專利名稱：切換模式的供電設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種切換模式的供電設(shè)備和一種相應(yīng)的方法。而且，本發(fā)明涉及一種裝置，其包括要被提供負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的負(fù)載。
背景技術(shù)：
由于輸出級的切換行為，對功率放大器進(jìn)行切換通常受到非線性的影響。這些非線性的確切的性質(zhì)不僅依賴于使用的(一個(gè)或多個(gè))功率半導(dǎo)體的類型，也依賴于在負(fù)載和驅(qū)動側(cè)處的(一個(gè)或多個(gè))連接電路。在精確功率應(yīng)用中，例如用于磁共振成像(MRI)的運(yùn)動控制和梯度放大器，對這些非線性的補(bǔ)償是強(qiáng)制的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下在控制系統(tǒng)中使用前饋通道。US 2006/208798 Al公開了一種操作D類放大器輸出級的方法，其補(bǔ)償了在輸出級的切換中，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)由殘余負(fù)載電流引入的非線性。所述放大器輸出級包括輸入、門控驅(qū)動器電路、兩個(gè)輸出晶體管、輸出和電流感測電路。所述晶體管串聯(lián)在電源的各終端之間。當(dāng)他們被關(guān)閉時(shí)，殘余負(fù)載電流流過所述晶體管。所述門控驅(qū)動器電路基于所述殘余負(fù)載電流流過所述晶體的方向增大或減小驅(qū)動所述晶體管的信號的占空比，從而令放大器輸出的占空比保持基本上恒定并且等于放大器輸入的占空比。如在US 2006/208798中所示的，通過(僅)使用負(fù)載電流的方向進(jìn)行補(bǔ)償能夠獲取的準(zhǔn)確性是有限的。為了獲取更好的結(jié)果，能夠使用基于模型的方式，例如使用查找表來預(yù)測系統(tǒng)在下一個(gè)感興趣時(shí)間周期上的行為。用于填充這樣的查找表的一種可能的方法是對上面提到的參數(shù)的所有組合重復(fù)地對電路脫線進(jìn)行模擬，并且將所得的平均電壓存儲于查找表中。能夠通過使用查找表的條目找到切換定時(shí)的合適的補(bǔ)償，并且如果需要，使用內(nèi)插法來找到恰好針對電路狀態(tài)的組合的電路行為的近似值，所述近似值由控制器在控制時(shí)間間隔的開始處測量。這樣的解決方案原則上是可能的，但是，如果要完全實(shí)施，需要考慮內(nèi)存資源。即便利用當(dāng)前可用的豐富且便宜的內(nèi)存裝置，由于在這樣的方式中固有的指數(shù)增長規(guī)律，這樣的方式在準(zhǔn)確性上和能夠使用的狀態(tài)變量的數(shù)量上是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種切換模式的供電設(shè)備和一種相應(yīng)的方法，其能夠有效補(bǔ)償在所述切換模式的供電設(shè)備的切換功率放大器中由死區(qū)時(shí)間和電壓下降造成的非線性。在本發(fā)明的第一方面中，給出了一種切換模式的供電設(shè)備，包括切換功率放大器，其用于放大由外部信號源供給的信號以及用于向負(fù)載供給負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，以及控制單元，其用于基于定時(shí)設(shè)置來控制所述切換功率放大器的切換，所述控制單元適于基于關(guān)于所述切換功率放大器的當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)信息，通過預(yù)測對于針對期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的至少兩個(gè)定時(shí)設(shè)置，特別是多個(gè)定時(shí)設(shè)置的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，來模擬所述切換功率放大器的行為。在本發(fā)明的又一方面中，給出了一種包括負(fù)載的裝置，所述負(fù)載要被提供負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，所述裝置包括負(fù)載，其要被提供負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，以及根據(jù)本發(fā)明提出的切換模式的供電設(shè)備，其用于向所述負(fù)載供給負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流。本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中限定。應(yīng)該理解到，聲明的方法和聲明的裝置具有與所聲明的切換模式供電設(shè)備以及在從屬權(quán)利要求中所限定的優(yōu)選實(shí)施例相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明提出一種備選的方式用于以加速的時(shí)間比例，通過使用循環(huán)模擬來可靠補(bǔ)償由死區(qū)時(shí)間和電壓下降造成的非線性。