JP6556407B1 - Switching power supply apparatus and power supply apparatus for nuclear magnetic resonance imaging apparatus using the same - Google Patents

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Abstract

複数のスイッチング素子(SW11〜SW14)を有する電力変換器(1)と直流電圧源(2)とを備えたスイッチング電源(10)と、このスイッチング電源(10)と負荷(5)との間に直列に設けられた負荷(5)の電流及び電圧を測定する計測器(7)と、複数のスイッチング素子(SW11〜SW14)の動作を制御する制御回路(8)と、を備え、制御回路(8)において、負荷(5)に正負の電圧を出力し、該正負の電圧出力期間の差により負荷(5)に流れる電流量と極性を制御するように、かつ、スイッチング電源(10)の一周期T内の正負の電圧の出力期間の和が、スイッチング電源(10)の一周期Tよりも小さくなるように、複数のスイッチング素子(SW11〜SW14)の動作を制御して負荷(5)に流れる電流リップルを低減する。A switching power supply (10) having a power converter (1) having a plurality of switching elements (SW11 to SW14) and a DC voltage source (2), and between the switching power supply (10) and a load (5) A measuring instrument (7) for measuring the current and voltage of the load (5) provided in series, and a control circuit (8) for controlling the operation of the plurality of switching elements (SW11 to SW14), 8), positive and negative voltages are output to the load (5), the amount and polarity of the current flowing through the load (5) are controlled by the difference between the positive and negative voltage output periods, and the switching power supply (10) The operation of the plurality of switching elements (SW11 to SW14) is controlled to the load (5) so that the sum of the output periods of the positive and negative voltages within the period T becomes smaller than one period T of the switching power supply (10). Flowing To reduce the flow ripple.

Description

本願は、スイッチング電源装置及びそれを用いた核磁気共鳴イメージング装置用電源装置に関する。   The present application relates to a switching power supply apparatus and a power supply apparatus for a nuclear magnetic resonance imaging apparatus using the same.

MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置は静磁場中に置かれた検査対象に高周波磁場をパルス状に印加し、検査対象が発生する磁気共鳴信号を検出して画像化するものである。また、位置情報を備えた磁気共鳴信号を取得するために、検査対象には静磁場とは別に距離に比例した強度を持つ傾斜磁場が印加される。このMRI装置には、磁場発生コイルとして静磁場を発生する超電導或いは常電導コイル、静磁場に重畳される傾斜磁場を発生するための傾斜磁場コイル、さらに高周波磁場を発生するための高周波コイルが備えられている。これら複数の磁場発生コイルは所定の磁気強度の磁場を発生させるために、印加電流の大きさ及びタイミングを制御するためのスイッチング電源装置を備えている。   An MRI (Magnetic Resonance Imaging) apparatus applies a high-frequency magnetic field in a pulsed manner to an inspection object placed in a static magnetic field, and detects and images a magnetic resonance signal generated by the inspection object. In addition, in order to acquire a magnetic resonance signal having position information, a gradient magnetic field having an intensity proportional to the distance is applied to the inspection target in addition to the static magnetic field. This MRI apparatus includes a superconducting or normal conducting coil for generating a static magnetic field as a magnetic field generating coil, a gradient magnetic field coil for generating a gradient magnetic field superimposed on the static magnetic field, and a high frequency coil for generating a high frequency magnetic field. It has been. The plurality of magnetic field generating coils include a switching power supply device for controlling the magnitude and timing of the applied current in order to generate a magnetic field having a predetermined magnetic strength.

精度の高い位置情報を得て画像の解像度を上げるために、MRI装置の傾斜磁場用の電源装置には、電流リップルの小さいパルス電流波形が要求されている。
複数のスイッチング電源を並列に接続したスイッチング電源群を複数備え、このスイッチング電源群を直列に接続することで、高電圧、大容量を得ることのできる核磁気共鳴イメージング装置用電源装置が開示されている(特許文献1)。開示された構成により、並列接続したスイッチング電源群間の電流回り込みを防止し、並列接続したスイッチング電源群の位相をずらして動作させることにより、傾斜磁場のコイルに流れる電流のリップルを低減することが可能となる。
In order to obtain position information with high accuracy and increase the resolution of an image, a power supply device for a gradient magnetic field of an MRI apparatus is required to have a pulse current waveform with a small current ripple.
There is disclosed a power supply device for a nuclear magnetic resonance imaging apparatus that has a plurality of switching power supply groups in which a plurality of switching power supplies are connected in parallel, and can obtain a high voltage and a large capacity by connecting the switching power supply groups in series. (Patent Document 1). With the disclosed configuration, current wraparound between switching power supply groups connected in parallel can be prevented, and the ripple of current flowing in the coil of the gradient magnetic field can be reduced by operating the phases of the switching power supply groups connected in parallel. It becomes possible.

また、フルブリッジインバータに接続された可変入力電源を制御して入力母線電圧を調整することで、傾斜磁場コイルの電流リップルを低減することが可能なスイッチング増幅装置が開示されている(特許文献2)。さらに特許文献2のスイッチング増幅装置には、電圧のバック調整器を有するバック回路を備えており、高電圧時にはバック回路がスイッチング機能を果たし、低電圧時にはブリッジインバータがスイッチング機能を果たすことで、スイッチング損失を2つに分担し低減することで、高周波動作、すなわち立ち上がりが急峻な動作を可能としている。   In addition, a switching amplification device is disclosed that can reduce the current ripple of the gradient coil by controlling the variable input power source connected to the full bridge inverter to adjust the input bus voltage (Patent Document 2). ). Further, the switching amplifier of Patent Document 2 includes a buck circuit having a voltage buck regulator, and the switching function is performed when the voltage is high and the bridge inverter performs the switching function when the voltage is low. By sharing the loss in two and reducing it, high-frequency operation, that is, operation with a steep rise is possible.

特許3591982号公報Japanese Patent No. 3591982 特開2000−092856号公報JP 2000-092856 A

特許文献2の増幅装置では、装置構成が複雑でインバータに接続された可変入力電源をどのように制御し、傾斜磁場コイルの電流リップルを低減するのか開示されておらず、またフルブリッジインバータの出力電流リップルを低減するものではない。
特許文献1の電源装置においては、複数のスイッチング電源の組合せにより、電源装置の負荷としての傾斜磁場コイルの電流リップルを小さくするものであり、個々のスイッチング電源の電流リップルを小さくするものではない。そのため、個々のスイッチング電源の電流リップルが大きいこともあり、複数のスイッチング電源の組合せることが前提となりこれが装置構成及び制御の簡素化の制約となる。また、傾斜磁場のコイルを流れる電流が小さい時の電流リップルの低減は、MRI装置における画像化に重要な課題であるが、それを低減することも示されていない。
In the amplifying device of Patent Document 2, it is not disclosed how to control the variable input power source connected to the inverter with a complicated device configuration and to reduce the current ripple of the gradient coil, and the output of the full bridge inverter It does not reduce current ripple.
In the power supply device of Patent Document 1, the current ripple of the gradient magnetic field coil as a load of the power supply device is reduced by a combination of a plurality of switching power supplies, and the current ripple of each switching power supply is not reduced. Therefore, the current ripple of each switching power supply may be large, and it is premised on the combination of a plurality of switching power supplies, which is a restriction on simplification of the device configuration and control. Further, reduction of the current ripple when the current flowing through the gradient magnetic field coil is small is an important issue for imaging in the MRI apparatus, but it has not been shown to reduce it.

本願は、上記の課題を解決するための技術を開示するものであり、スイッチング電源の電流リップルが小さく、簡素な装置構成のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。また、このスイッチング電源装置を用いることで高解像度の画像を得ることのできる核磁気共鳴イメージング装置用電源装置を提供することを目的とする。   The present application discloses a technique for solving the above-described problem, and an object thereof is to provide a switching power supply device having a simple device configuration with a small current ripple of the switching power supply. It is another object of the present invention to provide a power supply device for a nuclear magnetic resonance imaging apparatus that can obtain a high-resolution image by using this switching power supply device.

本願に開示されるスイッチング電源装置は、複数のスイッチング素子を有する電力変換器と直流電圧源とを備えたスイッチング電源と、前記スイッチング電源と前記スイッチング電源に直列に接続された負荷との間に設けられた前記負荷の電流及び電圧を測定する計測器と、前記複数のスイッチング素子の動作を制御する制御回路と、を備えたスイッチング電源装置であって、前記制御回路は、前記負荷に正負の電圧を出力し、該正負の電圧出力期間の差により負荷に流れる電流量と極性を制御するように、前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、前記負荷に流れる電流量に対応した正負の電圧出力期間を決める指令値と基準信号とを生成し、前記基準信号を前記スイッチング電源の周期の1/n(nは2以上の整数)の周期で生成するとともに、前記指令値と前記基準信号とを比較して決定した電圧出力期間をDとし、前記電圧出力期間Dから前記直流電圧源の電圧、前記複数のスイッチング素子のデッドタイム、前記負荷の抵抗及び前記負荷を流れる電流量により求められる余剰期間α(i)を減算し、最初の基準信号の期間で正負の一方の電圧をD―α(i)期間、残りの期間で正負の他方の電圧を1―D―α(i)期間出力するように前記複数のスイッチング素子の動作を制御するものである。
A switching power supply device disclosed in the present application is provided between a switching power supply including a power converter having a plurality of switching elements and a DC voltage source, and a load connected in series to the switching power supply. A switching power supply comprising: a measuring instrument for measuring the current and voltage of the load, and a control circuit for controlling operations of the plurality of switching elements, wherein the control circuit has positive and negative voltages across the load. And controlling the operation of the plurality of switching elements so as to control the amount and polarity of the current flowing through the load according to the difference between the positive and negative voltage output periods, and the positive and negative voltage output corresponding to the amount of current flowing through the load. A command value for determining a period and a reference signal are generated, and the reference signal is generated at a cycle of 1 / n (n is an integer of 2 or more) of the cycle of the switching power supply. A voltage output period determined by comparing the command value and the reference signal is D, and from the voltage output period D, the voltage of the DC voltage source, the dead time of the plurality of switching elements, the resistance of the load, and The surplus period α (i) obtained by the amount of current flowing through the load is subtracted, one positive / negative voltage is set to the D−α (i) period in the first reference signal period, and the other positive / negative voltage is set to the remaining period. The operation of the plurality of switching elements is controlled so as to output during the period 1-D-α (i) .

本願に開示される核磁気共鳴イメージング装置用電源装置は、上述のスイッチング電源装置と、前記負荷である核磁気共鳴イメージング装置用コイルと、前記コイルを制御するコイル用制御装置とを備え、前記コイル用制御装置から出力された電流指令値を基に前記スイッチング電源装置の制御回路はスイッチング電源装置の前記複数のスイッチング素子の動作を制御するものである。   A power supply device for a nuclear magnetic resonance imaging apparatus disclosed in the present application includes the above-described switching power supply device, a coil for a nuclear magnetic resonance imaging apparatus that is the load, and a coil control device that controls the coil. The control circuit of the switching power supply device controls the operation of the plurality of switching elements of the switching power supply device based on the current command value output from the control device.

上記構成によれば、負荷に正負の電圧を出力し、該正負の電圧出力期間の差により負荷に流れる電流量と極性を制御するように、かつ、スイッチング電源の一周期内の前記正負の電圧の出力期間の和が、スイッチング電源の一周期よりも小さくなるようにしたので、電流リップルが小さく、簡素な装置構成のスイッチング電源装置を提供することが可能となる。また、このスイッチング電源装置を用いたので、コイルに流れる電流が小の領域でも画像の解像度を上げることができる核磁気共鳴イメージング装置用電源装置を提供することが可能となる。   According to the above configuration, the positive and negative voltages are output to the load, the amount and polarity of the current flowing through the load are controlled by the difference between the positive and negative voltage output periods, and the positive and negative voltages within one cycle of the switching power supply. Since the sum of the output periods is made smaller than one cycle of the switching power supply, it is possible to provide a switching power supply apparatus having a simple device configuration with a small current ripple. Further, since this switching power supply device is used, it is possible to provide a power supply device for a nuclear magnetic resonance imaging apparatus that can increase the resolution of an image even in a region where the current flowing through the coil is small.

