JP5684783B2 - 負荷に電力を供給するための電源、方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
Vloadav=Vn+δAVsupply-δBVsupply=(δA-δB)Vsupply (1)
ここで、Vloadavは平均負荷電圧であり、Vsupplyは供給電圧である。ここでの説明では、Vsupply>0とみなされる。2つのデューティサイクルδA及びδBの適当な選択により、―Vsupplyから+Vsupplyまでのフルレンジをカバーする正負両方の負荷電圧が生成できることになる。これが、フルブリッジという名前の由来であり、実際、単一のフェーズレグは、しばしばハーフブリッジと呼ばれている。
δ=Vloadav/Vsupply (2)
δA=(1+δ)/2及びδB=(1-δ)/2 (3)
(U2+U3)の切換イベントを2つの浮動フルブリッジ(U2及びU3)に割当てて、給電フルブリッジ当たりヌルベクトルを割当てて、0の正味の出力が、フェーズレグ当たりの組合せ(H、H)、又は(L、L)の何れかにより作られること。
δ<−1/2 ⇒δx=−1−δ (4)
−1/2≦δ≦1/2⇒δx=δ
1/2<δ ⇒δx=1−δ
AON=(−1/4−γ/4)mod1、 BON=(1−δx/4)mod1
(5)
AOFF=(1/4+δx/4)mod1、 BOFF=(1/2−γ/4)mod1
(6)
)が、それぞれ底部(bottom)から上部(top)に又はその逆にスイッチする時点を示す。「mod1」表記は、<0であったり、>1であったりする全ての信号が間隔[0:1]内に収まるようにすることを示すために用いられ、鋸歯キャリアとの比較が働くようにする。図9に示される白い三角形領域906内の動作は、以下の式により定められる。
浮動キャパシタの電荷の状態を制御したいという願望要因。
電源から取られる電力を滑らかにしたいという願望要因。
所与のコントローラ出力(U1+U2+U3)が、δ及びγの複数の組合せにより実現でき、図9に示される平面において、傾斜―1を持つ斜線として現れる。これは、δ*に対する任意の特定の値が、その図の白色の領域に入らずに、すなわち2倍のリップル周波数を維持しながら、常に実現できることを意味する。これらの白色の領域を回避することは、浮動フルブリッジと給電フルブリッジとから取り出される電力の間の一時的な次善のバランスをおそらく犠牲にするようになる。しかしながら、δ*の絶対値が2より大きい時間間隔が制限されるので、δ*の絶対値が低いとき、前述の次善の悪影響が後で修理できる。
この説明のため、浮動キャパシタの電圧に対する設定ポイント値が利用できると仮定する。上で提示された電流制御ループのように、これらの設定ポイントは、対応する実際の(測定された)電圧と比較でき、この差が電圧を修正するために使用できる。浮動キャパシタの電圧を修正するために、正しい符号を持つ電流が、浮動キャパシタを充電又は放電の何れかを行うために供給される必要がある。この電流の大きさは、補正がどれくらい速く起こるかを決定する。
γi=ICHARGEi/IGRAD (13)
ここで、γiは間隔[―1:1]に限定される。
勾配コイルへ供給されるエネルギーは、2つの部分に分けられる。
消失される(及び失われる)エネルギー。
格納される(及び復元できる)エネルギー。
格納されたエネルギーが、浮動キャパシタにより供給され、戻される。
消失されたエネルギーが、電源により供給される。
(14)
このセクションでは、モジュレータ(変調器)の動作が、本発明を実行するSimulinkモデルからの結果を使用して示される。初めの幾つかの例(図16―図19に示される)では、一方の変数(δ又はγ)がその最小と最大との間を変化するが、他方の変数が一定に保たれる。最後の例(図20に示される)では、δ及びγ両方が変化する。
100 フルブリッジ回路
102a 第1のスイッチング手段
102b 第1のスイッチング手段
102c 第1のスイッチング手段
102d 第1のスイッチング手段
104a 第1の出力接続部
104b 第1の出力接続部
106 直流電源
108 負荷
110 浮動フルブリッジ回路
112a 第2のスイッチング手段
112b 第2のスイッチング手段
112c 第2のスイッチング手段
112d 第2のスイッチング手段
114a 第2の出力接続部
114b 第2の出力接続部
116 キャパシタ
118a 出力接続部
118b 出力接続部
120 受動フィルタ
122a 負荷接続部
122b 負荷コネクタ
124 モジュレータ
126 ブリッジ回路のスタック
300 給電フルブリッジ回路
310 第1の給電フルブリッジ回路
312 第2の給電フルブリッジ回路
314 負荷
340 フルブリッジ回路
342 第1の給電フルブリッジ回路の電圧
344 第2の給電フルブリッジ回路の電圧
400 時間軸
402 電源の電圧出力
404 給電フルブリッジ回路の電圧出力
406 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
408 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
500 時間軸
502 電源の電圧出力
504 給電フルブリッジ回路の電圧出力
506 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
508 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
510 第3の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
512 第4の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
600 時間軸
602 電源の電圧出力
604 給電フルブリッジ回路の電圧出力
606 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
608 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
610 第3の浮動フルブリッジ回路の電圧出力
700 時間
702 電源の電圧出力