由于這種實(shí)施方式的固有的平行處理，完成這點(diǎn)所需的電路系統(tǒng)(例如基于現(xiàn)場可編程門陣列，F(xiàn)PGA)的尺寸顯示出隨著代表電路的復(fù)雜性的線性增長。利用現(xiàn)今的裝置進(jìn)行10倍的加速似乎是輕易可行的。例如，這樣的實(shí)施方式允許在2微秒或更短時(shí)間中預(yù)測接下來的20微秒(在上面提到的系統(tǒng)中用于控制和/或切換最內(nèi)層控制環(huán)路的周期的典型值)。加入感興趣的額外電路特征(諸如裝置溫度和/或驅(qū)動器電路細(xì)節(jié))在無需妨礙模擬速度的情況下是可行的，只要使用的實(shí)施方式包含足夠的硬件資源。在此提到的由外部信號源供給的信號可以為由功率源提供的功率信號，但該信號通常為設(shè)置點(diǎn)，所述設(shè)置點(diǎn)通常由“主”控制器在微小的功率水平上供給。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述控制單元適于通過選擇屬于最接近期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的預(yù)測的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的定時(shí)設(shè)置，從用于預(yù)測平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的定時(shí)設(shè)置中選擇用于控制對所述切換功率放大器進(jìn)行切換的定時(shí)設(shè)置。通過這種方式，通常能夠獲取高準(zhǔn)確性的預(yù)測。根據(jù)另一實(shí)施例中，所述控制單元適于通過在屬于最接近期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的預(yù)測的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的各定時(shí)設(shè)置之間進(jìn)行內(nèi)插，來確定用于控制對所述切換功率放大器的切換的定時(shí)設(shè)置。通過這種內(nèi)插能夠獲得最佳定時(shí)設(shè)置。優(yōu)選地，所述控制單元包括采樣控制電路，所述采樣控制電路用于從關(guān)于所述切換功率放大器的當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)信息和設(shè)置點(diǎn)來確定期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流。所述采樣控制電路特別適于基于設(shè)置點(diǎn)與測量信號的結(jié)合周期性地提供放大器的期望輸出電壓。在又一實(shí)施例中，所述控制單元適于預(yù)測對于預(yù)定數(shù)量的定時(shí)設(shè)置的平均供給電壓和/或供給電流，特別是對于從2到25范圍內(nèi)的數(shù)量的時(shí)間設(shè)置的平均供給電壓和/或供給電流。2到25為合理的數(shù)量，但是其他數(shù)量也能夠在實(shí)踐中實(shí)施。所述切換模式的供電設(shè)備還可以包括感測器件，所述感測器件用于感測關(guān)于所述切換功率放大器的當(dāng)前狀態(tài)的所述狀態(tài)信息，特別地，用于感測所述切換功率放大器的內(nèi)部電流和/或電壓，和/或感測所述功率放大器和/或供電設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)元件的溫度。這樣的感測器件通常由公知的器件實(shí)施，諸如電流測量元件、電壓測量元件、溫度測量元件等。然而，對于如上面描述的使用公知器件難以獲取的那些信號，也能夠使用預(yù)測方法，例如，基于電路和/或裝置行為的物理模型的使用的預(yù)測方法。這樣的方式對于測量半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的溫度是特別有意義的，測量半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的溫度通過公知器件是幾乎不能達(dá)到的。而且，所述控制單元可以適于以高保真度預(yù)測對于下個(gè)切換周期的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流。如果所述切換功率放大器用于前饋控制鏈中，這是特別重要的。在實(shí)際的實(shí)施中，所述控制單元適于預(yù)測對于隨后的時(shí)間間隔的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，所述隨后的時(shí)間間隔特別地等于控制周期或在I到200微秒范圍內(nèi)，特別是5到50微秒范圍內(nèi)。