実施の形態1に係るスイッチング電源装置を示す構成図である。1 is a configuration diagram illustrating a switching power supply device according to a first embodiment. 実施の形態1に係るスイッチング電源装置を構成するスイッチング素子の動作と出力電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the operation | movement of the switching element which comprises the switching power supply apparatus which concerns on Embodiment 1, and an output voltage. 実施の形態1に係るスイッチング電源装置の基本動作シーケンスを示すタイミングチャートである。3 is a timing chart illustrating a basic operation sequence of the switching power supply device according to the first embodiment. 実施の形態1に係るスイッチング電源装置の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。3 is a timing chart illustrating an operation sequence of the switching power supply device according to the first embodiment. 実施の形態1に係るスイッチング電源装置の制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a control circuit of the switching power supply device according to the first embodiment. 実施の形態2に係るスイッチング電源装置の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。6 is a timing chart illustrating an operation sequence of the switching power supply device according to the second embodiment. スイッチング電源装置のPWM制御による出力電流(負荷電流)と出力余剰期間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output current (load current) by PWM control of a switching power supply device, and an output surplus period. 実施の形態2に係るスイッチング電源装置の制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a control circuit of a switching power supply device according to a second embodiment. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置を示す概略構成図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a switching power supply device according to a third embodiment. 図9において電力変換器の回路構成を示した図である。It is the figure which showed the circuit structure of the power converter in FIG. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置の出力電流波形と電力変換器の分担を示す図である。It is a figure which shows the output current waveform of the switching power supply device which concerns on Embodiment 3, and sharing of a power converter. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置の動作パターンを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an operation pattern of the switching power supply device according to the third embodiment. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置の動作パターンを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an operation pattern of the switching power supply device according to the third embodiment. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置の動作パターンを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an operation pattern of the switching power supply device according to the third embodiment. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置の動作パターンを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an operation pattern of the switching power supply device according to the third embodiment. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置の動作パターンを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an operation pattern of the switching power supply device according to the third embodiment. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置の電流立ち上がり部の出力電圧を示す図である。It is a figure which shows the output voltage of the electric current rise part of the switching power supply which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係るスイッチング電源装置の電流定常部(電流平坦部)の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。12 is a timing chart showing an operation sequence of a current steady part (current flat part) of the switching power supply according to the third embodiment. 実施の形態1から3に係るスイッチング電源装置の制御回路のハードウエア構成図である。4 is a hardware configuration diagram of a control circuit of the switching power supply according to Embodiments 1 to 3. FIG. 実施の形態4に係るMRI装置用電源装置を示す構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram illustrating a power supply device for an MRI apparatus according to a fourth embodiment.

以下、本実施の形態について図を参照して説明する。実施の形態に係るスイッチング電源装置については、MRI(Magnetic Resonance Imaging:核磁気共鳴イメージング)装置の傾斜磁場装置用コイルへ電力を供給する例を挙げて説明するがこれに限るものではない。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。   Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings. The switching power supply device according to the embodiment will be described with reference to an example in which power is supplied to a coil for a gradient magnetic field device of an MRI (Magnetic Resonance Imaging) device, but is not limited thereto. In addition, in each figure, the same code | symbol shall show the same or an equivalent part.

実施の形態1.
以下、実施の形態1に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。
図1は、実施の形態1に係るスイッチング電源装置100の構成を示す図である。スイッチング電源装置100は、SW11からSW14で示される4つのスイッチング素子をフルブリッジ型に構成した電力変換器(インバータ)1と電力変換器1に接続された直流電圧源2とを有するスイッチング電源10、電力変換器1の交流出力端子Q1、Q2の間に接続された負荷5に流れる電流及び電圧を計測する計測器7、計測器7で計測された電流及び電圧と電流指令値が入力され、各スイッチング素子SW11〜SW14へゲート信号を出力する制御回路8を備えている。ここで、負荷5はMRI装置の傾斜磁場コイルを例としているが、スイッチング電源装置100は負荷5であるコイルへの電流量と正負の向きを制御する定電流電源もしくは定電圧回路に相当する。また、スイッチング素子SW11〜SW14は、例えば半導体スイッチング素子としてMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)を用いることができる。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the switching power supply according to Embodiment 1 will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a switching power supply apparatus 100 according to the first embodiment. The switching power supply device 100 includes a power converter (inverter) 1 in which four switching elements indicated by SW11 to SW14 are configured in a full bridge type, and a DC voltage source 2 connected to the power converter 1, A measuring instrument 7 for measuring a current and a voltage flowing in a load 5 connected between AC output terminals Q1 and Q2 of the power converter 1, a current and a voltage measured by the measuring instrument 7, and a current command value are inputted. A control circuit 8 that outputs a gate signal to the switching elements SW11 to SW14 is provided. Here, the load 5 is a gradient magnetic field coil of the MRI apparatus, but the switching power supply apparatus 100 corresponds to a constant current power source or a constant voltage circuit that controls the amount of current to the coil that is the load 5 and the positive / negative direction. The switching elements SW11 to SW14 can use, for example, MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistors) as semiconductor switching elements.

次に、スイッチング電源装置100の基本動作を図2及び図3を用いて説明する。
図2は、電力変換器(インバータ)1を構成するスイッチング素子SW11〜SW14の動作と出力電圧との関係を示す図である。図中破線矢印は電流の向きを示している。
(1)正電圧出力
図1中の負荷5に流れる電流極性が正となるようにするには、電力変換器(インバータ)1から正電圧が出力されるように、スイッチング素子SW12、SW13をオン、スイッチング素子SW11、SW14をオフにする。
(2)スルー状態
負荷5から直流電圧源2を切り離してスルー状態にし、電圧を印加しないようにするには、スイッチング素子SW11、SW13をオン、スイッチング素子SW12、SW14をオフにする。あるいは図示してないが、スイッチング素子SW12、SW14をオン、スイッチング素子SW11、SW13をオフにする。
(3)負電圧出力
図1中の負荷5に流れる電流極性が負となるようにするには、電力変換器(インバータ)1から負電圧が出力されるように、スイッチング素子SW11、SW14をオン、スイッチング素子SW12、SW13をオフにする。
Next, the basic operation of the switching power supply apparatus 100 will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the operation of the switching elements SW11 to SW14 constituting the power converter (inverter) 1 and the output voltage. Broken line arrows in the figure indicate the direction of current.
(1) Positive voltage output In order to make the polarity of the current flowing through the load 5 in FIG. 1 positive, the switching elements SW12 and SW13 are turned on so that a positive voltage is output from the power converter (inverter) 1. The switching elements SW11 and SW14 are turned off.
(2) Through state In order to disconnect the DC voltage source 2 from the load 5 to make a through state so that no voltage is applied, the switching elements SW11 and SW13 are turned on and the switching elements SW12 and SW14 are turned off. Alternatively, although not shown, the switching elements SW12 and SW14 are turned on and the switching elements SW11 and SW13 are turned off.
(3) Negative voltage output To make the polarity of the current flowing through the load 5 in FIG. 1 negative, the switching elements SW11 and SW14 are turned on so that a negative voltage is output from the power converter (inverter) 1. The switching elements SW12 and SW13 are turned off.

負荷5への正方向の電流量は、上述の(1)正電圧出力と(2)スルー状態との期間の比率を調整して行い、負荷5への負方向の電流量は、上述の(3)負電圧出力と(2)スルーとの期間の比率を調整して行えばよい。
しかし、電流量を極めて小さくする場合あるいは直流電圧源2の電圧が高い場合など、電力変換器1からの出力が正常ではなくなる制御限界が生じてしまう。そのため、スイッチング素子SW11〜SW14の動作する一周期内に、負荷5に正方向の電流を流す場合においても、上述の(1)正電圧出力、(2)スルー、(3)負電圧出力の3つの期間を調整してバイポーラ出力することにより、また負荷5に負方向の電流を流す場合においても、同様に調整して出力することにより、低電流時の電流制御限界の問題は解決できる。
The amount of current in the positive direction to the load 5 is adjusted by adjusting the ratio of the period of (1) positive voltage output and (2) through state, and the amount of current in the negative direction to the load 5 is 3) The period ratio between negative voltage output and (2) through may be adjusted.
However, when the amount of current is extremely small or when the voltage of the DC voltage source 2 is high, a control limit is generated in which the output from the power converter 1 is not normal. Therefore, even when a current in the positive direction is supplied to the load 5 within one cycle in which the switching elements SW11 to SW14 operate, the above-described (1) positive voltage output, (2) through, and (3) negative voltage output 3 By adjusting one period and performing bipolar output, and even when a negative current flows through the load 5, the same adjustment and output can solve the problem of current control limitations at low currents.

図3は、スイッチング電源装置100の基本動作シーケンスを示すタイミングチャートで、上述のバイポーラ出力を用いた例である。負荷5に流す電流に関し、電流量が大の時の定常状態(電流が立ち上がり定電流となった電流平坦部)Aと電流量が小の時の定常状態Bとに分けている。それぞれ上から順に、基準信号及び電圧出力期間を決めるD指令、出力される電流平均値及び出力電圧とこの出力電圧に対応する電流リップルの推移、スイッチング素子SW11〜SW14を動作させるゲート信号を示している。なお、電流リップルは平均電流値に載った変動値であるが、ここでは出力電圧との関係がわかるように示している。   FIG. 3 is a timing chart showing a basic operation sequence of the switching power supply apparatus 100, and is an example using the bipolar output described above. The current flowing through the load 5 is divided into a steady state (current flat portion where the current rises and becomes a constant current) A when the amount of current is large and a steady state B when the amount of current is small. The D signal that determines the reference signal and the voltage output period, the output current average value and the output voltage, the transition of the current ripple corresponding to this output voltage, and the gate signal that operates the switching elements SW11 to SW14, respectively, are shown from the top. Yes. The current ripple is a fluctuation value on the average current value, but is shown here so as to understand the relationship with the output voltage.

まず、電流が大の場合(A)について説明する。
基準信号としての鋸波状信号と、所定の負荷電流(大)に対応した電圧出力期間Dが指令値となるD指令を基にPWM(Pulse Width Modulation)制御により、矩形波状の出力電圧波形が形成される。具体的には時刻t0でスイッチング素子SW12、SW13をオン、スイッチング素子SW11、SW14をオフにして正電圧を出力する。時刻t101で基準信号がD指令を越え、スイッチング素子SW12、SW13をオフ、スイッチング素子SW11、SW14をオンにして負電圧を出力する。1−Dの期間、すなわちt102まで負電圧が出力された後、再び正電圧出力期間となる。時刻t0からt102までが4つのスイッチング素子の動作の一周期(T:スイッチング電源周期)であり、時刻t102以降この動作シーケンスを繰り返す。
この時、矩形波状の正負の出力電圧期間の差が大きいため出力電流の平均値は大きくなり、電流リップルは出力電圧波形に追従するように大きくなる。
First, a case where the current is large (A) will be described.
A rectangular waveform output voltage waveform is formed by PWM (Pulse Width Modulation) control based on a sawtooth signal as a reference signal and a D command in which a voltage output period D corresponding to a predetermined load current (large) is a command value. Is done. Specifically, at time t0, the switching elements SW12 and SW13 are turned on, the switching elements SW11 and SW14 are turned off, and a positive voltage is output. At time t101, the reference signal exceeds the D command, the switching elements SW12 and SW13 are turned off, the switching elements SW11 and SW14 are turned on, and a negative voltage is output. After the negative voltage is output until the period of 1-D, that is, t102, the positive voltage output period starts again. From time t0 to t102 is one cycle of the operation of the four switching elements (T: switching power supply cycle), and this operation sequence is repeated after time t102.
At this time, since the difference between the positive and negative output voltage periods in the rectangular wave shape is large, the average value of the output current becomes large, and the current ripple becomes large so as to follow the output voltage waveform.

