JP3722561B2 - Power supply device for magnetic resonance imaging apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気共鳴イメージング装置(以下、MRI装置という)に係わり、特にその大電力を要求される静磁場、傾斜磁場、高周波磁場の発生に必要な各種電源装置に好適な電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
MRI装置の傾斜磁場コイル励磁に要求される電流波形は、診断箇所によっては正弦波状の波形も必要になるが、 一般的には、図8(a)に示すような立ち上がり時間、立ち下がり時間が600US以下、正負両方向の台形波状の波形である。このような電流波形を実現するための現在の小容量MRI装置の傾斜磁場発生用電源システムとして、電力用MOSFET(電界効果トランジスタ)を用いた高周波PWMスイッチング電力増幅器が使用されている。この方式は、従来型のトランジスタをリニアに作動させていた線形電力増幅器より高効率、省エネルギー、省スペース化の点で優れている。このようなスイッチング電源を用いた電源装置では、耐圧が数百V、電流容量が数十Aで数百kHzの高周波スイッチングが可能である。
【0003】
しかし、MRI装置において短時間で診断に有用な画像を得るためには、更に高磁場を発生させ、且つ高速な制御を実現することが必要となっている。このためMRI装置の磁場電源として、現行に比べ電圧で4倍、電流で2倍程度の大電流電源が必要となるが、電力用MOSFETを用いた高周波PWMスイッチング電力増幅器では、MOSFETの性能上限界のためにこの要求を満たすのは困難である。
【0004】
このMOSFETに対し、電力用スイッチング素子としてIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)モジュールは、高耐圧で大電流が扱え、保守性、コスト面において有利であるが、MOSFETに比べ動作周波数の上限が20kHzと低いため、応答速度の高速化、低リプル電流化が困難である。そこで、本発明者らは、IGBTによる従来の回路を並列に接続し、位相差を設けることにより見掛け上の動作周波数を上げるとともに、大容量化にも対応した並列型電流増幅回路を提案している(特願平7−21989号等)。この方式による2並列の場合の傾斜磁場電源の出力回路の構成図を図9に示す。
【0005】
この回路は、負荷である傾斜磁場(GC)コイル10(インダクタLgcと抵抗RLgcの直列回路モデル)に並列接続された二組の単相フルブリッジPWM電流増幅器回路A、Bから構成され、各単相フルブリッジPWM電流増幅器回路は4個のIGBT1〜IGBT4(IGBT5〜IGBT8)、それに逆並列に接続されたソフトリカバリーダイオードD1〜D4(D5〜D8)、および2組のIGBTとダイオードDとから構成されるアームAa1、Aa2、Ab1、Ab2の各々と負荷10との間に設けられた電流リップル除去のためのLCRフィルタ(インダクタLa1、La2、Lb1、Lb2、キャバシタCa1、Ca2、Cb1、Cb2、抵抗Rca1、Rca2、Rcb1、Rcb2)から構成されている。ここでアームAa1、Ab1を第1相、アームAa2、Ab2を第2相、またアームAa1、Aa2を左側アーム、アームAb1、Ab2を右側アームと呼ぶことにする。
【0006】
この電源システムでは、2組の単相フルブリッジPWM電流増幅器回路の出力電圧の位相差を180°にしてGCコイル10に流れる電流のリップルを低減するものである。
【0007】
今、図9の負荷回路系(フィルタと誘導性負荷)を図10のように表すと、このような電源システムにおける各フィルタ電流iLa1、iLa2、iLb1、iLb2とスイッチング素子のゲートドライブ信号Va1、Va2、Vb1、Vb2の関係は図11のようになる。即ち、1組目のフィルタリアクトルLa1に流れる電流iLa1と2組目のフィルタリアクトルLa2に流れる電流iLa2の位相差は180°で、これらを合成した出力負荷電流(GCコイルに流れる電流)irefは理想状態でリップルがゼロとなる。尚、図11中、S11はIGBT1に対応し、S12はIGBT2に、S21はIGBT5に、S22はIGBT6にそれぞれ対応する。また図11では図9に示すPWM電流増幅器回路の左側アームAa1、Aa2のみを示したが、右側アームAb1、Ab2についても同様である。
【0008】
そこでGCコイル10に流れる電流を検出し、その電流に対してフィードバック制御を行えば目標値に追従するような制御系が成立する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図9のように並列化された回路構成では第1相Aと第2相Bの相間に回り込み電流(循環電流、横流)が発生し、相間の短絡あるいは過大な電流不平衡などの新たな問題が生じる可能性がある。このような回り込み電流は、GCコイルで検出する電流フィードバック制御では抑制できないので、これを抑制するためには、各アームのフィルタのインダクタ電流を検出するフィードバック制御を行うことが考えられる。個々のフィルタのインダクタ電流を制御することにより第1相と第2相のフィルタのインダクタ電流の電流不平衡が抑制され、回り込み電流の発生を防ぐことが可能となる。このフィードバック制御には、この相間アンバランスの問題の他、温度ドリフトの抑制、高精度化の点から、アナログ方式よりもディジタル制御方式の方が有利である。
【0010】
このようにフィルタ電流をディジタルフィードバック制御することにより、負荷電流の制御と各相のフィルタ電流の回り込み電流の抑制が可能となるが、このためには各フィルタ電流を高精度に検出する必要がある。特に、図11に示すようにフィルタ電流(iLa1、iLa2)には負荷電流iLgcと比べて振幅の大きな三角波電流が含まれているので、電流検出のサンプリング点(k−1、k、k+1、・・・)において、検出した値に大きなばらつきが無いようにしなければならない。
【0011】
しかし、実際のスイッチング制御に際しては、各アームのスイッチング時に上下のスイッチ、例えばIGBT1とIGBT2が短絡故障を起こさないようにするために図12に示すように上下のスイッチが両方ともオフになる休止時間Td(デッドタィム)を設ける必要があり、このようなデッドタイムを設けることにより、1)サンプリング点における電流のばらつきが大きくなり、フィルタ電流の値を正確に検出できない、2)デッドタイムの分だけオンしている期間が短くなるのでパルス幅変調パルス(PWMパルス)のデューティが所望値、例えば50%にならない、即ち、フィルタの平均電流を増やしても出力電圧(GCコイルにかかる電圧)が増加しない領域ができるという問題が発生する。
【0012】
このため図13に示すようにフィルタ電流と出力電圧の関係に段差ができ非線形を呈し、フィルタ電流のフィードバック制御が困難となる。この結果、傾斜磁域コイル電流波形も図8(a)のような理想的な波形とはならず、図8(b)に示すように歪んだり、応答も同図(c)のように遅くなり、MRI画像に悪影響を及ぼすものとなる。
【0013】
