsel-Erkennungsmittel einen Stromtransformator (CT) enthält, der einen Sekundärschaltkreis umfasst, der mit dem Resonanzschaltkreis (CR, LA) verbunden ist, und wobei jedes Stromrichtungsumkehr-Ereignis im Resonanzschaltkreis ein entsprechendes Stromrichtungsumkehr-Ereignis im Sekundärkreis induziert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Resonanzschaltkreis (CR, LR) einen Kondensator (CR) und eine mit ihm in Serie geschaltete erste Induktionsspule (LR)enthält, wobei die erste Induktionsspule (LR) an einem Anschluss des Kondensators (CR) angeschlossen ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Resonanzschaltkreis (CR, LA) eine zweite Induktionsspule (LR2) enthält, die in Serie mit dem Kondensator (CR)geschaltet und an der der ersten Seite gegenüberliegenden Seite angeschlossen ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Rückkopplungssignal einer Ausgangsspannung entspricht, die am Kondensator (CR) gemessen wird.
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