次に、電流が小の場合(B)について説明する。
基準信号としての鋸波状信号と、所定の負荷電流(小)に対応した電圧出力期間Dが指令値となるD指令を基にPWM制御により、矩形波状の出力電圧波形が形成される。具体的には時刻t0でスイッチング素子SW12、SW13をオン、スイッチング素子SW11、SW14をオフにして正電圧を出力する。時刻t201で基準信号がD指令を越え、スイッチング素子SW12、SW13をオフ、スイッチング素子SW11、SW14をオンにして負電圧を出力する。1―Dの期間、すなわち時刻t202まで負電圧が出力された後、再び、正電圧出力期間となる。時刻t0からt202までが4つのスイッチング素子の動作の一周期(T:スイッチング電源周期)であり、時刻t202以降この動作シーケンスを繰り返す。
電流が大の場合(A)よりも、矩形波状の負の出力電圧期間が長く、正負の出力電圧期間の差が小さいため出力電流の平均値は小さくなる。また、電流リップルは電流が大の場合(A)よりも小さくなる。
Next, the case where the current is small (B) will be described.
A rectangular waveform output voltage waveform is formed by PWM control based on a sawtooth signal as a reference signal and a D command in which a voltage output period D corresponding to a predetermined load current (small) is a command value. Specifically, at time t0, the switching elements SW12 and SW13 are turned on, the switching elements SW11 and SW14 are turned off, and a positive voltage is output. At time t201, the reference signal exceeds the D command, the switching elements SW12 and SW13 are turned off, the switching elements SW11 and SW14 are turned on, and a negative voltage is output. After the negative voltage is output until the period 1-D, ie, time t202, the positive voltage output period starts again. The period from time t0 to t202 is one cycle of the operation of the four switching elements (T: switching power supply cycle), and this operation sequence is repeated after time t202.
Compared with the case (A) where the current is large, the rectangular wave-like negative output voltage period is longer, and the difference between the positive and negative output voltage periods is small, so the average value of the output current becomes smaller. Further, the current ripple is smaller than that in (A) when the current is large.

上述では、電極極性が正の例を示したが、正電圧のDの期間と負電圧の1−Dの期間の差によって電流の向きと電流量を制御することが可能となることがわかる。しかし、上述のスイッチング電源装置100の基本動作においては、電流が小の場合においても一周期の約半分の期間(D)は正電圧が出力されるため、電流リップルが依然として大きい。なお、Dと1−Dとは、D>1−Dの関係を満たす。   In the above description, an example in which the electrode polarity is positive is shown. However, it can be seen that the direction of the current and the amount of current can be controlled by the difference between the positive voltage D period and the negative voltage 1-D period. However, in the basic operation of the switching power supply device 100 described above, even when the current is small, a positive voltage is output during a period (D) that is approximately half of one cycle, so that the current ripple is still large. Note that D and 1-D satisfy the relationship D> 1-D.

電流リップルを低減するために、スイッチング電源の周期を短くする、すなわち周波数を上げることが考えられるが、スイッチング素子の損失が大きくなる等の課題がある。本実施の形態ではスイッチング電源周期を変える(小さくする)ことなく、スイッチング電源周期T中の正負の電圧出力期間を短くするように制御することで電流リップルの低減を図る。
図4は、実施の形態1に係るスイッチング電源装置100の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。負荷5に流す電流に関し、電流が大の時の定常状態Aと電流が小の時の定常状態B−1とに分けている。
In order to reduce the current ripple, it is conceivable to shorten the cycle of the switching power supply, that is, increase the frequency, but there are problems such as an increase in loss of the switching element. In the present embodiment, the current ripple is reduced by controlling the positive and negative voltage output periods in the switching power supply cycle T to be short without changing (decreasing) the switching power supply cycle.
FIG. 4 is a timing chart showing an operation sequence of the switching power supply apparatus 100 according to the first embodiment. The current flowing through the load 5 is divided into a steady state A when the current is large and a steady state B-1 when the current is small.

まず、電流が大の場合(A)について説明する。
基準信号としての鋸波状信号は、上述の基本動作におけるスイッチング電源周期Tの1/2の周期で発生させ、所定の負荷電流(大)に対応した電圧出力期間Dが指令値となるD指令とする。このD指令をもとにPWM制御により、矩形波状の出力電圧波形を形成する。具体的には時刻t0でスイッチング素子SW12、SW13をオン、スイッチング素子SW11、SW14をオフにして正電圧を出力する。時刻t11で基準信号がD指令を越え、正負の電圧を印加しないスルー状態とするために、スイッチング素子SW13をオフ、スイッチング素子SW14をオンにする。2番目の鋸波状信号の立ち上がる、時刻t12はT/2周期であり、ここで負電圧を出力1−Dの期間出力する。すなわち、時刻t12でスイッチング素子SW11をオン、スイッチング素子SW12をオフにする。時刻t13で負電圧の出力期間は終了し、スイッチング素子SW13をオン、スイッチング素子SW14をオフにし、スルー状態とする。時刻t14で、スイッチング素子SW11をオフ、スイッチング素子SW12をオンにし再び正電圧を出力する。時刻t0からt14までがスイッチング電源周期Tであり、時刻t14以降この動作シーケンスを繰り返す。
First, a case where the current is large (A) will be described.
The sawtooth signal as the reference signal is generated with a period of ½ of the switching power supply period T in the basic operation described above, and a D command in which the voltage output period D corresponding to a predetermined load current (large) becomes a command value To do. A rectangular wave output voltage waveform is formed by PWM control based on this D command. Specifically, at time t0, the switching elements SW12 and SW13 are turned on, the switching elements SW11 and SW14 are turned off, and a positive voltage is output. At time t11, the reference signal exceeds the D command, and the switching element SW13 is turned off and the switching element SW14 is turned on in order to enter a through state in which positive and negative voltages are not applied. The time t12 when the second sawtooth signal rises is a T / 2 cycle, and a negative voltage is output during the period of output 1-D. That is, at time t12, the switching element SW11 is turned on and the switching element SW12 is turned off. At time t13, the negative voltage output period ends, the switching element SW13 is turned on, the switching element SW14 is turned off, and the through state is established. At time t14, the switching element SW11 is turned off, the switching element SW12 is turned on, and a positive voltage is output again. The switching power supply cycle T is from time t0 to t14, and this operation sequence is repeated after time t14.

次に、電流が小の場合(B−1)について説明する。
基準信号としての鋸波状信号は、上述の電流が大の場合と同様、スイッチング電源周期Tの1/2の周期で発生させ、所定の負荷電流(小)に対応した電圧出力期間Dが指令値となるD指令とする。このD指令をもとにPWM制御により、矩形波状の出力電圧波形を形成する。具体的には時刻t0でスイッチング素子SW12、SW13をオン、スイッチング素子SW11、SW14をオフにして正電圧を出力する。時刻t21で基準信号がD指令を越え、正負の電圧を印加しないスルー状態とするために、スイッチング素子SW13をオフ、スイッチング素子SW14をオンにする。2番目の鋸波状信号の立ち上がる、時刻t22はT/2周期であり、ここで負電圧を1−Dの期間出力する。すなわち、時刻t22でスイッチング素子SW11をオン、スイッチング素子SW12をオフにする。時刻t23で負電圧の出力期間は終了し、スイッチング素子SW13をオン、スイッチング素子SW14をオフにし、スルー状態とする。時刻t24で、スイッチング素子SW11をオフ、スイッチング素子SW12をオンにし再び正電圧を出力する。時刻t0からt24までがスイッチング電源周期Tであり、時刻t24以降この動作シーケンスを繰り返す。
Next, the case where the current is small (B-1) will be described.
The sawtooth signal as the reference signal is generated with a period that is 1/2 of the switching power supply period T, as in the case where the above-described current is large, and the voltage output period D corresponding to a predetermined load current (small) is the command value. It becomes D command which becomes. A rectangular wave output voltage waveform is formed by PWM control based on this D command. Specifically, at time t0, the switching elements SW12 and SW13 are turned on, the switching elements SW11 and SW14 are turned off, and a positive voltage is output. At time t21, the switching element SW13 is turned off and the switching element SW14 is turned on in order to enter a through state in which the reference signal exceeds the D command and no positive or negative voltage is applied. The time t22 at which the second sawtooth signal rises is a T / 2 cycle, and a negative voltage is output for a period of 1-D. That is, at time t22, the switching element SW11 is turned on and the switching element SW12 is turned off. At time t23, the negative voltage output period ends, the switching element SW13 is turned on, the switching element SW14 is turned off, and the through state is established. At time t24, the switching element SW11 is turned off, the switching element SW12 is turned on, and a positive voltage is output again. The switching power supply cycle T is from time t0 to t24, and this operation sequence is repeated after time t24.

図4の動作シーケンスでは、電流が大の場合も小の場合も、スイッチング電源周期の1/2の周期で基準信号を発生させ、1番目の基準信号では、正負の出力電圧期間を決めて、正電圧を期間Dの間出力し、2番目の基準信号のタイミングで負電圧を期間1―Dの間出力するようにしたので、正電圧の出力期間が短縮される。なお、基本動作と同様にDと1−Dとは、D>1―Dの関係を満たす。
電流が大の場合(A)、矩形波状の正電圧の出力期間がスイッチング電源周期の1/2より短くなり、矩形波状の負電圧の出力期間と合算してもスイッチング電源周期の1/2程度であり、上述の基本動作と比して、電流リップルが半減している。
電流が小の場合(B−1)矩形波状の正電圧の出力期間がスイッチング電源周期の1/4程度となり、矩形波状の負電圧の出力期間と合算してもスイッチング電源周期の1/2程度であり、上述の基本動作と比して、電流リップルが半減している。
In the operation sequence of FIG. 4, whether the current is large or small, the reference signal is generated with a period of ½ of the switching power supply period, and with the first reference signal, the positive / negative output voltage period is determined, Since the positive voltage is output during period D and the negative voltage is output during period 1-D at the timing of the second reference signal, the positive voltage output period is shortened. As in the basic operation, D and 1-D satisfy the relationship of D> 1-D.
When the current is large (A), the rectangular wave-shaped positive voltage output period is shorter than ½ of the switching power supply cycle, and even when combined with the rectangular wave negative voltage output period, it is about ½ of the switching power supply cycle. Thus, the current ripple is halved compared to the basic operation described above.
When the current is small (B-1) The rectangular wave-shaped positive voltage output period is about 1/4 of the switching power supply cycle, and even if it is added to the rectangular wave negative voltage output period, it is about 1/2 of the switching power supply cycle. Thus, the current ripple is halved compared to the basic operation described above.

図5は、実施の形態1に係るスイッチング電源装置100の制御回路8の構成を示すブロック図で、電力変換器1に正負のバイポーラ出力を行うための信号、及び負荷5の電流に応じて電力変換器1の電圧出力期間を制御する信号を出力するための制御演算を示したものである。
図において、負荷5の制御装置すなわち傾斜磁場装置のコイルを制御する制御装置(図示せず)からコイルに流す電流の指令値(負荷電流指令値)と、計測器7で計測された負荷電流計測値とがPI制御器81に入力される。PI制御器81の出力と基準信号発生器82で生成された鋸波状信号とが比較器83に入力され、負荷5であるコイルに所定の電流量が流れるようにスイッチング電源10から電圧を出力する出力電圧期間の指令値であるD指令が設定される。比較器83からの出力は指令値Dと負の指令値―Dに加算器より1が加算された1−Dとの2つがセレクター84に入力される。負荷5であるコイルの電流の極性を切り替える出力正負切替部85から正負のいずれかの信号がセレクター84に入力され、出力電圧の正負、出力電圧の出力期間と出力タイミングがゲート信号生成部86に入力される。ゲート信号生成部86では、4つのスイッチング素子SW11〜SW14のオンオフの動作とオンオフの期間を設定するゲート信号が生成され、各スイッチング素子SW11〜SW14を動作させる。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the control circuit 8 of the switching power supply apparatus 100 according to the first embodiment. The signal for performing positive and negative bipolar output to the power converter 1 and the power according to the current of the load 5 are shown. The control calculation for outputting the signal which controls the voltage output period of the converter 1 is shown.
In the figure, the command value (load current command value) of the current flowing through the coil from the control device (not shown) for controlling the coil of the load 5, that is, the coil of the gradient magnetic field device, and the load current measurement measured by the measuring instrument 7. The value is input to the PI controller 81. The output of the PI controller 81 and the sawtooth signal generated by the reference signal generator 82 are input to the comparator 83, and a voltage is output from the switching power supply 10 so that a predetermined amount of current flows through the coil as the load 5. A D command that is a command value for the output voltage period is set. The output from the comparator 83 is input to the selector 84 as a command value D and a negative command value -D, 1-D obtained by adding 1 from the adder. Either a positive or negative signal is input to the selector 84 from the output positive / negative switching unit 85 that switches the polarity of the current of the coil that is the load 5. Entered. The gate signal generation unit 86 generates a gate signal that sets the on / off operation and the on / off period of the four switching elements SW11 to SW14, and operates the switching elements SW11 to SW14.

