DE102013203487A1

DE102013203487A1 - Power amplifier with reduced power loss

Info

Publication number: DE102013203487A1
Application number: DE102013203487.3A
Authority: DE
Inventors: Juloski Aleksandar; Stefan Nowak
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-04
Also published as: WO2014131594A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker, der einen Signaleingang, eine Steuerung, ein Leistungsschaltelement und einen Leistungsausgang aufweist. Die Steuerung ist dazu ausgelegt, das Leistungsschaltelement mittels Pulsen unterschiedlicher Dauer derart anzusteuern, dass an dem Leistungsausgang ein Ausgangssignal anliegt, welches ein verstärktes Eingangssignal des Signaleingangs ist, das um eine maximal vorgegebene Abweichung von dem mit dem Verstärkungsfaktor multiplizierten Eingangssignal abweicht. Dabei ist die Steuerung dazu ausgelegt, eine Taktfrequenz der Pulse in Abhängigkeit von einer oberen Grenzfrequenz von Spektralanteilen des Eingangssignals zu verändern.The invention relates to a power amplifier which has a signal input, a controller, a power switching element and a power output. The controller is designed to control the power switching element by means of pulses of different duration in such a way that an output signal is present at the power output which is an amplified input signal of the signal input that deviates by a maximum specified deviation from the input signal multiplied by the gain factor. The controller is designed to change a clock frequency of the pulses as a function of an upper limit frequency of spectral components of the input signal.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker sowie einen Magnetresonanztomographen mit einem derartigen Leistungsverstärker sowie ein Verfahren zum Betrieb des Leistungsverstärkers. Der Leistungsverstärker weist einen Signaleingang, eine Steuerung, ein Leistungsschaltelement und einen Leistungsausgang auf. Die Steuerung ist dazu ausgelegt, das Leistungsschaltelement mittels Pulsen unterschiedlicher Dauer derart anzusteuern, dass an dem Leistungsausgang ein Ausgangssignal anliegt, welches ein verstärktes Eingangssignal des Signaleingangs ist, das um eine maximale vorgegebene Abweichung von dem mit dem Verstärkungsfaktor multiplizierten Eingangssignal abweicht.The invention relates to a power amplifier and a magnetic resonance tomograph with such a power amplifier and a method for operating the power amplifier. The power amplifier has a signal input, a controller, a power switching element and a power output. The controller is adapted to drive the power switching element by means of pulses of different duration such that an output signal is present at the power output which is an amplified input signal of the signal input which deviates by a maximum predetermined deviation from the input signal multiplied by the amplification factor.

Es sind bereits Leistungsverstärker mit Leistungsschaltelementen mit Pulsweitenmodulation bekannt. Dabei wird beispielsweise ein Eingangssignal mit einem Dreieckssignal fester Frequenz in einem Komparator verglichen. Überschreitet die Amplitude des Eingangssignals die Amplitude des Dreieckssignals, so steuert der Ausgang des Komparators ein Leistungsschaltelement an, welches eine Verbindung zwischen einer Energiequelle und dem Ausgang des Leistungsverstärkers herstellt. Je nachdem, ob die Last selbst durch eine Kapazität oder Induktivität eine glättende bzw. filternde Wirkung auf den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung hat, kann auch ein Filterglied an dem Leistungsverstärker vorgesehen sein. Power amplifiers with power switching elements with pulse width modulation are already known. In this case, for example, an input signal is compared with a triangular signal of fixed frequency in a comparator. If the amplitude of the input signal exceeds the amplitude of the triangular signal, the output of the comparator activates a power switching element, which establishes a connection between a power source and the output of the power amplifier. Depending on whether the load itself has a smoothing or filtering effect on the output current or the output voltage by means of a capacitance or inductance, a filter element can also be provided on the power amplifier.

Es ist auch bekannt, zunächst das Ausgangssignal von dem Eingangssignal unter Berücksichtigung eines Verstärkungsfaktors abzuziehen und erst das Ergebnis dem Komparator zuzuführen. Auf diese Weise erfolgt eine Regelung des Ausgangs in Abhängigkeit von einem Sollwert am Eingang. Dies ist insbesondere bei wechselnden Lasten von Vorteil. It is also known first to subtract the output signal from the input signal taking into account a gain factor and to supply the result to the comparator first. In this way, the output is regulated as a function of a setpoint value at the input. This is particularly advantageous for changing loads.

Als Leistungsschaltelemente finden beispielsweise Feldeffekttransistoren (z.B. MOS-FET) oder Thyristoren (z.B. IGBT) Verwendung. Diesen Schaltelementen ist gemeinsam, dass durch in den Bauelementen gespeicherte Ladungen bei jedem Schaltvorgang Verluste auftreten. Je höher die Schaltfrequenz ist, desto größer sind die Verluste in dem Leistungsverstärker. As power switching elements, there are used, for example, field effect transistors (e.g., MOS-FET) or thyristors (e.g., IGBT). These switching elements have in common that losses occur due to charges stored in the components during each switching operation. The higher the switching frequency, the greater the losses in the power amplifier.

Die Druckschrift DE 11 2006 002 679 T5 schlägt zur Reduzierung der Schaltverluste beispielsweise vor, die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der Last zu verändern. Ist die Last groß, so ist es bei konstanter Filterwirkung eines Siebelements nötig, durch die Last abfließende Energie in kürzeren Zeitabständen zu ersetzen, um am Ausgang keine zu großen Schwankungen der Spannung und/oder des Stroms zuzulassen. Bei großer Last ist daher eine hohe Taktfrequenz erforderlich, während bei niedriger Last die Taktfrequenz abgesenkt werden kann. Da die Last aber nicht von dem Leistungsverstärker vorhergesehen wird, können bei starken Lastwechseln unerwünschte Abweichungen des Ausgangs von dem Sollwert auftreten. Dies ist besonders bei der Ansteuerung von Gradientenspulen in Magnetresonanztomographen von Bedeutung. The publication DE 11 2006 002 679 T5 For example, in order to reduce the switching losses, it is proposed to change the clock frequency of the pulse width modulation as a function of the load. If the load is large, it is necessary with constant filtering action of a sieve element to replace the energy flowing away from the load at shorter intervals, so as not to permit too large fluctuations of the voltage and / or the current at the output. At high load, therefore, a high clock frequency is required, while at low load, the clock frequency can be lowered. However, since the load is not anticipated by the power amplifier, unwanted output deviations from the setpoint may occur during heavy load changes. This is particularly important in the control of gradient coils in magnetic resonance tomographs.