そこで本発明は、IGBTのようなスイッチング素子による単相PWMスイッチング電流増幅器を備えた電源装置において、デッドタイムを設けても応答性が良く高精度の制御を可能とし、これにより高電圧、大容量、高応答の磁場用低リップル電流の電源装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の電源装置は、スイッチング電源であるPWM電流増幅器回路をディジタル制御する際に、PWM電流増幅器回路内のフィルタ電流を検出し、この電流の極性によってPWMパルス幅を制御してデッドタイムを生成し、出力電流の平均値を検出するとともに、出力電圧への影響を小さくすることを可能とするものである。
【0015】
即ち、本発明による磁気共鳴イメージング装置用電源装置は、負荷である磁気共鳴イメージング装置の磁場発生用コイルに接続されたスイッチング電源と、磁場発生用コイルに流れる電流の検出値と電流指令値とを入力し、検出値と電流指令値との差がゼロになるようにスイッチング電源を構成するスイッチのデューティをパルス幅変調制御するPWM制御手段と、スイッチング電源に設けられたフィルタ回路の電流を検出するフィルタ電流検出手段と、このフィルタ電流検出手段により検出されたフィルタ電流の極性を判別する極性判別手段とを備え、PWM制御手段は、極性判別手段の判別結果に基づきデューティを増減する手段を備えている。このような本発明の電源装置は、複数のスイッチング電源を並列接続した電源装置に好適に適用される。
【0016】
PWM制御手段は、具体的には、複数のスイッチを所定のデッドタイムを設けて制御し、フィルタ電流の極性が正のときはデッドタイムの分だけデューティを大きくし、フィルタ電流の極性が負のときはデッドタイムの分だけデューティを小さくするように制御する。
【0017】
スイッチング電源の出力電圧は、デッドタイムを設けた場合、デッドタイムの分だけ小さく或いは大きくなり、サンプリング時点で正確な平均出力電流を検出することができなくなる。この出力電圧の変動は、フィルタ電流の極性により異なる。従って、フィルタ電流の極性に応じてPWMパルス幅を制御することによって、デッドタイムを設けてもデッドタイムの分だけ出力電圧が小さくあるいは大きくならず、またフィルタ電流の平均値を正確に検出できるので、フィルタ電流と出力電圧の関係を直線化できる。
【0018】
これによって図8(b)に示したような電流波形の歪みや同図(c)に示したような応答遅れの問題を回避でき、診断に有効な高画質のMRI画像を得ることができる。
【0019】
【発明の実施の態様】
以下本発明の磁気共鳴イメージング装置用電源装置を図面に示す実施例により更に詳細に説明する。
【0020】
図1は本発明の一実施例であるPWM制御方式による電源装置の全体回路ブロック図を示すもので、この電源装置は図9の電源装置と同様に直流電源Eに並列接続された2並列のスイッチング電源であるフルブリッジPWM電流増幅回路A、B(図ではAのみが示されている)と、各アームのフィルタ電流を検出する検出器CS1、CS2と、これらフィルタ電流の極性を判別するフィルタ電流判別回路20と、フィルタ電流の検出値及び極性に基づき各スイッチ(ここではIGBT1〜IGBT4)のPWMパルス幅を演算し、PWMパルスを発生するPWM制御回路30と、PWM制御回路30の発生するPWMパルスを増幅するパルス増幅回路40とを備えており、各PWM電流増幅回路A、Bの出力は負荷であるGCコイル10に印加される。
【0021】
PWM電流増幅回路A、Bは、基本的には図9の単相フルブリッジPWM電流増幅器回路と同様であり、対応する要素は同じ符号で示している。即ち、PWM電流増幅回路Aは4組のIGBT1〜IGBT4及びこれらIGBTに逆並列に接続されたダイオードD1〜D4と、2組のIGBTとダイオードとから成るアームAa1、Ab1とGCコイル10との間にそれぞれ接続されたLCRフィルタ(インダクタLa1、Lb1、キャバシタCa1、Cb1、抵抗Rca1、Rcb1)とを備えている。フィルタのリアクトル(インダクタLa1、Lb1)は瞬間的な電位差を吸収し、CRのフィルタはGCコイル10の両端の電圧リップルをコンデンサ(キャバシタCa1、Cb1)で平滑化するとともに、抵抗Rca1、Rcb1がフィルタのリアクトルと平滑コンデンサによる電流共振現象を抑制する。
【0022】
尚、図1では図示省略されているが、他方のPWM電流増幅回路Bも図示されたPWM電流増幅回路Aと同様の構成を有している。
【0023】
フィルタ電流を検出する検出器CS1、CS2及び極性判別回路20は、例えば左側アームAa1のフィルタ電流について図2に示すように、1対の電流検出器CS11とCS12と、これら電流検出器CS11、CS12にそれぞれ接続されたトランジスタQ1、Q2とから構成される。電流検出器としては、ホール素子、CT等の公知の電流検出器が使用できる。Vccは回路20の電源電圧である。このような構成の極性判別回路20は、フィルタ電流iLa1の極性を判別する場合、電流検出器CS11とCS12で検出するフィルタ電流iLa1を入力し、iLa1が正の場合はCS11の巻始めの極性に正の電圧を出力するので、トランジスタQ1が導通してその出力にオン信号を出力する。また、iLa1が負の場合はCS12の巻終わりの極性に正の電圧を出力するので、トランジスタQ2が導通してその出力にオン信号を出力する。
【0024】
同様に右側アームのフィルタ電流iLb1についても、またもう一方の単相フルフリッジPWM電流増幅回路Bのフィルタ電流についても極性を判別し、これらの信号をPWMパルス幅計算に利用する。
【0025】
PWM制御回路30は、GCコイル10に流れる電流の検出値と電流指令値とを入力し、検出値と電流指令値との差がゼロになるように各PWM電流増幅回路A、BのスイッチをPWM制御するとともに、この際、上述したように検出されたフィルタ電流及びその極性に応じてPWMパルス幅を補正する。このようなPWM制御回路30(PWMパルスの計算及びPWMパルスの発生)は公知のマイクロコンピュータで構成することができ、フィルタ電流の極性判別信号を利用してパルス幅の計算を行い、これに応じたパルスに分配して発生する。
【0026】
次にこのような構成における電源装置の動作及びPWM制御回路30におけるPWMパルス幅制御について説明する。説明を簡単にするために、図3に、図1の電源回路装置の1組のPWM電流増幅回路(A或いはB)とGCコイルのみの回路を示した。図3において、スイッチS11はIGBT1或いはIGBT5に対応し、スイッチS12はIGBT2或いはIGBT6に、スイッチS21はIGBT3或いはIGBT7に、スイッチS22はIGBT4或いはIGBT8にそれぞれ対応する。またダイオードD11〜D22は、それぞれダイオードD1〜D4或いはD5〜8に対応する。
【0027】
この電源装置では、図4のスイッチングシーケンスに示すようにスイッチS11とS22が同時にオンオフし、スイッチS12とS21が同時にスイッチS11とS22とは逆にオンオフするように制御される。この際、PWM制御回路30は、PWMパルス幅を制御し、これらスイッチS11〜S22のオン時間(デューティ)を制御する。またスイッチング素子の特性のばらつきによる短絡を防止するために、全てのスイッチが共にオフとなるデッドタイムTdが設けられている。図3のPWM電流増幅回路における出力電流iLは、フィルタ電流検出器CS1、CS2で検出されたフィルタ電流に対応し、スイッチのオン又はオフに伴い変化する電流波形となり、これに対応する出力電圧Vabが得られる。
【0028】
