DE112015004169T5

DE112015004169T5 - Schaltverstärker mit nullspannungsschaltung und ausgeglichene-wärme-steuerungsalgorithmus

Info

Publication number: DE112015004169T5
Application number: DE112015004169.9T
Authority: DE
Inventors: Xiao Jianguo; Mei Ying; Ruxi Wang; Juan Antonio Sabate; Pengcheng Zhu; Chi Song
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-08-17
Also published as: US10135401B2; CN105471393B; CN105471393A; US20170264248A1; WO2016040596A1

Abstract

Ein Schaltverstärker schließt eine Vielzahl von Kaskadenelementen ein, jede Brückenschaltung schließt eine induktive Last ein, die zwischen einem ersten Abschnittsanschluss einer der wenigstens zwei Abschnittschaltungen und einem zweiten Abschnittsanschluss einer anderen der wenigstens zwei Abschnittschaltungen gekoppelt ist. Eine erste Abschnittsspannung eines ersten Abschnittsanschlusses weist eine erste Phasenverschiebung relativ zu einer zweiten Abschnittsspannung des zweiten Abschnittsanschlusses auf, wobei die Phasenverschiebung dazu verwendet wird, die induktive Last dazu zu veranlassen, elektrische Energie zu speichern und einen umlaufenden Mindeststrom –Imin oder Imin zu erzeugen, der ausreichend ist, das Leiten der korrespondierenden Diode zu bewirken; wobei jeder der Schalter dazu eingerichtet ist, eingeschaltet zu werden, wenn die korrespondierende Diode Strom leitet, um Nullspannungsschaltung des korrespondierenden Schalters zu bewirken. Der umlaufende Mindeststrom –Imin oder Imin ist gleich einem konstanten Wert.

Description

RÜCKVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der chinesischen Patentanmeldung Nr. 2014 10 4660 64.0 , eingereicht am 12. September 2014, deren Gesamtheit hierin durch Rückbezug aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Ausführungsformen der Offenbarung beziehen sich im Allgemeinen auf Schaltverstärker und spezieller auf einen Gradiententreiber, der kompatibel mit Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-Systemen ist.
In MRI-Systemen sind Gradiententreiber dazu eingerichtet, Gradientenspulen zu erregen, die um ein Objekt, z.B. einen Patienten, angeordnet sind, um magnetische Feldgradienten entlang der X-Achsen-Richtung, der Y-Achsen-Richtung und der Z-Achsen-Richtung zu erzeugen. Typischerweise ist der Gradiententreiber ein Schaltnetzteil, das aus Leistungshalbleiterelementen wie etwa bipolaren Transistoren mit isoliertem Gatteranschluss (IGBT), Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor (MOSFET), usw. aufgebaut ist. Um eine elektrische Leistung zu steuern, die durch den Gradiententreiber übertragen werden kann, werden die Leistungshalbleiterelemente üblicherweise in einem Puls-Breiten-Modulations(PWM)-Verfahren betrieben.
Allerdings wird das PWM-Verfahren zu einer schnellen Spannungsänderung (dv/dt) oder Stromänderung (di/dt) führen, die viele hochfrequente harmonische Inhalte erzeugen könnten. Wie oben erwähnt, können die hochfrequenten harmonischen Inhalte Hochfrequenz(HF)-Signale kontaminieren, die von HF-Spulen erfasst werden und können zu einer erheblichen Verschlechterung der MR-Bildqualität führen. Hochfrequente harmonische Inhalte können als eine elektromagnetische Gegentaktstörung (DM) und eine elektromagnetische Gleichtaktstörung (CM) definiert werden.
Daher ist es gewünscht, die obige elektromagnetische Störung, die durch den Gradiententreiber erzeugt wird, zu vermindern.
KURZE BESCHREIBUNG
In Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, wird ein Schaltverstärker bereitgestellt. Der Schaltverstärker schließt eine Vielzahl n von Kaskadenelemenenten ein, die in Reihe zwischen zwei Anschlüsse einer Last gekoppelt sind. Jedes Kaskadenelement weist zwei Brückenschaltungen auf, wobei jede Brückenschaltung eine induktive Last und wenigstens zwei Abschnittsschaltungen einschließt, von denen jede aus Schaltern aufgebaut ist, wobei die induktive Last zwischen einem ersten Abschnittsanschluss einer der wenigstens zwei Abschnittsschaltungen und einem zweiten Abschnittsanschluss einer anderen der wenigstens zwei Abschnittschaltungen gekoppelt ist; wobei jeder der Schalter elektrisch parallel mit einer Diode gekoppelt ist. Eine erste Abschnittsspannung des ersten Abschnittsanschlusses hat eine Phasenverschiebung relativ zu einer zweiten Abschnittsspannung eines zweiten Abschnittsanschlusses; die Phasenverschiebung wird dafür verwendet, die induktive Last dazu zu veranlassen, elektrische Energie zu speichern und einen umlaufenden Mindeststrom –Imin oder Imin zu erzeugen, der ausreichend ist, Leiten einer korrespondierenden Diode zu bewirken; wobei jeder der Schalter dazu eingerichtet ist, eingeschaltet zu werden, wenn die korrespondierende Diode den Strom leitet, um Nullspannungsschaltung (ZVS) des korrespondierenden Schalters zu bewirken. Der umlaufende Mindeststrom –Imin oder Imin ist gleich einem konstanten Wert.
ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile über die Zeichnungen hinweg bezeichnen, wobei:
1 ein Schaltdiagramm ist, das einen Schaltverstärker mit n Kaskadenelementen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
2 ist eine vereinfachte Darstellung von 1 für den Schaltverstärker mit einem Kaskadenelement.
3 ist eine Reihe von Spannungs- und Stromprofilen, die Spannungen zweier Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung und Ströme, die durch die induktive Last fließen, zeigen, in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
4 ist ein Diagramm, das bildlich einen Bereich von Tastgraden und Phasenverschiebungen veranschaulicht, für die Nullspannungsschaltung in den Schaltern eines Schaltverstärkers möglich ist, in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
5 ist ein Spannungs- und Stromprofil, der Spannungen zweier Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung und einen Strom zeigt, der durch die erste Induktivität fließt, wenn zwei Phasenverschiebungsregulierungen durch den Schaltverstärker ausgeführt werden.
6 ist ein Spannungsprofil, das Spannungen zweier Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung zeigt, wenn ZVS-Steuerung von der Laststromsteuerung entkoppelt ist.
7 ist ein Spannungs- und Stromprofil, das Spannungen zweier Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung und Ströme zeigt, die durch die induktive Last fließen, wenn ausgeglichene Wärmesteuerungs-Algorithmen durch den Schaltverstärker durchgeführt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dem Bemühen, eine prägnante Beschreibung dieser Ausführungsformen zur Verfügung stellen, werden nicht alle Merkmale in der einen oder mehreren speziellen Ausführungsformen beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass in der Entwicklung einer jeder solchen aktuellen Umsetzung als ein beliebiges Ingenieurs- oder Designprojekt zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen gefällt werden müssen, um die speziellen Ziele des Entwicklers zu erreichen, so wie Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Beschränkungen, die von einer Umsetzung zu einer anderen variieren können.