ここで、負荷5である傾斜磁場装置のコイルに流れる電流の大きさについて説明する。負荷電流は矩形波状のパルス波形の集合体で、平均すると図3で示すような方形波状の波形である。この方形波状の平坦部が指令値による所定の電流値であるが、例えば最大電流は500〜600Aで、MRIの画像創成のために方形波状の平坦部の異なる、例えば256段階の電流を流す。上述の説明において、電流が大の場合とは最大電流に近い概ね400A以上であり、電流が小の場合とは最小値に近い数A、10A以下程度である。電流が小の場合の電流リップルはMRI画像の解像度への影響が大きいため、特に電流リップルの低減が重要となる。   Here, the magnitude | size of the electric current which flows into the coil of the gradient magnetic field apparatus which is the load 5 is demonstrated. The load current is a set of rectangular waveform pulses, and on average, it has a square waveform as shown in FIG. The square-wave flat portion has a predetermined current value according to the command value. For example, the maximum current is 500 to 600 A, and for example, 256 steps of current having different square-wave flat portions are flowed for MRI image creation. In the above description, when the current is large, the current is approximately 400 A or more close to the maximum current, and when the current is small, the current is approximately several A or 10 A or less close to the minimum value. Since the current ripple when the current is small greatly affects the resolution of the MRI image, it is particularly important to reduce the current ripple.

以上のように、本実施の形態1では、正電圧の出力期間と、負電圧の出力期間の差によって電流の向きと電流量を制御可能となる。さらに、スイッチング電源の出力電圧期間を設定する基準信号の周期をスイッチング電源周期の1/2の周期とし、すなわち基準信号の周波数をスイッチング電源周波数の2倍にし、正電圧を出力し正の電流を生成する場合はスイッチング電源周期の前半である1番目の基準信号でDの期間正電圧を出力するようにスイッチング素子を動作させ、スイッチング電源周期の後半である2番目の基準信号で1―Dの期間(D>1―D)負電圧を出力するようにスイッチング素子を動作させ、正負の電圧を出力する期間以外は電圧を印加しないスルー状態となるようにスイッチング素子を動作させるようにしたので、スイッチング電源周期を変える(小さくする)ことなく、スイッチング電源周期当たりの正電圧の出力期間が短縮され、電流リップルが低減する。これにより負荷電流の電流リップルが小さく、簡素な装置構成のスイッチング電源装置を提供することが可能となる。なお、負電圧を出力し負の電流を生成する場合はスイッチング電源周期の前半である1番目の基準信号でDの期間負電圧を出力するようにスイッチング素子を動作させ、スイッチング電源周期の後半である2番目の基準信号で1―Dの期間(D>1―D)正電圧を出力するようにスイッチング素子を動作させ、正負の電圧を出力する期間以外は電圧を印加しないスルー状態となるようにスイッチング素子を動作させればよい。   As described above, in the first embodiment, the direction and amount of current can be controlled by the difference between the positive voltage output period and the negative voltage output period. Furthermore, the cycle of the reference signal that sets the output voltage period of the switching power supply is set to a period that is 1/2 of the switching power supply cycle. In the case of generation, the switching element is operated so as to output a positive voltage during the period D with the first reference signal that is the first half of the switching power supply cycle, and 1-D of the second reference signal that is the second half of the switching power supply cycle Since the switching element is operated so as to output a negative voltage during a period (D> 1-D), and the switching element is operated so as to be in a through state in which no voltage is applied except during a period during which positive and negative voltages are output. Without changing (decreasing) the switching power supply cycle, the positive voltage output period per switching power supply cycle is shortened, and the current rip There is reduced. As a result, it is possible to provide a switching power supply device having a simple device configuration with small load current ripple. In the case of generating a negative current by outputting a negative voltage, the switching element is operated so as to output a negative voltage during the period D with the first reference signal that is the first half of the switching power supply cycle. The switching element is operated so as to output a positive voltage during a period of 1-D (D> 1-D) with a certain second reference signal, and a through state in which no voltage is applied except during a period of outputting positive and negative voltages is established. The switching element may be operated.

なお、上述ではスイッチング電源周期の後半である2番目の基準信号に合わせて1―Dの期間(D>1―D)負電圧(負の電流時には正電圧)を出力するようにスイッチング素子を動作させるようにしたが、このタイミングに限定されるものではない。スイッチング電源周期の前半である1番目の基準信号でDの期間正電圧を出力するようにスイッチング素子を動作させた後であって、スイッチング電源周期内にその前後にスルー状態となる期間を設けるタイミングであればよい。   In the above description, the switching element is operated so as to output a negative voltage (D> 1-D) negative voltage (positive voltage at negative current) in accordance with the second reference signal which is the second half of the switching power supply cycle. However, it is not limited to this timing. A timing after the switching element is operated so as to output a positive voltage during the period D with the first reference signal that is the first half of the switching power supply cycle, and a period during which a through state is provided before and after the switching power supply cycle If it is.

上述では、基準信号をスイッチング電源周期の1/2の周期としたが、1/2の周期に限るものではない。1/n(nは3以上の整数)とし、最初の基準信号の期間で正電圧を出力し、残りの期間で負電圧を出力する期間を設定し、正負電圧を出力していない期間をスルー状態にしておけば、電流リップルを1/nに低減可能となる。従って、負荷電流に応じて基準信号を可変にすると、スイッチング電源の周波数を変えることなく負荷電流によって電流リップルを調整し抑制することができる。
なお、基準信号の周期をスイッチング電源周期の1/nとすることは、基準信号の周波数をスイッチング電源周波数のn倍と同義である。
また、nを大きくすると電流リップルさらに低減するが、低電流時の電流制御限界の問題の生じない程度、概ねnは10以内で設定するのがよい。
In the above description, the reference signal is ½ the switching power supply cycle. However, the reference signal is not limited to the ½ cycle. 1 / n (n is an integer greater than or equal to 3), a positive voltage is output during the first reference signal period, a negative voltage is output during the remaining period, and a period during which no positive or negative voltage is output is set In this state, the current ripple can be reduced to 1 / n. Therefore, if the reference signal is made variable according to the load current, the current ripple can be adjusted and suppressed by the load current without changing the frequency of the switching power supply.
Note that setting the period of the reference signal to 1 / n of the switching power supply period is synonymous with the frequency of the reference signal being n times the switching power supply frequency.
Further, when n is increased, the current ripple is further reduced. However, it is preferable to set n within 10 so that the problem of the current control limit at the time of low current does not occur.

実施の形態2.
以下、実施の形態2では電流が小の場合に実施の形態1に係るスイッチング電源装置よりもさらに電流リップルを低減可能なスイッチング電源装置について、図6から図8を参照して説明する。
図6は、実施の形態2に係るスイッチング電源装置100の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。負荷5に流れる電流に関し、電流量が小の時の定常流状態B−2を示すが、比較のため実施の形態1の図4によるタイミングチャートB−1の一部も示している。なお、スイッチング電源装置100の基本的な構成は実施の形態1の図1と同様である。
Embodiment 2. FIG.
Hereinafter, in the second embodiment, a switching power supply device capable of reducing the current ripple more than the switching power supply device according to the first embodiment when the current is small will be described with reference to FIGS. 6 to 8.
FIG. 6 is a timing chart showing an operation sequence of the switching power supply apparatus 100 according to the second embodiment. Regarding the current flowing through the load 5, the steady flow state B-2 when the amount of current is small is shown, but a part of the timing chart B-1 according to FIG. 4 of the first embodiment is also shown for comparison. Note that the basic configuration of the switching power supply apparatus 100 is the same as that of FIG.

電流量が小の時は、タイミングチャートB−1に示すように、スイッチング電源の正電圧と負電圧出力期間がほぼ等しい状態に近づく。負荷5に所定の電流を流すには、スイッチング電源の正電圧と負電圧の期間の差が、直流電圧源2と電流量で決まるある一定以上の期間を確保できていればよいので、余剰な期間をα(i)と定義し、これを正電圧及び負電圧の出力期間から差し引けば(減算すれば)、負荷5への電流を制御しつつ電流リップルをさらに小さくすることができる。   When the amount of current is small, as shown in the timing chart B-1, the positive voltage and negative voltage output period of the switching power supply approaches a substantially equal state. In order to allow a predetermined current to flow through the load 5, it is sufficient if the difference between the positive voltage and negative voltage periods of the switching power supply can ensure a certain period of time determined by the DC voltage source 2 and the current amount. If the period is defined as α (i) and is subtracted (subtracted) from the positive voltage and negative voltage output periods, the current ripple can be further reduced while controlling the current to the load 5.

図6のタイミングチャートB−2において、正電圧の出力期間はD−α(i)であり、B−1の正電圧の出力期間と比してα(i)だけ短縮されている。同様に、負電圧の出力期間は1―D―α(i)であり、B−1の負電圧の出力期間と比してα(i)だけ短縮されている。なお、基準信号としての鋸波状信号は、実施の形態1の場合と同様、スイッチング電源周期Tの1/2の周期で発生させ、所定の負荷電流(小)に対応した電圧出力期間Dが指令値となるD指令とする。このD指令をもとにPWM制御により、矩形波状の出力電圧波形を形成する。   In the timing chart B-2 of FIG. 6, the positive voltage output period is D−α (i), which is shortened by α (i) compared to the positive voltage output period of B-1. Similarly, the negative voltage output period is 1-D-α (i), which is shortened by α (i) compared to the negative voltage output period of B-1. As in the case of the first embodiment, the sawtooth signal as the reference signal is generated with a period that is ½ of the switching power supply period T, and the voltage output period D corresponding to a predetermined load current (small) is commanded. The D command becomes a value. A rectangular wave output voltage waveform is formed by PWM control based on this D command.

スイッチング素子の動作は次のようになる。
時刻t0でスイッチング素子SW12、SW13をオン、スイッチング素子SW11、SW14をオフにして正電圧をD―α(i)の期間出力する。時刻t31で正負の電圧を印加しないスルー状態とするために、スイッチング素子SW13をオフ、スイッチング素子SW14をオンにする。2番目の鋸波状信号の立ち上がる、時刻t32はT/2周期であり、ここで負電圧を1―D―α(i)の期間出力する。すなわち、時刻t32でスイッチング素子SW11をオン、スイッチング素子SW12をオフにする。時刻t33で負電圧の出力期間は終了し、スイッチング素子SW13をオン、スイッチング素子SW14をオフにし、スルー状態とする。時刻t34で、スイッチング素子SW11をオフ、スイッチング素子SW12をオンにし再び正電圧を出力する。時刻t0からt34までがスイッチング電源周期Tであり、時刻t34以降この動作シーケンスを繰り返す。
The operation of the switching element is as follows.
At time t0, the switching elements SW12 and SW13 are turned on, the switching elements SW11 and SW14 are turned off, and a positive voltage is output for a period D−α (i). At time t31, the switching element SW13 is turned off and the switching element SW14 is turned on in order to enter a through state in which positive and negative voltages are not applied. The time t32 when the second sawtooth signal rises is a T / 2 period, and a negative voltage is output for a period of 1−D−α (i). That is, at time t32, the switching element SW11 is turned on and the switching element SW12 is turned off. At time t33, the negative voltage output period ends, the switching element SW13 is turned on, the switching element SW14 is turned off, and the through state is established. At time t34, the switching element SW11 is turned off, the switching element SW12 is turned on, and a positive voltage is output again. The switching power supply cycle T is from time t0 to t34, and this operation sequence is repeated after time t34.