ここで、出力電流iLが図4に示すようにゼロをクロスする状態では、デッドタイムがあっても、PWMデューティはそのまま出力電圧Vabに対応する。即ち、出力電流iLの波形は負の状態では、スイッチS12、S21の立ち下がりで変化し、正の状態ではスイッチS11、S22の立ち下がりで変化するので、出力電圧はPWMデューティをそのまま反映したものとなる。従って各サンプリング点における電流検出の精度にも変動を与えることがなく、またフィルタ電流と出力電圧の関係もリニアな関係が得られる。
【0029】
一方、図5(a)に示すように出力電流iLがゼロをクロスせず常に正の場合には、出力電流iLの波形はオン時間の長いスイッチS11、S22の立ち上がり及び立ち下がりに支配される。従ってこのような場合にデッドタイムTdがあると、PWMデューティよりデッドタイム分だけ出力電圧Vabの平均値が小さくなり、フィルタ電流と出力電圧の関係も図13の正領域に示すように非線形特性を呈するようになる。また、サンプリング点において検出されるフィルタ電流も平均電流と異なる値となり、検出に大きな誤差を生じる。
【0030】
このように出力電流iLが常に正の場合には、PWMデューティよりデッドタイムの分だけ出力電圧Vabの平均値が小さくなるので、その分だけPWMデューティを大きく、つまりスイッチS11、S22のオン時間を長くなるようにPWMパルス幅制御する。即ち、図5(b)に示すように、1サンプリング前のk−1のサンプリング点のフィルタ電流の極性が正であると判別されると、スイッチS12、S21のオフの時点を早くし、次いでデッドタイムTdを設けた後にスイッチS11、S22をオンして、結果的にスイッチS12、S21のオン期間をデッドタイムの分だけ短くし、スイッチS11、S22のオン期間をデッドタイムの分だけ長くするようにPWM制御する。
【0031】
これに対し、出力電流iLがゼロをクロスせず常に負の場合には、図6(a)に示すように出力電流iLの波形はオン時間の長いスイッチS12、S21の立ち上がり及び立ち下がりに支配される。従ってこのような場合にデッドタイムTdがあると、PWMデューティよりデッドタイム分だけ出力電圧Vabの平均値が大きくなり、フィルタ電流と出力電圧の関係も図13の負の領域を示すような非線形特性を呈するようになる。また、サンプリング点においても平均電流と異なる値となり、検出に大きな誤差を生じる。
【0032】
従って、出力電流iLが常に負の場合には、図6(b)に示すように1サンプリング前のk−1のサンプリング点のフィルタ電流の極性が負であると判別されると、スイッチS12、S21のオフの時点を遅くし、デッドタイムTdを設けた後にスイッチS11、S22をオンして、スイッチS12、S21のオン時間をデッドタイムの分だけ長く、スイッチS11、S22のオン期間をデッドタイムの分だけ短くする。すなわち、出力電流iLが常に負の場合、PWMデューティよりデッドタイムの分だけVabの平均値が大きくなるので、その分だけPWMデューティを小さく、つまりスイッチS11、S22のオン時間を短くするようにPWMパルス幅制御する。
【0033】
尚、図4〜図6においては、説明を簡単にするために各スイッチのオン時間(パルス幅)をほぼ同じに記載しているが、実際には出力電流iLが常に正である図5ではスイッチ11、S22のオン時間がスイッチS12、S21のオン時間より長く、また出力電流iLが常に負である図6ではスイッチS12、S21のオン時間がスイッチ11、S22のオン時間より長くなる。
【0034】
このようにPWM制御回路30は、フィルタ電流の極性判別信号を利用してパルス幅の計算を行い、これに応じたパルスに分配してPWMパルスを発生する。このPWMパルスは、PWMパルス増幅回路40により増幅された後、各PWM電流増幅回路A、BのIGBT1〜IGBT8のゲートに入力され、IGBTを駆動制御してPWM電流増幅回路の各出力電流を制御する。
【0035】
以上説明したようにフィルタ電流の極性に基づきPWMのデューティを制御することによって、デッドタイムを設けてもデッドタイムの分だけ出力電圧が小さくあるいは大きくならず、またフィルタ電流の平均値を正確に検出できるので、図7に示しすようにフィルタ電流と出力電圧の関係を直線化できる。これによって図8(b)に示したような電流波形の歪みを解消でき、また図8(c)に示したような応答遅れの問題も回避でき、診断に有効な高画質のMRI画像を得ることができる。
【0036】
また並列接続したPWM電流増幅回路の各出力電流を精度よく制御できるので、各PWM電流増幅回路A、Bの位相を180゜ずらすことにより極めて低リップルの出力電流が得られる。
【0037】
尚、以上説明した実施例では、スイッチング電源として2並列のPWM電流増幅回路を備えた場合を説明したが、本発明は1のPWM電流増幅回路を備えた電源装置にも、また3(N個)以上の並列接続するスイッチング電源にも適用できる。複数並列の場合、各スイッチング電源の位相を360゜/Nずらして駆動することにより、低リップル化を図ることができる。更に本実施例では、スイッチング素子としてIGBTを用いたPWM電流増幅回路を例にして説明したが、本発明にはMOSFETを用いた電流増幅回路への適用も含まれる。
【0038】
更に本発明の電源装置は、MRI装置のGCコイルのみならず他の磁場発生用コイル用の電源として用いることもできる。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電源装置によれば、スイッチング電源の各スイッチをデッドタイムを設けてPWM制御する際に、デッドタイムの分だけ出力電圧が小さくあるいは大きくならないようにPWMのデューティを制御することによって、フィルタ電流の平均値を正確に検出でき、フィルタ電流と出力電圧の関係を直線化できる。これによって電流波形の歪みや応答遅れの問題を回避でき、診断に有効な高画質のMRI画像を得ることができる。
【0040】
また本発明の電源装置によれば、フィルタ電流を正確に制御できるので、スイッチング電源を並列接続した電源装置に好適に適用でき、この場合複数のスイッチング電源の位相をずらして駆動することにより、低リップルの電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のPWM制御手段を備えた電源回路の一実施例を示す全体ブロック図。
【図2】 フィルタ電流の極性判別回路の一実施例を示す図。
【図3】 図1の電源回路の一部を簡略化して示した図。
【図4】 図3の回路の出力電流iLがゼロクロスし、デッドタィムがある場合のスイッチングシーケンスを示す図で、。
【図5】 図3の回路の出力電流iLが常に正で、デッドタィムがある場合のスイッチングシーケンスを示す図で、(a)は従来のPWM制御を示す図、(b)は本発明によるPWM制御を示す図。
【図6】 図3の回路の出力電流iLが常に負で、デッドタィムがある場合のスイッチングシーケンスを示す図で、(a)は従来のPWM制御を示す図、(b)は本発明によるPWM制御を示す図。
【図7】 本発明のPWM制御におけるフィルタ電流と負荷出力電圧の関係を示す図。
【図8】 MRI装置のGCコイルの電流波形を示す図で、(a)は理想電流波形、(b)は従来の電源装置による電流波形、(c)は従来の電源装置による立ち上がり波形を示す。
【図9】 傾斜磁場電源の出力回路の構成を示す図。
【図10】 図9の回路の負荷回路系を示す図。