Die Aufgabe ist es folglich, einen Leistungsverstärker sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungsverstärkers bereitzustellen, welche Abweichungen von dem durch ein Eingangssignal vorgegebenen Sollwert reduzieren und gleichzeitig Schaltverluste verringern. The object is therefore to provide a power amplifier and a method for operating a power amplifier, which reduce deviations from the setpoint given by an input signal and at the same time reduce switching losses.

Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Leistungsverstärker gemäß Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb gemäß Anspruch 8 und durch einen erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen gemäß Anspruch 11 gelöst. The object is achieved by a power amplifier according to the invention according to claim 1 and by the method according to the invention for operation according to claim 8 and by a magnetic resonance tomograph according to the invention.

Der erfindungsgemäße Leistungsverstärker weist einen Signaleingang, eine Steuerung, ein Leistungsschaltelement und einen Leistungsausgang auf. Die Steuerung ist dazu ausgelegt, das Leistungsschaltelement mittels Pulsen unterschiedlicher Dauer derart anzusteuern, dass an dem Leistungsausgang ein Ausgangssignal anliegt, welches ein verstärktes Eingangssignal des Signaleingangs ist, das um eine maximal vorgegebene Abweichung von dem mit dem Verstärkungsfaktor multiplizierten Eingangssignal abweicht. Dabei ist die Steuerung dazu ausgelegt, eine Taktfrequenz der Pulse in Abhängigkeit von einer oberen Grenzfrequenz von Spektralanteilen des Eingangssignals zu verändern. The power amplifier according to the invention has a signal input, a controller, a power switching element and a power output. The controller is adapted to drive the power switching element by means of pulses of different duration such that an output signal is present at the power output, which is an amplified input signal of the signal input which deviates by a maximum predetermined deviation from the input signal multiplied by the amplification factor. In this case, the controller is designed to change a clock frequency of the pulses as a function of an upper limit frequency of spectral components of the input signal.

Hat das Eingangssignal spektrale Anteile mit einer hohen Grenzfrequenz, so heißt das, dass das Eingangssignal besonders schnelle Änderungen aufweist. Damit das Ausgangssignal diesen Änderungen folgen kann, müssen die Pulse mit besonders hoher Rate aufeinander folgen (Shannon Theorem). Es ist dabei von besonderem Vorteil, wenn die Frequenz der Pulse nur dann angehoben wird, wenn es wegen der Anteile mit hoher Frequenz im Eingangssignal auch notwendig ist, da bei einer ansonsten niedrigen Frequenz der Pulse die Anzahl der Schaltvorgänge und damit der Schaltverlust geringer ist. Gleichzeitig wird bereits bei einem Auftreten von Anteilen hoher Frequenz im Eingangssignal die Frequenz der Pulse angehoben, sodass eine Anpassung nicht nur reaktiv auf eine Abweichung des Ausgangssignals erfolgt, sondern bereits proaktiv mit dem Eingangssignal. So können vorteilhafter Weise Abweichungen durch Regelartefakte vermieden werden. If the input signal has spectral components with a high cutoff frequency, this means that the input signal has particularly rapid changes. For the output signal to follow these changes, the pulses must follow each other at a particularly high rate (Shannon Theorem). It is of particular advantage if the frequency of the pulses is only raised when it is necessary because of the high frequency components in the input signal, since at an otherwise low frequency of the pulses, the number of switching operations and thus the switching loss is lower. At the same time, the frequency of the pulses is already raised when high-frequency components occur in the input signal, so that an adaptation is not only reactive to a deviation of the output signal, but is already proactive with the input signal. Thus, advantageously deviations can be avoided by rule artifacts.

Ein erfindungsgemäßer Magnetresonanztomograph weist einen erfindungsgemäßen Leistungsverstärker auf. Es ist dabei von besonderem Vorteil, dass in der Umgebung im Krankenhaus oder Praxis eine hohe Verlustleistung besonders störend ist, da sie eine stärker ausgelegte Versorgung und gleichzeitig eine aufwändigere Kühlung notwendig macht. Durch den erfindungsgemäßen Leistungsverstärker kann dies vermieden werden. A magnetic resonance tomograph according to the invention has a power amplifier according to the invention. It is of particular advantage That in the environment in the hospital or practice, a high power loss is particularly disturbing because it makes a more well-designed supply and at the same time requires more complex cooling. This can be avoided by the power amplifier according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren teilt die zu dem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker dargestellten Vorteile. The method according to the invention shares the advantages presented for the power amplifier according to the invention.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

So ist es in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Steuerung dazu ausgelegt ist, die Taktfrequenz bei einem Ansteigen der oberen Grenzfrequenz anzuheben. Auf diese Weise ist es möglich, dass der erfindungsgemäße Leistungsverstärker genauer mit dem Ausgangssignal auf schnelle Änderungen des Eingangssignals reagieren kann. Thus, in one embodiment, it is provided that the controller is designed to increase the clock frequency as the upper cutoff frequency increases. In this way it is possible that the power amplifier according to the invention can react more accurately with the output signal to rapid changes of the input signal.

