JPH0674104U - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本考案はスイッチング電源に関し、電源電圧
の変化により系の伝達特性が影響を受けないようにした
スイッチング電源を提供することを目的としている。 【構成】 司令電圧とフィードバック信号との差を求め
る比較器１と、該比較器１の出力を受けて系の応答特性
を決める制御回路２と、該制御回路２の出力をその第１
の入力に、電源電圧に対応した信号を第２の入力に受け
て、第１の入力を第２の入力で割算する割算器１０と、
該割算器１０の出力を受けて、所定のデューティ比率で
電源電圧をスイッチングして負荷６を駆動すると共に、
負荷６に流れる電流を検出して、前記フィードバック信
号として与えるインバータ部２０とで構成される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はスイッチング電源に関し、更に詳しくはＭＲ装置（ＭＲＩ）の勾配コ イル駆動用電源として用いて好適なスイッチング電源に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図３は従来のスイッチング電源の構成例を示すブロック図である。このスイッ チング電源は、負荷１に流れる電流が司令電圧Ｖｉｎに対応した値になるように 、スイッチングパルスのパルス幅を変化させるようになっている。つまり、ＰＷ Ｍ（パルス幅変調）方式のスイッチング電源である。この種のスイッチング電源 はＭＲ装置の勾配コイルを駆動するための電源として用いて好適である。

【０００３】 図において、１は司令電圧Ｖｉｎとフィードバック信号Ｖｆとの差を演算する 比較器、２は該比較器１の出力を受け、積分器等の系の応答特性等を決定する回 路よりなる制御回路である。３は制御回路２の出力を受け、その出力に応じたス イッチングパルスのパルス幅を決定するパルス幅変調回路である。４は該パルス 幅変調回路３の出力パルスに応じて、電源電圧Ｖｃｃをスイッチングするインバ ータ、５は該インバータ４の出力からスイッチングノイズ等を除去するフィルタ である。

【０００４】 ６はインバータ４により高周波電流が印加される負荷である。負荷６としては 、例えば勾配コイルが用いられる。７は負荷６に流れる電流を検出する電流検出 器、８は該電流検出器７で検出した電流信号を電圧信号に変換するＩ／Ｖ変換器 である。このＩ／Ｖ変換器８の出力がフィードバック信号として比較器１に入力 されている。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下のとおりであ る。

【０００５】 今、電源電圧Ｖｃｃがあるスイッチング周波数のあるデューティ比率で、スイ ッチングされ、負荷６に高周波電流が流れているものとする。この時の、負荷６ に流れる電流の値は電流検出器７で検出される。検出された電流値は、続くＩ／ Ｖ変換器８に入って電圧信号に変換される。このＩ／Ｖ変換器８の出力が、フィ ードバック信号Ｖｆとして比較器１に与えられる。

【０００６】 比較器１は、負荷６に流す電流値に対応した司令電圧Ｖｉｎとフィードバック 信号Ｖｆとの差分を演算する。この差分信号Ｖｅは、続く制御回路２に入って系 の応答特性が決定される。制御回路２の出力は、続くパルス幅変調回路３に入る 。パルス幅変調回路３は、差分信号Ｖｅに応じたパルス幅のスイッチングパルス を出力する。インバータ４は、このパルス幅変調回路３の出力に応じて、電源電 圧Ｖｃｃをスイッチングする。この結果、負荷６には電流が流れることになる。

【０００７】 図４はインバータ４の構成例を示す回路図である。図に示すように、インバー タ４は、４個のスイッチングトランジスタＱ１〜Ｑ４で構成されており、電源電 圧Ｖｃｃをスイッチングする。その出力Ｖｏはフィルタ５を介して負荷６に接続 される。そして、Ｑ１とＱ４，Ｑ２とＱ３が同時にオンオフする。つまり、Ｑ１ とＱ４がオンの時にはＱ２とＱ３はオフ、Ｑ１とＱ４がオフの時にはＱ２とＱ３ はオンになる。この結果、負荷６には電流が流れることになる。