Wenn nicht anders definiert, haben technische und wissenschaftliche Begriffe, die hierin verwendet werden, dieselbe Bedeutung, wie sie üblicherweise durch einen Fachmann verstanden wird, den diese Offenbarung betrifft. Die Begriffe „erster“, „zweiter“ und dergleichen, bezeichnen so, wie sie hierin verwendet werden, keine Ordnung, Menge oder Wichtigkeit, sondern werden eher dafür verwendet, ein Element von dem anderen zu unterscheiden. Auch bezeichnen die Begriffe „einer“, „eine“ keine Begrenzung einer Menge, sondern bezeichnen eher das Vorhandensein wenigstens eines Objekts, auf das Bezug genommen wird. Der Begriff „oder“ ist inklusiv gemeint und meint entweder irgendeinen, einige oder alle der aufgelisteten Elemente. Die Verwendung von „einschließend“, „aufweisend“ oder „habend“ und Variationen davon, sind hierin gemeint, die danach aufgeführten Elemente und Äquivalente davon genauso wie zusätzliche Elemente zu umfassen. Die Begriffe „verbunden“ und „gekoppelt“ sind nicht auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt und können elektrische Verbindungen oder Kopplungen, ob direkt oder indirekt, einschließen. Die Begriffe „Schaltung“, „Schaltkreis“ und „Steuerung“ können entweder eine einzelne Komponente oder eine Vielzahl von Komponenten einschließen, die entweder aktive und/oder passive Komponenten sind und optional verbunden oder anders miteinander gekoppelt sein können, um die beschriebene Funktion bereitzustellen.
1 ist ein Schaltdiagramm, das einen Schaltverstärker 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Der Schaltverstärker 100 ist dazu eingerichtet, eine Last 200 mit Leistung zu versorgen. Als ein nicht-beschränkendes Beispiel ist der Schaltverstärker 100 ein Gradientenverstärker eines Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-Systems und die Last 200 ist eine Gradientenspule des MRI-Systems.
Der Schaltverstärker 100 schließt eine Vielzahl n von Kaskadenelementen KE1, ... KEn desselben Typs ein. Im Detail sind die Kaskadenelemente KE1, ... KEn in Reihe zwischen zwei Anschlüsse der Last 200 verbunden. Die Kaskadenelementspannungen U1, ... Un sind den entsprechenden Kaskadenelementen KE1, ... KEn zugeteilt, ihre Summe ergibt eine Ausgangsspannung Uaus an der Last 200 des Schaltverstärkers 100; daher Uaus = U1 + ... Un.
Jedes der Kaskadenelementen KE1, ... KEn schließt zwei Brückenschaltungen Bg1, Bg2, ein, die mit einer Leistungsquelle 90 verbunden sind. Die Brückenschaltung Bg1 schließt zwei Abschnittsschaltungen Lg1, Lg2 ein, die jeweils aus zwei Schaltern 94, die in Reihe zwischen zwei Pole der Leistungsquelle 90 verbunden sind, einem ersten Abschnittsanschluss 105a und einem zweiten Abschnittsanschluss 106a aufgebaut sind. Der erste Abschnittsanschluss 105a ist als ein Verbindungspunkt zwischen den beiden Schaltern 94 der Abschnittsschaltung Lg1 festgelegt. Der zweite Abschnittsanschluss 106a ist als ein Verbindungspunkt zwischen den beiden Schaltern 94 der Abschnittsschaltung Lg2 festgelegt.
Brückenschaltung Bg2 schließt zwei Abschnittsschaltungen Lg3, Lg4 ein, die jeweils aus zwei Schaltern 94, die in Reihe mit zwei Polen der Leistungsquelle 90 verbunden sind, einem ersten Abschnittsanschluss 105b und einem zweiten Abschnittsanschluss 106b aufgebaut sind. Der erste Abschnittsanschluss 105b ist als ein Verbindungspunkt zwischen den zwei Schaltern 94 der Abschnittsschaltung Lg3 festgelegt. Der zweite Abschnittsanschluss 106b ist als ein Verbindungspunkt zwischen den beiden Schaltern 94 der Abschnittsschaltung Lg4 festgelegt. In anderen Ausführungsformen kann jede der zwei Brückenschaltungen Bg1, Bg2 drei oder mehr Abschnittsschaltungen einschließen.
Die Brückenschaltung Bg1 schließt weiter induktive Lasten 98 ein, die, in den veranschaulichten Ausführungsformen, eine erste Induktivität L1 und eine zweite Induktivität L2 einschließen, die in Reihe zwischen den ersten Abschnittsanschluss 105a und den zweiten Abschnittsanschluss 106a verbunden sind. Die Brückenschaltung Bg2 schließt weiter induktive Lasten 98 ein, die, in der illustrierten Ausführungsform, eine erste Induktivität L3 und eine zweite Induktivität L4 einschließen, die in Reihe zwischen den ersten Abschnittsanschluss 105b und den zweiten Abschnittsanschluss 106b verbunden sind.
Der Verbindungspunkt zwischen der ersten Induktivität L1 und der zweiten Induktivität L2 ist als ein erster Brückenanschluss 102 festgelegt. Der Verbindungspunkt zwischen der ersten Induktivität L3 und der zweiten Induktivität L4 ist als ein zweiter Brückenanschluss 104 festgelegt. Der erste Brückenanschluss 102 und der zweite Brückenanschluss 104 stellen eine Kaskadenelementspannung bereit. Beispielsweise stellen der erste Brückenanschluss 102 und der zweite Brückenanschluss 104 des Kaskadenelements KE1 die Kaskadenelementspannung U1 bereit, der erste Brückenanschluss 102 und der zweite Brückenanschluss 104 des Kaskadenelements KEn stellen die Kaskadenelementspannung Un bereit.
Als ein nicht-beschränkendes Beispiel können die Schalter 94 SiC-Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs) sein. Wieder, wie oben bemerkt, wird es gegenwärtig in Betracht gezogen, dass manche oder alle der Schalter 94 IGBTs (Bipolare Transistoren mit isolierter Gatterelektrode), BJT (Bipolartransistor), Thyristor, usw. sein können. SiC-MOSFETs können wünschenswert sein, um eine schnellere Schaltung und eine Reduzierung des Schaltverlusts verglichen mit anderen MOSFET Materialien einschließlich Si zu ermöglichen.
Jeder Schalter 94 kann eine Diode 96 einschließen, die elektrisch mit dem Senken- und dem Quellenanschluss des SiC-MOSFETs gekoppelt ist. Die Diode 96 ist elektrisch parallel mit dem SiC-MOSFET gekoppelt, so dass es einem Strom gestattet ist, von einem Quellenanschluss des SiC-MOSFETs zu einem Senkenanschlus des SiC-MOSFETs durch die Diode 96 eher als durch den SiC-MOSFET selbst (bspw. den Kanal des SiC-MOSFETs) zu fließen. Dieser Betrieb ist im Wesentlichen derselbe für alle der Schalter 94. Die Diode 96 kann es einem Strom ermöglichen, zwischen dem Senkenanschluss und dem Quellenanschluss des Schalters 94 zu fließen, um eine Schalten des SiC-MOSFET in einen „Ein“-Zustand bei Nullspannungspotential zu ermöglichen. Jeder SiC-MOSFET kann als in einem „Ein“-Zustand angesehen werden, wenn er leitend ist und in einem „Aus“-Zustand, wenn er nicht leitend ist.
Während des Betriebs hat in jedem der Kaskadenelemente KE1, ... KEn eine erste Abschnittsspannung V1 des ersten Abschnittsanschlusses 105a eine Phasenverschiebung relativ zu einer zweiten Abschnittsspannung V2 des zweiten Abschnittsanschlusses 106a und eine erste Abschnittsspannung V3 des ersten Abschnittsanschlusses 105b hat eine Phasenverschiebung relativ zu einer zweiten Abschnittsspannung V4 des zweiten Abschnittsanschlusses 106b. Die Phasenverschiebung ist dazu eingerichtet, die induktive Last 98 dazu zu veranlassen, elektrische Energie zu speichern und einen umlaufenden Mindeststrom –Imin oder Imin zu erzeugen, der ausreichend ist, Leiten der korrespondierenden Diode 96 zu bewirken. Jeder Schalter 94 ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die korrespondierende Diode 96 Strom leitet, um Nullspannungsschaltung des korrespondierenden Schalters 94 zu bewirken. Der umlaufende Mindeststrom –Imin oder Imin ist gleich einem konstanten Wert. Beschreibungen der Phasenverschiebung und des umlaufenden Mindeststroms –Imin oder Imin werden im weiteren Detail unten mit Bezug auf die 2 bis 7 diskutiert werden.