In einer Ausführungsform weist der Leistungsverstärker eine Vielzahl von Leistungsschaltelementen aufweist. Diese können auf vorteilhafte Weise eine Lastverteilung ermöglichen oder in der Last unterschiedliche Wirkungen erzielen. In one embodiment, the power amplifier has a plurality of power switching elements. These can advantageously enable a load distribution or achieve different effects in the load.

In der Ausführungsform ist es weiterhin möglich, dass die Leistungsschaltelemente derart verbunden sind und von dem Controller derart angesteuert werden, dass eine mit den Leistungsschaltelementen elektrisch verbindbare Last in zwei Richtungen von Strom durchflossen werden kann. Beispielsweise können diese eine H-Brückenschaltung bilden. Eine angeschlossene Spule kann auf diese Weise Magnetfelder entgegengesetzter Polarität erzeugen. In the embodiment, it is further possible that the power switching elements are connected in such a way and are controlled by the controller such that a current which can be electrically connected to the power switching elements can be conducted through current in two directions. For example, these can form an H-bridge circuit. A connected coil can generate magnetic fields of opposite polarity in this way.

In einer möglichen Ausführungsform kann der Leistungsverstärker ein Siebelement aufweisen, das dazu ausgelegt ist, Frequenzanteile des Ausgangssignals oberhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz auf eine Amplitude unterhalb eines vorgegebenen Pegels zu filtern. Das Siebelement kann auf diese Weise alleine oder in Zusammenwirken mit der Last Abweichungen des Ausgangssignals reduzieren und durch das Schalten der Leistungsschaltelemente verursachte hochfrequente Störungen auf vorteilhafte Weise reduzieren. In one possible embodiment, the power amplifier may comprise a sieve element which is designed to filter frequency components of the output signal above a predetermined cutoff frequency to an amplitude below a predetermined level. In this way, the sieve element alone or in cooperation with the load can reduce deviations of the output signal and advantageously reduce high-frequency interference caused by the switching of the power switching elements.

Es ist weiterhin denkbar, dass bei einem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker die Taktfrequenz der Pulse die Frequenz eines Dreiecksignals ist. Ein Dreieckssignal ermöglicht auf vorteilhafte Weise durch einen einfachen Vergleich eines Eingangssignals oder Rückkopplungssignals einer Regelschleife mit dem Dreieckssignals ein Signal zur Ansteuerung des Leistungsschaltelements mit einer Pulsweitenmodulation zu generieren. It is also conceivable that in a power amplifier according to the invention, the clock frequency of the pulses is the frequency of a triangular signal. A triangular signal advantageously makes it possible to generate a signal for driving the power switching element with a pulse width modulation by simply comparing an input signal or feedback signal of a control loop with the triangular signal.

In einer denkbaren Ausführungsform weist der Leistungsverstärker einen Frequenzanalysator auf. Mit Hilfe des Frequenzanalysators ist es dem Leistungsverstärker möglich, spektrale Anteile des Eingangssignals und deren obere Grenzfrequenz zu bestimmen. Dies ermöglicht der Steuerung auf vorteilhafte Weise, die Frequenz der Pulse auf den nötigen Wert anzupassen und durch das Vermeiden einer unnötig hohen Frequenz Schaltverluste zu verringern. In one conceivable embodiment, the power amplifier has a frequency analyzer. With the help of the frequency analyzer, it is possible for the power amplifier to determine spectral components of the input signal and their upper limit frequency. This advantageously allows the controller to adjust the frequency of the pulses to the required value and to reduce switching losses by avoiding an unnecessarily high frequency.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Magnetresonanztomographen kann es auch vorgesehen sein, dass der Leistungsausgang des Leistungsverstärkers mit einer Gradientenspule elektrisch verbunden ist. Bei Magnetresonanztomographen ist die Qualität der Abbildung direkt abhängig von der Genauigkeit der erzeugten Magnetfelder und damit auch von der Ansteuerung. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass die Last beziehungsweise die Reaktion der Gradientenspule bereits bekannt ist und so das Bestimmen der Pulsweite und der Frequenz durch die Steuerung in Bezug auf minimale Abweichung des Magnetfeldes vom Soll und minimalen Schaltverlusten optimiert werden kann. In an embodiment of a magnetic resonance tomograph according to the invention, it may also be provided that the power output of the power amplifier is electrically connected to a gradient coil. With magnetic resonance tomographs, the quality of the image is directly dependent on the accuracy of the generated magnetic fields and thus also on the control. It is particularly advantageous that the load or the reaction of the gradient coil is already known and thus the determination of the pulse width and the frequency can be optimized by the controller with respect to minimum deviation of the magnetic field from the desired and minimum switching losses.

In einer Ausführungsform des Magnetresonanztomographen ist es denkbar, dass die Taktfrequenz der Pulse kleiner oder gleich 20 kHz ist. Diese Grenzfrequenz stellt einen besonders vorteilhaften Wert da, da sie zum einen für eine möglichst schnelle Messung ausreichend ist und gleichzeitig die Schaltverluste in einem für Bauelemente und Kühlung beherrschbaren Rahmen bleiben. In one embodiment of the magnetic resonance tomograph, it is conceivable that the clock frequency of the pulses is less than or equal to 20 kHz. This cut-off frequency represents a particularly advantageous value because it is sufficient on the one hand for the fastest possible measurement and at the same time the switching losses remain in a frame that can be controlled for components and cooling.