704 給電フルブリッジ回路の電圧出力
706 2つの浮動フルブリッジ回路の電圧の和
708 第1の位置合わせされた立ち下がりエッジ
710 第2の位置合わせされた立ち下がりエッジ
804 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧
806 第1の浮動フルブリッジ回路の浮動フルブリッジ回路の第1のフェーズレグの電圧
810 第1の浮動フルブリッジ回路の浮動フルブリッジ回路の第2のフェーズレグの電圧
812 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧
814 第2の浮動フルブリッジ回路の浮動フルブリッジ回路の第1のフェーズレグの電圧
816 第2の浮動フルブリッジ回路の浮動フルブリッジ回路の第2のフェーズレグの電圧
900 2つの浮動フルブリッジ回路のデューティサイクル
902 給電フルブリッジ回路のデューティサイクル
904 リップル周波数が2倍にできる領域
906 リップル周波数が2倍にできない領域
1000 時間軸
1002 電源の出力
1004 給電フルブリッジ回路の電圧
1006 2つの浮動フルブリッジ回路の電圧の和
1100 時間軸
1102 給電フルブリッジ回路用の変調キャリア
1104 第1の浮動フルブリッジ回路用の変調キャリア
1106 第2の浮動フルブリッジ回路用の変調キャリア
1200 給電フルブリッジ回路のデューティサイクル
1202 減少したデューティサイクル
1300 現在のセットポイント
1302 フィードフォワード制御要素
1304 セットポイント電流と測定された電流との差を決定する
1306 フィードバック制御要素
1308 電圧セットポイントを計算するための要素
1310 モジュレータ
1312 勾配増幅器電源
1314 勾配コイル
1400 キャパシタ電圧セットポイント
1402 計算された制御信号に対する加算素子
1404 コントローラ
1406 パルス幅制御信号を計算する要素
1408 モジュレータ
1410 勾配増幅器電源
1412 勾配コイル
1500 2つの浮動フルブリッジ回路のデューティサイクル
1502 給電フルブリッジ回路のデューティサイクル
1504 リップル周波数が2倍にできる領域
1506 リップル周波数が2倍にできない領域
1508 図16で使用される変調パターンの軌跡
1510 図17で使用される変調パターンの軌跡
1512 図18で使用される変調パターンの軌跡
1514 図19で使用される変調パターンの軌跡
1516 図20で使用される変調パターンの軌跡
1600 時間軸
1602 電源の電圧出力
1604 給電フルブリッジ回路の電圧
1606 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧
1608 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧
1700 時間軸
1702 電源の電圧出力
1704 給電フルブリッジ回路の電圧
1706 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧
1708 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧
1800 時間軸
1802 電源の電圧出力
1804 給電フルブリッジ回路の電圧
1806 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧
1808 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧
1900 時間軸
1902 電源の電圧出力
1904 給電フルブリッジ回路の電圧
1906 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧
1908 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧
1910 ブラケット
2000 時間軸
2002 電源の電圧出力
2004 給電フルブリッジ回路の電圧
2006 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧
2008 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧
2100 第1の浮動フルブリッジ回路
2102 第1の給電フルブリッジ回路
2104 第2の浮動フルブリッジ回路
2106 第3の浮動フルブリッジ回路
2108 第2の給電フルブリッジ回路
2110 第4の浮動フルブリッジ回路
2112 負荷
2200 時間軸
2202 負荷の電圧
2204 第1の給電フルブリッジ回路の電圧
2206 第1の浮動フルブリッジ回路の電圧
2208 第2の浮動フルブリッジ回路の電圧
2210 第2の給電フルブリッジ回路の電圧
2212 第3の浮動フルブリッジ回路の電圧
2214 第4の浮動フルブリッジ回路の電圧
2216 第1及び第2の浮動フルブリッジ回路と第1の給電フルブリッジ回路との電圧
2218 第3及び第4の浮動フルブリッジ回路と第2の給電フルブリッジ回路との電圧
Claims (12)
- 第1の出力接続部と、第1の出力接続部への電力の付与を制御するための第1のスイッチング手段とを有し、直流電源により給電される少なくとも一つの給電フルブリッジ回路と、
浮動フルブリッジ回路に給電するためのキャパシタと、第2の出力接続部と、第2の出力接続部への電力の付与を制御するための第2のスイッチング手段とを各々が有する少なくとも一つの前記浮動フルブリッジ回路と、
前記少なくとも一つの給電フルブリッジ回路及び前記少なくとも一つの浮動フルブリッジ回路を有するブリッジ回路のスタックであって、第1の出力接続部と第2の出力接続部とが直列に接続され、第1の出力接続部からの電力と第2の出力接続部からの電力との和の結果としてリップル周波数を持つ電力を出力する第3の出力接続部を持つ前記スタックと、
第3の出力接続部の電圧を平均化する、第3の出力接続部に接続された受動フィルタと、
前記受動フィルタを負荷に接続するための負荷コネクタと、