2 ist eine vereinfachte Darstellung der 1 für den Schaltverstärker 100 mit einem Kaskadenelement, bspw. dem Kaskadenelement KE1. Wie veranschaulicht, schließt das Kaskadenelement KE1 bei Brückenschaltungen Bg1, Bg2 ein, die aus acht Schaltern 94 aufgebaut sind. In anderen Ausführungsformen kann das Kaskadenelement KE1 eine geringere (z.B. vier) oder größere (z.B. zwölf) Anzahl von Schaltern einschließen.
Die vier Schalter 94 der Brückenschaltung Bg1 sind als ein erster Schalter Q1a, ein zweiter Schalter Q2a, ein dritter Schalter Q1b, und ein vierter Schalter Q2b bezeichnet. Die vier Dioden 96 der Brückenschaltung Bg1 sind als eine erste Diode D1, eine zweite Diode D2, eine dritte Diode D3 und eine vierte Diode D4 bezeichnet.
Die vier Schalter 94 der Brückenschaltung Bg2 sind als ein erster Schalter Q1c, ein zweiter Schalter Q2c, ein dritter Schalter Q1d, und ein vierter Schalter Q2d bezeichnet. Die vier Dioden 96 der Brückenschaltung Bg2 sind als eine erste Diode D5, eine zweite Diode D6, eine dritte Diode D7 und eine vierte Diode D8 bezeichnet.
Der erste Brückenanschluss 102 und der zweite Brückenanschluss 104 sind an zwei entsprechende Anschlüsse der Last 200 gekoppelt. Der erste Brückenanschluss 102 und der zweite Brückenanschluss 104 stellen die Kaskadenelementspannung U1 zur Leistungsversorgung der Last 200 bereit.
3 ist eine Reihe von Spannungs- und Stromprofilen, die Spannungen an zwei Ausgangsanschlüssen einer Brückenschaltung und Ströme, die durch die erste Induktivität L1 und die zweite Induktivität L2 fließen, in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt.
In dem Diagramm 119 stellt ein Spannungs V1-Profil 120, die erste Abschnittsspannung V1 gegen die Zeit dar, ein Spannungs V2-Profil 123 stellt die zweite Abschnittsspannung V2 gegen die Zeit dar. Strom I1-Profil 124 stellt den Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, gegen die Zeit dar. Strom I2-Profil 126 stellt den Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, gegen die Zeit dar. In der Ausführungsform können die erste Abschnittsspannung V1 und die zweite Abschnittsspannung V2 (z.B. die erste und zweite Abschnittsspannung V1, V2 innerhalb derselben Brückenschaltung) beide denselben Tastgrad haben.
Die erste Abschnittsspannung V1 (dargestellt durch Profil 120) und die zweite Abschnittsspannung V2 (dargestellt durch Profil 122) können eine ansteigende Phasenverschiebung ϕ1 und eine fallende Phasenverschiebung ϕ2 zwischen ihnen aufweisen, was Nullspannungsschaltung der vier Schalter Q1a, Q2a, Q1b, Q2b ermöglicht.
3 veranschaulicht die Bedingung, wenn der Strom ILast, der durch die Last 200 fließt, positiv ist. Wenn der Strom die Last, der durch die Last 200 fließt, positiv ist, fließt der Strom I1 von dem ersten Abschnittsanschluss 105a zu der ersten Induktivität L1, der Strom I2 fließt von dem zweiten Abschnittsanschluss 106a zu der zweiten Induktivität L2.
Wie in 3 dargestellt, ist während eines ersten Zeitabschnitts 130 die erste Abschnittsspannung V1 hoch und die zweite Abschnittsspannung V2 hoch.
Zu Beginn eines zweiten Zeitabschnitts 132 wird die erste Abschnittsspannung V1 von hoch zu niedrig geändert, die zweite Abschnittsspannung V2 ist hoch; der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, ist gleich Imin + ILast, der erste Schalter Q1a wird von ein zu aus verändert, der zweite Schalter Q2a wird von aus zu ein verändert; der Strom I1 fließt durch die zweite Diode D2. Der zweite Schalter Q2a ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die zweite Diode D2 Strom leitet, um Nullspannungsschaltung des zweiten Schalters Q2a zu bewirken.
Am Ende des zweiten Zeitabschnitts 132 ist die erste Abschnittsspannung V1 niedrig, die zweite Abschnittsspannung V2 wird von hoch zu niedrig verändert; der Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, ist gleich Imin + ILast, der dritte Schalter Q1b wird von ein zu aus verändert, der vierte Schalter Q2b wird von aus zu ein verändert; der Strom I2 fließt durch die vierte Diode D4. Der vierte Schalter Qb2 ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die vierte Diode D4 Strom leitet, um Nullspannungsschaltung des vierten Schalters Q2b zu bewirken.
Während eines dritten Zeitabschnitts 134 ist die erste Abschnittsspannung V1 niedrig, die zweite Abschnittsspannung V2 ist niedrig.
Zu Beginn eines vierten Zeitabschnitts 136 wird die erste Abschnittsspannung V1 von niedrig zu hoch verändert, die zweite Abschnittsspannung V2 ist niedrig; der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, ist gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin, der erste Schalter Q1a wird von aus zu ein verändert, der zweite Schalter Q2a wird von ein zu aus verändert; der Strom I1 fließt durch die erste Diode D1. Der erste Schalter Q1a ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die erste Diode D1 Strom leitet, um Nullspannungsschaltung des ersten Schalters Q1a zu bewirken.
Am Ende des vierten Zeitabschnitts 136 ist die erste Abschnittsspannung V1 hoch, die zweite Abschnittsspannung V2 wird von niedrig zu hoch verändert; der Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, ist gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin, der dritte Schalter Q1b wird von aus zu ein verändert, der vierte Schalter Qb2 wird von ein zu aus verändert; der Strom I2 fließt durch die dritte Diode D3. Der dritte Schalter Q1b ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die dritte Diode D3 Strom leitet, um Nullspannungsschaltung des dritten Schalters Q1b zu bewirken. Dieses Muster, Elemente ein und aus zu schalten, kann wiederholt werden, um die in 3 dargestellten Profile zu erzeugen, wenn der Strom ILast, der durch die Last 200 fließt, positiv ist.
Der zweite Zeitabschnitt 132 ist die Dauer der fallenden Phasenverschiebung ϕ2. Das vierte Zeitsegment 136 ist die Dauer der ansteigenden Phasenverschiebung ϕ1. Während des zweiten Zeitabschnitts 132 und des vierten Zeitabschnitts 136 speichern die Induktivitäten L1, L2 elektrische Energie.
Das Phasenverschiebungsverfahren, das in 3 dargestellt ist, kann auf die Brückenschaltung Bg2 ausgeweitet werden, um ein periodisches Spannungssignal über dem ersten Brückenanschluss 102 und dem zweiten Brückenanschluss 104 zu erzeugen.
Ähnlich zu 3, in der Bedingung, wenn der Strom ILast, der durch die Last 200 fließt, negativ ist, ist der Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, wenn der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, gleich dem umlaufenden Mindeststrom Imin ist, gleich ILast – Imin; der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt ist, wenn der Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, gleich dem umlaufenden Mindeststrom Imin ist, gleich ILast – Imin. Wenn der Strom ILast, der durch die Last 200 fließt negativ ist, fließt der Strom I1 von der ersten Induktivität L1 zu dem ersten Abschnittsanschluss 105a, der zweite Strom I2 fließt von der zweiten Induktivität L2 zu dem zweiten Abschnittsanschluss 106a.