Das erfindungsgemäße Verfahren teilt die vorteilhaften Wirkungen der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers und Magnetresonanztomographen. The method according to the invention shares the advantageous effects of the embodiments of the power amplifier and magnetic resonance tomograph according to the invention.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen: The present invention will be further explained with reference to the accompanying drawings, in which:

1 einen Leistungsverstärker aus dem Stand der Technik; 1 a power amplifier of the prior art;

2 einen zeitlichen Ablauf von Signalen in einem Leistungsverstärker aus dem Stand der Technik; 2 a timing of signals in a power amplifier of the prior art;

3 einen zeitlichen Ablauf von Signalen in einem Leistungsverstärker aus dem Stand der Technik; 3 a timing of signals in a power amplifier of the prior art;

4 einen zeitlichen Ablauf von Signalen in einem Magnetresonanztomographen; 4 a time course of signals in a magnetic resonance tomograph;

5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers; 5 an embodiment of a power amplifier according to the invention;

6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen; und 6 an embodiment of a magnetic resonance tomograph according to the invention; and

7 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 7 a flowchart of an embodiment of a method according to the invention.

1 zeigt einen Leistungsverstärker aus dem Stand der Technik. Der Leistungsverstärker weist eine Steuerung 100 und eine Leistungsstufe 130 auf. In der Steuerung bereitet die Sinalverarbeitungseinheit 110 ein Signal auf. Diese Aufbereitung kann beispielsweise eine Verstärkung oder eine Filterung umfassen. Das aufbereitete Signal wird an einen Modulator 120 weitergeleitet, der aus dem Signal Ansteuersignale für die Leistungsschaltelemente 131, 132, 133, 134 der Leistungsstufe 130 erzeugt. Die Form der Signale und das Prinzip der Erzeugung wird zu 2 näher erläutert. 1 shows a power amplifier of the prior art. The power amplifier has a controller 100 and a performance level 130 on. In the control prepares the Sinalverarbeitungseinheit 110 a signal. This processing can include, for example, a gain or a filtering. The conditioned signal is sent to a modulator 120 forwarded from the signal drive signals for the power switching elements 131 . 132 . 133 . 134 the power level 130 generated. The form of the signals and the principle of production becomes too 2 explained in more detail.

Die Steuerung 100 weist weiterhin eine Stromüberwachung 140 auf, die ausgelegt ist, ein von der Leistungsstufe geliefertes, zu dem an dem Leistungsausgang 135 der Leistungsstufe 130 fließenden Strom proportionales Signal zu verstärken und zu invertieren, gegebenen Falls zu filtern und zu überwachen. Das Signal der Stromüberwachung geht in den Addierer 150, in dem es zu dem Eingangssignal addiert wird. Da das Signal invertiert ist, wird über den Addierer 150 eine Regelschleife geschlossen, die das Ausgangssignal an Ausgang 135 in Abhängigkeit von dem Eingangssignal von Eingang 101 verstärkt um einen Verstärkungsfaktor nachführt. In dem dargestellten Fall kann hier beispielsweise ein Ausgangsstrom in Abhängigkeit von dem Eingangssignal geführt werden. The control 100 also has power monitoring 140 which is designed to be supplied from the power stage to that at the power output 135 the power level 130 to amplify and invert current proportional signal, if necessary to filter and monitor. The signal of the current monitoring goes into the adder 150 in which it is added to the input signal. Since the signal is inverted, the adder is used 150 closed a control loop, which outputs the output signal 135 depending on the input signal from input 101 reinforced by a gain factor. In the case shown here, for example, an output current can be guided in dependence on the input signal.

2 stellt die Signale in dem Modulator 120 dar. In der horizontalen x-Achse ist die Zeit t angegeben, in der Vertikalen y-Achse die Amplituden der Signale 11, 12, 30, 40, 50. Der Modulator 120 erhält von der Signalverarbeitungseinheit 110 das Modulatoreingangssignal 11 und das invertierte Modulatoreingangssignal 12. Der Modulator 120 erzeugt weiterhin mit konstanter Frequenz das Dreieckssignal 30. Das Dreieckssignal 30 wird in dem Modulator 120 mittels Komparatoren mit den Modulatoreingangssignalen 11 und 12 verglichen. Jeweils wenn die Modulatoreingangssignale 11, 12 die Dreiecksspannung 30 über bzw. unterschreiten, werden die Signale 40, 50 zur Ansteuerung der einzelnen leistungsschaltelemente 131, 132, 133, 134 in der Leistungsstufe 130 umgeschaltet. 2 represents the signals in the modulator 120 The time t is indicated in the horizontal x-axis and the amplitudes of the signals in the vertical y-axis 11 . 12 . 30 . 40 . 50 , The modulator 120 receives from the signal processing unit 110 the modulator input signal 11 and the inverted modulator input signal 12 , The modulator 120 continues to generate the triangular signal at a constant frequency 30 , The triangle signal 30 is in the modulator 120 using comparators with the modulator input signals 11 and 12 compared. Whenever the modulator input signals 11 . 12 the triangle voltage 30 above or below, the signals become 40 . 50 for controlling the individual power switching elements 131 . 132 . 133 . 134 in the power level 130 switched.

3 stellt im Detail den Verlauf eines Modulatoreingangssignals 11 mit hochfrequentem Anteil dar, erkenntlich an den Änderungen innerhalb einer Dreiecksschwingung 30. In der horizontalen x-Achse ist wieder die Zeit t angegeben, in der vertikalen y-Achse die Amplituden der Signale 10, 30. Das Modulatoreingangssignal 11 kreuzt nur an wenigen Punkten die Dreiecksschwingung 30, und da die Ansteuerung der Leistungsschaltelemente 131, 132, 133, 134 nur zu diesen Zeitpunkten schaltet, kann das Ausgangssignal 135 nicht den Änderungen des Modulatoreingangssignals 10 dazwischen folgen. Üblicherweise wird daher in der Signalverarbeitung 110 die Bandbereite des Signals auf einen Frequenzbereich kleiner der Hälfte der Frequenz des Dreieckssignals 30 beschränkt. 3 illustrates in detail the course of a modulator input signal 11 with high-frequency component, recognizable by the changes within a triangle wave 30 , The time t is again indicated in the horizontal x-axis, and the amplitudes of the signals in the vertical y-axis 10 . 30 , The modulator input signal 11 crosses only at a few points the triangular vibration 30 , and since the driving of the power switching elements 131 . 132 . 133 . 134 only switches at these times, the output signal can 135 not the modulator input signal changes 10 to follow in between. Usually, therefore, in signal processing 110 the band width of the signal to a frequency range smaller than half the frequency of the triangular signal 30 limited.

