专利名称：用于向负载供应电力的电源、方法和计算机程序产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲宽度调制的电源的设计和控制。
背景技术：
在磁共振成像(MRI)中，通常使用三个梯度放大器和三个相关联的磁场梯度线圈提供位于磁场中的原子自旋的3维空间编码。这些梯度放大器通常特征在于所产生电流波形的高峰值功率(对于当前的样品而言，几百kW到2MW)和高精度。曾使用由使用脉冲宽度调制(PWM)的串联全桥构成的电路来构造梯度放大器。已知这种电路拓扑有若干名称，例如“堆叠的H桥”、“级联的H桥”或“级联的多单元变换器”。该电路的严重缺点是每个桥需要相对于低频和高频都很好隔离的单独浮地电源。对这种基本方案的变化是可能的，但成本是复杂性增加且仍然需要多个隔离的电源。美国专利7116166B2公开了使用全桥电路构造用于磁共振成像设备的梯度电源。
发明内容
本发明在独立权利要求中提供了一种电源、一种用于操作电源的方法和一种执行操作电源的方法的计算机程序产品。在从属权利要求中给出了本发明的实施例。本发明的实施例通过利用“浮地电容器”替换一个或多个昂贵的直流电源来解决前面提到的这一问题。电容器上的电荷能够供应操作全桥电路所需的电流。通过控制桥式电路之内开关的调制，可以控制电容器上的电荷水平并可以连续操作本发明的实施例。消除直流电源降低了电源的制造成本。电源电子器件中的基本电路是规范的开关单元。通常使用理想开关讨论规范的开关单元。不过，更实际的实施方式是使用具有反并联二极管的绝缘栅极双极性晶体管 (IGBT)作为开关。规范开关单元用于控制功率流并由此在两个系统之间交换能量。操作两个开关， 使得负载连接到电压源的正或负端子。操作开关，使得在任何时候恰好关闭这些开关中的一个。禁止闭合两个开关，因为这会导致电压源两端短路，由此可能导致电流不受限制；打开两个开关会妨碍电流正确从电流源流动，可能导致无限的电压上升。两个触发信号控制两个开关的状态，使得在触发信号为1时，闭合开关，而在触发信号等于0时，则打开开关。 由于上文所述的约束条件，两个触发信号彼此是逻辑反转的。注意，这是非常一般的并且是概念性的电路根据电压V和电流I的极性，功率流可以在任意方向上。对于开关单元的实际实施方式，可以由物理可实现的装置替代电压和电流源和两个开关。可以由与电容器并联的电源替代理想电压源，其为高频提供了低阻抗路径。可以用具有反并联(也称为“续流”)二极管的IGBT开关替代理想开关。由于存在这些二极管，电源电压现在限于正值，通过用作负载的线圈的电流仍然能够沿任一方向流动。由于导通或截止IGBT需要有限时间，所以应当引入任何信号都不活动的短时段(空载时间)以防止由于IGBT开关(部分)导通而短路。在下文中，将忽略这种空载时段以使表述尽可能简明。两个IGBT开关的组合被定义为相位分支(phase leg)；这一名称的来源是构建三相电压源逆变器必需这些电路中的三个，目前这是驱动中等功率(大约100W到1MW)感应电动机的优选电路。使用单个相位分支的最常见方式是利用脉冲宽度调制(PWM)控制两个附接系统之间的功率流。PWM的最简单范例是两个栅极信号显示出时间上的重复图案。在时段· Tk 期间打开第一栅极信号并传导，在互补时段(1-·) Tk期间打开第二栅极信号，其中Tk表示
重复间隔。可以通过若干种方式产生栅极信号图案。主要通过模拟电路构建的最早实施方式使用三角形(也称为自然采样的)或锯齿形载波信号。将具有实际值 的信号与这个载波比较产生栅极信号。在新近的调制器中，使用类似方法，不过现在在数字装置(FPGA、ASIC、 DSP或微控制器中的计时器)中实施。将两个相位分支组合产生被称为全桥或H电桥的电路。在全桥电路中，现在将负载两端的平均电压构建为两个交换节点上平均电压的差，即￥负载平均=乂11+3^电源-3^电源=(3厂30￥电源(1)其中V1isto是平均负载电压，Vwi是电源电压。对于其余论述，假设VTO>0。