Wie in 3 gezeigt, wird der Schaltverstärker 100 der 2 in einem gewünschten Modus betrieben. In dem gewünschten Modus haben der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, und der Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, denselben umlaufenden Mindeststrom –Imin (wenn ILast > 0) oder Imin (wenn ILast < 0), ausreichend, um Leiten der korrespondierenden Diode zu bewirken und ZVS zu erreichen. Als nicht beschränkendes Beispiel, Imin = 50A.
4 ist ein Diagramm 170, das einen Bereich von Tastgraden und Phasenverschiebungen, geeignet zum Erreichen von Nullspannungsschaltung in den Schaltern 94, die hierin beschrieben sind, veranschaulicht. Als ein nicht beschränkendes Beispiel sind die Systemparameter für 4 Vdc = 2100V, Schaltfrequenz = 62,5kHz, L1 = L2 = 3,5uH, ILast = 600A und Imin = 0A. In der Tat sollte bemerkt werden, dass der Phasenverschiebungswinkel und der Tastgrad geführt oder gesteuert werden kann, um Nullspannungsschaltung zu erreichen.
Insbesondere veranschaulicht das Diagramm 170 den Phasenverschiebungswinkel 172 als eine Funktion des Tastgrades 174. Der Tastgrad 174 stellt den Wert des Tastgrades für die erste Abschnittsspannung V1 des ersten Abschnittsanschlusses 105a und die zweiten Abschnittsspannung V2 des zweiten Abschnittsanschlusses 106a dar. In bestimmten Ausführungsformen können die Tastgrade für die erste Abschnittsspannung V3 des ersten Abschnittsanschlusses 105b und die zweite Abschnittsspannung V4 des zweiten Abschnittsanschlusses 106b komplementär zu der ersten Abschnittsspannung V1 und der zweiten Abschnittsspannung V2 sein. Wenn der Tastgrad der ersten Abschnittsspannung V1 und der zweiten Abschnittsspannung V2 87% ist, ist der Tastgrad der ersten Abschnittsspannung V3 und der zweiten Abschnittsspannung V4 13%. Daher kann das Diagramm 170 für Ausführungsformen geeignet sein, wo die erste Abschnittsspannung V3 und die zweite Abschnittsspannung V4 komplementär zu der ersten Abschnittsspannung V1 und der zweiten Abschnittsspannung V2 sind.
Der Phasenverschiebungswinkel 172, der in dem Diagramm 170 dargestellt ist, ist der Phasenverschiebungswinkel zwischen der Kombination der ersten Abschnittsspannung V1 und der zweiten Abschnittsspannung V2 und der Kombination der ersten Abschnittsspannung V3 und der zweiten Abschnittsspannung V4.
In dem Fall, in dem der Schaltverstärker 100 der 2 in dem gewünschten Modus betrieben werden, stellt eine Diagrammfläche 176 den Bereich der Tastgrade und Phasenverschiebungswinkel dar, wo Nullspannungsschaltung erreicht werden kann. Die durchgezogene Linie 175 zeigt die Grenzen des Diagrammbereichs 176 an.
Die Fläche des gesamten Betriebsbereichs als eins angenommen (angezeigt durch die durchgezogene Linie 179), ist der Diagrammbereich 176 55% der gesamten Fläche. Der gewünschte Modus kann den umlaufenden Mindestrom –Imin oder Imin ausreichend zum Erhalten von ZVS erreichen. In der Bedingung, wenn I1Last > 0, wenn ^{I1 = –Imin}, I2 = Imin + ILast; wenn ^{I2 = –Imin}, I1 = Imin + ILast. In der Bedingung, wenn ILast < 0, wenn I1 = Imin, I2 = ILast – Imin; wenn I2 = Imin, I1 = ILast – Imin. Daher kann, aufgrund des umlaufenden Mindeststroms –Imin oder Imin, der Nennstrom jedes Schalters 94 klein sein und der Energieverbrauch jedes Schalters 94 kann reduziert sein.
Zweifache Phasenverschiebungsregulierung
Basierend auf einem gewünschten Modus liegt nur ein Phasenverschiebungswinkel in der Abschnittschaltung Lg1 und der Abschnittschaltung Lg2 der Brückenschaltung Bg1 vor. Die Phasenverschiebung bei der ansteigenden Flanke der Puls-Breiten-Modulation (PWM) ist gleich zu der Phasenverschiebung bei der abfallenden Flanke der PWM. Dies funktioniert, wenn der Laststrom ILast, der durch die Last 200 fließt, konstant bleibt und Stromwelligkeit auf der ersten Induktivität L1 und der zweiten Induktivität L2 vernachlässigbar ist. Um mit Variationen des Stroms ILast und großer Stromwelligkeiten auf der ersten Induktivität L1 und der zweiten Induktivität L2 umzugehen (dies bedeutet, dass der Strom, der durch die erste Induktivität L1 oder die zweite Induktivität L2 fließt, größer als oder kleiner als ein vorbestimmter Strom ist) und zu garantieren, dass die Schalter Q1a, Q2a, Q1b, Q2b mit ZVS auch während dynamischen Betriebs eingeschaltet werden, werden Algorithmen zur Regulierung der Verschiebung zweier Phasen (ϕ1 und ϕ2) durch eine ZVS-Steuerungseinheit 330, die in 2 gezeigt ist, des Steuerungsgeräts 300 durchgeführt.
Phasenverschiebung ϕ1 ist als die Phasenverschiebung zwischen der ersten Abschnittsspannung V1 und der zweiten Abschnittsspannung V2 bei ihren steigenden Flanken definiert. Die Phasenverschiebung ϕ1 wird zu einem positiven Spannungsabfall an der ersten Induktivität L1 führen, der Strom I1 wird von seinem negativen Flachabschnittwert (IL1_N_fb) auf den gewünschten positiven Flachabschnittwert (IL1_P*) reguliert, was garantieren wird, dass der erste Schalter Q1a und der dritte Schalter Q1b mit ZVS eingeschaltet werden. Die Anstiegsphasenverschiebung ϕ1 wird durch die ZVS-Steuerungseinheit 330 nach Gleichung 1 berechnet. ϕ₁ = T_steigend/T_s = (I_{L1_P}* – I_{L1_N_fb})/M₁T_s Gleichung 1
Die Phasenverschiebung ϕ2 ist als die Phasenverschiebung zwischen der ersten Abschnittsspannung V1 und der zweiten Abschnittsspannung V2 bei ihrer fallenden Flanke definiert. Die Phasenverschiebung ϕ2 wird zu einem negativen Spannungsabfall auf der ersten Induktivität L1 führen, der Strom I1 wird von seinem positiven Flachabschnittwert (IL1_P_fb) auf den gewünschten negativen Flachabschnittwert (IL1_N*) reguliert werden, was garantieren wird, dass der zweite Schalter Q2a und der vierte Schalter Q2b mit ZVS eingeschaltet werden. Die fallende Phasenverschiebung ϕ2 wird durch die ZVS-Steuerungseinheit 330 nach Gleichung 2 berechnet. ϕ2 = T_fallend/T_s=(I_{L1_P_fb} – I_{L1_N}*)/M₁T_s Gleichung 2
Wo M₁ = Vdc/(L₁ + L₂), ist Vdc eine Spannung der Leistungsquelle 90, Tansteigend ist eine ansteigende, vorbestimmte Zeitperiode, Tfallend ist eine fallende, vorbestimmte Zeitperiode. Wie in 3 gezeigt, ist Ts die Schaltperiode des Schaltverstärkers 900. Wenn der Strom ILast positiv ist, IL1_N* = –Imin, IL1_P* = ILast_fb + Imin. ILast_fb ist ein Strom, der durch die Last 200 fließt, und kann durch einen Stromsensor 902 gemessen werden. Die ansteigende vorbestimmte Zeitperiode ist die Dauer der Anstiegsphasenverschiebung. Die fallende vorbestimmte Zeitperiode ist die Dauer der Abfallsphasenverschiebung.