【図11】 図10の回路におけるフィルタ電流とゲートドライブ信号との関係を示す図で、デッドタイムのない場合を示す。
【図12】 図10の回路におけるフィルタ電流とゲートドライブ信号との関係を示す図で、デッドタイムを設けた場合を示す。
【図13】 従来のPWM制御においてデッドタィムを設けた場合のフィルタ電流と負荷出力電圧の関係を示す図。
【符号の説明】
E・・・・・・直流電源
IGBT1〜IGBT8・・・・・・絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ(スイッチ)
S11、S12、S21、S22・・・・・・スイッチ
D1〜D8・・・・・・ソフトリカバリィダイオード
La1、La2、Lb1、Lb2・・・・・・インダクタ(フィルタ回路)
Ca1、Ca2、Cb1、Cb2・・・・・・キャパスタ(フィルタ回路)
Rca1、Rca2、Rcb1、Rcb2・・・・・・抵抗(フィルタ回路)
10・・・・・・傾斜磁場コイル(負荷)
A、B・・・・・・PWM電流増幅回路(スイッチング電源)
20・・・・・・フィルタ電流極性判別回路
30・・・・・・PWM制御手段
40・・・・・・パルス増幅回路
Td・・・・・・デッドタイム
CS1、CS2・・・・・・フィルタ電流検出器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic resonance imaging apparatus (hereinafter referred to as an MRI apparatus), and more particularly to a power supply apparatus suitable for various power supply apparatuses required for generating a static magnetic field, a gradient magnetic field, and a high-frequency magnetic field that require high power.
[0002]
[Prior art]
The current waveform required for excitation of the gradient coil of the MRI apparatus also requires a sinusoidal waveform depending on the diagnosis location, but in general, the rise time and fall time as shown in FIG. It is a trapezoidal waveform in both positive and negative directions under 600 US. A high-frequency PWM switching power amplifier using a power MOSFET (field effect transistor) is used as a gradient magnetic field generating power supply system of a current small-capacity MRI apparatus for realizing such a current waveform. This method is superior in terms of high efficiency, energy saving, and space saving compared to a linear power amplifier in which a conventional transistor is operated linearly. In a power supply device using such a switching power supply, high-frequency switching with a withstand voltage of several hundred volts and a current capacity of several tens of A is possible.
[0003]
However, in order to obtain an image useful for diagnosis in a short time in an MRI apparatus, it is necessary to generate a higher magnetic field and realize high-speed control. For this reason, as a magnetic field power supply for the MRI apparatus, a large current power supply of about 4 times the voltage and twice the current is required, but the high frequency PWM switching power amplifier using the power MOSFET has limitations on the performance of the MOSFET. Because of this, it is difficult to meet this requirement.
[0004]
In contrast to this MOSFET, an IGBT (insulated gate bipolar transistor) module as a power switching element has a high withstand voltage and can handle a large current, and is advantageous in terms of maintainability and cost. However, the upper limit of the operating frequency is 20 kHz compared to a MOSFET. Therefore, it is difficult to increase the response speed and reduce the ripple current. Therefore, the present inventors proposed a parallel current amplifier circuit that increases the apparent operating frequency by connecting a conventional circuit using IGBT in parallel and providing a phase difference, and also supports a large capacity. (Japanese Patent Application No. 7-21989, etc.). FIG. 9 shows a configuration diagram of the output circuit of the gradient magnetic field power supply in the case of two parallels by this method.
