JPH09224373A - 直列共振電力変換器 - Google Patents

直列共振電力変換器

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JPH09224373A
JPH09224373A JP8307560A JP30756096A JPH09224373A JP H09224373 A JPH09224373 A JP H09224373A JP 8307560 A JP8307560 A JP 8307560A JP 30756096 A JP30756096 A JP 30756096A JP H09224373 A JPH09224373 A JP H09224373A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 変化する負荷要求に素早く応答し、効率がよ
く、又、良好な電磁干渉性能を得ることのできる直列共
振電力変換器を提供する。 【解決手段】 4つのIGBT(104A、104B、
104C、104D)を有しているインバータ(10
2)を含んでいる直列共鳴回路(SRC)(100)
が、直列結合されているインダクタ(106)及びコン
デンサ(108)と、変圧器(110)と、ダイオード
・ブリッジ(112)とを含んでいる。SRC(10
0)は又、制御器(118)を含んでいる。制御器(1
18)は、対数増幅器(122)と協働して、位相変調
及び周波数変調を同時に用いることにより、インバータ
(102)を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には直列共振電
力変換器に関し、更に詳しくは、電力変換器の効率及び
応答性を最大限にするために対数増幅器と共に周波数変
調及び位相変調を同時に利用する制御器を含んでいる直
列共振変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】直列共振電力変換器(SRC(series-r
esonant power converter))は、一般的には周知のも
のである。公知のSRCには、変換器のスイッチング素
子、例えばトランジスタ内の損失を最小にするために共
振素子を利用しているものがある。代表的なSRCは、
例えば4つの絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ
(IGBT(insulated gate bipolar transistor))
を用いて構成されているインバータを含んでいる。SR
Cは又、直列結合されているインダクタ及びコンデンサ
と、変圧器と、その出力が負荷に結合されているダイオ
ード・ブリッジとを含んでいる。制御器はIGBTのス
イッチング、即ちゲーティングを制御する。
【0003】動作について説明すると、共振インダクタ
及びコンデンサの電流は、f=1/2π(LC)1/2
ある周波数fの正弦波形と共振する。この正弦波形の結
果、各々のIGBTは、そのIGBTを通る電流が零又
はその近くにあるときにその状態を変化させ、即ち「ス
イッチング」し、これにより、スイッチング損失は最小
になる。
【0004】SRCは、例えば磁気共鳴(MR(magnet
ic resonance))イメージング装置の磁界コイル(即
ち、勾配コイル)を制御する増幅器に電力を供給するた
めに利用されている。このようなMR装置では、そして
3次元イメージングでは、x、y及びzの次元に時間と
共に変化する勾配磁界を形成するために3つの勾配コイ
ルが利用されている。電力はSRCによって、各々の勾
配増幅器に供給される。もちろん、動作条件が変化する
につれて、各々の増幅器の負荷要求も変化する。従っ
て、SRCは低電力要求及び高電力要求の両方を含んで
いる種々の条件に応答しなければならない。
【0005】少なくとも1つの公知のSRC制御器で
は、制御器は、広範囲の負荷にわたってSRCの出力電
力を制御するために2段の構成として実現されている。
例えば低出力電力では、制御器は位相変調を用いてIG
BTのスイッチングを制御する。高出力電力では、制御
器は周波数変調を用いてIGBTのスイッチング周波数
を制御する。このような2相構成は、SRCの出力電力
を制御するためには有用であるが、負荷の変化に更に早
く応答し、より効率のよいSRCの制御器が提供される
ことが望ましい。更に、負荷の広い範囲にわたって電磁
干渉(EMI(electromagnetic interference))性能
が改善されることが望ましい。
【0006】
【発明の概要】上述の目的及び利点並びに他の目的及び
利点は、位相変調及び周波数変調を同時に用いて広い範