Wie in 5 gezeigt ist, ist I_{L1_N_fb} ein Strom, der durch die erste Induktivität L1 fließt, wenn die erste Abschnittsspannung V1 von niedrig zu hoch verändert wird, I_{L1_p_fb} ist ein Strom, der durch die erste Induktivität L1 fließt, wenn die erste Abschnittsspannung V1 von hoch auf niedrig geändert wird. Als ein nicht beschränkendes Beispiel werden I_{L1_N_fb} und I_{L1_p_fb} durch einen Stromsensor 904 gemessen.
Das Zweiphasenverschiebungsregulierungsverfahren, das in 5 veranschaulicht ist, kann auf die Abschnittschaltung Lg3 und die Abschnittschaltung Lg4 der Brückenschaltung Bg2 ausgeweitet werden.
Entkoppeln von ZVS-Steuerung und Laststrom-Steuerung
Das Steuerungsgerät 300, das in 2 gezeigt ist, ist dazu eingerichtet, einen ersten gewünschten Tastgrad DB1 und einen zweiten gewünschten Tastgrad DB2, die zwei entsprechenden Brückenschaltungen Bg1, Bg2 zugewiesen sind, zu erzeugen.
Die Brückenschaltung Bg1 als ein Beispiel nehmend, ist der gewünschte Tastgrad einer ersten Brückenspannung VPol-B1 des ersten Brückenanschlusses 102 DB1, um jede Interferenz mit dem Strom, der durch die Last 200 fließt, zu vermeiden, sollte die erste Brückenspannung VPol-B1 immer ihren äquivalenten Tastgrad bei DB1 behalten, selbst wenn zwei verschiedene Phasenverschiebungen ϕ1, ϕ2 auf der Brückenschaltung Bg1 verwirklicht sind.
Ein spezielles Verfahren, um zwei verschiedene Phasenverschiebungen ϕ1 und ϕ2 zuzuweisen, wird beschrieben. Wie in 6 gezeigt, ist der Unterschied der Anstiegsphasenverschiebung ϕ1 und der Abfallsphasenverschiebung ϕ2 ϕ2 – ϕ1. Um sicherzustellen, dass der äquivalente Tastgrad der ersten Brückenspannung VPol-B1 DB1 ist, ist die Treiberschaltung 320 durch das Steuerungsgerät 300 dazu eingerichtet, vier Schalter Q1a, Q2a, Q1b, Q2b zu steuern, so dass der Tastgrad der ersten Abschnittsspannung V1 gleich DB1 – (ϕ2 – ϕ1)/2 ist und der Tastgrad der zweiten Abschnittsspannung V2 gleich DB1 + (ϕ2 – ϕ1)/2 ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel schließt die Treiberschaltung 320 vier Treiber ein, die an vier entsprechende Schalter Q1a, Q2a, Q1b, Q2b gekoppelt sind.
Als ein Ergebnis wird die erste Brückenspannung VPol-B1 eine 3-Pegelspannungswellenform sein und der schattierte Bereich der ersten Brückenspannung VPol-B1 ist VDC*DB1*TS. Der äquivalente Tastgrad der ersten Brückenspannung VPol-B1 ist gleich DB1. Mit anderen Worten wird die ZVS-Steuerung nicht mit der Laststromsteuerung interferieren.
Das Verfahren zur Zuweisung zweier Phasenverschiebungen ϕ1, ϕ2, wie in 6 veranschaulicht, kann auf die Abschnittschaltung Lg3 und die Abschnittschaltung Lg4 der Brückenschaltung Bg2 ausgeweitet werden.
Im Detail schließt das Steuerungsgerät 300 weiter eine Laststromsteuerungseinheit 340 und eine Tastgraderzeugungseinheit 350 ein. Die Laststromsteuerungseinheit 340 schließt einen Subtrahierer 30, eine Rückkopplungssteuerung 32, einen Addierer 34 und eine Vorsteuerung 36 ein.
Der Substrahierer 30 wird für die Verarbeitung einer Stromreferenz ILast_ref und des Stroms ILast_fb, der durch die Last 200 fließt, verwendet, um eine Differenz zwischen der Stromreferenz ILast_ref und dem Strom ILast_fb zu erzeugen. Die Differenz wird als ein Stromfehler betrachtet. Die Rückkopplungssteuerung 32 wird dazu verwendet, einen Rückkopplungsbefehl entsprechend der Differenz zu erzeugen. Als ein nichtbeschränkendes Beispiel kann die Rückkopplungssteuerung 32 ein Integrator zur Akkumulierung des Stromfehlers, ein Proportionalverstärker oder andere Regler sein.
Die Vorsteuerung 36 wird dazu verwendet, einen Vorsteuerungsbefehl entsprechend der Stromreferenz ILast_ref zu erzeugen. Als ein nichtbeschränkendes Beispiel kann die Vorsteuerung 36 ein Proportionalverstärker oder andere Steuerungen sein.
Der Addierer 34 wird dazu verwendet, eine Summe des Rückkopplungsbefehls und des Vorsteuerungsbefehls zu erzeugen. Die Tastgraderzeugungseinheit 350 wird zur Erzeugung des ersten gewünschten Tastgrades DB1 und des zweiten gewünschten Tastgrades DB2 entsprechend der Summe des Rückkopplungsbefehls und des Vorsteuerungsbefehls verwendet,
wobei DB1 = VLast / 2Vdc + 0,5, DB2 = 1 – DB1; VLast ist die Spannung über der Last 200.
Ausgeglichene-Wärme-Steuerungs-Algorithmus
Basierend auf der obigen Beschreibung ist der Phasenverschiebungswinkel ϕ positiv, wobei dies meint, dass die Abschnittschaltung Lg1 immer führend und die Abschnittschaltung Lg2 immer nachgehend ist, deshalb sind Wärme, die durch die Abschnittschaltung Lg1 erzeugt wird, und Wärme, die durch die Abschnittschaltung Lg2 erzeugt wird, nicht ausgeglichen. Um ein ausgeglichenes Wärmeergebnis zu erreichen, wird ein Ausgeglichene-Wärme-Steuerungs Algorithmus von dem Steuerungsgerät 300 der 2 durchgeführt.
Der Ausgeglichene-Wärme-Steuerungs Algorithmus ist definiert als:
Wenn ϕ > 0, ist die Abschnittschaltung Lg1 führend und die Abschnittschaltung Lg2 nachgehend; d.h., dass die erste Abschnittsspannung V1 eine positive Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung V2 hat.
Wenn ϕ < 0, ist die Abschnittschaltung Lg1 nachgehend und die Abschnittschaltung Lg2 führend; d.h., die erste Abschnittsspannung V1 hat eine negative Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung V2, daher ist die Wärme, die von der Abschnittschaltung Lg1 erzeugt wird und die Wärme, die von der Abschnittschaltung Lg2 erzeugt wird, ausbalanciert.
Im Detail ist das Steuerungsgerät 300 dazu eingerichtet, eine Treiberschaltung 320 zu steuern, die aus vier Treibern (nicht gezeigt) aufgebaut ist, die an vier entsprechende Schalter Q1a, Q2a, Q1b, Q2b gekoppelt ist, so dass die erste Abschnittsspannung V1 die positive Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung V2 während einer ersten Periode 150 hat, die erste Abschnittsspannung V1 die negative Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung V2 während einer zweiten Periode 154 hat.
Das Steuerungsgerät 300 schließt ferner eine Wärmesteuerungseinheit 310 zur Durchführung des obigen ausgeglichene Wärme-Steuerungs-Algorithmus ein, um ein ausgeglichenes Wärmeergebnis zu erhalten. Die Wärmeausgleichssteuerungseinheit 310 ist eingerichtet, die Treiberschaltung 320 zu steuern, so dass ein erstes Pulssignal und ein zweites Pulssignal auf den ersten Abschnittsanschluss 105a bzw. den zweiten Abschnittsanschluss 106a während einer vorübergehenden Periode 152 zwischen der ersten Periode 150 und der zweiten Periode 154 angewendet werden, wenn ein Strom ILast_fb, der durch die Last 200 fließt, gleich 0 ist.