參考下文描述的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面會變得明顯并被闡述。在下面附圖中圖1示出了具有恒定電流負(fù)載和切換節(jié)點(diǎn)電容的相位臂，圖2示出了用于改變輸出電流的單個(gè)相位臂的關(guān)閉/打開切換，圖3示出了用于改變輸出電流的相位臂電壓的平均值，圖4示出了對于恒定(5A)電流，平均相位臂電壓與負(fù)載的占空比的依賴性，圖5示出了具有針對兩個(gè)邊緣進(jìn)行補(bǔ)償?shù)亩〞r(shí)的相位臂電壓，圖6示出了在應(yīng)用補(bǔ)償后的平均相位臂電壓，圖7示出了用于MRI梯度放大器的典型負(fù)載電路，圖8示出了具有如圖7所示負(fù)載的相位臂電壓和濾波器電流的例子，圖9示出了在附接實(shí)際負(fù)載的情況下平均相位臂電壓與占空比的依賴性，以及更大比例的真實(shí)和理想行為間的差異，圖10示出了一種根據(jù)本發(fā)明的切換模式的供電設(shè)備的框圖，圖11示出了功率放大器的示范性實(shí)施例，圖12示出了如常規(guī)地用于切換模式的供電設(shè)備中的控制單元的已知實(shí)施例的框圖，圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的用在如圖11所示的切換模式的供電設(shè)備中的控制單元的實(shí)施例的框圖，圖14示出了一圖表，其圖示了根據(jù)本發(fā)明的定時(shí)設(shè)置的確定，以及圖15示出了放大器的電路圖，所述放大器具有電流源電源，并由具有電壓源特性的電路加載。
具體實(shí)施例方式切換功率放大器通常受由于輸出級的切換行為而導(dǎo)致的非線性影響。在精確功率應(yīng)用中，諸如用于精確運(yùn)動控制和在磁共振成像(MRI)設(shè)備的梯度系統(tǒng)中，這些非線性的補(bǔ)償是強(qiáng)制性的，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下前饋通路用于控制系統(tǒng)中。非線性行為主要由在相位臂中關(guān)閉一個(gè)半導(dǎo)體并且打開另一個(gè)而花費(fèi)的非零時(shí)間造成。通常，在關(guān)閉和打開事件之間引入所謂的死區(qū)時(shí)間，以制造對于在功率半導(dǎo)體、驅(qū)動級以及電路狀態(tài)的不同實(shí)現(xiàn)間的定時(shí)差異的某種容忍。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)功率半導(dǎo)體都被關(guān)閉，并且在切換節(jié)點(diǎn)上的電壓主要由輸出電流確定(同時(shí)切換節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)(電壓)通常也是相關(guān)的)。對于一般具有電感特性的相位臂的負(fù)載，在特定時(shí)間跨度內(nèi)的平均電壓是重要的。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)這種平均電壓也依賴于切換節(jié)點(diǎn)電壓。為了圖示相關(guān)現(xiàn)象，通過絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和二極管建立的相位臂在圖1中示出。從　電壓源給所述相位臂供應(yīng)DC電壓V_sup，并且從電流源給所述相位臂加載DC輸出電流I_bridge。在切換節(jié)點(diǎn)上的組合電容顯示為單個(gè)電容器Cnode。將測量裝置mVnode并入以顯示出切換節(jié)點(diǎn)電壓的限定(definition),如在隨后的圖中示出的。根據(jù)輸出電流的符號和值，在切換節(jié)點(diǎn)上的電壓顯示出變化的行為。使用對于1_bridge的各值，V_sup=100V、切換周期20 μ s以及Cnode=8nF，來模擬電路運(yùn)行。IGBT實(shí)現(xiàn)為具有ΙΟΟπιΩ串聯(lián)電阻的理想的切換器。這是相當(dāng)粗略的模型，其僅用于圖示造成非線性的主要現(xiàn)象。在現(xiàn)實(shí)中，需要考慮功率半導(dǎo)體的詳細(xì)的切換行為以及在圖1中由Cnode代表的寄生裝置電容的非線性。對于這個(gè)例子，節(jié)點(diǎn)電壓對時(shí)間的波形在圖2中示出。已經(jīng)設(shè)置了功率半導(dǎo)體的定時(shí)(打開/關(guān)閉)從而使得使用60%的額定占空比和2 μ S的死區(qū)時(shí)間。在這個(gè)例子中的額定切換點(diǎn)位于t=6 μ S (高到低轉(zhuǎn)變)處和t=14 μ S (低到高)處。由于死區(qū)時(shí)間，實(shí)際切換能夠發(fā)生達(dá)到I μ S，即50%的死區(qū)時(shí)間間隔，或早或晚，如在圖2中所示的。結(jié)果是，在死區(qū)時(shí)間間隔中的切換節(jié)點(diǎn)電壓，并且因此這個(gè)電壓在切換周期上的平均值，依賴于輸出電流的符號和幅度。這種依賴性在圖3中示出。在這個(gè)例子中，平均電壓最顯著的變化(即，在-2Α到+2Α輸出電流之間，幾乎20伏特的擺動)由死區(qū)時(shí)間造成。