4 zeigt ein Eingangssignal 10 und ein Modulatoreingangssignal 11 für eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers 200 zur Ansteuerung einer Gradientenspule in einem Magnetresonanztomographen. In der horizontalen x-Achse ist wieder die Zeit t angegeben, in der vertikalen y-Achse die Amplituden der Signale 10, 11. Wegen der induktiven Last der Spule ist für eine Änderung des Stromes durch die Spule ein besonders hoher Ausgangsstrom erforderlich. Daher ist in den Bereichen B2, B4, B6 und B8 eine hohe Amplitude des Modulatoreingangssignals erforderlich. Gleichzeitig hat das Eingangssignal 10 in diesen Bereichen eine große Steigung und Änderungsgeschwindigkeit und damit eine hohe Grenzfrequenz. In diesen Bereichen erhöht die erfindungsgemäße Steuerung 200 die Frequenz der Pulse. Da gleichzeitig auch ein hoher Strom erforderlich ist, sind die Schaltverluste der Leistungsschaltelemente 231, 232, 233, 234 gegenüber den anderen Verlusten wie Durchleitungswiderstand zu vernachlässigen. In den Bereichen B1, B3, B5 und B7 hingegen ist das Eingangssignal konstant. Die Grenzfrequenz der hochfrequenten Signalanteile im Eingangssignal geht gegen null. Die erfindungsgemäße Steuerung 200 senkt entsprechend die Frequenz der Pulse und reduziert damit die Schaltverluste. 4 shows an input signal 10 and a modulator input signal 11 for an application of a power amplifier according to the invention 200 for controlling a gradient coil in a magnetic resonance tomograph. The time t is again indicated in the horizontal x-axis, and the amplitudes of the signals in the vertical y-axis 10 . 11 , Due to the inductive load of the coil, a change in the current through the coil requires a particularly high output current. Therefore, in the areas B2, B4, B6 and B8, a high amplitude of the modulator input signal is required. At the same time has the input signal 10 in these areas a large slope and rate of change and thus a high cutoff frequency. In these areas, the control according to the invention increases 200 the frequency of the pulses. Since a high current is required at the same time, the switching losses of the power switching elements 231 . 232 . 233 . 234 to neglect the other losses such as passage resistance. In the areas B1, B3, B5 and B7, however, the input signal is constant. The cutoff frequency of the high-frequency signal components in the input signal approaches zero. The control according to the invention 200 accordingly reduces the frequency of the pulses and thus reduces the switching losses.

5 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers. Das Eingangssignal von Eingang 201 wird zu dem invertierten Signal der Stromüberwachung 240 in dem Addierer 250 addiert. Das resultierende Stellsignal wird in der Signalverarbeitung 210 verstärkt und gefiltert. Dabei ist es vorgesehen, dass die Signalverarbeitung 210 auch höherfrequente Anteile als die Signalverarbeitung 110 aus dem Stand der Technik hindurchlässt. Das Modulatoreingangssignal 11 von der Signalverarbeitungsstufe 210 wird sowohl dem Modulator 220 als auch einem Frequenzanalysator 260 zugeführt. Der Frequenzanalysator 260 ist ausgelegt, ein Frequenzsignal zu erzeugen, dass die obere Grenzfrequenz der höherfrequenten Anteile des Modulatoreingangssignals 11 wiedergibt. Das Frequenzsignal wird dem Frequenzselektor 270 zugeführt, der dem Modulator 220 eine Frequenz für die Pulse vorgibt. Je höher die von dem Frequenzanalysator 260 bestimmte obere Grenzfrequenz ist, desto höher ist die von dem Frequenzselektor 270 dem Modulator vorgegebene Pulsfrequenz. Umgekehrt ist bei einer niedrigeren vorgegebenen oberen Grenzfrequenz des Modulatoreingangssignals 11 die von dem Frequenzselektor vorgegebene Pulsfrequenz. Der Modulator wandelt mit dem Modulatoreingangssignal 11 und einem Dreieckssignal 30 mit variabler, von dem Frequenzselektor 270 vorgegebenen Frequenz das Modulatoreingangssignal 11 in Steuersignale 40, 50 für die Leistungsschaltelemente 231, 232, 233, 234. Wie bereits beschrieben, liefert die Leistungsstufe 230 ein Signal, das dem am Ausgang 235 der Leistungsstufe fließenden Strom entspricht. Die Stromüberwachung 240 filtert, verstärkt und invertiert das Signal und führt es als Regelschleife dem Addierer 250 zu. Es ist auch denkbar, dass die Stromüberwachung 250 bei Erkennen eines Kurzschlusses ein Signal erzeugen, welches am Addierer 250 das Eingangssignal unterbricht und den Stromfluss durch die Leistungsstufe 130 unterbricht. 5 shows a schematic representation of the structure of a power amplifier according to the invention. The input signal from input 201 becomes the inverted signal of current monitoring 240 in the adder 250 added. The resulting actuating signal is used in the signal processing 210 reinforced and filtered. It is intended that the signal processing 210 also higher-frequency components than the signal processing 110 from the prior art lets through. The modulator input signal 11 from the signal processing stage 210 will both the modulator 220 as well as a frequency analyzer 260 fed. The frequency analyzer 260 is designed to generate a frequency signal that the upper limit frequency of the higher frequency components of the modulator input signal 11 reproduces. The frequency signal becomes the frequency selector 270 supplied to the modulator 220 specifies a frequency for the pulses. The higher the frequency of the analyzer 260 certain upper limit frequency is, the higher is that of the frequency selector 270 the pulse frequency predefined for the modulator. Conversely, at a lower predetermined upper limit frequency of the modulator input signal 11 the predetermined by the frequency selector pulse frequency. The modulator converts with the modulator input signal 11 and a triangle signal 30 variable, from the frequency selector 270 predetermined frequency the Modulatoreingangssignal 11 in control signals 40 . 50 for the power switching elements 231 . 232 . 233 . 234 , As previously described, provides the power level 230 a signal at the output 235 the power level corresponds to flowing current. The current monitoring 240 filters, amplifies and inverts the signal and feeds it as a control loop to the adder 250 to. It is also conceivable that the current monitoring 250 upon detection of a short circuit generate a signal which at the adder 250 the input signal interrupts and the current flow through the power stage 130 interrupts.