Wenn der Übergang von ϕ > 0 auf ϕ < 0 geschieht, ist das erste Pulssignal „101“, das zweite Pulssignal ist hoch während der vorübergehenden Periode 152. Ähnlich wie in 7, wenn der Übergang von ϕ < 0 auf ϕ > 0 geschieht; d.h., wenn die erste Abschnittsspannung V1 die negative Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung V2 während der ersten Periode 150 hat und die erste Abschnittsspannung V1 die positive Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung V2 während der zweiten Periode 154 hat; ist das erste Pulssignal während der vorübergehenden Periode 152 hoch, das zweite Pulssignal ist „101“.
Der Ausgeglichene-Wärme-Steuerungsalgorithmus, der oben beschrieben ist, kann auf die Abschnittschaltung Lg3 und die Abschnittschaltung Lg4 der Brückenschaltung Bg2 ausgeweitet werden.
Wie hierin weiter beschrieben, ist das Steuerungsgerät 300 weiter dazu eingerichtet, die Treiberschaltung 320 der Brückenschaltung Bg1 und die Treiberschaltung 322 der Brückenschaltung Bg2 zu steuern, so dass der Strom ILast, der durch die Last 200 fließt, gleich 0 während der ersten Periode 150, der vorübergehenden Periode 152 und der zweiten Periode 154 ist. Als ein nichtbeschränkendes Beispiel schließt die Treiberschaltung 322 vier Treiber (nicht gezeigt) ein, die an vier entsprechende Schalter Q1c, Q2c, Q1d, Q2d gekoppelt sind.
Ähnlich zu 3 ist in 7 während eines Zeitabschnitts 250 der ersten Periode 150 die erste Abschnittsspannung V1 niedrig, die zweite Abschnittsspannung V2 ist niedrig.
Zu Beginn eines ersten Zeitabschnitts 252 der vorübergehenden Periode 152 wird die erste Abschnittsspannung V1 von niedrig auf noch verändert, die zweite Abschnittsspannung V2 ist niedrig; der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, ist gleich –Imin, der erste Schalter Q1a wird von aus auf ein verändert, der zweite Schalter Q2a wird von ein auf aus verändert; der Strom I1 fließt durch die erste Diode D1. Der erste Schalter Q1a ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die erste Diode D1 Strom leitet. Deshalb wird der erste Schalter Q1a mit ZVS eingeschaltet.
Am Ende des ersten Zeitabschnitts 252 ist die erste Abschnittsspannung V1 hoch, die zweite Abschnittsspannung V2 wird von niedrig auf noch verändert; der Strom I2, der durch die zweite Induktivität fließt, ist gleich –Imin, der dritte schalter Q1b wird von aus auf ein verändert, der vierte Schalter Q2b wird von ein auf aus verändert; der Strom I2 fließt durch die dritte Diode D3. Der dritte Schalter Q1b ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die dritte Diode D3 Strom leitet, daher wird der dritte Schalter Q1b mit ZVS eingeschaltet.
Während eines zweiten Zeitabschnitts 254 der vorübergehenden Periode 152 ist die erste Abschnittsspannung V1 hoch, die zweite Abschnittsspannung V2 ist hoch.
Zu Beginn eines dritten Zeitabschnitts 255 der vorübergehenden Periode 152 wird die erste Abschnittsspannung V1 von hoch auf niedrig verändert, die zweite Abschnittsspannung V2 ist hoch; der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, ist gleich Imin + ILast, der erste Schalter Q1a wird von ein auf aus verändert, der zweite Schalter Q2a wird von aus auf ein verändert; der Strom I1 fließt durch die zweite Diode D2. Der zweite Schalter Q2a ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die zweite Diode D2 Strom leitet. Daher wird der zweite Schalter Q2a mit ZVS eingeschaltet.
Am Ende des dritten Zeitabschnitts 255 wird die erste Abschnittsspannung V1 von niedrig auf hoch verändert, die zweite Abschnittsspannung V2 ist hoch; der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, ist gleich –Imin, der erste Schalter Q1a wird von aus auf ein verändert, der zweite Schalter Q2a wird von ein auf aus verändert; der Strom I1 fließt durch die erste Diode D1. Der erste Schalter Q1a ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die erste Diode Strom leitet. Daher wird der erste Schalter Q1a mit ZVS eingeschaltet.
Die Breite des dritten Zeitabschnitts 255 ist gleich ∆D. Wobei, ∆D = 2Imin/M1, M1 = Vdc/(L1 + L2).
Während eines vierten Zeitabschnitts 256 der vorübergehenden Periode 152 ist die erste Abschnittsspannung V1 hoch, die zweite Abschnittsspannung V2 ist hoch.
Zu Beginn eines fünften Zeitabschnitts 258 der vorübergehenden Periode 152 ist die erste Abschnittsspannung V1 hoch, die zweite Abschnittsspannung V2 wird von hoch auf niedrig verändert; der Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, ist gleich Imin + ILast, der dritte Schalter Q1b wird von ein auf aus verändert, der vierte Schalter Q2b wird von aus auf ein verändert; der Strom I2 fließt durch die vierte Diode D4. Der vierte Schalter Q2b ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die vierte Diode D4 Strom leitet, deshalb wird der vierte Schalter Q2b mit ZVS eingeschaltet.
Am Ende des fünften Zeitabschnitts 258 wird die erste Abschnittsspannung V1 von hoch auf niedrig verändert, die zweite Abschnittsspannung V2 ist niedrig; der durch die erste Induktivität L1 fließende Strom I1 ist gleich Imin + ILast, der erste Schalter Q1a wird von ein auf aus verändert, der zweite Schalter Q2a wird von aus auf ein verändert; der Strom I1 fließt durch die zweite Diode D2. Der zweite Schalter Q2a ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die zweite Diode D2 Strom leitet, deshalb wird der zweite Schalter Q2a mit ZVS eingeschaltet.
Während eines sechsten Zeitabschnitts 259 der vorübergehenden Periode 152 ist die erste Abschnittsspannung V1 niedrig, die zweite Abschnittsspannung V2 ist niedrig.
Zu Beginn eines ersten Zeitabschnitts 260 der zweiten Periode 154 ist die erste Abschnittsspannung V1 niedrig, die zweite Abschnittsspannung V2 wird von niedrig auf hoch geändert; der Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, ist gleich –Imin, der dritte Schalter Q1b wird von aus auf ein verändert, der vierte Schalter Q2b wird von ein auf aus verändert; der Strom I2 fließt durch die dritte Diode D3. Der dritte Schalter Q1b ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die dritte Diode D3 Strom leitet, deshalb wird der dritte Schalter Q1b mit ZVS eingeschaltet.
Am Ende des ersten Zeitabschnitts 260 der zweiten Periode 154 wird die erste Abschnittsspannung V1 von niedrig auf hoch verändert, die zweite Abschnittsspannung V2 ist hoch; der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, ist gleich –Imin, der erste Schalter Q1a wird von aus auf ein verändert, der zweite schalter Q2a wird von ein auf aus verändert; der Strom I1 fließt durch die erste Diode D1. Der erste Schalter Q1a ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die erste Diode D1 Strom leitet, daher wird der erste Schalter Q1a mit ZVS eingeschaltet.
Während eines zweiten Zeitabschnitts 262 der zweiten Periode 154 ist die erste Abschnittsspannung V1 hoch, die zweite Abschnittsspannung V2 ist hoch.