由此可见，通过适当选择两个占空比·Α和·B，可以产生正和负负载电压，覆盖从-Vw^Ij+V^ iiS的完整范围。这是全桥名称的由来，实际上，常常将单个相位分支称为半桥。原则上，可以使用个体三角形或锯齿载波产生用于构成全桥的两个相位分支的 PWM信号，但为两个分支使用相同的载波常常是方便且对资源需求更少的。检查方程(1)发现，可以利用·Α和· B的多重组合产生用于Viiswis的单个值。在大多数情况下使用这些占空比的一种特定组合，因为其产生两个切换节点之间最对称的电压，导致通过负载的电流波动最低。如下推导出针对这个特定组合的占空比令Vilgwis为负载两端的期望平均电压(显然I < (v_))。那么全桥的占空比 被定义为
权利要求
1.一种适于向负载(108，314，2112)供应电力的电源，所述电源包括-至少一个加电全桥电路(100，300，2102，2108)，其中，所述加电全桥电路适于由直流电压源(106)供电，其中，所述全桥电路包括第一输出连接(104a，104b)，其中，所述全桥电路包括用于控制向所述第一输出连接施加电力的第一开关模块(102a，102b, 102c, 102d)，-至少一个浮地全桥电路(110，310，312，2100，2104，2106，2110)，其中，每个浮地全桥电路包括适于为所述浮地全桥电路供电的电容器(116)，其中，每个浮地全桥电路包括第二输出连接(114a，114b)，其中，每个浮地全桥电路包括用于控制向所述第二输出连接施加电力的第二开关模块(112a，112b，112c，112d)，-包括所述至少一个加电全桥电路和所述至少一个浮地全桥电路的桥式电路的堆栈 (1 )，其中，所述第二输出连接和所述第一输出连接串联连接，其中，所述堆栈具有第三输出连接(118a，118b)，-用于对所述第三输出连接两端的电压进行平均的无源滤波器(120)，其中，所述无源滤波器连接到所述第三输出连接，-适于将所述无源滤波器连接到所述负载的负载连接器(122a，122b)，-适于调制所述第一开关模块和所述第二开关模块使得在向所述负载供应电力或从所述负载提取电力时控制所述电容器的充电或放电的调制器(124)。
2.根据权利要求1所述的电源，其中，所述电源包括两个或更多加电全桥电路。
3.根据权利要求1或2所述的电源，其中，所述电源还包括适于测量通过所述负载的电流的电流测量模块，且其中，所述调制器还适于利用电流测量结果、通过调节对所述第一开关模块和所述第二开关模块的调制来控制给所述负载的电流。
4.根据权利要求1、2或3所述的电源，其中，所述调制器适于以相同的平均频率调制所述第一开关模块和所述第二开关模块。
5.根据前述权利要求的任一项所述的电源，其中，所述调制模块适于调制所述第一开关模块和所述第二开关模块，使得施加到所述负载的电压的波动频率恒定并且高于所述第一和第二开关模块的平均切换频率。
6.根据前述权利要求的任一项所述的电源，其中，所述无源滤波器包括所述负载。
7.根据前述权利要求的任一项所述的电源，其中，所述电源还包括如下中的至少一项 适于测量通过所述滤波器电路的电流的第二电流测量模块以及适于测量所述滤波器电路中的电压的电压测量模块。
8.根据前述权利要求的任一项所述的电源，其中，所述调制器适于在循环中调制所述第一开关模块和所述第二开关模块，且其中，所述调制器适于以如下方式中的任何一种调制所述第一开关模块和所述第二开关模块对准所述第一输出连接两端的电压和所述堆栈两端的电压的每循环的至少两个上升沿，对准所述第一输出连接两端的电压和所述堆栈两端的电压的每循环的至少两个下降沿(708，710)，以及对准所述第一输出连接两端的电压和所述堆栈两端的电压的至少一个上升沿和至少一个下降沿。
9.根据前述权利要求的任一项所述的电源，其中，所述负载具有电感，其中，所述调制器适于调制所述第一开关模块和所述第二开关模块，从而利用所述负载中存储的电能对所述电容器进行充电或放电。