【０００８】 この時、負荷６に流れる電流は、電流検出器７により検出され、Ｉ／Ｖ変換器 ８に送られる。Ｉ／Ｖ変換器８は、出力電流に対応したフィードバック信号Ｖｆ を比較器１に入力する。比較器１は、司令信号Ｖｉｎとフィードバック信号Ｖｆ との差分をとり差分信号Ｖｅとして制御回路２に印加する。このような一連のフ ィードバック制御において、負荷６に流れる電流は、司令電圧Ｖｉｎに対応した ものとなる。

【０００９】 ここで、フィードバックループ内のオープンループ伝達特性を考える。比較器 １の出力をＶｅとし、制御回路２の伝達関数をＧとすると、制御回路２の出力は ＧＶｅとなる。ここで、パルス幅変調回路３のゲインをｋ1 とすると、パルス幅 Ｐｗは次式で表される。

【００１０】 Ｐｗ＝ｋ1 ・Ｇ・Ｖｅ （１） インバータ４の周期をＴ、電源電圧をＶｃｃとすると、フィルタ５の出力Ｖｏ は、 Ｖｏ＝Ｐｗ・Ｖｃｃ／Ｔ＝ｋ1 ・Ｇ・Ｖｅ・Ｖｃｃ／Ｔ （２） となる。負荷６として勾配コイルを用いた場合、勾配コイル６のインピーダンス をＺとし、電流検出器７とＩ／Ｖ変換器８のゲインをｋ2 とすると、比較器１に フィードバックされる電圧Ｖｆは、 Ｖｆ＝ｋ1 ・ｋ2 ・Ｇ・Ｖｅ・Ｖｃｃ／Ｔ・Ｚ （３） となる。これより、オープンループの伝達関数は ｋ1 ・ｋ2 ・Ｇ・Ｖｃｃ／Ｔ・Ｚ （４） となり、電源電圧Ｖｃｃに比例することが分かる。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、電源電圧Ｖｃｃは商用電源を単に平滑整流したものが多く、商用周 波数で変動している。また、ＭＲＩにおいては、勾配出力の波形は、瞬時値が大 きいパルス状のものであることが多いので、電源のもつ出力インピーダンスによ り電源電圧Ｖｃｃが大きく変動する場合もある。

【００１２】 図５は出力電流と電源電圧の関係を示す図である。（ａ）は出力電流Ｉを、（ ｂ）は電源電圧Ｖｃｃをそれぞれ示している。出力電流Ｉが立ち上がる領域Ａで は、電源電圧Ｖｃｃは、出力インピーダンスと負荷インピーダンスによる分圧の 影響を受け、低下している。（ｂ）において、Ｂ領域は整流によるリプルを示し ている。

【００１３】 このような場合には、（４）式より明らかなように系の伝達特性が変化するこ とになり、応答特性の劣化や、場合によっては発振を引き起こすおそれもある。 また、通常、電源電圧Ｖｃｃは、要求される最大出力電圧が出力できる、必要最 小限の値にすることが多い（出力のスイッチングノイズ等は電源電圧が小さい程 小さい）。ところが、要求される仕様が変更になって、電源電圧Ｖｃｃも変更と なり、系の伝達特性が変化してしまい、このため制御回路２に変更を加える必要 があり、種々の場合に対応しずらいという問題があった。

【００１４】 本考案はこのような課題に鑑みてなされたものであって、電源電圧の変化によ り系の伝達特性が影響を受けないようにしたスイッチング電源を提供することを 目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

前記した課題を解決する本考案は、司令電圧とフィードバック信号との差を求 める比較器と、該比較器の出力を受けて系の応答特性を決める制御回路と、該制 御回路の出力をその第１の入力に、電源電圧に対応した信号を第２の入力に受け て、第１の入力を第２の入力で割算する割算器と、該割算器の出力を受けて、所 定のデューティ比率で電源電圧をスイッチングして負荷を駆動すると共に、負荷 に流れる電流を検出して、前記フィードバック信号として与えるインバータ部と で構成されたことを特徴としている。