囲の出力電力にわたって電力出力制御を行う制御器を含
んでいるSRCによって達成される。更に詳しく述べる
と、一実施例では、この制御器は、ダイオード・ブリッ
ジの出力電圧を所定の基準電圧と比較する誤差増幅器を
含んでいる。基準電圧と出力電圧との差、即ち誤差電圧
が、対数増幅器に供給される。増幅器の出力は並列に、
電圧制御発振器及び電圧制御位相遅延器に供給される。
電圧制御発振器は、対数増幅器の出力に基づいてIGB
Tに対するスイッチング周波数を決定する。電圧制御位
相遅延器は一方のインバータ出力の、他方のインバータ
出力に対する位相遅延を決定する。電圧制御発振器及び
位相遅延器を同時に用いてIGBTスイッチングを制御
することにより、SRCは、変化する負荷要求に素早く
応答し、効率がよい。又、良好な電磁干渉(EMI)性
能が得られる。
【0007】
【実施例】従来技術の直列共振電力変換器(SRC)1
0が、図1に概略回路形式で示されている。SRC10
は、例えば4つのIGBT14A〜14Dを使用して構
成されているインバータ12を含んでいる。SRC10
は又、直列結合されている共振インダクタ16及びコン
デンサ18と、変圧器20と、4つのダイオード24A
〜24Dを有しているダイオード・ブリッジ22とを含
んでいる。ダイオード・ブリッジ22の出力は負荷26
に結合されている。IGBT14A〜14Dのスイッチ
ング、即ちゲーティングを制御するために、制御器28
が利用されている。
【0008】広い範囲の負荷にわたってSRC10の出
力電力を制御するために、制御器28は2段の構成とし
て実現されている。低出力電力では、制御器28はIG
BT14A〜14Dのスイッチングのために位相変調を
利用する。高出力電力では、制御器28はIGBT14
A〜14Dのスイッチング周波数を制御するために周波
数変調を利用する。
【0009】動作について説明すると、共振インダクタ
16及びコンデンサ18の電流は、周波数f=1/2π
(LC)1/2 の正弦波形で共振する。このような共振に
より、各々のIGBT14A〜14Dを通る電流が零又
はそれに近いときに、IGBT14A〜14Dの各々は
状態を変化させる、即ちスイッチングする。従来技術の
SRC10に比べて利点をもたらすSRC100が、図
2に示されている。SRC100は、4つのIGBT1
04A〜104Dを有しているインバータ102を含ん
でいる。SRC100は又、直列結合されているインダ
クタ106及びコンデンサ108と、変圧器110と、
ダイオード・ブリッジ112とを含んでいる。ダイオー
ド・ブリッジ112は、負荷116に結合されている4
つのダイオード114A〜114Dを含んでいる。
【0010】SRC100は更に、制御器118を含ん
でいる。制御器118は位相変調及び周波数変調を同時
に用いて、インバータ102を制御する。更に詳しく説
明すると、一実施例では、制御器118は誤差増幅器1
20を含んでおり、誤差増幅器120は、ダイオード・
ブリッジ112の出力電圧を所定の基準電圧Vref と比
較する。誤差増幅器120の出力は対数増幅器122に
供給される。増幅器122の出力は電圧制御位相遅延器
124及び電圧制御発振器126の両方に結合されてい
る。位相遅延器124はゲート・ドライバ128A及び
128Bに結合されている。発振器126はゲート・ド
ライバ130A及び130Bに結合されている。ゲート
・ドライバ128A及び128B、並びに130A及び
130Bは、IGBT104A〜104Dに結合されて
いる。論理インバータ132A及び132Bはゲート・
ドライバ128A及びゲート・ドライバ130Aへの信
号を反転させるので、IGBT104A及び104Bは
常に反対の状態となり(例えば、IGBT104Aが
「オン」で、IGBT104Bが「オフ」となり)、I
GBT104C及び104Dは常に反対の状態となる。
【0011】動作について説明すると、IGBT104
A〜104Dは制御器118によって制御されて、電圧
レベルが±Vinの正方形波電圧Vt を供給する。正方形
波電圧Vtの周波数ft 及びデューティ・サイクルDt
は、以下に説明するように、制御器118のスイッチン
グ手順に依存する。電圧Vt は、インダクタ(L)10
6とコンデンサ(C)108との直列接続に印加される
と共に、変圧器110の1次側に印加される。変圧器1
10の2次側はダイオード・ブリッジ112に電圧を供
給し、ダイオード・ブリッジ112は負荷116に電流
out を供給して、直流電圧Vout を発生させる。
【0012】制御器118に対して、電圧Vout がサン
プリングされる。誤差増幅器120によって、このよう
なサンプル値が基準電圧Vrefから減算されて、誤差電
