JP2018501860A - ロードを駆動する電力装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Pavg1=(Kcond×I1+Ksw×I1)×D (1)
Pavg2=(Kcond×I2+Ksw×I2)×(1−D) (2)
ここで、Kcondは、電力半導体の伝導損失係数であり、Kswは、電力半導体のスイッチング損失係数であり、Dは、式(3)によって与えられる変調スキームのデューティサイクルである:
D=T1/(T1+T2) (3)
式(1)及び(2)に従って、フルブリッジ回路100の電力消費は、長い持続時間T1及び短い持続時間T2を有する電流プロファイル110について、電力半導体101乃至107の間で不均一に分布する。不均一な電力消費は、式(4)に従って各々の電力半導体における異なる温度上昇につながりうる:
Z(t)=(TJ(t)−TC(t))/P (4)
ここで、Z(t)は、時間tにおける熱のインピーダンスを表し、TJ(t)は、時間tにおける接合温度を表し、TC(t)は、時間tにおける動作中のモジュールケースのケース温度を表し、Pは、電力消費を表す。各々の半導体は、勾配増幅器の内部にパッケージされるので、それらは、共通ケース温度TC(t)を共有する。電流プロファイル110の長い持続時間T1及び短い持続時間T2による不均一な電力消費のため、電力半導体101及び107の温度は、電力半導体103及び105の温度よりずっと早く、予め決められた最大接合部温度TJMAXに達する。電力半導体の故障を防ぐために、勾配増幅器の最大出力容量は、不均一な電力消費に起因するそれぞれ異なる温度上昇を考慮するために制限される。
Ios=I1×D−I2(1−D) (5)
ここで、VBusは、図6に示すようにインバータ601のためのDC供給電圧を表す。電流オフセットIosを補償するために、電流インジェクタ507は、ステップアップトランス603を通じて勾配コイル403の勾配コイル電圧Vcoilより高い電圧を生成することを必要とする。勾配コイル電圧Vcoilは、式(7)によって支配される:
ここで、Lcoilは勾配コイルのインダクタンスであり、Icoilは、勾配コイルの電流であり、Rcoilは、勾配コイルの抵抗である。こうして、電流インジェクタ507は、式(8)に従ってオフセット電圧Vosを生成する必要がする:
Vos=Ios×Rcoil+Vcoil (8)
上述の解析から、2つの二次巻線N2及びN3の数と一次巻線N1の数の間の巻き(ターン)の関係は、式(9)によって決定されることができる:
ここで、Ghallは、比例積分コントローラGic(s)によって処理されるために適切な値まで、Gid(s)によって出力された測定されたオフセット電流をスケールダウンするのに使用される伝達関数である。例えば、Ghallは、測定されたオフセット電流をスケールダウンするための定数値でありうる。
Claims (15)
- 予め決められた電流プロファイルをロードに供給する電力装置であって、
制御信号に応じてロードを駆動するための、複数の電力半導体を有するスイッチモード電力変換回路と、
前記スイッチモード電力変換回路に結合されるとともに、予め決められた電流プロファイル及び前記複数の電力半導体の最大接合部温度に基づいて前記制御信号を生成するコントローラであって、前記スイッチモード電力変換回路が、前記制御信号に応じて、前記予め決められた電流プロファイル又は調整された電流プロファイルを出力するように制御され、前記調整された電流プロファイルが、前記予め決められた電流プロファイルに対するオフセットを有する、コントローラと、
前記コントローラに結合されるとともに、前記制御信号に応じて、前記調整された電流プロファイルと前記予め決められた電流プロファイルとの間のオフセットに等しいオフセット電流を生成する電流インジェクタであって、前記制御信号が、前記調整された電流プロファイルを出力するように前記スイッチモード電力変換回路を制御する場合、前記ロードを流れる前記予め決められた電流プロファイルを生成するように前記オフセット電流及び前記調整された電流プロファイルが合計される、コントローラと、
を有する電力装置。 - 前記スイッチモード電力変換回路が前記予め決められた電流プロファイルを出力する場合、前記電力半導体は不均一な電力消費分布を有し、前記スイッチモード電力変換回路が前記調整された電流プロファイルを出力する場合、前記電力半導体はバランスされた電力消費分布を有する、請求項1に記載の電力装置。
- 前記予め決められた電流プロファイルは、T1の持続時間及びT2の持続時間を有し、T1の持続時間中、前記予め決められた電流プロファイルが電流レベルI1で前記ロードを流れ、T2の持続時間中、前記予め決められた電流プロファイルが、T1の持続時間の間の電流方向とは反対の方向に電流レベルI2で前記ロードを流れ、前記予め決められた電流プロファイルに対する前記調整された電流プロファイルの前記オフセットは、Ios=I1*D−I2(1−D)に基づいて決定され、ここで、D=T1/(T1+T2)である、請求項1に記載の電力装置。
- 前記複数の電力半導体は、スタック構成の複数のフルブリッジ回路を有するカスケードされたフルブリッジトポロジにおいて接続され、又は並列接続されるフルブリッジ回路を有する複数ブリッジ電力変換トポロジにおいて接続される、請求項1に記載の電力装置。
- 前記コントローラは、
前記スイッチモード電力変換回路が前記予め決められた電流プロファイルを出力する場合に前記電力半導体のうち少なくとも1つの温度が最大接合部温度に到達するかどうかを決定し、前記決定に従って制御信号を生成する制御信号発生器と、
