具有电感耦合的并联功率堆栈的电力转换器制造技术

一种电力转换器(10)，包括第一堆栈(131)和第二堆栈(132)。该第一堆栈和该第二堆栈各自包括布置在至少一个全H桥和/或多个半H桥(15)中的多个可控功率开关(S1

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有电感耦合的并联功率堆栈的电力转换器


[0001]本专利技术涉及一种电力转换器。特别地，本专利技术涉及一种克服与低电流电平下晶体管开关的死区时间(dead
‑
time)有关的问题的多级电力转换器。根据本专利技术的电力转换器特别适合用作在磁共振成像(MRI)系统中驱动梯度线圈的放大器。

技术介绍

[0002]MRI系统中的梯度线圈提供用于执行成像测量的磁场。这些梯度线圈需要必须被控制的高电压和高电流。电压通常约为2000V及以上。所需的峰值电流约为600A及以上。图像的质量和分辨率取决于磁场控制的精确程度。因此，需要对电流有很高的精度来防止图像伪影。
[0003]MRI扫描仪中的梯度放大器驱动梯度线圈，该梯度线圈的电感通常为数百μH至1mH。梯度放大器被构造成将该梯度线圈驱动到特定的磁场，并且通常包括布置在所谓的开关支路中的开关元件，它们一起形成H桥。开关元件可以由带有反并联二极管的IGBT开关构成，或者可以替代地使用带有并联二极管的任何其他电子控制开关。这些开关通过适合于H桥的脉冲宽度调制(PWM)方案(例如，单极或双极PWM)来控制。
[0004]除了快速斜升和斜降电流之外，梯度放大器还需要产生双向高电压和电流。由于这种高电压和高电流需要使用高功率部件，从而限制了开关频率。为了以高频切换所需的电压和电流，从US 2017/0045596中已知使用级联的H桥。这允许通过H桥来分配电力需求。此外，有效开关频率和开关电平的数量都增加了。从US 2018/0231623中进一步了解到，通过耦合的电感器来并联耦合两个级联H桥逆变器堆栈。
[0005]然而，H桥拓扑结构会经历死区时间(或消隐时间)效应。死区时间是指顶部开关和底部开关(换句话说：一条支路的所有开关)都被命令关闭的时间。增加这个死区时间是为了防止在转变期间电压源短路(击穿)，并为由于开关的导通和关断延迟造成的交叉传导创造余量。由于死区时间上所需的余量，存在单个开关支路的顶部和底部开关都关闭的时刻。在该时间期间，H桥的输出电压由每个开关支路中电流的符号决定，因为这决定了哪些并联二极管将导通。这种取决于电流的输出电压对转换器输出信号的质量有负面影响。这种影响还在输出电压/电流对变化的控制信号的响应中产生死区，特别是在低负载电流下。当使用多个H桥单元时，由于每个H桥单元都需要一定的死区时间，死区时间的影响变得更大。由于在低输出电流下存在死区，因此输出电流难以控制，输出质量较差，并且负载电流与参考信号之间存在较大误差。
[0006]US 2017/00445596描述了通过在H桥的开关支路的中心注入偏置电流来克服死区时间效应。注入的偏置电流在低输出电流水平下迫使电流的方向通过开关，从而在这些低电流下产生定义良好的开关转变。因此，死区时间效应被转移到更高的正负负载电流上，该效应通过控制器来减小和补偿。这种方法的一个缺点是每个半H桥都需要附加的辅助电路。这增加了硬件的复杂性、部件的数量、部件失效的概率和放大器的成本。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种电力转换器，其具有至少与现有技术的电力转换器相同且有利地改进的性能，特别是在低输出电流电平下。本专利技术的目的是以更少的硬件和/或以更低的成本实现这种同等或改进的性能。
[0008]根据本专利技术的第一方面，因此提供了一种如所附权利要求中阐述的电力转换器。
[0009]根据本专利技术的电力转换器包括第一堆栈。该第一堆栈包括布置在串联级联的一个或多个第一H桥中的多个可控功率开关。该一个或多个第一H桥可以是至少一个全H桥或多个半H桥、或两者的组合。
[0010]根据本专利技术，该电力转换器包括第二堆栈。该第二堆栈包括布置在串联级联的一个或多个第二H桥中的多个可控功率开关。该一个或多个第二H桥可以是至少一个全H桥或多个半H桥、或两者的组合。根据本专利技术，该第一堆栈和该第二堆栈通过电感部件并联连接。该电感部件可以以各种方式实施。在一个特别有利的方式中，该电感部件包括至少一个耦合电感器。
[0011]与US 2017/00445596的转换器相比，根据本专利技术的电力转换器允许进一步减少死区时间效应，因为它可以将功率开关的死区时间效应转移到甚至更高的输出电流电平，其中的操作问题更少。另外，以更少的硬件获得了改进的操作性能，从而降低了硬件复杂度，这也降低了制造成本。
[0012]该电力转换器包括控制器，该控制器可操作地耦合到该第一堆栈和该第二堆栈的多个可控功率开关。该控制器被配置为以交错的方式操作该第一全H桥和/或半H桥和该第二全H桥和/或半H桥。这进一步允许增加电压电平的数量和有效的开关频率，从而减少纹波。该控制器被配置为通过脉冲宽度调制(PWM)方案操作该第一堆栈和该第二堆栈的多个可控功率开关，该脉冲宽度调制方案定义设置该第一堆栈和该第二堆栈的共模电压电平的调制参数。因此，在本专利技术的电力转换器中应用的交错方式被配置为调整应用于如本文所述的第一堆栈和第二堆栈的调制参数，比如占空比。将调制参数应用于脉冲宽度调制控制信号以调节每个H桥的输出电压。
