多电平逆变器以及利用其提供多电平输出电压的方法技术

本发明专利技术涉及一种多电平逆变器以及一种用于通过多电平逆变器提供多电平输出电压的方法，其中，所述多电平逆变器包括至少一个级联H桥多电平模块，其中，每个H桥多电平模块包括并联连接的第一H桥多电平支路和第二H桥多电平支路，其中，第一和第二H桥多电平支路中的每个包括通过耦合电感器并联连接的第一逆变器支路和第二逆变器支路，所述第一和第二逆变器支路分别被耦合至所述耦合电感器的初级绕组和次级绕组，以提供具有多个电压电平的第一和第二输入电压，其中，所述第一输入电压相对于所述第二输入电压具有预定相移。所述多电平逆变器能够具有较低的输出电压变化，并且由此消除了由大的输出电压变化导致的问题。了由大的输出电压变化导致的问题。了由大的输出电压变化导致的问题。

【技术实现步骤摘要】
多电平逆变器以及利用其提供多电平输出电压的方法
[0001]本申请是2015年9月29日提交的申请号为201580052819.5、名称为“多电平逆变器以及通过利用多电平逆变器提供多电平输出电压的方法”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及逆变器，并且尤其涉及多电平(level)逆变器以及用于通过多电平逆变器提供多电平输出电压的方法。

技术介绍

[0003]梯度线圈被用在磁共振成像(MRI)中。梯度线圈的电流必须达到数百安培以上几十ppm的精度以满足成像要求。例如，如在图1的电流分布概况100中所示，梯度线圈的电流I
线圈
需要在短时段(毫秒范围)内从
‑
180A变为+180A。
[0004]为了准确地控制梯度线圈的电流，需要梯度放大器以向梯度线圈提供准确的电压，其中，梯度放大器需要在梯度线圈的电流I
线圈
从一个电平变为另一电平的电流瞬时状态期间提供高电压，并且在梯度线圈的电流I
线圈
保持在特定电平处的电流稳定状态期间提供低电压。例如，如在图1中所示，梯度线圈的电流I
线圈
从
‑
180A变为180A或者从180A变为
‑
180A的状态是电流瞬时状态，并且梯度线圈的电流I
线圈
保持在
‑
180A或者180A处的状态是电流稳定状态。
[0005]然而，常规梯度放大器一般生成高频谐波。因此，如在图2A中所示，在梯度放大器210与梯度线圈230之间需要电磁干扰(EMI)滤波器220以去除由梯度放大器210生成的高频谐波。如在图2B中所示，常规EMI滤波器220通常包括两个电感器L1、L2、两个阻尼电阻器R1和三个电容器C1、C2、C3。
[0006]到目前为止，已经针对梯度放大器提出了不同的拓扑结构，其中，具有级联H桥(CHB)拓扑结构的梯度放大器在业中被广泛使用。具有CHB拓扑结构的现有梯度放大器210包括一个常规两电平逆变器或者更多的级联常规两电平逆变器。图3示出了常规两电平逆变器300的示意图。如在图3中所示，常规两电平逆变器300包括由串联耦合的开关QAH和QAL形成的第一半桥支路310以及由串联耦合的开关QBH和QBL形成的第二半桥支路320，其中，第一半桥支路310和第二半桥支路320被并联连接至具有电压V
总线
的直流电源330。常规两电平逆变器300提供输出电压VAB，其是在位于开关QAH与QAL之间的节点A处由第一半桥支路310输出的电压VA和在位于开关QBH与QBL之间的节点B处由第二半桥支路320输出的电压VB之间的差。
[0007]然而，在包括(一个或多个)两电平逆变器的常规梯度放大器210中，通常在其中生成丰富的高频谐波。因此，为了使由梯度放大器210生成的丰富高频谐波发生衰减，需要包括在EMI滤波器220中的电感器L1、L2的大电感值、包括在EMI滤波器220中的阻尼电阻器R1的大电阻值、以及包括在EMI滤波器220中的电容器C1、C2、C3的大电容值。然而，针对阻尼电阻器R1的大电阻值导致差的滤波器效率，并且此外，针对电感器L1、L2的大电感值以及针对电容器C1、C2、C3的大电容值将影响总系统控制带宽。
[0008]此外，返回参照图2A，梯度线圈230需要被连接至地240，以达到安全目的和EMI屏蔽要求，并且由此在梯度线圈230与地240之间存在大的重叠区域，其导致大的杂散电容C
杂散
。由于梯度放大器210在操作期间具有大的输出电压变化，因而大的共模电流I
杂散
流经杂散电容C
杂散
。通过置于梯度线圈230与EMI滤波器220之间的高精确度电流感测器250来感测共模电流I
杂散
，并且所述共模电流I
杂散
充当着高频干扰，其导致在MRI系统的操作期间的不稳定。
[0009]此外，梯度线圈230的电流大幅度地波动，因为梯度放大器210具有大的输出电压变化，其导致梯度线圈230中的高电流纹波。