Zu Beginn eines dritten Zeitabschnitts 264 der zweiten Periode 154 ist die erste Abschnittsspannung V1 hoch, die zweite Abschnittsspannung V2 wird von hoch auf niedrig geändert; der Strom I2, der durch die zweite Induktivität L2 fließt, ist gleich Imin + ILast, der dritte Schalter Q1b wird von ein auf aus verändert, der vierte Schalter Q2b wird von aus auf ein verändert; der Strom I2 fließt durch die vierte Diode D4. Der vierte Schalter Q2b ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die vierte Diode D4 Strom leitet, daher wird der vierte Schalter Q2b mit ZVS eingeschaltet.
Zu Beginn des dritten Zeitabschnitts 264 wird die erste Abschnittsspannung V1 von hoch auf niedrig verändert, die zweite Abschnittsspannung V2 ist niedrig; der Strom I1, der durch die erste Induktivität L1 fließt, ist gleich Imin + ILast, der erste Schalter Q1a wird von ein auf aus verändert, der zweite Schalter Q2a wird von aus auf ein verändert; der Strom I1 fließt durch die zweite Diode D2. Der zweite Schalter Q2a ist dazu eingerichtet, eingeschaltet zu werden, wenn die zweite Diode D2 Strom leitet, daher wird der zweite Schalter Q2a mit ZVS eingeschaltet.
Daher werden während der vorübergehenden Periode 152 der erste Schalter Q1a, der zweite Schalter Q2a, der dritte Schalter Q1b und der vierte Schalter Q2b beide mit ZVS eingeschaltet.
Verglichen mit dem harten Schalten der Schalter 94 werden durch das weiche Schalten der Schalter 94 der Schaltverlust und die elektromagnetische Störung, die durch den Schaltverstärker 100 erzeugt werden, effektiv reduziert.
Während die Offenbarung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es durch den Fachmann verstanden werden, dass verschiedene Veränderungen gemacht werden können, und Äquivalente für Elemente davon eingesetzt werden können, ohne von dem Bereich der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen gemacht werden, um eine bestimmte Situation oder ein Material an die Lehre der Offenbarung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Bereich davon abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt wird, die als die beste Ausführungsform zur Ausführung dieser Offenbarung betrachtet offenbart ist, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen einschließen wird, die in den Bereich der angehängten Ansprüche fallen.

Claims

Schaltverstärker, aufweisend: Eine Vielzahl n an Kaskadenelementen, die zwischen zwei Anschlüsse einer Last in Reihe gekoppelt sind; wobei jedes Kaskadenelement zwei Brückenschaltungen aufweist; wobei jede Brückenschaltung eine induktive Last und wenigstens zwei aus Schaltern aufgebaute Abschnittsschaltungen einschließt, wobei die induktive Last zwischen einen ersten Abschnittsanschluss einer der wenigstens zwei Abschnittsschaltungen und einen zweiten Abschnittsanschluss einer anderen der wenigstens zwei Abschnittsschaltungen gekoppelt ist; wobei jeder der Schalter elektrisch parallel mit einer Diode gekoppelt ist; wobei eine erste Abschnittsspannung des ersten Abschnittsanschlusses eine Phasenverschiebung relativ zu einer zweiten Abschnittsspannung des zweiten Abschnittsanschlusses aufweist; wobei die Phasenverschiebung dazu verwendet wird, die induktive Last dazu zu veranlassen, elektrische Energie zu speichern und einen umlaufenden Mindeststrom –Imin oder Imin zu erzeugen, der ausreichend ist, das Leiten einer korrespondierenden Diode zu bewirken; wobei jeder der Schalter dazu eingerichtet ist, eingeschaltet zu werden, wenn die korrespondierende Diode Strom leitet, um Nullspannungsschaltung (ZVS) des korrespondierenden Schalters zu bewirken; wobei der umlaufende Mindeststrom –Imin oder Imin gleich einem konstanten Wert ist.
Schaltverstärker nach Anspruch 1, wobei die Phasenverschiebung eine Anstiegsphasenverschiebung und eine Abfallsphasenverschiebung aufweist, wobei die induktive Last eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität aufweist, die in Reihe zwischen den ersten und zweiten Abschnittsanschlüssen verbunden sind, wobei jede Brückenschaltung vier Schalter aufweist, die als ein erster Schalter, ein zweiter Schalter, ein dritter Schalter beziehungsweise ein vierter Schalter definiert sind.
Schaltverstärker nach Anspruch 2, wobei ein Tastgrad einer Brückenspannung eines Verbindungspunktes zwischen der ersten und zweiten Induktivität nicht in Beziehung mit der Anstiegs- und der Abfallsphasenverschiebung steht.
Schaltverstärker nach Anspruch 3, wobei ein Tastgrad der ersten Abschnittsspannung gleich DB1 – ΔØ ist, wobei ein Tastgrad der zweiten Abschnittsspannung gleich DB1 + ΔØ ist, wobei ΔØ = (Ø2 – Ø1)/2; wobei Ø1 die Anstiegsphasenverschiebung und Ø2 die Abfallsphasenverschiebung ist.
Schaltverstärker nach Anspruch 2, wobei die Anstiegsphasenverschiebung und die Abfallsphasenverschiebung eingestellt sind, um Nullspannungsschaltung der vier Schalter jeder Brückenschaltung sicherzustellen, wenn ein Strom, der durch die Last fließt, variiert wird, oder ein Strom, der durch eine der ersten oder der zweiten Induktivität fließt, größer als oder kleiner als ein vorbestimmter Strom ist.
Schaltverstärker nach Anspruch 2, der weiter ein Steuerungsgerät aufweist, wobei n = 1 ist, wobei das Steuerungsgerät dazu eingerichtet ist, den Schaltverstärker zu steuern, so dass die erste Abschnittsspannung eine positive Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung während einer ersten Periode aufweist, die erste Abschnittsspannung eine negative Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung während einer zweiten Periode aufweist; und wobei ein erstes Pulssignal und ein zweites Pulssignal auf den ersten Abschnittsanschluss beziehungsweise den zweiten Abschnittsanschluss während einer vorübergehenden Periode zwischen der ersten Periode und der zweiten Periode angewendet werden, wenn ein Strom, der durch die Last fließt, gleich Null ist.
Schaltverstärker nach Anspruch 6, wobei das erste Pulssignal „101“ ist, wobei das zweite Pulssignal während der vorübergehenden Periode hoch ist.
Schaltverstärker nach Anspruch 2, wobei n = 1, wobei die Anstiegs- und Abfallsphasenverschiebungen positiv sind; wobei zu Beginn eines ersten Zeitabschnitts ein Strom, der durch die erste Induktivität fließt, gleich Imin + ILast ist, so dass der zweite Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; wobei an dem Ende des ersten Zeitabschnitts ein Strom, der durch die zweite Induktivität fließt, gleich Imin + ILast ist, so dass der vierte Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; wobei zu Beginn eines zweiten Zeitabschnitts der Strom, der durch die erste Induktivität fließt, gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin ist, so dass der erste Schalter mit ZVS eingeschaltet ist; wobei der Strom, der durch die zweite Induktivität fließt, am Ende des zweiten Zeitsegments gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin ist, so dass der dritte Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; wobei der erste Zeitabschnitt die Dauer der Abfallsphasenverschiebung, der zweite Zeitabschnitt die Dauer der Anstiegsphasenverschiebung ist.
Schaltverstärker nach Anspruch 2, wobei n = 1, wobei die Anstiegs- und die Abfallsphasenverschiebung negativ sind; wobei zu Beginn eines ersten Zeitabschnitts ein Strom, der durch die zweite Induktivität fließt, gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin ist, so dass der dritte Schalter mit ZVS eingeschaltet wird, wobei an dem Ende des ersten Zeitabschnitts ein Strom, der durch die erste Induktivität fließt, gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin ist, so dass der erste Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; wobei zu Beginn eines zweiten Zeitabschnitts der Strom, der durch die zweite Induktivität fließt gleich Imin + ILast ist, so dass der vierte Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; wobei an dem Ende des zweiten Zeitabschnitts der Strom, der durch die erste Induktivität fließt gleich Imin + ILast ist, so dass der zweite Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; wobei der erste Zeitabschnitt die Dauer der Anstiegsphasenverschiebung ist, wobei der zweite Zeitabschnitt die Dauer der Abfallsphasenverschiebung ist.