圧Veが求められる。即ち、 Ve =Vref −Vout 式(1) 制御電圧Vc は、対数増幅器122を利用して誤差電圧
eの対数により求められる。具体的に制御電圧V
c は、次式で与えられる。
【0013】 Vc=Blog10(Ve・A) 式(2) ここで、A及びBは定数である。制御電圧Vc を用い
て、インバータ102の動作のためのスイッチング周波
数が求められる。もちろん、インバータ102のスイッ
チング周波数も、正方形波電圧Vt の周波数ftであ
る。電圧制御発振器126は、周波数ft を次式のよう
に求める。
【0014】 ft=f0 +f1 ・Vc 式(3) ここで、f0 =1/2π(LC)1/2 であり、f1 は正
の定数である。制御電圧Vc は又、電圧制御位相遅延器
124によって用いられており、IGBT104A及び
104Bのスイッチングと比較したIGBT104C及
び104Dのスイッチングに対する位相遅延θが求めら
れる。詳しく述べると、位相遅延θは18°・Vc に等
しい。上述のようにIGBT104A〜104Dの位相
遅延を制御することにより、正方形波電圧Vtのデュー
ティ・サイクルDt は、次式のようになる。
【0015】 Dt =((180°−18°・Vc)/180°)・100% 式(4 ) 特定の例として、下記の条件の場合には、出力電流I
outはVcの指数関数に近くなる。詳しく述べると、下記
の条件L=32[μH]、C=2[μF]、f1 =4
[kHz]、Vin=290[V]、Vout =180
[V]、及びXFMR(変圧器)=1:1の下で、出力
電流Iout は次式で近似される。
【0016】
【数1】
【0017】式(5)に式(2)を代入して、B=−
3.6とすることにより、次式が得られる。 Iout=220・A・Ve 式(6 ) 上述の特定の例に示すように、Iout はVe の線形関数
である。従って、制御器118が出力電力の全範囲にわ
たって最適応答を与えるように、定数Aを容易に選択す
ることができる。
【0018】図3は、本発明によるSRCのもう1つの
実施例を示す。図3に示されている構成要素で図2に示
された構成要素と同じものは、図2で用いたものと同じ
参照番号を図3でも用いている。図3に示すように、勾
配増幅器152が、多出力直列共振電源、即ちSRC1
54に結合されている。SRC154は、6つのダイオ
ード・ブリッジ158A〜158Fに結合されている6
出力変圧器156を含んでいる。ダイオード・ブリッジ
158A〜158Fは、勾配増幅器152のそれぞれの
インバータ160A〜160Fに結合されている。コン
デンサ162A〜162Fがそれぞれのダイオード・ブ
リッジ158A〜158Fの出力の両端の間に結合され
ている。コンデンサ162B、162D及び162Fの
両端の間に発生される電圧信号は、それぞれの差動増幅
器164A〜164Cに結合されている。差動増幅器1
64A〜164Cの出力は、帰還選択器166に供給さ
れる。
【0019】勾配増幅器152は、インバータ160A
〜160Fのスイッチングを制御する制御器168A〜
168Cを含んでいる。制御器168A〜168Cは増
幅器170A〜170Cに制御信号を供給する。増幅器
170A〜170Cの出力は、インバータ160A〜1
60Fの出力と直列になっている。各々のインバータ対
160A及び160B、160C及び160D、並びに
160E及び160Fは、それぞれの勾配コイル172
A〜172Cに正電圧及び負電圧を供給する。勾配コイ
ル172A〜172Cは、例えばMRイメージンク装置
のコイルとすることができる。勾配増幅器152及び勾
配コイル172A〜172Cの動作は、本発明の譲り受
け人に譲渡され、ここに全体が参照されるべき米国特許
第5,451,878号、「非共鳴勾配磁界加速器」
(Non-Resonant Gradient Field Accelerator)に説明
されている。
【0020】SRC154の動作について説明すると、
コンデンサ162B、162D及び162Fの両端の間
に発生された電圧信号は、差動増幅器164A〜164
Cを介して帰還選択器166に供給される。帰還選択器
166は、このような増幅器164A、164B及び1
64Cから受け取った電圧の大きさを比較して、最低
の、即ち最小の電圧値レベルを制御器118に入力とし
て供給する。制御器118は前に説明したように動作し
て、インバータ102のスイッチングを制御する。
【0021】上述のSRCは、電圧制御発振器及び位相
遅延器を同時に使用してIGBTのゲーティングを制御
することにより、変化する負荷の要求に素早く応答し、
効率がよい。又、良好なEMI性能が得られる。本発明
の種々の実施例の前述した説明から、本発明の目的が達