図6で示されるように、タイミングチャートB−2ではさらに正負電圧の出力期間が短縮され、タイミングチャートB−1よりも電流リップルを低減することが可能となる。   As shown in FIG. 6, in the timing chart B-2, the output period of the positive and negative voltages is further shortened, and the current ripple can be reduced as compared with the timing chart B-1.

次に、余剰な期間をα(i)の算出方法について説明する。
負荷5の電流をIL、直流電圧源2の電圧をV、スイッチング電源周期をT、負荷5の抵抗をR、スイッチング素子SW11〜SW14のデッドタイムをtdとし、負荷5で消費される電力とスイッチング電源が充放電するエネルギーの関係の等式は式(1)で表わされる。ここで直流電圧源2からみて正電圧の出力を放電、負電圧の出力を充電とみなした。
式(1)より電流ILとDの関係は式(2)となる。
Next, a method of calculating α (i) for the extra period will be described.
It is assumed that the current of the load 5 is IL, the voltage of the DC voltage source 2 is V, the switching power supply cycle is T, the resistance of the load 5 is R, and the dead time of the switching elements SW11 to SW14 is td. The equation of the relationship of the energy with which the power supply is charged / discharged is expressed by equation (1). Here, when viewed from the DC voltage source 2, the positive voltage output is regarded as discharging and the negative voltage output is regarded as charging.
From Expression (1), the relationship between currents IL and D is Expression (2).

Figure 0006556407
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ここで、負荷電流を正の電流とする時、スイッチング電源が正電圧を出力できるための条件式は式(1)の第1項より式(3)、負電圧を出力できる条件式は式(1)の第2項より式(4)が導かれる。
これら式(2)〜式(4)を満たすα(i)を負荷電流に応じて設定すれば、負荷5の電流リップルをさらに抑制できる。
Here, when the load current is a positive current, the conditional expression for enabling the switching power supply to output a positive voltage is expression (3) from the first term of expression (1), and the conditional expression for outputting a negative voltage is expression ( Equation (4) is derived from the second term of 1).
If α (i) satisfying these expressions (2) to (4) is set according to the load current, the current ripple of the load 5 can be further suppressed.

Figure 0006556407
Figure 0006556407
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式(2)より、負荷5に流れる電流ILはDが0.5に近づく程小さくなり、電力変換器1が正電圧を出力する条件式(3)、負電圧を出力する条件式(4)を満たすα(i)は、Dが0.5に近づくにつれて大きな値をとることができる。これは負荷5に流れる電流が大きい場合、即ちDが大きい場合は式(3)または式(4)のどちらかの条件でα(i)が制限されることを示し、負荷5に流れる電流が小さい場合即ちDが0.5に近づく場合は、α(i)を大きくすることができ、負荷5の電流リップルをより低減できることを示す。
図7はこの関係を概念的に示したもので、負荷電流が小さい程α(i)が大きいことがわかる。
From Expression (2), the current IL flowing through the load 5 decreases as D approaches 0.5, and Conditional Expression (3) for the power converter 1 to output a positive voltage and Conditional Expression (4) for outputting a negative voltage. Α (i) satisfying can take a larger value as D approaches 0.5. This indicates that α (i) is limited under the condition of either formula (3) or formula (4) when the current flowing through the load 5 is large, that is, when D is large. When it is small, that is, when D approaches 0.5, α (i) can be increased, indicating that the current ripple of the load 5 can be further reduced.
FIG. 7 conceptually shows this relationship, and it can be seen that α (i) increases as the load current decreases.

図8は、実施の形態2に係るスイッチング電源装置100の制御回路8の構成を示すブロック図で、電力変換器1に正負のバイポーラ出力を行うための信号、及び負荷5の電流に応じて電力変換器1の電圧出力期間を制御する信号を出力するための制御演算を示したものである。実施の形態1の図5と異なるのは、上述の式(2)〜式(4)を満たすα(i)を算出し出力するD制限器87を具備することである。
図において、負荷5の制御装置すなわち傾斜磁場装置のコイルを制御する制御装置(図示せず)からコイルに流す電流の指令値(負荷電流指令値)と、計測器7で計測された負荷電流計測値がPI制御器81に入力される。PI制御器81の出力と基準信号発生器82で生成された鋸波状信号とが比較器83に入力され、負荷5であるコイルに所定の電流量が流れるようにスイッチング電源から電圧を出力する出力電圧期間の指令値であるD指令が設定される。比較器83からの出力は指令値Dと負の指令値Dに加算器より1が加算された1―Dとの2つに分かれ、それぞれに対しD制限器87からの出力α(i)が減算され、D―α(i)と1―D―α(i)とがセレクター84に入力される。負荷5であるコイルの電流の極性を切り替える出力正負切替部85から正負のいずれかの信号がセレクター84に入力され、出力電圧の正負、出力電圧の出力期間と出力タイミングがゲート信号生成部86に入力される。ゲート信号生成部86では、4つのスイッチング素子SW11〜SW14のオンオフの動作とオンオフの期間を設定するゲート信号が生成され、各スイッチング素子SW11〜SW14を動作させる。
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the control circuit 8 of the switching power supply apparatus 100 according to the second embodiment. The power for the positive / negative bipolar output to the power converter 1 and the power according to the current of the load 5 is shown. The control calculation for outputting the signal which controls the voltage output period of the converter 1 is shown. The difference from FIG. 5 of the first embodiment is that it includes a D limiter 87 that calculates and outputs α (i) that satisfies the above formulas (2) to (4).
In the figure, the command value (load current command value) of the current flowing through the coil from the control device (not shown) for controlling the coil of the load 5, that is, the coil of the gradient magnetic field device, and the load current measurement measured by the measuring instrument 7. A value is input to the PI controller 81. The output of the PI controller 81 and the sawtooth signal generated by the reference signal generator 82 are input to the comparator 83, and an output that outputs a voltage from the switching power supply so that a predetermined amount of current flows through the coil as the load 5 is output. A D command that is a command value for the voltage period is set. The output from the comparator 83 is divided into two, ie, a command value D and 1-D obtained by adding 1 to the negative command value D from the adder. For each, the output α (i) from the D limiter 87 is Subtraction is performed, and D-α (i) and 1-D-α (i) are input to the selector 84. Either a positive or negative signal is input to the selector 84 from the output positive / negative switching unit 85 that switches the polarity of the current of the coil that is the load 5. Entered. The gate signal generation unit 86 generates a gate signal that sets the on / off operation and the on / off period of the four switching elements SW11 to SW14, and operates the switching elements SW11 to SW14.

以上のように、本実施の形態2では、実施の形態1と同様に正電圧の出力期間と、負電圧の出力期間の差によって電流の向きと電流量を制御可能となるとともに、電流リップルの低減が図れる。さらに、電圧出力期間D、1―D(D>1―D)から負荷5の電流指令値に応じて、式(2)〜式(4)の条件を満たす電圧出力期間を短くするα(i)を減算して、スイッチング素子を動作するようにしたので、電圧出力期間がさらに短縮されて、電流リップルが一層低減することができる。これによりスイッチング電源の電流リップルが小さく、簡素な装置構成のスイッチング電源装置を提供することが可能となる。   As described above, in the second embodiment, as in the first embodiment, the current direction and the current amount can be controlled by the difference between the positive voltage output period and the negative voltage output period, and the current ripple can be controlled. Reduction can be achieved. Furthermore, the voltage output period that satisfies the conditions of the expressions (2) to (4) is shortened according to the current command value of the load 5 from the voltage output periods D, 1-D (D> 1-D). ) Is subtracted to operate the switching element, the voltage output period can be further shortened and the current ripple can be further reduced. As a result, it is possible to provide a switching power supply device having a simple device configuration with a small current ripple of the switching power supply.

実施の形態3.
以下、実施の形態3に係るスイッチング電源装置について図9から図14を用いて説明する。
図9は、実施の形態3に係るスイッチング電源装置200の概略構成図である。図において、このスイッチング電源装置200は、3つの電力変換器(インバータ)1、3a、3b、電力変換器1用の直流電圧源2及び電力変換器3a、3b用の直流電圧源4、リアクトル6a〜6d、負荷に出力される電圧及び負荷を流れる負荷電流を計測する計測器7、負荷(傾斜磁場装置のコイル)5、制御回路8を備えている。電力変換器3aの入力側にリアクトル6a、出力側にリアクトル6bが接続され、電力変換器3bの入力側にリアクトル6c、出力側にリアクトル6dが接続されている。これらリアクトル6a〜6dにより還流電流が抑制され、共通の直流電圧源4から電力変換器3a、3b間を流れる電流が制御される。リアクトル6a、6bが接続された電力変換器3aと、リアクトル6c、6dが接続された電力変換器3bは並列に接続され、電力変換器1と負荷5との間に直列に接続されている。計測器7で計測された電流及び電圧の計測値と電流指令値とが入力され、所定の向きの所定の電流量が負荷5に流れるように、電力変換器(インバータ)1、3a、3bの各スイッチング素子へゲート信号を出力する制御回路8を備えている。ここで、直流電圧源2の電圧をV1、直流電圧源4の電圧をV2とすると、V1>V2の関係にある。
Embodiment 3 FIG.
Hereinafter, the switching power supply according to Embodiment 3 will be described with reference to FIGS. 9 to 14.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a switching power supply apparatus 200 according to the third embodiment. In the figure, this switching power supply device 200 includes three power converters (inverters) 1, 3a, 3b, a DC voltage source 2 for the power converter 1, a DC voltage source 4 for the power converters 3a, 3b, and a reactor 6a. To 6d, a measuring instrument 7 for measuring a voltage output to the load and a load current flowing through the load, a load (coil of the gradient magnetic field device) 5, and a control circuit 8. Reactor 6a is connected to the input side of power converter 3a, reactor 6b is connected to the output side, reactor 6c is connected to the input side of power converter 3b, and reactor 6d is connected to the output side. These reactors 6a to 6d suppress the return current, and the current flowing between the common DC voltage source 4 and the power converters 3a and 3b is controlled. The power converter 3 a to which the reactors 6 a and 6 b are connected and the power converter 3 b to which the reactors 6 c and 6 d are connected are connected in parallel, and are connected in series between the power converter 1 and the load 5. The measured values of the current and voltage measured by the measuring instrument 7 and the current command value are input, and the power converters (inverters) 1, 3 a, 3 b of the power converters (inverters) 1, 3 a, 3 b are input so that a predetermined amount of current in a predetermined direction flows to the load 5 A control circuit 8 that outputs a gate signal to each switching element is provided. Here, if the voltage of the DC voltage source 2 is V1, and the voltage of the DC voltage source 4 is V2, the relationship is V1> V2.

図10は図9において電力変換器1、3a、3bの各回路構成を示した図である。
電力変換器1、3a、3bはそれぞれ4つのスイッチング素子であるMOSFETを用いたフルブリッジ型のインバータを構成している。電力変換器1は図1と同様スイッチング素子SW11〜SW14、電力変換器3aはスイッチング素子SW31〜SW34、電力変換器3bはスイッチング素子SW35〜SW38で構成される。電力変換器3aと電力変換器3bは、直流電圧源4を共通にして並列に接続され、直流電圧源2は電力変換器1に接続されている。電力変換器1と電力変換器3a、3bは、リアクトル6a〜6dと負荷5とを介して直列に接続されている。
FIG. 10 is a diagram showing each circuit configuration of power converters 1, 3a, 3b in FIG.
Each of the power converters 1, 3a, and 3b constitutes a full bridge type inverter using MOSFETs that are four switching elements. The power converter 1 includes switching elements SW11 to SW14 as in FIG. 1, the power converter 3a includes switching elements SW31 to SW34, and the power converter 3b includes switching elements SW35 to SW38. The power converter 3 a and the power converter 3 b are connected in parallel with the DC voltage source 4 in common, and the DC voltage source 2 is connected to the power converter 1. The power converter 1 and the power converters 3 a and 3 b are connected in series via the reactors 6 a to 6 d and the load 5.