Die Signale in der Steuerung 200 können mittels analoger Funktionen wie Filter, Verstärker, Addierer, Filterbänken oder ähnlichem ausgeführt sein. Es ist aber auch denkbar, dass diese Funktionen durch digitale Mittel wie Addierwerk oder Frequenzanalyse in Hardware ausgeführt sind oder durch Software realisiert sind. The signals in the controller 200 may be implemented by analogue functions such as filters, amplifiers, adders, filter banks or the like. But it is also conceivable that these functions are performed by digital means such as adder or frequency analysis in hardware or are realized by software.

In der 5 sind die Funktionen als einzelne Elemente 210, 220, 240, 250, 260 und 270 dargestellt. Insbesondere bei einer Umsetzung mit digitalen Mitteln ist es denkbar, dass diese Elemente in einem Baustein vereint sind oder als Softwarefunktionen in einem Signalprozessor oder in einem Steuerrechner ausgeführt werden. In the 5 are the functions as individual elements 210 . 220 . 240 . 250 . 260 and 270 shown. In particular, when implemented with digital means, it is conceivable that these elements are combined in a block or executed as software functions in a signal processor or in a control computer.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomographen 300 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 6 shows a schematic representation of a magnetic resonance tomograph according to the invention 300 for carrying out the method according to the invention.

Die Magneteinheit 310 weist einen Feldmagneten 311 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. Patienten 340 in einem Probevolumen erzeugt. Das Probevolumen ist in einer Durchführung 316 angeordnet, die sich in einer Längsrichtung 302 durch die Magneteinheit 310 erstreckt. Üblicherweise handelt es sich bei dem Feldmagneten 311 um einen supraleitenden Magneten, der magnetische Felder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 3T, bei neuesten Geräten sogar darüber, bereitstellen kann. Für geringere Feldstärken können jedoch auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit normalleitenden Spulen Verwendung finden. The magnet unit 310 has a field magnet 311 which has a static magnetic field B0 for aligning nuclear spins of samples or patients 340 generated in a sample volume. The sample volume is in an execution 316 arranged in a longitudinal direction 302 through the magnet unit 310 extends. Usually, it is the field magnet 311 a superconducting magnet that can provide magnetic fields with a magnetic flux density of up to 3T, even more, in the latest devices. For lower field strengths, however, it is also possible to use permanent magnets or electromagnets with normally conducting coils.

Weiterhin weist die Magneteinheit 310 Gradientenspulen 312 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Probevolumen dem Magnetfeld B0 variable Magnetfelder in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen 312 sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Felder in dem Probevolumen erzeugen können. Furthermore, the magnet unit 310 gradient coils 312 auf, which are adapted to the spatial differentiation of the detected imaging areas in the sample volume to the magnetic field B0 variable magnetic fields in three spatial directions to superimpose. The gradient coils 312 are usually coils of normal conducting wires which can generate mutually orthogonal fields in the sample volume.

Die Magneteinheit 310 weist ebenfalls eine Körperspule 314 auf, die dazu ausgelegt ist, ein über eine Signalleitung zugeführtes Hochfrequenzsignal in das Probevolumen abzustrahlen und von dem Patienten 340 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über die Signalleitung abzugeben. Bevorzugterweise wird aber die Körperspule 314 für das Aussenden des Hochfrequenzsignals und/oder das Empfangen durch lokale Spulen 315 ersetzt, die in der Durchführung 316 nahe an dem Patienten 340 angeordnet sind. The magnet unit 310 also has a body coil 314 configured to radiate a radio frequency signal supplied via a signal line into the sample volume and from the patient 340 to receive emitted resonance signals and output via the signal line. Preferably, however, the body coil 314 for transmitting the high-frequency signal and / or receiving by local coils 315 replaced in the implementation 316 close to the patient 340 are arranged.

Eine Steuereinheit 320 versorgt die Magneteinheit 310 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 312 und die Körperspule 314 bzw. die lokalen Spulen 315 und wertet die empfangenen Signale aus. A control unit 320 supplies the magnet unit 310 with the various signals for the gradient coils 312 and the body coil 314 or the local coils 315 and evaluates the received signals.

So weist die Steuereinheit 320 eine Gradientenansteuerung 321 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 312 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder in dem Probevolumen bereitstellen. Die Gradientensteuerung 321 ist mit einem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker versehen. Durch die erfindungsgemäße Steuerung 200 ist die Gradientensteuerung 321 in der Lage, die Gradientenspulen 312 mit einer geringeren Verlustleistung anzusteuern. This is how the control unit points 320 a gradient control 321 which is designed to be the gradient coils 312 via supply lines with variable currents, which provide time coordinated the desired gradient fields in the sample volume. The gradient control 321 is provided with a power amplifier according to the invention. By the control according to the invention 200 is the gradient control 321 capable of the gradient coils 312 to drive with a lower power loss.