技术实现思路

[0010]因此，考虑到上文所提及的在包括(一个或多个)两电平逆变器的常规梯度放大器中的缺陷，需要一种具有改善的性能的新颖的梯度放大器。
[0011]对此，本专利技术的专利技术人已经实施了大量实验，并且发现常规梯度放大器210中的不足归因于其中所利用的两电平逆变器，所述两电平逆变器具有大的输出电压变化，并且由此导致由常规梯度放大器210生成丰富的高频谐波。
[0012]相应地，本专利技术提供了一种多电平逆变器以及一种通过所述多电平逆变器提供多电平输出电压的方法，以解决先前提到的问题。
[0013]根据本专利技术的第一方面，其提出了一种多电平逆变器，包括：至少一个级联H桥多电平模块，其中，每个H桥多电平模块包括第一H桥多电平支路和第二H桥多电平支路，所述第一H桥多电平支路在所述第一H桥多电平支路的输出端子处具有多个输出电平，所述第二H桥多电平支路在所述第二H桥多电平支路的输出端子处具有多个输出电平，其中，所述第一和第二H桥多电平支路并联连接，并且所述H桥多电平模块的多电平输出是在所述第一H桥多电平支路与所述第二H桥多电平支路的输出端子之间输出的，其中，所述第一和第二H桥多电平支路中的每个包括通过耦合电感器并联耦合的第一逆变器支路和第二逆变器支路，所述第一逆变器支路被耦合至所述耦合电感器的初级绕组，以提供具有多个电压电平的第一输入电压，第二逆变器支路被耦合至所述耦合电感器的次级绕组，以提供具有多个电压电平的第二输入电压，所述耦合电感器的初级绕组和次级绕组串联耦合，并且所述串联耦合的所述初级绕组和所述次级绕组的接头节点形成所述H桥多电平支路的输出端子，其中，第一输入电压相对于第二输入电压具有预定相移。
[0014]以这种方式，由于每个H桥多电平模块的第一H桥多电平支路和第二H桥多电平支路中的每个输出多电平输出电压，因而所述多电平逆变器能够具有更低的输出电压变化，并且由此消除由大的输出电压变化导致的问题。
[0015]在本专利技术的实施例中，第一和第二逆变器支路中的每个包括具有串联耦合的高压侧(high side)开关和低压侧(low side)开关的半桥支路，用于第一H桥多电平支路的第一和第二逆变器支路中的高压侧开关的驱动信号相对于彼此具有所述预定相移，并且用于所述第二H桥多电平支路的第一和第二逆变器支路中的低压侧开关的驱动信号相对于彼此具有所述预定相移。以这种方式，使得能够由第一逆变器支路提供的第一输入电压相对于由第二逆变器支路提供的第二输入电压具有所述预定相移。在本专利技术的实施例中，使M个H桥多电平模块级联，并且每个H桥多电平模块的输出相对于相邻H桥多电平模块具有360
°
/M相
移，其中，M是大于或等于2的整数。
[0016]以这种方式，多电平逆变器能够提供增加的等价切换频率，并且由此带来降低的电流纹波。
[0017]根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多电平逆变器(70)，包括：至少一个级联H桥多电平模块(50)，其中，每个H桥多电平模块包括第一H桥多电平支路(510)和第二H桥多电平支路(540)，所述第一H桥多电平支路(510)在所述第一H桥多电平支路(510)的输出端子(A)处具有多个输出电平，所述第二H桥多电平支路(540)在所述第二H桥多电平支路(540)的输出端子(B)处具有多个输出电平，其中，所述第一H桥多电平支路(510)和所述第二H桥多电平支路(540)被并联连接，并且所述H桥多电平模块的多电平输出(VAB)是在所述第一H桥多电平支路(510)的所述输出端子(A)与所述第二H桥多电平支路(540)的所述输出端子(B)之间被输出的，其中，所述第一H桥多电平支路(510)和所述第二H桥多电平支路(540)中的每个包括通过耦合电感器(516、546)并联耦合的第一逆变器支路(512、542)和第二逆变器支路(514、544)，所述耦合电感器包括缠绕芯的初级绕组和次级绕组，所述第一逆变器支路(512、542)被耦合至所述耦合电感器(516、546)的所述初级绕组以提供具有多个电压电平的第一输入电压，所述第二逆变器支路(514、544)被耦合至所述耦合电感器(516、546)的所述次级绕组以提供具有多个电压电平的第二输入电压，所述耦合电感器的所述初级绕组和所述次级绕组被串联耦合，并且串联耦合的所述初级绕组和所述次级绕组的接头节点(A、B)形成相应的H桥多电平支路的所述输出端子(A、B)，其中，所述第一输入电压相对于所述第二输入电压具有预定相移(θ)，使得在每个周期中跨所述第一H桥多电平支路的所述输出端子和所述第二H桥多电平支路的所述输出端子生成三个电平的电压，其中，每个H桥多电平模块(50)的所述第一H桥多电平支路(510)和所述第二H桥多电平支路(540)并联连接到直流电源(580)。