專利名稱：開關(guān)式電源設(shè)備及使用它的磁共振成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)式電源設(shè)備，該設(shè)備適用于磁場產(chǎn)生用線圈，即用于需要高電流精度和例如1000～2000V和500A的非常高的電壓和非常大的電流的磁共振成像設(shè)備(以后稱為MRI設(shè)備)的靜態(tài)磁場，梯度磁場或高頻磁場產(chǎn)生用線圈，以及使用它的MRI設(shè)備。
背景技術(shù)：
開關(guān)式電源已經(jīng)作為MRI設(shè)備的電源設(shè)備而大量使用，近來，為了適應增加電流的需求，用于MRI設(shè)備的磁場產(chǎn)生用線圈的電源設(shè)備通過并聯(lián)兩級PWM反相器而構(gòu)成，正如JP-A-8-211139中所公開的那樣。而且，在驅(qū)動三相電動機的反相器電源的領(lǐng)域，使用了多級反相器技術(shù)來提升電壓和增強電流并反方向地測量高次諧波分量，如在Jose Rodriguez等的“Multilevel InvertersA Survey ofTopologies，Control，and Applications”(IEEE TRANSACTION ON INDUSTRIALELECTRONICS，2002年8月，第4號，卷49，724-728頁)所公開的。
雖然當前用于MRI設(shè)備的電源設(shè)備為了高速成像而需要提升電壓和增強電流，但即便將以上所提及的多級PWM反相器用于開關(guān)式電源，在開關(guān)操作期間仍然會產(chǎn)生電流脈動，從而降低了提供給作為負載工作的磁場產(chǎn)生用線圈的電流精度，而這妨礙了取得高質(zhì)量的MRI圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能進一步降低電流波紋的高電壓和大電流的開關(guān)式電源設(shè)備以及使用它的MRI設(shè)備。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于MRI設(shè)備的磁場產(chǎn)生線圈的開關(guān)式電源設(shè)備，其中，開關(guān)電源通過相對于作為負載工作的用于MRI設(shè)備的磁場產(chǎn)生線圈并聯(lián)關(guān)系的具有相同電勢的第一和第二多級PWM反相器構(gòu)成，同時還構(gòu)建有用于驅(qū)動控制第一和第二多級PWM反相器的開關(guān)控制電路來以彼此移位的方式驅(qū)動控制第一和第二多級PWM反相器的開關(guān)相位，從而消除從第一和第二多級PWM反相器輸出的電流脈動并能提供給負載一個在總體上進一步降低了脈動分量的電流。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MRI設(shè)備所使用的電源設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是圖1所示的用于MRI設(shè)備所使用的電源設(shè)備的多級二極管簎位型PWM反相器的電路圖；圖3是圖2所示的并聯(lián)的各個多級二極管箝位型PWM反相器的電壓和電流輸出波形圖以及其總的輸出電流波形圖；圖4顯示的是將傳統(tǒng)的兩級反相器和傳統(tǒng)的五級反相器進行比較的輸出電流波形圖；和圖5顯示的是圖1所示的開關(guān)電路19的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
現(xiàn)參考附圖來解釋本發(fā)明的實施例。
圖1顯示了當將根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的開關(guān)式電源設(shè)備應用于MRI設(shè)備的梯度磁場線圈時的結(jié)構(gòu)框圖。