另外，對于更高的電流值能夠觀察到有限的斜率。這種斜率主要由因功率半導(dǎo)體的電阻行為造成的電壓下降導(dǎo)致，同時(shí)也存在電壓換向的影響，但是在這個(gè)例子中高于幾安培，遠(yuǎn)小于電阻性的電壓下降。如在圖3中所示的能夠通過調(diào)整驅(qū)動功率半導(dǎo)體的門控信號的占空比來補(bǔ)償平均節(jié)點(diǎn)電壓的下降或升高。能夠使用如圖3中所示的表格值來改變切換事件的定時(shí)從而修正對于在這個(gè)例子中(即，20μ s)所考慮的間隔的平均節(jié)點(diǎn)電壓。能夠通過估計(jì)平均切換節(jié)點(diǎn)電壓對占空比的依賴性來找到所需的(定時(shí))修正量。對于5Α的恒定電流負(fù)載的情況，這已經(jīng)在圖4中描繪出。在這種情況中，真實(shí)與理想行為之間的差異，如在圖4Β中所示的，是獨(dú)立于占空比的。由此得出結(jié)論，補(bǔ)償是能夠輕易找出的，因?yàn)閷τ谡鎸?shí)行為(在圖4Α中示出)的描繪圖為直線。對于這種情況，用于補(bǔ)償所需的唯一測量值為輸出電流。應(yīng)用補(bǔ)償后的切換節(jié)點(diǎn)電壓的波形在圖5中示出。在圖5的例子中，不僅平均相位臂電壓被補(bǔ)償，而且獨(dú)立邊緣的定時(shí)也被調(diào)整從而使完整電壓波形的重心重新集中于t=10 μ s 處。考慮這樣的補(bǔ)償另一方式為獨(dú)立地處置時(shí)間間隔的第一半(時(shí)間從O到IOys)和第二半(時(shí)間從10μ s到20μ S)。對于以直線一路從O直到100V或者相反的電壓邊緣，在圖5中的軌跡清晰地顯示出在這個(gè)例子中邊緣半程點(diǎn)恰位于50V處。對于由兩段構(gòu)成的邊緣,情況會更加復(fù)雜,且這些邊緣的重心也分別被重新定位在t=6y s和t=14y s的期望位置處。對于此處示出的　情況，所述補(bǔ)償能夠帶來幾乎完美的結(jié)果，60伏特的設(shè)置點(diǎn)值能夠在幾mV內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在圖6中示出了所得的平均相位臂電壓。如果“實(shí)際的”負(fù)載電路連接于相位臂，情況會變得更加復(fù)雜，因?yàn)檩敵鲭娏鳜F(xiàn)在包括紋波，并且因此隨時(shí)間改變。在圖7中示出典型的負(fù)載電路，如在MRI掃描器的梯度鏈(de gradient chain)中使用的。所述負(fù)載電路包括濾波電感Lfilt,濾波電容器Cfilt,以及梯度線圈Lgrad。通常，所述濾波電感為梯度線圈電感的大約5%。如圖1，測量裝置已經(jīng)被加入到所述電路，以指示將要在隨后圖中示出的信號的起源。對于接下來的例子，將下列示范性參數(shù)配置給所述電路
權(quán)利要求
1.一種切換模式的供電設(shè)備，包括 切換功率放大器(14)，其用于放大由外部信號源(11)供給的信號并且用于向負(fù)載(15)供給負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，以及 控制單元(12 ;12b)，其用于基于定時(shí)設(shè)置來控制所述切換功率放大器的切換，所述控制單元適于基于關(guān)于所述切換功率放大器的當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)信息，通過預(yù)測對于針對期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的至少兩個(gè)定時(shí)設(shè)置，特別是多個(gè)定時(shí)設(shè)置的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，來模擬所述切換功率放大器的行為。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換模式的供電設(shè)備， 其中，所述控制單元(12 ;12b)適于通過選擇屬于最接近所述期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的預(yù)測的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的定時(shí)設(shè)置，從用于預(yù)測平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的定時(shí)設(shè)置中選擇用于控制對所述切換功率放大器進(jìn)行切換的定時(shí)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換模式的供電設(shè)備， 其中，所述控制單元(12 ;12b)適于通過在屬于最接近所述期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的預(yù)測的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的各定時(shí)設(shè)置之間進(jìn)行內(nèi)插，來確定用于控制對所述切換功率放大器進(jìn)行切換的定時(shí)設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換模式的供電設(shè)備， 