2.根据权利要求1所述的多电平逆变器(70)，其中，所述第一逆变器支路和所述第二逆变器支路中的每个包括具有串联耦合的高压侧开关(QAH)和低压侧开关(QAL)的半桥支路。3.根据权利要求2所述的多电平逆变器(70)，其中，用于所述第一H桥多电平支路的所述第一逆变器支路和所述第二逆变器支路中的所述高压侧开关(QAH)的驱动信号相对于彼此具有所述预定相移(θ)，并且用于所述第二H桥多电平支路的所述第一逆变器支路和所述第二逆变器支路中的所述低压侧开关(QAL)的驱动信号相对于彼此具有所述预定相移(θ)。4.根据权利要求1所述的多电平逆变器，其中，具有2
n
‑1+1个电压电平的所述第一输入电压和所述第二输入电压导致从所述第一H桥多电平支路和所述第二H桥多电平支路中的每个输出的2
n
+1个输出电平，其中，n是等于或大于1的整数。5.根据权利要求4所述的多电平逆变器，其中，通过使具有2
k
+1个输出电平的两个H桥多电平支路通过所述耦合电感器并联耦合而将具有2
k
+1个输出电平的H桥多电平支路扩展为具有2
k+1
+1个输出电平的H桥多电平支路，其中，k为1、
……
、n。6.一种用于通过多电平逆变器(70)提供多电平输出电压的方法，其中，所述多电平逆变器包括至少一个级联H桥多电平模块(50)，其中，每个H桥多电平模块包括并联连接的第一H桥多电平支路(510)和第二H桥多电平支路(540)，并且所述H桥多电平模块的输出电压是在所述第一H桥多电平支路(510)的输出端子(A)与所述第二H桥多电平支路(540)的输出端子(B)之间被输出的，其中，所述第一H桥多电平支路和所述第二H桥多电平支路中的每个包括通过耦合电感器(516、546)并联耦合的第一逆变器支路(512、542)和第二逆变器支路
(514、544)，所述耦合电感器(516、546)包括缠绕芯的初级绕组和次级绕组，所述第一逆变器支路(512、542)被耦合至所述耦合电感器(516、546)的所述初级绕组，所述第二逆变器支路(514、544)被耦合至所述耦合电感器(516、546)的次级绕组，所述耦合电感器(516、546)的所述初级绕组和所述次级绕组被串联耦合，并且串联耦合的所述初级绕组和所述次级绕组的接头节点(A、B)形成相应的H桥多电平支路的所述输出端子(A、B)，其中，所述第一输入电压相对于所述第二输入电压具有预定相移(θ)，使得在每个周期中跨所述第一H桥多电平支路的所述输出端子和所述第二H桥多电平支路的所述输出端子生成三个电平的电压，其中，每个H桥多电平模块(50)的所述第一H桥多电平支路(510)和所述第二H桥多电平支路(540)并联连接到直流电源(580)，所述方法包括：由每个H桥多电平模块的所述第一H桥多电平支路(510)的所述第一逆变器支路(512)生成具有多个电平的第一电压；由每个H桥多电平模块的所述第一H桥多电平支路(510)的所述第二逆变器支路(514)生成具有多个电平的第二电压，所述第二电压相对于所述第一电压具有预定相移；由每个H桥多电平模块(50)的所述第一H桥多电平支路(510)基于所生成的具有所述预定相移的第一电压和第二电压来生成具有多个电平的第三电压；由每个H桥多电平模块(50)的所述第二H桥多电平支路(540)的所述第一逆变器支路(542)生成具有多个电平的第四电压；由每个H桥多电平模块(50)的所述第二H桥多电平支路(540)的所述第二逆变器支路(544)生成具有多个电平的第五电压，所述第五电压相对于所述第四电压具有所述预定相移；由每个H桥多电平模块(50)的所述第二H桥多电平支路(540)...

【专利技术属性】
技术研发人员：林应锋，M，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：