成されることは明らかである。本発明を詳細に図示し、
説明してきたが、これらは例示のためのものに過ぎず、
本発明を限定するためのものでないことが明確に理解さ
れるはずである。例えば負荷は、必ずしもMRイメージ
ング装置の勾配コイルである必要はない。本発明におけ
るSRCは、他の多くの形式の負荷に電力を供給するた
めに使用することができる。従って、本発明の要旨は、
特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術の直列共振電力変換器の概略回路図で
ある。
【図2】本発明の一実施例による制御器を含んでいる直
列共振電力変換器の概略回路図である。
【図3】本発明のもう1つの実施例による直列共振電力
変換器の概略回路図である。
【符号の説明】
100 直列共振電力変換器(SRC) 102 インバータ 104A〜104D IGBT 106 インダクタ 108 コンデンサ 110 変圧器 112 ダイオード・ブリッジ 114A〜114D ダイオード 118 制御器 120 誤差増幅器 122 対数増幅器 124 電圧制御位相遅延器 126 電圧制御発振器 128A、128B、130A、130B ゲート・ド
ライバ 152 勾配増幅器

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁気共鳴イメージング装置において電力
    を供給する直列共振電力変換器(100)であって、 インバータ(102)と、 該インバータ(102)の出力に結合されているインダ
    クタ(106)と、 該インダクタ(106)と直列に結合されているコンデ
    ンサ(108)と、 1次側と、2次側とを有している変圧器であって、前記
    コンデンサ(108)は、該変圧器(110)の前記1
    次側に結合されている、変圧器(110)と、 該変圧器(110)の前記2次側に結合されているダイ
    オード・ブリッジ(112)と、 該ダイオード・ブリッジ(112)の出力に結合されて
    いる制御器であって、前記インバータ(102)の周波
    数及び位相遅延の両方を実質的に同時に制御するように
    構成されている制御器(118)とを備えた直列共振電
    力変換器(100)。
  2. 【請求項2】 前記インバータ(102)は、4つの絶
    縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(104A、10
    4B、104C及び104D)を含んでいる請求項1に
    記載の直列共振電力変換器(100)。
  3. 【請求項3】 前記ダイオード・ブリッジ(112)
    は、4つのダイオード(114A、114B、114C
    及び114D)を含んでいる請求項1に記載の直列共振
    電力変換器(100)。
  4. 【請求項4】 前記ダイオード・ブリッジ(112)の
    出力は、前記磁気共鳴イメージング装置の勾配コイルに
    結合された少なくとも1つの増幅器に結合されている請
    求項1に記載の直列共振電力変換器(100)。
  5. 【請求項5】 前記制御器(118)は、前記ダイオー
    ド・ブリッジ(112)の出力電圧Voutを所定の基準
    電圧Vref と比較する誤差増幅器(120)を含んでい
    る請求項1に記載の直列共振電力変換器(100)。
  6. 【請求項6】 前記制御器(118)は更に、対数増幅
    器(122)を含んでおり、前記誤差増幅器(120)
    の出力は、前記対数増幅器(122)に結合されている
    請求項5に記載の直列共振電力変換器(100)。
  7. 【請求項7】 前記対数増幅器(122)の出力は、電
    圧制御位相遅延器(124)及び電圧制御発振器(12
    6)に結合されている請求項6に記載の直列共振電力変
    換器(100)。
  8. 【請求項8】 前記位相遅延器(124)及び前記発振
    器(126)は、複数のゲート・ドライバ(128A、
    128B、130A及び130B)に結合されており、
    該ゲート・ドライバは、前記インバータに結合されてい
    る請求項7に記載の直列共振電力変換器(100)。
  9. 【請求項9】 前記変換器(100)の出力は、勾配増
    幅器(152)に結合されている請求項1に記載の直列
    共振電力変換器(100)。
JP30756096A 1995-11-20 1996-11-19 直列共振電力変換器 Expired - Fee Related JP3745848B2 (ja)

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