Weiterhin weist die Steuereinheit 320 eine Hochfrequenzeinheit 322 auf, die ausgelegt ist, einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude und spektraler Leistungsverteilung zur Anregung einer Magnetresonanz der Kernenspins in dem Patienten 340 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden. Furthermore, the control unit 320 a radio frequency unit 322 which is adapted to a high-frequency pulse having a predetermined time course, amplitude and spectral power distribution for exciting a magnetic resonance of the nuclear spin in the patient 340 to create. In this case, pulse powers in the range of kilowatts can be achieved.

Die Hochfrequenzeinheit 322 ist auch dazu ausgelegt, von der Körperspule 314 oder einer lokalen Spule 315 empfangene und über eine Signalleitung 333 der Hochfrequenzeinheit 322 zugeführte Hochfrequenzsignale bezüglich Amplitude und Phase auszuwerten. Dabei handelt es sich insbesondere um Hochfrequenzsignale, welche Kernspins in dem Patienten 340 als Antwort auf die Anregung durch einen Hochfrequenz-Puls in dem Magnetfeld B0 bzw. in einem resultierenden Magnetfeld aus einer Überlagerung von B0 und Gradientenfeldern aussenden. The radio frequency unit 322 is also designed by the body coil 314 or a local coil 315 received and via a signal line 333 the radio frequency unit 322 to evaluate supplied high-frequency signals in terms of amplitude and phase. These are in particular high-frequency signals, which nuclear spins in the patient 340 in response to the excitation by a high-frequency pulse in the magnetic field B0 or in a resulting magnetic field from a superposition of B0 and gradient fields emit.

Weiterhin weist die Steuereinheit 320 eine Koordinationssteuerung 223 auf, welche dazu ausgelegt ist, die zeitliche Koordination der Aktivitäten der Gradientenansteuerung 321 und der Hochfrequenzeinheit 322 vorzunehmen. Dazu ist die Koordinationssteuerung 323 mit den anderen Einheiten 321, 322 über einen Signalbus 325 verbunden und in Signalaustausch. Die Koordinationsteuerung 323 ist dazu ausgelegt, von der Hochfrequenzeinheit 322 ausgewertete Signale aus dem Patienten 340 entgegenzunehmen und zu verarbeiten oder der Gradientenansteuerung 322 und der HF-Pulserzeugungseinheit 323 Puls- und Signalformen vorzugeben und zeitlich zu koordinieren. Furthermore, the control unit 320 a coordination controller 223 which is adapted to the temporal coordination of the activities of the gradient control 321 and the RF unit 322 make. This is the coordination control 323 with the other units 321 . 322 via a signal bus 325 connected and in signal exchange. The coordination control 323 is designed by the high frequency unit 322 evaluated signals from the patient 340 receive and process or the gradient control 322 and the RF pulse generating unit 323 Defining and coordinating pulse and signal shapes.

7 stellt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Das Verfahren wird auf einem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker ausgeführt, der einen Signaleingang 201, eine Steuerung 200, ein Leistungsschaltelement 231, 232, 233, 234 und einen Leistungsausgang 135 aufweist. 7 FIG. 3 illustrates a flowchart of the method according to the invention. The method is implemented on a power amplifier according to the invention, which has a signal input 201 , a controller 200 , a power switching element 231 . 232 . 233 . 234 and a power output 135 having.

Das Verfahren weist den Schritt S10 des Bestimmens einer oberen Grenzfrequenz von Spektralanteilen eines Eingangssignals 10 am Signaleingang 201 durch die Steuerung 200 auf. The method comprises the step S10 of determining an upper limit frequency of spectral components of an input signal 10 at the signal input 201 through the controller 200 on.

Das Verfahren weist weiterhin den Schritt S20 des Bestimmens einer Frequenz für Pulse durch die Steuerung 200 auf. The method further includes the step S20 determining a frequency for pulses by the controller 200 on.

Weiterhin weist das Verfahren den Schritt S30 des Bestimmens einer Pulsweite durch die Steuerung 200 auf, wobei die Frequenz und die Pulsweite in Abhängigkeit von der Grenzfrequenz derart bestimmt werden, dass an dem Leistungsausgang 235 ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches ein verstärktes Eingangssignal 10 des Signaleingangs 201 ist, das um eine maximal vorgegebene Abweichung von dem mit dem Verstärkungsfaktor multiplizierten Eingangssignal 10 abweicht und gleichzeitig Schaltverluste an dem Leistungsschaltelement 231, 232, 233, 234 minimiert werden. Furthermore, the method has the step S30 determining a pulse width by the controller 200 in which the frequency and the pulse width are determined as a function of the cutoff frequency such that at the power output 235 an output signal is generated which is an amplified input signal 10 of the signal input 201 is that, by a maximum predetermined deviation from the multiplied by the gain input signal 10 deviates and at the same time switching losses on the power switching element 231 . 232 . 233 . 234 be minimized.

Schließlich weist das Verfahren den Schritt S40 des Ansteuerns des Leistungsschaltelements 231, 232, 233, 234 mit den Pulsen der bestimmten Pulsweite und Frequenz auf. Finally, the method points the step S40 the driving of the power switching element 231 . 232 . 233 . 234 with the pulses of the specific pulse width and frequency.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Schritt S 40 das Verfahren wiederholt ausgeführt, jeweils beginnend mit dem Schritt S 10. In a preferred embodiment of the method, the method is repeatedly executed after step S 40, in each case beginning with step S 10.

Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der erfinderische Gedanke mit einer geänderten funktionalen Aufteilung realisiert wird. So ist es in einer möglichen Ausführungsform denkbar, dass der Leistungsverstärker Teil einer übergeordneten Einheit ist, beispielsweise eines Magnetresonanz-Tomographen. Dabei kann die Steuerung 200 funktional über die übergeordnete Einheit verteilt sein, sodass bereits die übergeordnete Einheit als Eingangssignal des Leistungsverstärkers am Signaleingang 201 ein Sollsignal und ein weiteres Signal liefert, dass bereits die Taktfrequenz vorgibt. Dies kann von Vorteil sein, wenn das Eingangssignal im Vorhinein bekannt ist, beispielsweise wie der Stromverlauf für ein Gradientensignal, sodass ein auf die Verluste hin optimierter Frequenzverlauf für das Taktsignal vorbestimmt werden kann. In principle, it is also conceivable that the inventive idea is realized with a modified functional distribution. Thus, in one possible embodiment, it is conceivable that the power amplifier is part of a higher-order unit, for example a magnetic resonance tomograph. In doing so, the controller 200 be functionally distributed over the parent unit, so that already the higher-level unit as the input signal of the power amplifier at the signal input 201 a target signal and another signal that already specifies the clock frequency. This may be advantageous if the input signal is known in advance, for example as the current waveform for a gradient signal, so that an optimized frequency response for the clock signal can be predetermined.

Weiterhin wäre es denkbar, dass auch der Regelkreis, der die Abweichungen des Soll-Signals von dem gemessenen Ist-Signal sich in die übergeordnete Einheit erstreckt, sodass beispielsweise der Addierer 250 Teil der übergeordneten Einheit ist und das Soll-Signal bereits um einen Regelungsanteil korrigiert ist. Dazu muss die übergeordnete Einheit über ausreichend schnelle und präzise Signalpfade und Signalverarbeitungsmittel aufweisen. Furthermore, it would be conceivable that the control circuit, which extends the deviations of the desired signal from the measured actual signal into the higher-level unit, so that, for example, the adder 250 Is part of the higher-level unit and the desired signal has already been corrected by a control component. For this, the higher-level unit must have sufficiently fast and precise signal paths and signal processing means.

In einer ausreichend determinierten Umgebung, bei der Einflüsse von außen ausreichend unterdrückt oder vorbestimmt werden können, ist es sogar denkbar, dass in dem Sollsignal diese Einflüsse bereits berücksichtigt sind und eine weitere Regelung entfallen kann. In einer derartigen Ausführungsform wäre es denkbar, dass die Steuerung 200 mit Signalverarbeitung 210, Modulator 220, Frequenzanalysator 260 und Frequenzselektor 270 als Schritte in einem Verfahren zum Betrieb der Einheit ausgeführt werden und in der übergeordneten Einheit als vorbestimmte gespeichert sind. In a sufficiently determined environment, in which external influences can be sufficiently suppressed or predetermined, it is even conceivable that these influences are already taken into account in the desired signal and a further control can be dispensed with. In such an embodiment, it would be conceivable that the controller 200 with signal processing 210 , Modulator 220 , Frequency analyzer 260 and frequency selector 270 are executed as steps in a method for operating the unit and are stored in the higher-level unit as predetermined.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 112006002679 T5 [0005]

Claims

Power amplifier, comprising: - a signal input ( 201 ), - a controller ( 200 ), - a power switching element ( 231 . 232 . 233 . 234 ), - a power output ( 235 ), whereby the controller ( 200 ) is adapted to the power switching element ( 231 . 232 . 233 . 234 ) by means of pulses of different duration such that at the power output ( 235 ) is an output signal which is an amplified input signal of the signal input, which differs by a maximum predetermined deviation from the multiplied by the gain input signal, characterized in that the controller ( 200 ) is adapted to change a clock frequency of the pulses in response to an upper limit frequency of spectral components of the input signal.

A power amplifier according to claim 1, wherein the controller ( 200 ) is designed to increase the clock frequency at an increase of the upper limit frequency.

Power amplifier according to one of claims 1 or 2, wherein the power amplifier ( 200 ) a plurality of power switching elements ( 231 . 232 . 233 . 234 ) having.

A power amplifier according to claim 3, wherein the power switching elements ( 231 . 232 . 233 . 234 ) are connected in such a way and by the controller ( 200 ) are controlled such that one with the power switching elements ( 231 . 232 . 233 . 234 ) electrically conductive load can be traversed in two directions by electricity.

Power amplifier according to one of the preceding claims, wherein the power amplifier ( 200 ) has a sieve element which is adapted to filter frequency components of the output signal above a predetermined cutoff frequency to an amplitude below a predetermined level.

Power amplifier according to one of the preceding claims, wherein the clock frequency of the pulses is the frequency of a triangular signal ( 30 ).

Power amplifier according to one of the preceding claims, wherein the power amplifier ( 200 ) a frequency analyzer ( 260 ) having.

Magnetic resonance tomograph with a power amplifier according to one of Claims 1 to 7.

Magnetic resonance tomograph according to claim 8, wherein the power output ( 235 ) of the power amplifier with a gradient coil ( 312 ) is electrically connected.

Magnetic resonance tomograph according to one of claims 8 or 9, wherein the clock frequency of the pulses is less than or equal to 20 kHz.

Method for operating a power amplifier, wherein the power amplifier receives a signal input ( 201 ), a controller ( 200 ), a power switching element ( 231 . 232 . 233 . 234 ) and a power output ( 235 ), the method comprising the steps of: - determining an upper limit frequency of spectral components of an input signal at the signal input ( 201 ) by the controller ( 200 ), - determining a frequency for pulses by the controller ( 200 ), - determining a pulse width by the controller ( 200 ), wherein the frequency and the pulse width are determined as a function of the cutoff frequency such that at the power output ( 235 ) an output signal is generated, which amplifies an input signal of the signal input ( 201 ), which deviates by a maximum predetermined deviation from the input signal multiplied by the amplification factor and at the same time switching losses at the power switching element (FIG. 231 . 232 . 233 . 234 ) and controlling the power switching element ( 231 . 232 . 233 . 234 ) with the pulses of the specific pulse width and frequency.

The method of claim 11, wherein the frequency of the pulses increases as the cutoff frequency increases.

The method of claim 11 or 12, wherein the frequency of the pulses is reduced as the cutoff frequency decreases.

A method according to any one of claims 11 to 13, wherein after step S40, the process is restarted at step S10.