【００１６】

【作用】

割算器を設け、制御回路出力を電源電圧に対応した信号で割るようにした。こ の結果、（４）式より明らかなように系の伝達特性に電源電圧Ｖｃｃを含む成分 がなくなり、電源電圧の変化により系の伝達特性が影響を受けなくなる。これに より、安定な制御動作を行なうことができるようになる。

【００１７】

【実施例】

以下、図面を参照して本考案の実施例を詳細に説明する。 図１は本考案の原理ブロック図である。図３と同一のものは、同一の符号を付 して示す。図において、１は司令電圧Ｖｉｎとフィードバック信号Ｖｆとの差を 求める比較器、２は該比較器１の出力を受けて系の応答特性を決める制御回路、 １０は該制御回路２の出力Ｖｅをその第１の入力に、電源電圧Ｖｃｃに対応した 信号を第２の入力に受けて第１の入力を第２の入力で割算する割算器、２０は該 割算器１０の出力を受けて、所定のデューティ比率で電源電圧をスイッチングし て負荷６を駆動すると共に、負荷６に流れる電流を検出して、前記フィードバッ ク信号として与えるインバータ部である。

【００１８】 このように構成された装置において、系の伝達特性には（４）式に示すように 電源電圧Ｖｃｃが含まれる。このＶｃｃを含む制御回路２の出力を割算器１０の 第１の入力に、第２の入力に電源電圧Ｖｃｃに対応した信号を与える。割算器１ ０は第１の入力を第２の入力で割る演算を行なう。この結果、割算器１０の出力 は、（４）式より ｋ1 ・ｋ2 ・Ｇ・Ｖｃｃ／Ｔ・Ｚ×１／Ｖｃｃ ＝ｋ1 ・ｋ2 ・Ｇ／Ｔ・Ｚ （５） となり、電源電圧Ｖｃｃに関する成分を含まなくなる。従って、電源電圧Ｖｃｃ の変動に影響されずに制御を行なうことができるようになり、安定なフィードバ ック動作が可能となる。

【００１９】 図２は本考案の一実施例を示す構成ブロック図である。図１，図３と同一のも のは、同一の符号を付して示す。図において、１は司令電圧Ｖｉｎとフィードバ ック信号Ｖｆとの差を求める比較器、２は該比較器１の出力を受けて系の応答特 性を決める制御回路、１０は該制御回路２の出力Ｖｅをその第１の入力に、電源 電圧Ｖｃｃに対応した信号を第２の入力に受けて第１の入力を第２の入力で割算 する割算器、２０は該割算器１０の出力を受けて、所定のデューティ比率で電源 電圧をスイッチングして勾配コイル６を駆動すると共に、勾配コイル６に流れる 電流を検出して、前記フィードバック信号として与えるインバータ部である。

【００２０】 インバータ部２０において、３は割算器１０の出力を受けて、対応したパルス 幅のスイッチング信号を作成するパルス幅変調回路、４は該パルス幅変調回路３ の出力を受けて勾配コイル６を駆動するインバータ、５は該インバータ４の出力 を受けてノイズ成分を除去するフィルタ、７は勾配コイル６に流れる電流を検出 する電流検出器、８は該電流検出器７の出力を受けて電圧信号に変換して、前記 フィードバック信号とするＩ／Ｖ変換器である。電流検出器７としては、例えば 電流／電圧変換用の抵抗の他、ＣＴ（電流トランス）等を用いることができる。 このように構成された装置の動作を説明すれば、以下のとおりである。

【００２１】 今、電源電圧Ｖｃｃがあるスイッチング周波数のあるデューティ比率で、スイ ッチングされ、勾配コイル６に電流が流れているものとする。この時の、勾配コ イル６に流れる電流の値は電流検出器７で検出される。検出された電流値は、続 くＩ／Ｖ変換器８に入って電圧信号に変換される。このＩ／Ｖ変換器８の出力が 、フィードバック信号Ｖｆとして比較器１に与えられる。