[0005]
This circuit includes two sets of single-phase full-bridge PWM current amplifier circuits A and B connected in parallel to a gradient magnetic field (GC) coil 10 (a series circuit model of an inductor Lgc and a resistor RLgc). The phase full bridge PWM current amplifier circuit is composed of four IGBT1 to IGBT4 (IGBT5 to IGBT8), soft recovery diodes D1 to D4 (D5 to D8) connected in reverse parallel thereto, and two sets of IGBT and diode D. LCR filters (inductors La1, La2, Lb1, Lb2, capacitors Ca1, Ca2, Cb1, Cb2, resistors) for eliminating current ripples provided between the arms Aa1, Aa2, Ab1, Ab2 and the load 10 Rca1, Rca2, Rcb1, Rcb2). Here, the arms Aa1 and Ab1 are called the first phase, the arms Aa2 and Ab2 are called the second phase, the arms Aa1 and Aa2 are called the left arm, and the arms Ab1 and Ab2 are called the right arm.
[0006]
In this power supply system, the phase difference between the output voltages of the two sets of single-phase full-bridge PWM current amplifier circuits is set to 180 ° to reduce the ripple of current flowing through the GC coil 10.
[0007]
Now, when the load circuit system (filter and inductive load) of FIG. 9 is represented as shown in FIG. 10, each filter current iLa1, iLa2, iLb1, iLb2 and gate drive signals Va1, Va2 of the switching elements in such a power supply system are represented. , Vb1 and Vb2 are as shown in FIG. That is, the phase difference between the current iLa1 flowing through the first set of filter reactors La1 and the current iLa2 flowing through the second set of filter reactors La2 is 180 °, and the combined output load current (current flowing through the GC coil) iref is ideal. The ripple becomes zero in the state. In FIG. 11, S11 corresponds to IGBT1, S12 corresponds to IGBT2, S21 corresponds to IGBT5, and S22 corresponds to IGBT6. 11 shows only the left arms Aa1 and Aa2 of the PWM current amplifier circuit shown in FIG. 9, the same applies to the right arms Ab1 and Ab2.
[0008]
Therefore, if a current flowing through the GC coil 10 is detected and feedback control is performed on the current, a control system that follows the target value is established.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the parallel circuit configuration as shown in FIG. 9, a sneak current (circulating current, cross current) is generated between the first phase A and the second phase B, and a new short circuit between the phases or an excessive current imbalance is generated. Problems can arise. Such a sneak current cannot be suppressed by the current feedback control detected by the GC coil. To suppress this, it is conceivable to perform feedback control for detecting the inductor current of the filter of each arm. By controlling the inductor currents of the individual filters, the current imbalance of the inductor currents of the first-phase and second-phase filters is suppressed, and the generation of sneak currents can be prevented. For this feedback control, the digital control method is more advantageous than the analog method from the viewpoint of temperature drift suppression and high accuracy in addition to the problem of phase imbalance.
[0010]
By performing digital feedback control of the filter current in this way, it becomes possible to control the load current and suppress the sneak current of the filter current of each phase. For this purpose, it is necessary to detect each filter current with high accuracy. . In particular, as shown in FIG. 11, since the filter currents (iLa1, iLa2) include a triangular wave current having a larger amplitude than the load current iLgc, sampling points (k-1, k, k + 1,.・ ・), The detected values must be kept from large variations.
[0011]
However, in actual switching control, the upper and lower switches at the time of switching of each arm, for example, the down time during which both the upper and lower switches are turned off as shown in FIG. It is necessary to provide Td (dead time), and by providing such a dead time, 1) the variation in current at the sampling point increases, and the value of the filter current cannot be accurately detected. 2) ON for the dead time. Since the duty period of the pulse width modulation pulse (PWM pulse) does not become a desired value, for example, 50%, that is, the output voltage (voltage applied to the GC coil) does not increase even if the average current of the filter is increased. The problem of creating an area occurs.
[0012]
For this reason, as shown in FIG. 13, there is a step in the relationship between the filter current and the output voltage, exhibiting non-linearity, and the feedback control of the filter current becomes difficult. As a result, the gradient magnetic field coil current waveform does not become an ideal waveform as shown in FIG. 8A, and is distorted as shown in FIG. 8B, or the response is slow as shown in FIG. This adversely affects the MRI image.
[0013]
Therefore, the present invention enables a highly responsive control with a good response even if a dead time is provided in a power supply device including a single-phase PWM switching current amplifier using a switching element such as an IGBT. An object of the present invention is to provide a power supply device with a high response and a low ripple current for a magnetic field.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the power supply device of the present invention detects the filter current in the PWM current amplifier circuit when digitally controlling the PWM current amplifier circuit which is a switching power supply, and sets the PWM pulse width based on the polarity of this current. The control generates a dead time, detects the average value of the output current, and makes it possible to reduce the influence on the output voltage.
[0015]
That is, the power supply apparatus for a magnetic resonance imaging apparatus according to the present invention includes a switching power supply connected to a magnetic field generation coil of a magnetic resonance imaging apparatus as a load, a detected value of a current flowing through the magnetic field generation coil, and a current command value. The PWM control means for performing pulse width modulation control on the duty of the switch constituting the switching power supply so that the difference between the detected value and the current command value becomes zero, and the current of the filter circuit provided in the switching power supply is detected. Filter current detection means and polarity determination means for determining the polarity of the filter current detected by the filter current detection means, and the PWM control means include means for increasing or decreasing the duty based on the determination result of the polarity determination means. Yes. Such a power supply device of the present invention is suitably applied to a power supply device in which a plurality of switching power supplies are connected in parallel.
[0016]
Specifically, the PWM control means controls a plurality of switches with a predetermined dead time, and when the polarity of the filter current is positive, the duty is increased by the dead time, and the polarity of the filter current is negative. In some cases, the duty is controlled to be reduced by the dead time.