図11は、スイッチング電源装置200の出力電流波形(負荷電流波形)と各電力変換器1、3a、3bの分担を示す図である。方形波状のパルス電流を、電力変換器1、3a、3bにより発生させ負荷5である傾斜磁場装置のコイルに印加するもので、電流立ち上がり部のtin期間、立ち下がり部のtfin期間と、電流平坦部(定常部)のtcon期間により構成される。   FIG. 11 is a diagram showing the output current waveform (load current waveform) of the switching power supply apparatus 200 and the sharing of the power converters 1, 3a, and 3b. A square-wave pulse current is generated by the power converters 1, 3a, 3b and applied to the coil of the gradient magnetic field device as the load 5. The current rising portion has a tin period, the falling portion has a tfin period, and the current is flat. Part (stationary part) tcon period.

電流立ち上がり部のtin期間は、高速に電流を立ち上げるため、電力変換器1と並列に接続された電力変換器3a、3bとを直列に接続して負荷5に高電圧が印加できる構成とし、これら電力変換器1、3a、3bの電圧を組み合わせて負荷5の傾斜磁場コイルへの印加電圧と印加時間を調整し、電流立ち上がり時間を調整する。
電流立ち下がり時間のtfin期間も電流立ち上がり時間tin期間と同様に、これら電力変換器1、3a、3bの電圧を組み合わせて負荷5への印加電圧と印加時間を調整し、負荷5の電流立ち下がり時間を調整する。
In the tin period of the current rising part, in order to raise the current at high speed, the power converters 3a and 3b connected in parallel with the power converter 1 are connected in series so that a high voltage can be applied to the load 5. The voltage applied to the gradient coil of the load 5 and the application time are adjusted by combining the voltages of the power converters 1, 3a, and 3b, and the current rise time is adjusted.
Similarly to the current rise time tin period, the current fall time tfin period is adjusted by adjusting the voltage applied to the load 5 and the application time by combining the voltages of the power converters 1, 3a and 3b. Adjust the time.

図12A〜Eは、図10における電流立ち上がり部のtin期間におけるスイッチング電源装置200の各電力変換器の動作状態を示している。各図の太線矢印は電流の流れる方向を示している。
図12Aは、電力変換器1のスイッチング素子が正電圧印加状態、電力変換器3a、3bのスイッチング素子が正電圧印加状態のため、直流電圧源2の電圧V1と直流電圧源4の電圧V2の合計電圧が負荷5に印加されている状態である。具体的には、電力変換器1のスイッチング素子SW12、SW13をオンにしてスイッチング電源の入出力間に直流電圧V1を発生させ、電力変換器3aのスイッチング素子SW32、SW33をオンに、電力変換器3bのスイッチング素子SW36、SW37をオンにしてこのスイッチング電源の入出力に直流電圧V2を発生させ、負荷5にその合計電圧V1+V2が印加されている状態である。
12A to 12E show the operating state of each power converter of the switching power supply apparatus 200 during the tin period of the current rising portion in FIG. The bold arrows in each figure indicate the direction of current flow.
FIG. 12A shows the voltage V1 of the DC voltage source 2 and the voltage V2 of the DC voltage source 4 because the switching element of the power converter 1 is in a positive voltage application state and the switching elements of the power converters 3a and 3b are in a positive voltage application state. In this state, the total voltage is applied to the load 5. Specifically, the switching elements SW12 and SW13 of the power converter 1 are turned on to generate a DC voltage V1 between the input and output of the switching power supply, the switching elements SW32 and SW33 of the power converter 3a are turned on, and the power converter In this state, the switching elements SW36 and SW37 of 3b are turned on to generate a DC voltage V2 at the input and output of the switching power supply, and the total voltage V1 + V2 is applied to the load 5.

図12Bは、直流電圧源2の電圧V1のみが負荷5に印加されている状態で、電力変換器1のスイッチング素子の動作は図12Aと同じで、電力変換器3a、3bについてはそれぞれ下アームのスイッチング素子SW32、SW34、SW36、SW38をオンにして電源を通過しないスルー状態を示す。図は下アームをオンしたスルー状態を示したが、それぞれ上アームをオンしてスルー状態にしても構わない。   12B shows a state in which only the voltage V1 of the DC voltage source 2 is applied to the load 5, and the operation of the switching element of the power converter 1 is the same as that of FIG. 12A. The switching elements SW32, SW34, SW36, and SW38 are turned on to show a through state in which no power passes. Although the figure shows a through state in which the lower arm is turned on, the upper arm may be turned on in the through state.

図12Cは、電力変換器1をスルー状態にし、電力変換器3a、3bの共用電源である直流電圧源4の直流電圧V2が負荷5に印加されている状態を示す。具体的には、電力変換器1の下アームであるスイッチング素子SW12、SW14をオンして電源を通過しないスルー状態にし、電力変換器3a、3bのスイッチング素子の動作は図12Aに示したものと同様である。   FIG. 12C shows a state in which the power converter 1 is set to the through state, and the DC voltage V2 of the DC voltage source 4 that is a shared power source of the power converters 3a and 3b is applied to the load 5. Specifically, the switching elements SW12 and SW14 which are the lower arms of the power converter 1 are turned on so as not to pass through the power source, and the operation of the switching elements of the power converters 3a and 3b is as shown in FIG. 12A. It is the same.

図12Dは、電力変換器1、電力変換器3a、3bともに、電源を通過しないスルー状態にしたもので、負荷5には直流電圧源2、4の電圧は印加されない。   In FIG. 12D, both the power converter 1 and the power converters 3 a and 3 b are in a through state that does not pass through the power source, and the voltage of the DC voltage sources 2 and 4 is not applied to the load 5.

図12Eは、直流電圧源2の電圧V1と直流電圧源4の電圧V2の差電圧V1―V2が負荷5に印加されている状態を示す。具体的には、電力変換器1のスイッチング素子SW12、SW13をオンにして正電圧を出力させ、電力変換器3aのスイッチング素子SW31、SW34、電力変換器3bのスイッチング素子SW35、SW38をそれぞれオンにして負電圧を出力させている。   FIG. 12E shows a state where a voltage difference V 1 −V 2 between the voltage V 1 of the DC voltage source 2 and the voltage V 2 of the DC voltage source 4 is applied to the load 5. Specifically, the switching elements SW12 and SW13 of the power converter 1 are turned on to output a positive voltage, and the switching elements SW31 and SW34 of the power converter 3a and the switching elements SW35 and SW38 of the power converter 3b are turned on, respectively. Output negative voltage.

図12A〜Eに示した動作により負荷5に0、V1―V2、V2、V1、V1+V2、の5段階の電圧を印加することが可能となる。電流の傾きは電圧に比例するため、立ち上がり時間tin、および立ち下がり時間tfinにおいて、これらを選択的に組み合わせて動作させ、電流の立ち上がり時間および立ち下がり時間の微調整を行う。   12A to 12E, it is possible to apply five levels of voltages of 0, V1-V2, V2, V1, and V1 + V2 to the load 5. Since the slope of the current is proportional to the voltage, the rise time tin and the fall time tfin are selectively combined to operate, and the current rise time and fall time are finely adjusted.

図13は、図11の電流立ち上がり部のtin期間を拡大したもので、上述の異なる電圧を負荷5に印加して所定の電流の傾きを形成した例を示すものである。
電流が大の場合、急峻に立ち上げて大電流を流す必要があるが、過電流も避けなくてはならない。所定期間内(tin)に所定の電流となるように、破線の電流曲線を策定し、この曲線を分割し分割領域毎の電流の傾きに対応するように、所定の電圧を所定の期間出力すればよい。この例では4分割し、矩形波の示すようにV1―V2、V2、V1、V1+V2のいずれかの電圧が出力されるように各電力変換器のスイッチング素子を動作させている。
電流が小の場合も同様に、電流曲線を策定してこの曲線を分割し分割領域毎の電流の傾きに対応するように、所定の電圧を所定の期間出力すればよい。
簡略化して説明するため4分割とした例を挙げたが、さらに細分化して調整することが可能であることは言うまでもない。
FIG. 13 is an enlarged view of the tin period of the current rising portion shown in FIG. 11, and shows an example in which the above-mentioned different voltage is applied to the load 5 to form a predetermined current gradient.
When the current is large, it is necessary to start up sharply and flow a large current, but overcurrent must also be avoided. A broken line current curve is formulated so that a predetermined current is obtained within a predetermined period (tin), and a predetermined voltage is output for a predetermined period so as to divide this curve and correspond to the current gradient of each divided region. That's fine. In this example, the switching element of each power converter is operated so that it is divided into four and any voltage of V1-V2, V2, V1, V1 + V2 is output as indicated by a rectangular wave.
Similarly, when the current is small, a current curve may be formulated, and the curve may be divided to output a predetermined voltage for a predetermined period so as to correspond to the current gradient for each divided region.
In order to simplify the description, an example of four divisions has been given, but it goes without saying that it can be further subdivided and adjusted.

次に、電流平坦部のtcon期間のスイッチング電源装置200の動作シーケンスについて説明する。
図14は、スイッチング電源装置200の電流平坦部の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。このtcon期間は、電力変換器1は図2に示したように直流電圧源2の電圧を出力せずSW11、SW13をオンもしくは、SW12、SW14をオンにして電流を通過させるスルー状態とし、並列接続された電力変換器3a、3bは互いに位相をずらしたPWM制御による動作を行い、電流量および電流極性を可変する(本図では正方向電流のみを記載している)。
Next, an operation sequence of the switching power supply device 200 during the tcon period of the current flat portion will be described.
FIG. 14 is a timing chart showing an operation sequence of the current flat part of the switching power supply apparatus 200. During this tcon period, the power converter 1 does not output the voltage of the DC voltage source 2 as shown in FIG. 2, and the SW11 and SW13 are turned on, or the SW12 and SW14 are turned on so as to pass the current. The connected power converters 3a and 3b perform operations based on PWM control that are out of phase with each other, and vary the amount of current and the polarity of current (only the forward current is shown in the figure).

電力変換器3a、3bのスイッチング素子を動作させるための基準信号である鋸波状信号はスイッチング電源周期Tの1/4の周期で発生させる。すなわち、スイッチング電源の周波数の4倍の周波数で発生させる。最初の鋸波状信号とD指令とで、正電圧出力期間D及び負電圧出力期間1―Dが決定される。電流指令値に応じて式(2)〜式(4)を満たす電圧出力期間の余剰な期間α(i)が算出され、それぞれ正電圧出力期間D及び負電圧出力期間1―Dから減算される。最初の鋸波状信号で電力変換器3aよりD―α(i)の期間正電圧が出力され、2番目の鋸波状信号で電力変換器3aより1―D―α(i)の期間負電圧が出力される。3番目の鋸波状信号で電力変換器3bよりD―α(i)の期間正電圧が出力され、2番目の鋸波状信号で電力変換器3bより1―D―α(i)の期間負電圧が出力される。   A sawtooth signal, which is a reference signal for operating the switching elements of the power converters 3a and 3b, is generated with a period of 1/4 of the switching power supply period T. That is, it is generated at a frequency four times the frequency of the switching power supply. A positive voltage output period D and a negative voltage output period 1-D are determined by the first sawtooth signal and the D command. A surplus period α (i) of the voltage output period satisfying the expressions (2) to (4) is calculated according to the current command value, and subtracted from the positive voltage output period D and the negative voltage output period 1-D, respectively. . The first sawtooth signal outputs a positive voltage during the period D-α (i) from the power converter 3a, and the second sawtooth signal generates a negative voltage during the period 1-D-α (i) from the power converter 3a. Is output. In the third sawtooth signal, a positive voltage is output from the power converter 3b for a period of D−α (i), and in the second sawtooth signal, a negative voltage is output from the power converter 3b for a period of 1−D−α (i). Is output.