用于MRI設(shè)備的梯度磁場線圈用電源設(shè)備2以從三相AC電源3供電的方式構(gòu)成并連接到作為負載工作的梯度磁場用線圈1以對其提供電流。用于MRI設(shè)備的梯度磁場線圈用電源設(shè)備2提供有一個連接到三相AC電源3并能將三相AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓的AC/DC轉(zhuǎn)換器4，連接到AC/DC轉(zhuǎn)換器4的輸出端并平滑DC電壓的平滑電容5以及連接到平滑電容5以接收平滑DC電壓并分別給在梯度磁場用線圈1中的X軸線圈6，Y軸線圈7和Z軸線圈8提供電流的起到電流放大器功能的開關(guān)電源9～11。
開關(guān)電源9由兩個分別在其輸入端與表示DC電壓源的平滑電容5并聯(lián)的多級PWM反相器12和13，分別連接在多級PWM反相器12和13的輸出端并與作為負載工作的梯度磁場用線圈1中的X軸線圈6串聯(lián)的限流裝置14～17，用于檢測開關(guān)電源9和開關(guān)控制電路19的輸出電流的電流檢測裝置18，該輸出電流作為從MRI設(shè)備的序列發(fā)生器70來的電流指令值和從電流檢測裝置18輸出的電流檢測值的輸入并驅(qū)動控制多級PWM反相器12和13，所以，這兩個值的差為零，并且開關(guān)控制電路19提供有控制功能來改變并聯(lián)的兩個多級PWM反相器12和13的開關(guān)相位以消除輸出的電流脈動。
由于分別連接到梯度磁場用線圈1中的Y軸線圈7和Z軸線圈8的開關(guān)電源10和11的結(jié)構(gòu)與以上所說明的開關(guān)電源9的結(jié)構(gòu)相同，因此僅指出以上的事實，而省略對其的說明。
圖2是作為多級PWM反相器12和13的實例的五級二極管箝位型PWM反相器的電路圖。
五級二極管簎位型PWM反相器以如下方式構(gòu)成，在其輸入端連接有DC電源E和E0，而其輸出端A和B能夠輸出任何所需的電壓波形。五級二極管箝位型PWM反相器的分壓電容20～23在DC電壓源E和E0端連接在一起以將DC電壓分成4個(E/4)，而且五級二極管簎位型PWM反相器包括有四組支路32～35，每個支路都由四對表示半導體開關(guān)的MOSFET 321～324，331～334，341～344和351～354以及與其反向并聯(lián)的二極管325～328，335～338，345～348和355～358串聯(lián)而成，并且四個支路都以全橋連接。在分壓電容20和21間的連接點與全橋結(jié)構(gòu)的各個支路32～35的半導體開關(guān)321，331，341和351以及半導體開關(guān)322，332，342和352間的各個連接點之間，分別連接有箝壓用二極管36～39。而且，在分壓電容21和22間的連接點和各個支路32～35的半導體開關(guān)322，332，342和352以及半導體開關(guān)323，333，343和353間的各個連接點之間，分別連接有箝壓用二極管40～43。類似地，在分壓電容22和23間的連接點與半導體開關(guān)323，333，343和353以及半導體開關(guān)324，334，344和354間的各個連接點之間，分別連接有簎壓用二極管44～47。
這里，對于開關(guān)控制電路19，當支路32中的半導體開關(guān)321～324導通時，在輸出端A輸出電壓+E，當支路32中的半導體開關(guān)322～324和支路33中的半導體開關(guān)331導通時，在輸出端A輸出電壓+E·3/4，當支路32中的半導體開關(guān)323，324和支路33中的半導體開關(guān)331，332導通時，在輸出端A輸出電壓+E·1/2，當支路32中的半導體開關(guān)324和支路33中的半導體開關(guān)331～333導通時，在輸出端A輸出電壓+E·1/4，而且，當支路33中的半導體開關(guān)331～334導通時，在輸出端A輸出電壓0，這樣就能在輸出端A獲得五級電壓輸出。