Verfahren zum Betreiben eines Schaltverstärkers, wobei der Schaltverstärker eine Vielzahl n von Kaskadenelementen aufweist, wobei jedes Kaskadenelement zwei Brückenschaltungen aufweist; wobei das Verfahren aufweist: Koppeln der Kaskadenelemente in Reihe zwischen zwei Anschlüssen einer Last; Bereitstellen einer induktiven Last und wenigstens zweier Abschnittsschaltungen, jeweils bestehend aus Schaltern in jeder Brückenschaltung; Koppeln der induktiven Last zwischen einem ersten Abschnittsanschluss, einer der wenigstens zwei Abschnittsschaltungen, und einen zweiten Abschnittsanschluss einer anderen der wenigstens zwei Abschnittsschaltungen; Koppeln jeden der Schalter parallel mit einer Diode; Einrichten einer ersten Abschnittsspannung des ersten Abschnittsanschlusses, die eine Phasenverschiebung relativ zu einer zweiten Abschnittsspannung des zweiten Abschnittsanschlusses hat, wobei die Phasenverschiebung verwendet wird, die induktive Last dazu zu veranlassen, elektrische Energie zu speichern und einen umlaufenden Mindeststrom –Imin oder Imin zu erzeugen, der ausreichend ist, Leiten der korrespondierenden Diode zu bewirken; und Einschalten jeden der Schalter, wenn die korrespondierende Diode Strom leitet um Nullspannungsschaltung (ZVS) des korrespondierenden Schalters zu bewirken; wobei der umlaufende Mindeststrom –Imin oder Imin gleich einem konstanten Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Phasenverschiebung eine Anstiegshasenverschiebung und eine Abfallsphasenverschiebung aufweist, die induktive Last eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität aufweist, die in Reihe zwischen den ersten und zweiten Abschnittsanschlüssen verbunden sind, wobei jede Brückenschaltung vier Schalter aufweist, die als erster Schalter, zweiter Schalter, dritter Schalter beziehungsweise vierter Schalter festgelegt sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Tastgrad einer Brückenspannung eines Verbindungspunktes zwischen der ersten und zweiten Induktivität nicht in Beziehung zu der Anstiegs- und der Abfallsphasenverschiebung steht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Tastgrad der ersten Abschnittsspannung gleich DB1 – ΔØ ist, wobei ein Tastgrad der zweiten Abschnittsspannung gleich DB1 + ΔØ ist, wobei ΔØ = (Ø2 – Ø1)/2; wobei Ø1 die Anstiegsphasenverschiebung ist, wobei Ø2 die Abfallsphasenverschiebung ist.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter aufweisend: Einstellen der Anstiegsphasenverschiebung und der Abfallsphasenverschiebung um Nullspannungsschaltung der vier Schalter jeder Brückenschaltung sicherzustellen, wenn ein Strom, der durch die Last fließt, variiert wird, oder ein Strom, der durch eine der ersten Induktivität oder der zweiten Induktivität fließt, größer oder kleiner als ein vorbestimmter Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei n = 1, wobei das Verfahren aufweist: Steuern der ersten Abschnittsspannung, so dass diese eine positive Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung während einer ersten Periode aufweist; Steuern der ersten Abschnittsspannung, so dass diese eine negative Phasenverschiebung relativ zu der zweiten Abschnittsspannung während einer zweiten Periode aufweist; Steuern eines ersten Pulssignals und eines zweiten Pulssignals, um auf den ersten Abschnittsanschluss bzw. den zweiten Abschnittsanschluss während einer vorübergehenden Periode zwischen der ersten Periode und der zweiten Periode angewendet zu werden, wenn ein Strom, der durch die Last fließt, gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Pulssignal „101“ ist, wobei das zweite Pulssignal während der vorübergehenden Periode hoch ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei n = 1, wobei die Anstiegs- und die Abfallsphasenverschiebung positiv sind; wobei das Verfahren weiter aufweist: Steuern eines Stroms, der durch die erste Induktivität fließt, so dass dieser gleich Imin + ILast ist, zu Beginn eines ersten Zeitabschnitts, so dass der zweite Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; Steuern eines Stroms, der durch die zweite Induktivität fließt, so dass dieser gleich Imin + ILast ist, am Ende des ersten Zeitabschnitts, so dass der vierte Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; Steuern des Stroms, der durch die erste Induktivität fließt, so dass dieser gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin ist, zu Beginn eines zweiten Zeitabschnitts, so dass der erste Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; und Steuern des Stroms, der durch die zweite Induktivität fließt, so dass dieser gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin ist, am Ende des zweiten Zeitabschnitts, so dass der dritte Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; wobei der erste Zeitabschnitt die Dauer der Abfallsphasenverschiebung ist, wobei der zweite Zeitabschnitt die Dauer der Anstiegsphasenverschiebung ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei n = 1, wobei die Anstiegs- und die Abfallsphasenverschiebung negativ sind, wobei das Verfahren weiter aufweist: Steuern eines Stroms, der durch die zweite Induktivität fließt, so dass dieser gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin ist, während eines ersten Zeitabschnitts, so dass der dritte Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; Steuern eines Stroms, der durch die erste Induktivität fließt, so dass dieser gleich dem umlaufenden Mindeststrom –Imin ist, am Ende des ersten Zeitabschnitts, so dass der erste Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; Steuern des Stroms, der durch die zweite Induktivität fließt, so dass dieser gleich Imin + ILast ist, zu Beginn eines zweiten Zeitabschnitts, so dass der vierte Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; und Steuern des Stroms, der durch die erste Induktivität fließt, so dass dieser gleich Imin + ILast ist, am Ende des zweiten Zeitabschnitts, so dass der zweite Schalter mit ZVS eingeschaltet wird; wobei der erste Zeitabschnitt die Dauer der Anstiegsphasenverschiebung ist, wobei der zweite Zeitabschnitt die Dauer der Abfallsphasenverschiebung ist.
Gradientenverstärker, aufweisend: Eine Vielzahl n von Kaskadenelementen, die in Reihe zwischen zwei Anschlüsse einer Gradientenspule gekoppelt sind; wobei jedes Kaskadenelement zwei Brückenschaltungen aufweist; wobei jede Brückenschaltung eine induktive Last und wenigstens zwei jeweils aus Schaltern aufgebaute Abschnittsschaltung einschließt, wobei die induktive Last zwischen einem ersten Abschnittsanschluss einer der wenigstens zwei Abschnittsschaltungen und einem zweiten Abschnittsanschluss einer anderen der wenigstens zwei Abschnittsschaltungen gekoppelt ist; wobei jeder der Schalter elektrisch parallel mit einer Diode gekoppelt ist; wobei eine erste Abschnittsspannung des ersten Abschnittsanschlusses eine Phasenverschiebung relativ zu einer zweiten Abschnittsspannung des zweiten Anschlusses aufweist; wobei die Phasenverschiebung dazu verwendet wird, die induktive Last dazu zu veranlassen, elektrische Energie zu speichern und einen umlaufenden Mindeststrom –Imin oder Imin zu erzeugen, der ausreichend ist, um ein Leiten einer korrespondierenden Diode zu bewirken; wobei jeder der Schalter dazu eingerichtet ist, eingeschaltet zu werden, wenn die korrespondierende Diode Strom leitet, um Nullspannungsschaltung (ZVS) des korrespondierenden Schalters zu bewirken; wobei der umlaufende Mindeststrom –Imin oder Imin gleich einem konstanten Wert ist.