[0017]
When the dead time is provided, the output voltage of the switching power supply becomes smaller or larger by the dead time, and an accurate average output current cannot be detected at the time of sampling. The fluctuation of the output voltage varies depending on the polarity of the filter current. Therefore, by controlling the PWM pulse width according to the polarity of the filter current, the output voltage does not decrease or increase by the amount of dead time even if the dead time is provided, and the average value of the filter current can be accurately detected. The relationship between the filter current and the output voltage can be linearized.
[0018]
As a result, the current waveform distortion as shown in FIG. 8B and the response delay problem as shown in FIG. 8C can be avoided, and a high-quality MRI image effective for diagnosis can be obtained.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the power supply device for a magnetic resonance imaging apparatus of the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings.
[0020]
FIG. 1 is an overall circuit block diagram of a power supply device using a PWM control system according to an embodiment of the present invention. This power supply device is connected in parallel to a DC power supply E in the same manner as the power supply device of FIG. Full-bridge PWM current amplification circuits A and B (only A is shown in the figure) that are switching power supplies, detectors CS1 and CS2 that detect the filter current of each arm, and a filter that determines the polarity of these filter currents Based on the current discriminating circuit 20, the PWM pulse width of each switch (IGBT1 to IGBT4 in this case) based on the detected value and polarity of the filter current, the PWM control circuit 30 that generates the PWM pulse, and the PWM control circuit 30 generate And a pulse amplification circuit 40 that amplifies the PWM pulse, and the outputs of the PWM current amplification circuits A and B are applied to the GC coil 10 as a load.
[0021]
The PWM current amplifier circuits A and B are basically the same as the single-phase full-bridge PWM current amplifier circuit of FIG. 9, and corresponding elements are denoted by the same reference numerals. That is, the PWM current amplifying circuit A includes four sets of IGBT1 to IGBT4 and diodes D1 to D4 connected in antiparallel to these IGBTs, and between the arms Aa1 and Ab1 composed of two sets of IGBTs and diodes and the GC coil 10. And LCR filters (inductors La1 and Lb1, capacitors Ca1 and Cb1, resistors Rca1 and Rcb1) respectively connected to each other. The filter reactor (inductors La1 and Lb1) absorbs an instantaneous potential difference, and the CR filter smoothes the voltage ripples at both ends of the GC coil 10 with capacitors (capacitors Ca1 and Cb1), and the resistors Rca1 and Rcb1 filter. Suppresses the current resonance phenomenon caused by the reactor and the smoothing capacitor.
[0022]
Although not shown in FIG. 1, the other PWM current amplifier circuit B has the same configuration as the illustrated PWM current amplifier circuit A.
[0023]
The detectors CS1 and CS2 and the polarity discrimination circuit 20 for detecting the filter current include a pair of current detectors CS11 and CS12 and these current detectors CS11 and CS12 as shown in FIG. 2, for example, for the filter current of the left arm Aa1. Are connected to transistors Q1 and Q2, respectively. As the current detector, a known current detector such as a Hall element or CT can be used. Vcc is the power supply voltage of the circuit 20. The polarity discriminating circuit 20 having such a configuration inputs the filter current iLa1 detected by the current detectors CS11 and CS12 when discriminating the polarity of the filter current iLa1. Since a positive voltage is output, the transistor Q1 conducts and outputs an ON signal to its output. Further, when iLa1 is negative, a positive voltage is output to the polarity at the end of winding of CS12, so that transistor Q2 conducts and outputs an ON signal to its output.
[0024]
Similarly, the polarity of the filter current iLb1 of the right arm and the filter current of the other single-phase full-fridge PWM current amplifier circuit B are discriminated, and these signals are used for the PWM pulse width calculation.
[0025]
The PWM control circuit 30 inputs the detected value of the current flowing through the GC coil 10 and the current command value, and switches the PWM current amplification circuits A and B so that the difference between the detected value and the current command value becomes zero. In addition to PWM control, the PWM pulse width is corrected according to the detected filter current and its polarity as described above. Such a PWM control circuit 30 (PWM pulse calculation and PWM pulse generation) can be configured by a known microcomputer, and the pulse width is calculated by using the polarity discrimination signal of the filter current, and according to this. It is generated by distributing the pulses.
[0026]
Next, the operation of the power supply device having such a configuration and the PWM pulse width control in the PWM control circuit 30 will be described. In order to simplify the description, FIG. 3 shows a circuit including only one set of PWM current amplification circuits (A or B) and a GC coil of the power supply circuit device of FIG. In FIG. 3, switch S11 corresponds to IGBT1 or IGBT5, switch S12 corresponds to IGBT2 or IGBT6, switch S21 corresponds to IGBT3 or IGBT7, and switch S22 corresponds to IGBT4 or IGBT8. The diodes D11 to D22 correspond to the diodes D1 to D4 or D5 to 8, respectively.
[0027]
In this power supply apparatus, as shown in the switching sequence of FIG. 4, the switches S11 and S22 are simultaneously turned on and off, and the switches S12 and S21 are simultaneously turned on and off opposite to the switches S11 and S22. At this time, the PWM control circuit 30 controls the PWM pulse width and controls the ON time (duty) of these switches S11 to S22. In order to prevent a short circuit due to variations in characteristics of the switching elements, a dead time Td in which all the switches are turned off is provided. The output current iL in the PWM current amplifier circuit of FIG. 3 corresponds to the filter current detected by the filter current detectors CS1 and CS2, and has a current waveform that changes as the switch is turned on or off, and the output voltage Vab corresponding thereto. Is obtained.
[0028]
Here, in the state where the output current iL crosses zero as shown in FIG. 4, even if there is a dead time, the PWM duty corresponds to the output voltage Vab as it is. That is, the waveform of the output current iL changes with the falling of the switches S12 and S21 in the negative state, and changes with the falling of the switches S11 and S22 in the positive state, so the output voltage reflects the PWM duty as it is. It becomes. Therefore, the current detection accuracy at each sampling point is not changed, and the relationship between the filter current and the output voltage is linear.