電力が前記負荷へ供給されるか、又は負荷から取り出される間、前記キャパシタの充電又は放電が制御されるように、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段を変調する変調器であって、前記負荷へ付与される電圧の前記リップル周波数が、一定で、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段の平均スイッチング周波数より高いように、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段を変調する前記変調器とを有し、前記変調器は、前記浮動フルブリッジ回路により生成されるパルスを用いて、前記給電フルブリッジ回路により生成される電圧パルスの部分的な補償により、前記キャパシタの電荷の状態を制御する、
電力を負荷へ供給するための電源。 - 2つ以上の給電フルブリッジ回路を有する、請求項1に記載の電源。
- 前記電源は、前記負荷を通る電流を測定するための電流測定手段を更に有し、前記変調器は、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段の変調を調整することにより、電流測定を使用して前記負荷への電流を制御する、請求項1又は2に記載の電源。
- 前記変調器は、同じ平均周波数で、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段を変調する、請求項1、2又は3に記載の電源。
- 前記受動フィルタのフィルタ構成は、前記負荷のインピーダンスを組み込んでいる、請求項1乃至4の何れか一項に記載の電源。
- 前記電源は、更に、前記フィルタ回路を通る電流を測定するための第2の電流測定手段と、前記フィルタ回路の電圧を測定するための電圧測定手段との少なくとも一つを有する、請求項1乃至5の何れか一項に記載の電源。
- 前記変調器は、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段をサイクル毎に変調し、前記変調器は、第1の出力接続部の電圧と前記スタックの電圧とのサイクル毎の少なくとも2つの立ち上がりエッジが揃っているか、第1の出力接続部の電圧と前記スタックの電圧とのサイクル毎の少なくとも2つの立ち下がりエッジが揃っているか、第1の出力接続部の電圧と前記スタックの電圧との少なくとも一つの立ち上がりエッジと少なくとも一つの立ち下がりエッジとが揃っているかの何れかの態様で、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段を変調する、請求項1乃至6の何れか一項に記載の電源。
- 前記負荷はインダクタンスを持ち、前記変調器は、前記キャパシタが前記負荷に蓄積される電気エネルギーを使用して充電又は放電されるように、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段を変調する、請求項1乃至7の何れか一項に記載の電源。
- 前記負荷へ供給される電力が時間の関数であり、前記変調器は、第1のスイッチング手段を第1のレートで変調し、前記負荷コネクタで測定された電圧のリップル周波数が第1のレートより高い、請求項1乃至8の何れか一項に記載の電源。
- 前記負荷は磁気共鳴撮像勾配コイルである、請求項1乃至9の何れか一項に記載の電源。
- 負荷へ電力を供給するための電源を制御するための方法であって、前記電源は少なくとも一つの給電フルブリッジ回路を有し、前記給電フルブリッジ回路は直流電源により給電され、前記給電フルブリッジ回路は第1の出力接続部を有し、前記給電フルブリッジ回路は第1の出力接続部への電力の付与を制御するための第1のスイッチング手段を有し、
前記電源は更に少なくとも一つの浮動フルブリッジ回路を有し、各浮動フルブリッジ回路は前記浮動フルブリッジ回路に給電するためのキャパシタを有し、各浮動フルブリッジ回路は第2の出力接続部を有し、各浮動フルブリッジ回路は第2の出力接続部への電力の付与を制御するための第2のスイッチング手段を有し、
前記電源は更に前記少なくとも一つの給電フルブリッジ回路及び前記少なくとも一つの浮動フルブリッジ回路を有するブリッジ回路のスタックを有し、第1の出力接続部と第2の出力接続部とが直列に接続され、前記スタックは、第1の出力接続部からの電力と第2の出力接続部からの電力との和の結果としてリップル周波数を持つ電力を出力する第3の出力接続部を持ち、
前記電源は更に第3の出力接続部の電圧を平均化する受動フィルタを有し、前記受動フィルタは第3の出力接続部に接続され、
前記電源は更に前記受動フィルタを前記負荷に接続するための負荷コネクタを有し、
前記電源は更に第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段を変調する変調器を有し、前記方法は、
第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段が同じ平均周波数で動作するように第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段を変調するステップと、
前記変調器は、前記浮動フルブリッジ回路により生成されるパルスを用いて、前記給電フルブリッジ回路により生成される電圧パルスの部分的な補償により、前記キャパシタの電荷の状態を制御して、電力が前記負荷へ供給されている間、前記キャパシタの充電又は放電が制御されるように、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段の変調を調整するステップと、
前記負荷へ付与される電圧の前記リップル周波数が一定であり、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段のスイッチング周波数より高いように、第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段の変調を調整するステップとを有する、方法。 - 請求項11に記載の方法を実施するため前記変調器での実行のためのマシン実行可能な命令のセットを有するコンピュータプログラム。
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