而且，以相同的方式，對于輸出端B，當支路34中的半導體開關(guān)341～344導通時，在輸出端B輸出電壓+E，當支路34中的半導體開關(guān)342～344和支路35中的半導體開關(guān)351導通時，在輸出端B輸出電壓+E·3/4，當支路34中的半導體開關(guān)343，344和支路35中的半導體開關(guān)351，352導通時，在輸出端B輸出電壓+E·1/2，當支路34中的半導體開關(guān)344和支路35中的半導體開關(guān)351～353導通時，在輸出端B輸出電壓+E·1/4，而且，當在支路35中的半導體開關(guān)351～354導通時，在輸出端B輸出電壓0，這樣，也能在輸出端B獲得五級電壓輸出。
因此，當考慮到在輸出端A和B之間的電壓差時，可以獲得九種電壓，-E，-E·3/4，-E/2，-E·1/4，0，+E·1/4，+E/2，+E·3/4和+E。
而且，通過將這些電壓進行PWM調(diào)制，就能相應于E和E0間的雙電壓而輸出從-E到+E的任何想要的電壓。
在各個多級PWM反相器12和13中，由于通過分壓電容20～23對DC電壓電源的電壓進行了分壓并且可以通過在各個支路32～34中的半導體開關(guān)321～324，331～334，341～344和351～354以及簎壓用二極管36～47連接到各個半導體開關(guān)的連接點，因此，只有分壓后的DC電壓提供給了各個半導體開關(guān)321～324，331～334，341～344和351～354，所以，即便使用低耐壓半導體開關(guān)，也能獲得高輸出電壓。而且，由于多級PWM反相器12和13還用作開關(guān)電源9～11的電流放大器，因此與傳統(tǒng)的兩級PWM反相器相比，能降低可能的電流脈動。
圖4是在本發(fā)明的實施例中所提供的傳統(tǒng)的兩級反相器和傳統(tǒng)的五級反相器的電壓和電流的示意性波形圖。
由于在傳統(tǒng)的兩級反相器中的輸出電流波形50是從正負兩個電勢所得到的，例如輸出電壓波形51所示，因此，當應用輸出波形51所示的電壓時，電流變化是很明顯的，結(jié)果，擴大了電流脈動。另一方面，由于在傳統(tǒng)的五級反相器中的輸出電流波形52是從五個電勢獲得的，如輸出電壓波形53所示，因此由輸出波形53所示的五個電勢所產(chǎn)生的電流變化非常輕微，從而與傳統(tǒng)的兩級反相器相比，降低了電流脈動。
現(xiàn)將說明彼此并聯(lián)并作為開關(guān)電源9～11的電流放大器的多級PWM反相器的優(yōu)點。
如圖1所示，在用于MRI設(shè)備的梯度磁場用電源設(shè)備2中，并聯(lián)使用了如圖2所示的多級二極管箝位型PWM反相器12和13并且在其輸出端相對于負載串聯(lián)有例如電抗線圈的電流控制裝置14～17。開關(guān)控制電路19提供有控制功能，該功能通過改變兩個多級二極管箝位型PWM反相器12和13的開關(guān)相位來執(zhí)行驅(qū)動控制以使在從序列發(fā)生器70來的電流指令值和從電流檢測裝置18來的電流檢測值之間的差為零，這將在以下具體說明。由于反相器的這種并聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅能增加輸出電流，而且還改變了開關(guān)相位，例如，正如以下所要說明的，在將開關(guān)相位改變180°的同時執(zhí)行該操作，能進一步降低電流脈動。
作為開關(guān)控制電路19的實例，圖5顯示了控制電路的示意圖，其中在將開關(guān)相位改變180°的同時操作反相器。控制電路19是電流指令值和電流檢測值的輸入并在將開關(guān)相位彼此改變180°的同時輸出PWM信號A和PWM信號B來執(zhí)行該操作。電流指令值和電流檢測值是反饋處理單元61的輸入。反饋處理單元61執(zhí)行處理以使在電流指令值和電流檢測值之間的差為零并輸出相應的控制變量。而且，基準時鐘產(chǎn)生裝置62產(chǎn)生頻率為開關(guān)頻率工作時的50％的基準時鐘，并且其輸出端通過邏輯反相單元64連接到一個鋸齒波產(chǎn)生裝置63和另一個鋸齒波產(chǎn)生裝置65。對于鋸齒波產(chǎn)生裝置63和65，所產(chǎn)生的鋸齒波相位彼此相差180°并且分別輸出到比較器66和67。比較器66和67從鋸齒波產(chǎn)生裝置63和65接收鋸齒波和從反饋處理單元61來的控制變量并將其進行比較，同時輸出PWM信號A和PWM信號B。