[0029]
On the other hand, when the output current iL does not cross zero and is always positive as shown in FIG. 5A, the waveform of the output current iL is dominated by the rise and fall of the switches S11 and S22 having a long on-time. . Therefore, if there is a dead time Td in such a case, the average value of the output voltage Vab becomes smaller than the PWM duty by the dead time, and the relationship between the filter current and the output voltage also exhibits nonlinear characteristics as shown in the positive region of FIG. Present. Further, the filter current detected at the sampling point also has a value different from the average current, which causes a large error in detection.
[0030]
In this way, when the output current iL is always positive, the average value of the output voltage Vab becomes smaller by the amount of dead time than the PWM duty. Therefore, the PWM duty is increased by that amount, that is, the ON time of the switches S11 and S22 is increased. The PWM pulse width is controlled so as to be longer. That is, as shown in FIG. 5B, when it is determined that the polarity of the filter current at the sampling point k-1 one sampling before is positive, the switch S12 and S21 are turned off earlier, After the dead time Td is provided, the switches S11 and S22 are turned on. As a result, the on periods of the switches S12 and S21 are shortened by the dead time, and the on periods of the switches S11 and S22 are lengthened by the dead time. PWM control is performed as follows.
[0031]
On the other hand, when the output current iL does not cross zero and is always negative, as shown in FIG. 6A, the waveform of the output current iL is dominated by the rising and falling of the switches S12 and S21 having a long on-time. Is done. Accordingly, if there is a dead time Td in such a case, the average value of the output voltage Vab becomes larger than the PWM duty by the dead time, and the relationship between the filter current and the output voltage also has a nonlinear characteristic as shown in the negative region of FIG. Will come to present. Also, the sampling point has a value different from the average current, which causes a large error in detection.
[0032]
Accordingly, when the output current iL is always negative, as shown in FIG. 6B, when it is determined that the polarity of the filter current at the sampling point of k-1 before one sampling is negative, the switch S12, S21 is turned off and the switches S11 and S22 are turned on after the dead time Td is set, the switches S12 and S21 are turned on by the dead time, and the switches S11 and S22 are turned on. Make it shorter by. That is, when the output current iL is always negative, the average value of Vab is larger than the PWM duty by the dead time, so that the PWM duty is decreased by that amount, that is, the on-time of the switches S11 and S22 is shortened. Control the pulse width.
[0033]
In FIGS. 4 to 6, the on-time (pulse width) of each switch is shown to be substantially the same for the sake of simplicity, but in actuality, the output current iL is always positive in FIG. The on-time of the switches 11 and S22 is longer than the on-time of the switches S12 and S21, and the on-time of the switches S12 and S21 is longer than the on-time of the switches 11 and S22 in FIG.
[0034]
As described above, the PWM control circuit 30 calculates the pulse width using the polarity determination signal of the filter current, and distributes the pulse width according to the calculation to generate the PWM pulse. The PWM pulse is amplified by the PWM pulse amplification circuit 40 and then input to the gates of the IGBTs 1 to 8 of the PWM current amplification circuits A and B, and the IGBTs are driven to control the output currents of the PWM current amplification circuits. To do.
[0035]
As described above, by controlling the PWM duty based on the polarity of the filter current, the output voltage does not decrease or increase by the dead time even if the dead time is provided, and the average value of the filter current is accurately detected. As a result, the relationship between the filter current and the output voltage can be linearized as shown in FIG. As a result, the distortion of the current waveform as shown in FIG. 8B can be eliminated, and the problem of response delay as shown in FIG. 8C can be avoided, and a high-quality MRI image effective for diagnosis is obtained. be able to.
[0036]
Further, since the output currents of the PWM current amplifier circuits connected in parallel can be controlled with high accuracy, an extremely low ripple output current can be obtained by shifting the phases of the PWM current amplifier circuits A and B by 180 °.
[0037]
In the above-described embodiment, the case where two parallel PWM current amplifier circuits are provided as the switching power supply has been described. However, the present invention can be applied to a power supply device including one PWM current amplifier circuit, and 3 (N pieces). It can also be applied to switching power supplies connected in parallel. In the case of a plurality of parallel power supplies, driving with the phase of each switching power supply shifted by 360 ° / N can reduce ripples. Further, in this embodiment, the PWM current amplifier circuit using IGBT as a switching element has been described as an example, but the present invention includes application to a current amplifier circuit using MOSFET.
[0038]
Furthermore, the power supply apparatus of the present invention can be used as a power supply not only for the GC coil of the MRI apparatus but also for other magnetic field generating coils.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the power supply device of the present invention, when PWM control is performed for each switch of the switching power supply with a dead time, the PWM duty is set so that the output voltage does not become smaller or larger by the amount corresponding to the dead time. By controlling, the average value of the filter current can be accurately detected, and the relationship between the filter current and the output voltage can be linearized. As a result, problems of current waveform distortion and response delay can be avoided, and high-quality MRI images effective for diagnosis can be obtained.
[0040]
Further, according to the power supply device of the present invention, since the filter current can be accurately controlled, it can be suitably applied to a power supply device in which switching power supplies are connected in parallel. A ripple power supply can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall block diagram showing an embodiment of a power supply circuit provided with PWM control means of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of a filter current polarity discrimination circuit;
FIG. 3 is a simplified diagram showing a part of the power supply circuit of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing a switching sequence when the output current iL of the circuit of FIG. 3 crosses zero and has a dead time.
5A and 5B are diagrams showing a switching sequence when the output current iL of the circuit of FIG. 3 is always positive and there is a dead time, where FIG. 5A shows a conventional PWM control, and FIG. 5B shows a PWM control according to the present invention. FIG.
6 is a diagram showing a switching sequence when the output current iL of the circuit of FIG. 3 is always negative and there is a dead time, where (a) shows a conventional PWM control, and (b) shows a PWM control according to the present invention. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a filter current and a load output voltage in PWM control according to the present invention.
8A and 8B are diagrams showing current waveforms of a GC coil of an MRI apparatus, where FIG. 8A shows an ideal current waveform, FIG. 8B shows a current waveform by a conventional power supply apparatus, and FIG. 8C shows a rising waveform by a conventional power supply apparatus. .
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an output circuit of a gradient magnetic field power supply.