具体的には、時刻t0で電力変換器3aのスイッチング素子SW32、SW33をオン、スイッチング素子SW31、SW34をオフにして正電圧をD―α(i)の期間出力する。時刻t41で正負の電圧を印加しないスルー状態とするために、スイッチング素子SW33をオフ、スイッチング素子SW34をオンにする。2番目の鋸波状信号の立ち上がる、時刻t42はT/4周期であり、ここで負電圧を1―D―α(i)の期間出力する。すなわち、時刻t42でスイッチング素子SW31をオン、スイッチング素子SW32をオフにする。時刻t43で負電圧の出力期間は終了し、スイッチング素子SW33をオン、スイッチング素子SW34をオフにし、スルー状態とする。時刻t0からt44の期間は電力変換器3bのスイッチング素子は、SW35、SW37をオンもしくは、SW36、SW38をオンにして電流を通過させるスルー状態とする。   Specifically, at time t0, the switching elements SW32 and SW33 of the power converter 3a are turned on, the switching elements SW31 and SW34 are turned off, and a positive voltage is output for a period D−α (i). At a time t41, the switching element SW33 is turned off and the switching element SW34 is turned on in order to enter a through state in which positive and negative voltages are not applied. The time t42 when the second sawtooth signal rises is a T / 4 cycle, and a negative voltage is output for a period of 1−D−α (i). That is, at time t42, the switching element SW31 is turned on and the switching element SW32 is turned off. At time t43, the negative voltage output period ends, the switching element SW33 is turned on, the switching element SW34 is turned off, and the through state is established. During the period from time t0 to t44, the switching element of the power converter 3b is in a through state in which SW35 and SW37 are turned on or SW36 and SW38 are turned on and current is passed.

3番目の鋸波状信号の立ち上がる、時刻t44はT/2周期であり、ここで電力変換器3bのスイッチング素子SW35をオフ、スイッチング素子SW36をオンにし、D−α(i)の期間正電圧を出力する。時刻t45で正負の電圧を印加しないスルー状態とするために、スイッチング素子SW37をオフ、スイッチング素子SW38をオンにする。4番目の鋸波状信号の立ち上がる時刻t46で、負電圧を1―D―α(i)の期間出力する。すなわち、時刻t46でスイッチング素子SW35をオン、スイッチング素子SW36をオフにする。時刻t47で負電圧の出力期間は終了し、スイッチング素子SW37をオン、スイッチング素子SW38をオフにし、スルー状態とする。時刻t48で再び、電力変換器3aから正電圧を出力する。時刻t0からt48までがスイッチング電源周期Tであり、時刻t48以降この動作シーケンスを繰り返す。   The time t44 at which the third sawtooth signal rises is a T / 2 period. Here, the switching element SW35 of the power converter 3b is turned off, the switching element SW36 is turned on, and a positive voltage is applied during the period D-α (i). Output. At time t45, the switching element SW37 is turned off and the switching element SW38 is turned on in order to enter a through state in which positive and negative voltages are not applied. At the time t46 when the fourth sawtooth signal rises, a negative voltage is output for a period of 1−D−α (i). That is, at time t46, the switching element SW35 is turned on and the switching element SW36 is turned off. At time t47, the negative voltage output period ends, the switching element SW37 is turned on, the switching element SW38 is turned off, and the through state is established. At time t48, the positive voltage is output again from the power converter 3a. The switching power supply cycle T is from time t0 to t48, and this operation sequence is repeated after time t48.

上述の動作シーケンスは制御回路8によって制御されるが、実施の形態2の図8で基準信号をT/4の周期の鋸波状信号を発生するようにすれば、同様の演算処理で制御が実行され、ゲート信号が生成される。   The above-described operation sequence is controlled by the control circuit 8, but if the reference signal is generated as a sawtooth signal having a period of T / 4 in FIG. 8 of the second embodiment, the control is executed by the same arithmetic processing. And a gate signal is generated.

図14に電流リップルを示したが、図3の電力変換器が1つの基本動作と比べて、電力変換器3a、3bそれぞれで構成されるスイッチング電源のスイッチング周波数は同じであるが電流リップルは1/4程度あるいはそれ以下と減少していることがわかる。また、図14では、電流の大小を区別せず説明したが、電流が大となるとα(i)は小さくなり、減算処理しなくても電流リップルへの影響はなくなる。   Although the current ripple is shown in FIG. 14, the switching frequency of the switching power supply constituted by each of the power converters 3a and 3b is the same as that of one basic operation of the power converter of FIG. It can be seen that it decreases to about / 4 or less. In FIG. 14, the magnitude of the current has been described without distinction. However, when the current becomes large, α (i) becomes small, and there is no influence on the current ripple without performing the subtraction process.

以上のように、本実施の形態3によれば、3つの電力変換器を用いることで、負荷電流を急峻に立ち上げることが可能となり、電流の定常時には、並列に接続された2つの電力変換器それぞれが正負電圧の出力期間を短縮するようにそれぞれのスイッチング素子を動作させるので、それぞれの電力変換器に起因する電流リップルも低減され、装置全体としても電流リップルの低減されたスイッチング電源装置の提供が可能となる。すなわち、実施の形態1および2の効果に加え、負荷電流を急峻に立ち上げることが可能となる効果が付加される。   As described above, according to the third embodiment, by using three power converters, the load current can be sharply raised. When the current is steady, two power conversions connected in parallel are possible. Since each switching element is operated so as to shorten the output period of the positive and negative voltages, the current ripple caused by each power converter is also reduced, and the switching power supply device in which the current ripple is also reduced as a whole device. Provision is possible. That is, in addition to the effects of the first and second embodiments, the effect that the load current can be sharply increased is added.

なお、上述では2番目、4番目の基準信号に合わせて1―D―α(i)の期間(D>1―D)負電圧を出力するようにスイッチング素子を動作させるようにしたが、このタイミングに限定されるものではない。それぞれ1番目、3番目の基準信号でD―α(i)の期間正電圧を出力するようにスイッチング素子を動作させた後であって、スイッチング電源周期のT/2内でその前後にスルー状態となる期間を設けるタイミングであればよい。また、正負の電圧出力期間の前後にスルー状態があって、いずれの出力期間も重ならないようにしてもよい。   In the above description, the switching element is operated so as to output a negative voltage during the period of 1-D-α (i) (D> 1-D) in accordance with the second and fourth reference signals. It is not limited to timing. After the switching element is operated so as to output a positive voltage during the period D-α (i) with the first and third reference signals, respectively, the through state before and after the switching power supply cycle T / 2 It suffices to provide a timing for providing a period. Further, there may be a through state before and after the positive and negative voltage output periods so that none of the output periods overlap.

上述では、基準信号をスイッチング電源周期Tの1/4の周期としたが、1/4の周期に限るものではない。1/m(mは5以上の整数)とし、スイッチング電源周期Tの1/2の周期で電力変換器3a、3bの動作が切り替わるようにし、電力変換器3aにおいては最初の基準信号の期間で正電圧を出力し、T/2周期内のいずれかで負電圧を出力する期間を設定し、正負電圧を出力していない期間をスルー状態にしておけばよい。電力変換器3bの動作も同様である。このようにすれば、電流リップルを1/mに低減することが可能となる。なお、基準信号の周期をスイッチング電源周期の1/mとすることは、基準信号の周波数をスイッチング電源周波数のm倍と同義である。
また、mを大きくすると電流リップルさらに低減するが、低電流時の電流制御限界の問題の生じない程度、概ねmは10以内の偶数で設定するのがよい。
In the above description, the reference signal is set to ¼ of the switching power supply cycle T. However, the reference signal is not limited to ¼ cycle. 1 / m (m is an integer of 5 or more), and the operation of the power converters 3a and 3b is switched in a period that is 1/2 of the switching power supply period T. In the power converter 3a, in the period of the first reference signal A period in which a positive voltage is output and a negative voltage is output in any of the T / 2 cycles may be set, and a period in which no positive / negative voltage is output may be set to a through state. The operation of the power converter 3b is the same. In this way, the current ripple can be reduced to 1 / m. Note that setting the period of the reference signal to 1 / m of the switching power supply period is synonymous with the frequency of the reference signal being m times the switching power supply frequency.
Further, when m is increased, the current ripple is further reduced. However, it is preferable to set m to an even number within 10 to the extent that the problem of the current control limit at low current does not occur.

上述の実施の形態1から3において、スイッチング素子は、半導体スイッチング素子としてMOSFETを用いた例を示したが、これに限ることはなく、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いてもよい。   In the above-described first to third embodiments, an example in which a MOSFET is used as a semiconductor switching element has been described. However, the present invention is not limited to this, and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be used, for example.

上述の実施の形態1から3に係るスイッチング電源装置における制御回路8は、図15に示すように、機能を実行するためのハードウエアとして、少なくとも以下を備えている。すなわち、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置(コンピュータ)801、演算処理装置801とデータのやり取りする記憶装置802等を備えている。演算処理装置801として、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、IC(Integrated Circuit)、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(field-programmable gate array)等各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等の図5、図8で示した演算処理が実行できるものが備えられている。また、演算処理装置として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置802として、演算処理装置801からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたRAM(Random Access Memory)、演算処理装置801からデータを読み出し可能に構成されたROM(Read Only Memory)、あるいはHDD(ハードディスクドライブ)等が備えられている。   As shown in FIG. 15, the control circuit 8 in the switching power supply device according to the first to third embodiments described above includes at least the following as hardware for executing functions. That is, the processing circuit includes an arithmetic processing device (computer) 801 such as a CPU (Central Processing Unit), a storage device 802 that exchanges data with the arithmetic processing device 801, and the like. As the arithmetic processing unit 801, various logic circuits such as an application specific integrated circuit (ASIC), an integrated circuit (IC), a digital signal processor (DSP), and a field-programmable gate array (FPGA), and various signal processing circuits 5, what can perform the arithmetic processing shown in FIG. 8 is provided. In addition, a plurality of the same type or different types of arithmetic processing devices may be provided, and each process may be shared and executed. As the storage device 802, a RAM (Random Access Memory) configured to be able to read and write data from the arithmetic processing device 801, a ROM (Read Only Memory) configured to be able to read data from the arithmetic processing device 801, or an HDD (Hard disk drive) etc. are provided.

実施の形態4.
実施の形態1から3のスイッチング電源装置100、200は、出力する負荷5としてMRI装置の傾斜磁場装置のコイルと想定して説明したが、実施の形態4は、MRI装置用電源装置としての構成について説明する。
図16は、本実施の形態4に係るMRI装置用電源装置1000の構成図である。MRI装置用電源装置1000は、実施の形態1から3のいずれかのスイッチング電源装置100、200に負荷5であるコイル、コイル用制御装置500を備え、コイル用制御装置500からコイル5への電流指令値がスイッチング電源装置100、200の制御回路8へ出力されるようにすればよい。コイル用制御装置500はコイル5からの核磁気共鳴信号を取得して画像を創成し、画像表示装置(図示せず)に表示する。
Embodiment 4 FIG.
Although the switching power supply devices 100 and 200 according to the first to third embodiments have been described assuming that the output load 5 is a coil of a gradient magnetic field device of an MRI apparatus, the fourth embodiment is configured as a power supply device for an MRI apparatus. Will be described.
FIG. 16 is a configuration diagram of the MRI apparatus power supply apparatus 1000 according to the fourth embodiment. The MRI apparatus power supply apparatus 1000 includes the switching power supply apparatuses 100 and 200 according to any one of the first to third embodiments including the coil that is the load 5 and the coil control apparatus 500, and the current flowing from the coil control apparatus 500 to the coil 5. The command value may be output to the control circuit 8 of the switching power supply apparatus 100, 200. The coil control device 500 acquires a nuclear magnetic resonance signal from the coil 5, creates an image, and displays it on an image display device (not shown).