其中，所述控制單元(12 ; 12b )包括采樣控制電路(20 )，所述采樣控制電路用于根據(jù)關(guān)于所述切換功率放大器的當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)信息和設(shè)置點(diǎn)來確定所述期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換模式的供電設(shè)備， 其中，所述控制單元(12 ;12b)適于預(yù)測對于預(yù)定數(shù)量的定時(shí)設(shè)置的，特別是對于從2到25范圍內(nèi)的數(shù)量的時(shí)間設(shè)置的，平均供給電壓和/或供給電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換模式的供電設(shè)備， 還包括感測器件(13)，所述感測器件用于感測關(guān)于所述切換功率放大器的當(dāng)前狀態(tài)的所述狀態(tài)信息，特別是用于感測所述切換功率放大器的內(nèi)部電流和/或電壓，和/或感測所述功率放大器和/或所述供電設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)元件的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換模式的供電設(shè)備， 其中，所述控制單元(12 ; 12b)適于預(yù)測針對下一個(gè)切換周期的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換模式的供電設(shè)備， 其中，所述控制單元(12 ;12b)適于預(yù)測對于隨后的時(shí)間間隔的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，特別地，所述隨后的時(shí)間間隔等于控制循環(huán)或在I到200微秒范圍內(nèi)，特別是5到50微秒的范圍內(nèi)。
9.一種切換模式的供電方法，包括下述步驟 通過切換功率放大器放大由外部信號源供給的信號并且向負(fù)載供給電壓和/或電流，以及 通過模擬所述切換功率放大器的行為，基于定時(shí)設(shè)置控制所述切換功率放大器的切換，所述模擬是基于關(guān)于所述切換功率放大器的當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)信息，通過預(yù)測對于針對期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的至少兩個(gè)定時(shí)設(shè)置，特別是多個(gè)定時(shí)設(shè)置的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流進(jìn)行的。
10.一種包括負(fù)載的裝置，所述負(fù)載要被提供負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，所述裝置包括 負(fù)載(15)，其要被提供負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，以及 如權(quán)利要求1所述的切換模式的供電設(shè)備(10)，其用于向所述負(fù)載供給負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種切換模式的供電設(shè)備和一種相應(yīng)的方法。為了有效補(bǔ)償由在對所述設(shè)備的切換功率放大器中的死區(qū)時(shí)間和電壓下降造成的非線性，提出了一種設(shè)備，其包括切換功率放大器(14)，所述切換功率放大器用于放大由外部信號源(11)供給的信號并用于向負(fù)載(15)供給負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流；并且包括控制單元(12；12b)，所述控制單元用于基于定時(shí)設(shè)置控制所述切換功率放大器的切換，所述控制單元適于基于關(guān)于所述切換功率放大器的當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)信息，通過預(yù)測對于針對期望負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流的至少兩個(gè)定時(shí)設(shè)置，特別是多個(gè)定時(shí)設(shè)置的平均負(fù)載電壓和/或負(fù)載電流，來模擬所述切換功率放大器的行為。
文檔編號H03F3/217GK103069714SQ201180039028
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者H·胡伊斯曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司