10 is a diagram showing a load circuit system of the circuit of FIG. 9;
11 is a diagram showing a relationship between a filter current and a gate drive signal in the circuit of FIG. 10, and shows a case where there is no dead time.
12 is a diagram showing a relationship between a filter current and a gate drive signal in the circuit of FIG. 10, and shows a case where a dead time is provided.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a filter current and a load output voltage when a dead time is provided in conventional PWM control.
[Explanation of symbols]
E ・ ・ ・ ・ ・ ・ DC power supply
IGBT1-IGBT8 ・ ・ ・ ・ ・ ・ Insulated gate bipolar transistor (switch)
S11, S12, S21, S22... Switches D1 to D8 ... Soft recovery diodes La1, La2, Lb1, Lb2 ... Inductors (filter circuit)
Ca1, Ca2, Cb1, Cb2 ... Capasta (filter circuit)
Rca1, Rca2, Rcb1, Rcb2 ··· Resistance (filter circuit)
10 .... Gradient magnetic field coil (load)
A, B ... PWM current amplification circuit (switching power supply)
20... Filter current polarity discriminating circuit 30... PWM control means 40... Pulse amplification circuit Td .. Dead time CS1, CS2. Filter current detector

Claims (4)

負荷である磁気共鳴イメージング装置の磁場発生用コイルに接続されたスイッチング電源と、前記磁場発生用コイルに流れる電流の検出値と電流指令値とを入力し、前記検出値と電流指令値との差がゼロになるように前記スイッチング電源を構成する複数のスイッチをオンオフ制御するとともにデューティをパルス幅変調制御するPWM制御手段とを備えた磁気共鳴イメージング装置用電源装置において、
前記スイッチング電源に設けられたフィルタ回路の電流を検出するフィルタ電流検出手段と、このフィルタ電流検出手段により検出されたフィルタ電流の極性を判別する極性判別手段とを備え、
前記PWM制御手段は、前記スイッチのオンオフ制御の際に所定のデッドタイムを設けるとともに、前記極性判別手段の判別結果に基づき前記デューティを増減する手段を備え、前記フィルタ電流の極性が正の時は前記デッドタイムの分だけ前記デューティを大きくし、前記フィルタ電流の極性が負のときは前記デッドタイムの分だけ前記デューティを小さくすることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置用電源装置。
A switching power supply connected to a magnetic field generating coil of a magnetic resonance imaging apparatus as a load, a detected value of a current flowing through the magnetic field generating coil and a current command value are input, and a difference between the detected value and the current command value In a magnetic resonance imaging apparatus power supply device comprising: PWM control means for performing on / off control of a plurality of switches constituting the switching power supply so as to be zero and performing pulse width modulation control of the duty;
Filter current detection means for detecting the current of the filter circuit provided in the switching power supply, and polarity determination means for determining the polarity of the filter current detected by the filter current detection means,
The PWM control means is provided with a predetermined dead time during the on / off control of the switch, and includes means for increasing or decreasing the duty based on the determination result of the polarity determination means, and when the polarity of the filter current is positive A power supply apparatus for a magnetic resonance imaging apparatus , wherein the duty is increased by the dead time, and the duty is decreased by the dead time when the polarity of the filter current is negative .
負荷である磁気共鳴イメージング装置の磁場発生用コイルに並列に接続された複数のスイッチング電源と、前記磁場発生用コイルに流れる電流の検出値と電流指令値とを入力し、前記検出値と電流指令値との差がゼロになるように前記スイッチング電源を構成するスイッチをオンオフ制御するとともにデューティをパルス幅変調制御するPWM制御手段と
前記スイッチング電源の各々に設けられたフィルタ回路の電流を検出するフィルタ電流検出手段と、このフィルタ電流検出手段により検出されたフィルタ電流の極性を判別する極性判別手段とを有し
前記PWM制御手段は、前記スイッチのオンオフ制御の際に所定のデッドタイムを設けるとともに、前記極性判別手段の判別結果に基づき前記デューティを増減する手段を備え、前記フィルタ電流の極性が正の時は前記デッドタイムの分だけ前記デューティを大きくし、前記フィルタ電流の極性が負のときは前記デッドタイムの分だけ前記デューティを小さくすることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置用電源装置。
A plurality of switching power supplies connected in parallel to a magnetic field generating coil of a magnetic resonance imaging apparatus as a load, a detected value of a current flowing through the magnetic field generating coil, and a current command value are input, and the detected value and the current command are input. PWM control means for performing on / off control of the switches constituting the switching power supply so that a difference from the value becomes zero, and performing pulse width modulation control of the duty ;
A filter current detecting means for detecting the current of the filter circuit provided in each of the switching power supply, and a polarity discriminating means for discriminating the polarity of the detected filter current by the filter current detecting means,
It said PWM control means, provided with a predetermined dead time during on-off control of the switches, e Bei means for increasing or decreasing the duty based on a discrimination result of said polarity discriminating means, when the polarity of the filter current is positive Increases the duty by the dead time, and decreases the duty by the dead time when the polarity of the filter current is negative .
請求項2に記載の磁気共鳴イメージング装置用電源装置において、前記磁場発生用コイルに並列接続されている前記スイッチング電源の数をNとした場合、前記各スイッチング電源の位相差は360°/Nに設定されていることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置用電源装置。  3. The magnetic resonance imaging apparatus power supply apparatus according to claim 2, wherein when the number of the switching power supplies connected in parallel to the magnetic field generating coil is N, the phase difference between the switching power supplies is 360 ° / N. A power supply apparatus for a magnetic resonance imaging apparatus, wherein the power supply apparatus is set. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の磁気共鳴イメージング装置用電源装置において、前記フィルタ回路は、前記磁場発生用コイルの両側に配置され、前記スイッチング電源の前記フィルタ電流検出回路は、両側の前記フィルタ回路の電流をそれぞれ検出して、極性を判別することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置用電源装置。  4. The power supply device for a magnetic resonance imaging apparatus according to claim 1, wherein the filter circuit is disposed on both sides of the magnetic field generating coil, and the filter current detection circuit of the switching power source is disposed on both sides. A power supply device for a magnetic resonance imaging apparatus, wherein the current of each of the filter circuits is detected to determine the polarity.
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