[0013]根据本专利技术，该PWM方案实施选择性地调整该第一和该第二全H桥和/或半H桥的PWM控制信号中的调制参数的偏移量，从而允许控制在该第一堆栈与该第二堆栈之间流动的差模电流。该PWM方案被配置为通过在布置在该第一堆栈和该第二堆栈中对应位置处的第一和第二全H桥和/或半H桥之间交替地加减该偏移量来选择性地调整该调制参数。这样的PWM方案允许在全H桥和/或半H桥的开关的开关事件产生非零循环电流。结果，死区时间效应在开关事件中得以消除或至少减少，并获得改进的电力转换器的软开关行为。
[0014]根据本专利技术的第二方面，提供了一种用于磁共振成像装置的梯度放大器，该梯度放大器包括根据该第一方面的电力转换器。
[0015]根据本专利技术的第三方面，提供了一种磁共振成像装置，该磁共振成像装置包括梯度线圈和根据该第一方面的电力转换器。该电力转换器可操作地耦合到该梯度线圈。
[0016]根据本专利技术的第四方面，提供了一种如所附权利要求中所述的操作电力转换器的方法。
[0017]在下文和从属权利要求中阐述了进一步的有利方面。
附图说明
[0018]现在将参考附图更详细地描述本专利技术的方面，其中，相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：
[0019]图1表示根据本专利技术的电力转换器的拓扑结构；
[0020]图2表示在图1的电力转换器中使用的功率堆栈的拓扑结构；
[0021]图3表示根据本专利技术的两个并联功率堆栈之间的电感耦合的第一实施例；
[0022]图4表示图3拓扑结构的共模电流的等效电路；
[0023]图5表示图3拓扑结构的差模电流的等效电路；
[0024]图6表示根据本专利技术的两个并联功率堆栈之间的电感耦合的第二实施例；
[0025]图7表示图6拓扑结构的共模电流的等效电路；
[0026]图8表示图6拓扑结构的差模电流的等效电路；
[0027本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电力转换器(10)，包括：第一堆栈(131)，该第一堆栈包括布置在至少一个第一全H桥和/或多个第一半H桥(15)中的多个可控功率开关(S1
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S4)，该至少一个第一全H桥和/或该多个半H桥串联连接，第二堆栈(132)，该第二堆栈包括布置在至少一个第二全H桥和/或多个第二半H桥(15)中的多个可控功率开关(S1
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S4)，该至少一个第二全H桥和/或该多个半H桥串联连接，其中，该第一堆栈(131)和该第二堆栈(132)通过电感部件(14)并联连接，控制器(17)，该控制器可操作地耦合到该第一堆栈和该第二堆栈的多个可控功率开关(S1
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S4)，其中，该控制器被配置为以交错的方式操作该第一全H桥和/或半H桥(15)和该第二全H桥和/或半H桥，其中，该控制器(17)被配置为通过脉冲宽度调制方案操作该第一堆栈和该第二堆栈的该多个可控功率开关(S1
‑
S4)，该脉冲宽度调制方案定义设置该第一堆栈和该第二堆栈的共模电压电平(v
sn
)的调制参数(d
com
)，其特征在于，该脉冲宽度调制方案实施偏移量(d
offset
)，通过在布置在该第一堆栈(131)和该第二堆栈(132)中的对应位置处的该第一和该第二全H桥和/或半H桥(V
H11
，V
H21
)之间交替地加减该偏移量(d
offset
)，选择性地调整该第一和该第二全H桥和/或半H桥(15)的脉冲宽度调制控制信号中的调制参数(d
com
)，从而允许控制在该第一堆栈(131)与该第二堆栈(132)之间流动的差模电流。2.如权利要求1所述的电力转换器，其中，该电感部件耦合在该第一堆栈(131)与该第二堆栈(132)之间，以允许从该第一堆栈(131)和该第二堆栈(132)输出共模电流(i
DM
)，并且在该第一堆栈与该第二堆栈之间循环该差模电流(i
diff
)。3.如权利要求1或2所述的电力转换器，其中，该电感部件包括一对电感器(141，142)，其中，该对电感器中的每个电感器与相应的第一堆栈和第二堆栈串联连接，并且其中，从该第一堆栈(131)和该第二堆栈(132)输出的共模电流(i
DM
)是从该对电感器之间的中间点引出的。4.如权利要求3所述的电力转换器，包括第三电感器(140)，该第三电感器并联连接到该对电感器(141，142)。5.如前述权利要求中任一项所述的电力转换器，其中，该电感部件(14)包括连接到该第一堆栈(131)和该第二堆栈(132)的第一耦合电感器。6.如前述权利要求中任一项所述的电力转换器，其中，该脉冲宽度调制方案被配置为通过分别在相应的第一或第二H桥的脉冲宽度调制控...

【专利技术属性】
技术研发人员：约斯特，
申请(专利权)人：浦卓科技创新服务有限公司，
类型：发明
国别省市：