圖3顯示了將五級二極管箝位型PWM反相器用作多級PWM反相器12和13并且在將二者間的開關(guān)相位改變180°的同時執(zhí)行PWM控制時的電壓輸出波形48A和48B以及電流輸出波形49A和49B。而且，曲線49表示通過交疊輸出電流波形49A和49B所形成的總的輸出電流波形，并且可以觀察到通過改變兩個反相器的開關(guān)相位，電流脈動在整體上降低了。
正如結(jié)合圖4所做的說明，與兩級反相器相比，五級二極管箝位型PWM反相器本身就能產(chǎn)生降低了電流脈動的輸出電流波形，但結(jié)合輸出電壓波形48A和48B中的變化，仍然能觀察到一些電流脈動。另一方面，由于本發(fā)明的開關(guān)控制電路19為改變在兩個多級PWM反相器12和13間的開關(guān)相位而提供有驅(qū)動控制的控制功能，以使在電流指令值和從電流檢測裝置18來的電流檢測值之間的差為零，因而彼此消除了在相位改變180°的多級PWM反相器之間的電流脈動，從而，能獲得降低了脈動的電流輸出。為了達到這種脈動消除效果，優(yōu)選地是相位改變180°，但相位改變的數(shù)值并不限于此，當兩個多級PWM反相器12和13之間的開關(guān)相位充分改變時都能使得電流脈動降低。
當電源設(shè)備用于MRI設(shè)備時，在輸出高電壓和大電流的同時降低了dv/dt噪聲和降低了電流脈動是很重要的。通過使用多個并聯(lián)連接的多級PWM反相器12和13，能實現(xiàn)高電壓和大電流，而且，由于用于改變并聯(lián)的多級PWM反相器彼此的開關(guān)相位的驅(qū)動控制，能實現(xiàn)降低dv/dt噪聲和降低電流脈動。
而且，在以上所說明的實施例中，對于多級PWM反相器12和13，用五級二極管箝位型PWM反相器為例并對其進行了說明，但本發(fā)明并不限于此，也可以使用兩級以上的多級PWM反相器，由于級數(shù)越多，輸出電壓就越高，越能降低dv/dt噪聲和電流脈動，而另一方面，也就增加了半導體開關(guān)的數(shù)量并增大了反相器的尺寸。而且，雖然以半導體開關(guān)使用MOSFET為例來進行了說明，但也能夠使用例如雙極晶體管，IGBT，GTO，和閘流晶體管來作為半導體開關(guān)。此外，雖然說明了兩組并聯(lián)并且具有180°相位差的多級PWM反相器的操作，但如果并聯(lián)多個反相器并且隨著連續(xù)的相位改變而操作，那么也能降低電流脈動。而且，雖然限流裝置14～17以電抗線圈為例，但其也能使用電阻。而且，如果也能與作為電流放大器的給開關(guān)電源9～11提供DC電壓的DC電源進行相同的操作，那么對于AC/DC轉(zhuǎn)換器4，平滑電容5和三相AC電源3，系統(tǒng)也并不限于此。而且，對于連接開關(guān)式電源設(shè)備的負載，除了已經(jīng)說明了的用于MRI設(shè)備的梯度磁場用線圈，開關(guān)式電源設(shè)備還能用于并連接到作為負載的產(chǎn)生靜態(tài)磁場或高頻磁場的線圈。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)式電源設(shè)備，包括相對于負載并聯(lián)的第一和第二開關(guān)電源；電流檢測單元，用于檢測來自第一和第二開關(guān)電源的提供給負載的電流；開關(guān)控制電路，其接收提供給負載的電流指令值和來自電流檢測單元的檢測電流值，并驅(qū)動控制第一和第二開關(guān)電源以使這兩個值之間的差為零，其中，第一和第二開關(guān)電源分別由具有相同電勢的多級PWM反相器構(gòu)成，而且，開關(guān)控制電路進一步驅(qū)動控制并聯(lián)的第一和第二多級PWM反相器，以使其相互間的開關(guān)相位改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)式電源設(shè)備，其特征在于第一和第二多級PWM反相器分別為多級二極管箝位型PWM反相器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)式電源設(shè)備，其特征在于開關(guān)控制電路產(chǎn)生提供給第一多級PWM反相器的第一PWM開關(guān)信號和提供給第二多級PWM反相器的第二PWM開關(guān)信號，并且第一和第二PWM開關(guān)信號的相位彼此改變，以使在分別從并聯(lián)的第一和第二多級PWM反相器輸出的包含脈動的輸出電流總和中的脈動分量在整體上降低。