前記制御信号発生器に結合されるとともに、前記制御信号が前記調整された電流プロファイルを出力するように前記スイッチモード電力変換回路を制御する場合に、前記調整された電流プロファイル及び前記予め決められた電流プロファイルに基づいてオフセット電流を計算するオフセット電流計算器と、
を更に有する、請求項1に記載の電力装置。 - 前記電流インジェクタが更に、
前記予め決められた電流プロファイルに対する前記調整された電流プロファイルのオフセットに基づいて第1の電圧を出力するインバータと、
前記インバータに結合されるとともに、前記ロードの両端の電圧より高い第2の電圧に前記第1の電圧をブーストするトランスと、
前記オフセット電流を生成するように前記第2の電圧によって駆動されるインダクタ回路と、
を有する、請求項1に記載の電力装置。 - 前記オフセット電流の電流リップルが、過渡的ステージの間、前記調整された電流プロファイルの電流リップルをキャンセルするために生成される、請求項1に記載の電力装置。
- 予め決められた電流プロファイルをロードに供給するために電力半導体装置を動作させる方法であって、
予め決められた電流プロファイル及び電力半導体装置のスイッチモード電力変換回路の電力半導体の最大接合部温度に基づいて、制御信号を生成するステップと、
前記制御信号に応じて、前記予め決められた電流プロファイル又は前記予め決められた電流プロファイルに対するオフセットを有する前記調整された電流プロファイルを出力するように、前記スイッチモード電力変換回路を制御するステップと、
前記制御信号が、前記調整された電流プロファイルを出力するように前記スイッチモード電力変換回路を制御する場合、前記調整された電流プロファイルと前記予め決められた電流プロファイルとの間のオフセットに等しいオフセット電流を生成するステップと、
前記ロードを流れる前記予め決められた電流プロファイルを生成するように、前記調整された電流プロファイルと前記オフセット電流を合計するステップと、
を含む方法。 - 前記スイッチモード電力変換回路が前記予め決められた電流プロファイルを出力する場合、前記電力半導体は不均一な電力消費分布を有し、前記スイッチモード電力変換回路が前記調整された電流プロファイルを出力する場合、前記電力半導体はバランスされた電力消費分布を有する、請求項8に記載の方法。
- 前記予め決められた電流プロファイルが、T1の持続時間及びT2の持続時間を有し、T1の持続時間中、前記予め決められた電流プロファイルが電流レベルI1で前記ロードを流れ、T2の持続時間中、前記予め決められた電流プロファイルが、T1の持続時間の間の電流方向とは反対の方向に電流レベルI2で前記ロードを流れ、前記予め決められた電流プロファイルに対する前記調整された電流プロファイルの前記オフセットは、Ios=I1*D−I2(1−D)に基づいて決定され、ここで、D=T1/(T1+T2)である、請求項8に記載の方法。
- 前記スイッチモード電力変換回路が前記予め決められた電流プロファイルを出力する場合、前記電力半導体のうちの少なくとも1つの温度が最大接合部温度に到達するかどうかを決定するステップと、
前記決定に従って前記制御信号を生成するステップと、
前記制御信号が、前記調整された電流プロファイルを出力するように前記スイッチモード電力変換回路を制御する場合、前記予め決められた電流プロファイルに対する前記調整された電流プロファイルのオフセット電流を計算するステップと、
を更に含む、請求項8に記載の方法。 - 磁気共鳴イメージング装置の勾配コイルを駆動するための勾配増幅器システムであって、
勾配電流を出力するための複数の電力半導体を有する勾配増幅器と、
前記勾配増幅器に結合されるとともに、前記勾配電流の電流プロファイルを制御するコントローラであって、前記コントローラは、前記電力半導体の最大接合部温度に基づいて、予め決められた電流プロファイル又は調整された電流プロファイルであるように前記勾配電流の電流プロファイルを決定し、前記調整された電流プロファイルは、前記予め決められた電流プロファイルに対するオフセットを有する、コントローラと、
前記勾配増幅器及び前記コントローラに結合されるとともに、前記調整された電流プロファイルと前記予め決められた電流プロファイルの間のオフセットに等しいオフセット電流を生成する電流インジェクタであって、前記勾配増幅器が前記調整された電流プロファイルを有する勾配電流を出力する場合、前記オフセット電流及び前記調整された電流プロファイルが、前記勾配コイルを流れる前記予め決められた電流プロファイルを生成するように合計される、電流インジェクタと、
を有する勾配増幅器システム。 - 前記勾配増幅器は更に、複数のブリッジ回路を有するスイッチモード電力ステージを更に有し、各ブリッジ回路は、直列に結合される高側電力半導体及び低側電力半導体を有する、請求項12に記載の勾配増幅器システム。
- 前記予め決められた電流プロファイルは、T1の持続時間及びT2の持続時間を有し、T1の持続時間中、前記予め決められた電流プロファイルが電流レベルI1で前記ロードを流れ、T2の持続時間中、前記予め決められた電流プロファイルが、T1の持続時間の間の電流方向とは反対の方向に電流レベルI2で前記ロードを流れ、前記予め決められた電流プロファイルに対する前記調整された電流プロファイルの前記オフセットは、Ios=I1*D−I2(1−D)に基づいて決定され、ここで、D=T1/(T1+T2)である、請求項12に記載の勾配増幅器システム。
- 請求項12に記載の勾配増幅器システムを有する磁気共鳴イメージング装置。
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