【００２２】 比較器１は、勾配コイル６に流す電流値に対応した司令電圧Ｖｉｎとフィード バック信号Ｖｆとの差分を演算する。この差分信号Ｖｅは、続く制御回路２に入 って系の応答特性を決定する。制御回路２の出力は、割算器１０の一方の入力（ Ｘ入力）に入る。一方、割算器１０の他方の入力（Ｙ入力）には電源電圧Ｖｃｃ に対応した信号が入っている。

【００２３】 前述したように、Ｘ入力には（４）式に示すように電源電圧Ｖｃｃ成分が含ま れている。割算器１０は、Ｘ／Ｙなる演算を行なう。従って、その出力端子ＺＯ から出力される信号には、電源電圧Ｖｃｃ成分は含まれなくなる。この電源電圧 成分が除去された信号は、パルス幅変調回路３に入る。該パルス幅変調回路３は 、入力差分信号Ｖｅに応じたパルス幅のスイッチングパルスを出力する。インバ ータ４は、このパルス幅変調回路３の出力に応じて、電源電圧Ｖｃｃをスイッチ ングする。この結果、勾配コイル６には電流が流れることになる。

【００２４】 この時、勾配コイル６に流れる電流は、電流検出器７により検出され、Ｉ／Ｖ 変換器８に送られる。Ｉ／Ｖ変換器８は、出力電流に対応したフィードバック信 号Ｖｆを比較器１に入力する。比較器１は、司令信号Ｖｉｎとフィードバック信 号Ｖｆとの差分をとり差分信号Ｖｅとして制御回路２に印加する。このような一 連のフィードバック制御において、勾配コイル６に流れる電流は、司令電圧Ｖｉ ｎに対応したものとなる。しかも、本考案によればフィードバックループの制御 信号に電源電圧成分Ｖｃｃが含まれていないので、電源電圧成分Ｖｃｃが変動し ても、フィードバック制御を安定に行なうことができる。このようにして、本考 案によれば電源電圧の変化により系の伝達特性が影響を受けないスイッチング電 源を実現することができる。そして、系の応答特性の劣化や発振等がなく、制御 動作も安定する。

【００２５】

【考案の効果】

以上、詳細に説明したように、本考案によれば電源電圧の変化により系の伝達 特性が影響を受けないスイッチング電源を実現することができ、実用上の効果が 大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の原理ブロック図である。

【図２】本考案の一実施例を示す構成ブロック図であ
る。

【図３】従来のスイッチング電源の構成例を示す構成ブ
ロック図である。

【図４】インバータの構成例を示す回路図である。

【図５】出力電流と電源電圧の関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 比較器 ２ 制御回路 ６ 負荷 １０ 割算器 ２０ インバータ部

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 司令電圧とフィードバック信号との差を
   求める比較器（１）と、 該比較器（１）の出力を受けて系の応答特性を決める制
   御回路（２）と、 該制御回路（２）の出力をその第１の入力に、電源電圧
   に対応した信号を第２の入力に受けて、第１の入力を第
   ２の入力で割算する割算器（１０）と、 該割算器（１０）の出力を受けて、所定のデューティ比
   率で電源電圧をスイッチングして負荷（６）を駆動する
   と共に、負荷（６）に流れる電流を検出して、前記フィ
   ードバック信号として与えるインバータ部（２０）とで
   構成されたスイッチング電源。
2. 【請求項２】 前記負荷（６）に流れる電流が、司令電
   圧に対応した値になるように、インバータ部（２０）は
   そのスイッチングパルスのパルス幅を調整するようにし
   たことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
3. 【請求項３】 前記インバータ部（２０）は、 割算器（１０）の出力を受けて、対応したパルス幅のス
   イッチング信号を作成するパルス幅変調回路（３）と、 該パルス幅変調回路（３）の出力を受けて負荷（６）を
   駆動するインバータ（４）と、 該インバータ（４）の出力を受けてノイズ成分を除去す
   るフィルタ（５）と、 負荷（６）に流れる電流を検出する電流検出器（７）
   と、 該電流検出器（７）の出力を受けて電圧信号に変換し
   て、前記フィードバック信号とするＩ／Ｖ変換器（８）
   とから構成されたことを特徴とする請求項１記載のスイ
   ッチング電源。