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)式電源設(shè)備，其特征在于從開關(guān)控制電路來的分別提供給第一和第二多級PWM反相器的第一和第二PWM開關(guān)信號的相位彼此相差180°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)式電源設(shè)備，其特征在于開關(guān)控制電路包括給第一多級PWM反相器提供第一PWM開關(guān)信號的第一比較器，給第二多級PWM反相器提供第二PWM開關(guān)信號的第二比較器，基準時鐘產(chǎn)生裝置，基于從基準時鐘產(chǎn)生裝置來的時鐘而給第一比較器的第一輸入端輸入鋸齒波的第一鋸齒波產(chǎn)生裝置，通過邏輯反相單元從基準時鐘產(chǎn)生裝置接收時鐘并將反相后的鋸齒波輸入到第二比較器的第一輸入端的第二鋸齒波產(chǎn)生裝置，以及接收電流指令值和電流檢測值的反饋處理單元，其處理反映這兩個值之差為零的控制變量并將其輸出到第一和第二比較器的第二輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)式電源設(shè)備，其特征在于每個多級二極管箝位型PWM反相器由連接在DC電源之間的串聯(lián)的第一和第二支路以及串聯(lián)的第三和第四支路構(gòu)成，在DC電源之間可以連接有第一，第二，...，第n-1和第n個分壓電容，每個第一，第二，第三和第四支路由串聯(lián)的第一，第二，...，第n-1和第n個半導體開關(guān)以及反向并聯(lián)到第一，第二，...，第n-1和第n個半導體開關(guān)的二極管構(gòu)成，同時在各個支路中的箝壓用二極管分別連接在第一和第二分壓電容間的連接點和第一和第二半導體開關(guān)間的連接點之間，各個支路中的箝壓用二極管分別連接在第n-1和第n個分壓電容間的連接點和第n-1和第n個半導體開關(guān)間的連接點之間，其中，n為大于1的整數(shù)。
7.一種提供有根據(jù)權(quán)利要求1到6中任意一個的開關(guān)式電源設(shè)備的磁共振成像設(shè)備，其特征在于負載是用于磁共振成像設(shè)備的梯度磁場用線圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的磁共振成像設(shè)備，其特征在于電流指令值從磁共振成像設(shè)備的序列發(fā)生器發(fā)送。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于MRI設(shè)備的磁場產(chǎn)生線圈的開關(guān)式電源設(shè)備，其中開關(guān)電源(9～11)由相對于作為負載工作的磁場產(chǎn)生線圈(6～8)而并聯(lián)的具有相同電勢的第一和第二多級PWM反相器(12，13)構(gòu)成，同時還構(gòu)建有用于驅(qū)動控制第一和第二多級PWM反相器(12，13)的開關(guān)控制電路(19)來改變彼此開關(guān)相位的方式驅(qū)動控制第一和第二多級PWM反相器(12，13)，從而消除從第一和第二多級PWM反相器(12，13)輸出的脈動分量并能提供給負載(6～8)一個在總體上進一步降低了脈動分量的電流。
文檔編號G01R33/385GK1744855SQ20048000337
公開日2006年3月8日 申請日期2004年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月12日
發(fā)明者堂本拓也, 高野博司 申請人:株式會社日立醫(yī)藥