上述したように、MRIの画像創成のためには、例えば数A〜数百Aに亘る256段階の電流をコイルに流す必要があり、高解像度の画像を得るには、特に数A、10A以下の電流が小の場合の電流リップルを低減しなくてはならない。本実施の形態1から4のスイッチング電源は、電流が小の場合にも電流リップルを低減することができ、MRI装置用電源装置に組み込むことが好適なものである。
また、実施の形態3のスイッチング電源装置200を用いると、急峻な電流の立ち上がりを達成することができ、信頼性の高いMRI装置用電源装置の提供が可能となる。
As described above, in order to create an MRI image, for example, it is necessary to pass a current of 256 steps ranging from several A to several hundred A through the coil, and in order to obtain a high resolution image, in particular, several A, 10 A or less. The current ripple should be reduced when the current is small. The switching power supplies according to the first to fourth embodiments can reduce the current ripple even when the current is small, and is preferably incorporated in the power supply apparatus for the MRI apparatus.
In addition, when the switching power supply device 200 according to the third embodiment is used, a steep current rise can be achieved, and a highly reliable power supply device for an MRI apparatus can be provided.

本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although this disclosure describes various exemplary embodiments and examples, various features, aspects, and functions described in one or more embodiments may be described in terms of particular embodiments. The present invention is not limited to the application, and can be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Accordingly, countless variations that are not illustrated are envisaged within the scope of the technology disclosed herein. For example, the case where at least one component is deformed, the case where the component is added or omitted, the case where the at least one component is extracted and combined with the component of another embodiment are included.

1、3a、3b:電力変換器、 2、4:直流電圧源、 5:負荷(コイル)、 6a、6b、6c、6d:リアクトル、 7:計測器、 8:制御回路、 10:スイッチング電源、 81:PI制御器、 82:基準信号発生器、 83:比較器、 84:セレクター、 85:出力正負切替部、 86:ゲート信号生成部、 87:D制限器、 100、200:スイッチング電源装置、 500:コイル用制御装置、 801:演算処理装置、 802:記憶装置、 1000:MRI装置用電源装置、 SW11、SW12、SW13、SW14、SW31、SW32、SW33、SW34、SW35、SW36、SW37、SW38:スイッチング素子。   1, 3a, 3b: Power converter, 2, 4: DC voltage source, 5: Load (coil), 6a, 6b, 6c, 6d: Reactor, 7: Measuring instrument, 8: Control circuit, 10: Switching power supply, 81: PI controller, 82: Reference signal generator, 83: Comparator, 84: Selector, 85: Output positive / negative switching unit, 86: Gate signal generation unit, 87: D limiter, 100, 200: Switching power supply device, 500: Coil control device, 801: Arithmetic processing device, 802: Storage device, 1000: Power supply device for MRI device, SW11, SW12, SW13, SW14, SW31, SW32, SW33, SW34, SW35, SW36, SW37, SW38: Switching element.

Claims (7)

複数のスイッチング素子を有する電力変換器と直流電圧源とを備えたスイッチング電源と、前記スイッチング電源と前記スイッチング電源に直列に接続された負荷との間に設けられた前記負荷の電流及び電圧を測定する計測器と、前記複数のスイッチング素子の動作を制御する制御回路と、を備えたスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
前記負荷に正負の電圧を出力し、該正負の電圧出力期間の差により負荷に流れる電流量と極性を制御するように、前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、
前記負荷に流れる電流量に対応した正負の電圧出力期間を決める指令値と基準信号とを生成し、前記基準信号を前記スイッチング電源の周期の1/n(nは2以上の整数)の周期で生成するとともに、
前記指令値と前記基準信号とを比較して決定した電圧出力期間をDとし、
前記電圧出力期間Dから前記直流電圧源の電圧、前記複数のスイッチング素子のデッドタイム、前記負荷の抵抗及び前記負荷を流れる電流量により求められる余剰期間α(i)を減算し、最初の基準信号の期間で正負の一方の電圧をD―α(i)期間、残りの期間で正負の他方の電圧を1―D―α(i)期間出力するように前記複数のスイッチング素子の動作を制御するスイッチング電源装置。
Measures the current and voltage of the load provided between the switching power supply having a power converter having a plurality of switching elements and a DC voltage source, and the load connected in series to the switching power supply and the switching power supply A switching power supply comprising: a measuring instrument that controls the operation of the plurality of switching elements;
The control circuit includes:
The positive and negative voltages are output to the load, and the operations of the plurality of switching elements are controlled so as to control the amount and polarity of the current flowing through the load according to the difference between the positive and negative voltage output periods .
A command value for determining a positive / negative voltage output period corresponding to the amount of current flowing through the load and a reference signal are generated, and the reference signal is generated at a cycle of 1 / n (n is an integer of 2 or more) of the cycle of the switching power supply. As well as
The voltage output period determined by comparing the command value and the reference signal is D,
A first reference signal is subtracted from the voltage output period D by the voltage of the DC voltage source, the dead time of the plurality of switching elements, the resistance of the load and the amount of current flowing through the load. The operation of the plurality of switching elements is controlled so that one positive / negative voltage is output during the period D-α (i) and the other positive / negative voltage is output during the period 1-D-α (i). Switching power supply.
複数のスイッチング素子を有する電力変換器と直流電圧源とを備えたスイッチング電源を複数有し、並列に接続された第2及び第3のスイッチング電源は第1のスイッチング電源と負荷との間に直列に接続され、前記並列に接続された第2及び第3のスイッチング電源と前記負荷との間に設けられた前記負荷の電流及び電圧を測定する計測器と、前記複数のスイッチング電源の前記複数のスイッチング素子の動作を制御する制御回路と、を備えたスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
前記負荷に正負の電圧を出力し、該正負の電圧出力期間の差により負荷に流れる電流量と極性を制御するように、前記複数のスイッチング電源の前記複数のスイッチング素子の動作を制御し、
前記負荷に流す電流の立ち上がり及び立ち下がり時には、前記第1、第2及び第3のスイッチング電源からの出力電圧の和が電流の傾きに応じた値となるように前記第1、第2及び第3のスイッチング電源の前記複数のスイッチング素子を動作させ、
前記負荷に流す電流が所定の電流に達した定常部においては、前記並列に接続された第2及び第3のスイッチング電源の前記複数のスイッチング素子を動作させ、
前記第2及び第3のスイッチング電源の一周期内の前記正負の電圧の出力期間の和が、前記スイッチング電源の一周期よりも小さくなるように、かつ前記第2及び第3のスイッチング電源の前記正負の電圧の出力期間の位相をずらすように前記第2及び第3のスイッチング電源の前記複数のスイッチング素子の動作を制御するスイッチング電源装置。
A plurality of switching power supplies including a power converter having a plurality of switching elements and a DC voltage source, and the second and third switching power supplies connected in parallel are connected in series between the first switching power supply and the load. A measuring instrument for measuring current and voltage of the load provided between the load and the second and third switching power supplies connected in parallel, and the plurality of the switching power supplies A control circuit for controlling the operation of the switching element, and a switching power supply device comprising:
The control circuit includes:
Controlling the operation of the plurality of switching elements of the plurality of switching power supplies so as to output positive and negative voltages to the load and to control the amount and polarity of current flowing through the load according to the difference between the positive and negative voltage output periods,
When the current flowing through the load rises and falls, the first, second, and second output voltages from the first, second, and third switching power supplies have values corresponding to current gradients. Operating the plurality of switching elements of the switching power source of 3,
In the stationary part where the current flowing through the load reaches a predetermined current, the plurality of switching elements of the second and third switching power supplies connected in parallel are operated,
The sum of the output periods of the positive and negative voltages in one cycle of the second and third switching power supplies is smaller than one cycle of the switching power supply, and the second and third switching power supplies A switching power supply apparatus that controls operations of the plurality of switching elements of the second and third switching power supplies so as to shift a phase of an output period of positive and negative voltages.
前記並列に接続された第2及び第3のスイッチング電源の直流電圧源を共通のものとした請求項に記載のスイッチング電源装置。 The switching power supply according to claim 2 , wherein the DC voltage sources of the second and third switching power supplies connected in parallel are common. 前記制御回路は、前記負荷に流す電流が所定の電流値に達した定常部において、前記負荷に流す電流量に対応した正負の電圧出力期間を決める指令値と基準信号とを生成し、前記基準信号は前記スイッチング電源の周期の1/m(mは4以上の整数)の周期で生成し、前記第2及び第3のスイッチング電源のいずれかから最初の基準信号の期間で正負の一方の電圧を、残りの期間で正負の他方の電圧を出力するように前記複数のスイッチング素子の動作を制御する請求項2または3に記載のスイッチング電源装置。 The control circuit generates a command value and a reference signal for determining a positive / negative voltage output period corresponding to the amount of current flowing to the load in a stationary part where the current flowing to the load reaches a predetermined current value, The signal is generated with a period of 1 / m (m is an integer of 4 or more) of the period of the switching power supply, and one of the positive and negative voltages in the period of the first reference signal from one of the second and third switching power supplies. 4. The switching power supply device according to claim 2 , wherein operations of the plurality of switching elements are controlled so that the other positive and negative voltages are output in the remaining period. 前記制御回路は、前記負荷に流す電流が所定の電流値に達した定常部において、前記負荷に流す電流量に対応した正負の電圧出力期間を決める指令値と基準信号とを比較して決定した電圧出力期間をDとする時、前記第2及び第3のスイッチング電源のいずれかから最初の基準信号の期間で正負の一方の電圧をD期間、残りの期間で正負の他方の電圧を1―D期間出力するように前記複数のスイッチング素子の動作を制御する請求項に記載のスイッチング電源装置。 The control circuit is determined by comparing a command value for determining a positive / negative voltage output period corresponding to the amount of current flowing to the load and a reference signal in a stationary part where the current flowing to the load reaches a predetermined current value. When the voltage output period is D, one of positive and negative voltages is set to D period in the period of the first reference signal from one of the second and third switching power supplies, and the other positive and negative voltage is set to 1− in the remaining period. The switching power supply device according to claim 4 , wherein operations of the plurality of switching elements are controlled so as to output during a D period. 前記制御回路は、前記負荷に流す電流が所定の電流値に達した定常部において、前記正負の電圧出力期間Dから前記直流電圧源の電圧、前記複数のスイッチング素子のデッドタイム、前記負荷の抵抗及び前記負荷を流れる電流量により求められる余剰期間α(i)を減算し、前記第2及び第3のスイッチング電源のいずれかから最初の基準信号の期間で正負の一方の電圧をD―α(i)期間、残りの期間で正負の他方の電圧を1―D―α(i)期間出力するように前記複数のスイッチング素子の動作を制御する請求項に記載のスイッチング電源装置。 In the steady portion where the current flowing through the load reaches a predetermined current value, the control circuit includes the voltage of the DC voltage source, the dead time of the plurality of switching elements, the resistance of the load from the positive / negative voltage output period D And a surplus period α (i) obtained by the amount of current flowing through the load is subtracted, and one of the positive and negative voltages in the period of the first reference signal from one of the second and third switching power supplies is expressed as D−α ( 6. The switching power supply device according to claim 5 , wherein operations of the plurality of switching elements are controlled so that the other positive and negative voltages are output for a period of 1-D-α (i) during the period i and the remaining period. 請求項1からのいずれか1項に記載のスイッチング電源装置と、前記負荷である核磁気共鳴イメージング装置用コイルと、前記コイルを制御するコイル用制御装置とを備え、前記コイル用制御装置から出力された電流指令値を基に前記スイッチング電源装置の制御回路はスイッチング電源装置の前記複数のスイッチング素子の動作を制御する核磁気共鳴イメージング装置用電源装置。 A switching power supply device according to any one of claims 1 to 6 , a coil for a nuclear magnetic resonance imaging apparatus as the load, and a coil control device for controlling the coil, wherein the coil control device The control circuit of the switching power supply device controls the operation of the plurality of switching elements of the switching power supply device based on the output current command value.
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