10.根据前述权利要求的任一项所述的电源，其中，所述调制器适于使得供应到所述负载的电力是时间的函数，其中，所述调制器适于以第一速率调制所述第一开关模块，且其中，所述负载连接模块两端的实测电压的波动频率高于所述第一速率。
11.根据权利要求1到10的任一项所述的电源，其中，所述调制器适于调制所述第一开关模块和所述第二开关模块，使得所述电源能够连续向所述负载供应电力。
12.根据前述权利要求的任一项所述的电源，其中，所述负载是磁共振成像梯度线圈。
13.一种用于控制适于向负载(108，314，2112)供应电力的电源的方法，其中，所述电源包括至少一个加电全桥电路(100，300，2102，2108)，其中，所述加电全桥电路适于由直流电压源(106)供电，其中，所述全桥电路包括第一输出连接(104a，104b)，其中，所述全桥电路包括用于控制向所述输出连接施加电力的第一开关模块(102a，102b, 102c, 102d)，其中，所述电源还包括至少一个浮地全桥电路(110，310，312，2100，2104，2106，2110)，其中， 每个浮地全桥电路包括适于为所述浮地全桥电路供电的电容器(116)，其中，每个浮地全桥电路包括第二输出连接(114a，114b)，其中，每个浮地全桥电路包括用于控制向所述输出连接施加电力的第二开关模块(112a，112b，112c，112d)，其中，所述电源还包括桥式电路的堆栈(1 )，所述堆栈包括所述至少一个加电全桥电路和所述至少一个浮地全桥电路，其中，所述第二输出连接和第一输出连接串联连接，其中，所述堆栈具有第三输出连接(118a， 118b)，其中，所述电源还包括用于对所述第三输出连接两端的电压进行平均的无源滤波器 (120)，其中，所述无源滤波器连接到所述第三输出连接，其中，所述电源还包括适于将所述无源滤波器连接到所述负载的负载连接器(122a，122b)，其中，所述电源还包括适于调制所述第一开关模块和所述第二开关模块的调制器(1 )，其中，所述方法包括-调制(200)所述第一开关模块和所述第二开关模块，使得所述第一开关模块和所述第二开关模块以相同的平均频率工作，-调节(20 对所述第一开关模块和所述第二开关模块的调制，从而在向所述负载供应电力的同时控制所述电容器的充电或放电，-调节(204)对所述第一开关模块和所述第二开关模块的调制，使得施加到所述负载的电压的波动频率恒定并且高于所述第一和第二开关模块的切换频率。
14.一种计算机程序产品，其包括用于在调制模块上执行以执行根据权利要求13所述的方法的一组机器可执行指令。
15.一种用于向负载供应电力的电源、方法和计算机程序产品。
全文摘要
一种适于向负载(108)供应电力的电源，所述电源包括至少一个加电全桥电路(100)，其中所述加电全桥电路适于由直流电压源(106)供电，其中，所述全桥电路(100)包括第一输出连接(104a)和用于控制向所述输出连接施加电力的第一开关模块(102a-102d)；至少一个浮地全桥电路(110)，其中每个浮地全桥电路包括适于为所述浮地全桥电路(110)供电的电容器(116)，其中每个浮地全桥电路包括第二输出连接(114b)，用于控制向所述输出连接施加电力的第二开关模块(112a-112d)；包括所述至少一个加电全桥电路和所述至少一个浮地全桥电路的桥式电路的堆栈(100，110)，其中所述第二输出连接(114b)和所述第一输出连接(104a)串联连接，其中所述堆栈具有第三输出连接(114a)；用于对所述第三输出连接(114a)两端的电压进行平均并连接到所述第三输出连接的无源滤波器(120)；适于将所述无源滤波器(120)连接到所述负载(108)的负载连接器(122a)；适于调制所述第一开关模块和所述第二开关模块使得在向所述负载(108)供应或从所述负载(108)提取电力时控制所述电容器(116)的充电或放电的调制器(124)。
文档编号H02M7/483GK102484433SQ201080014795
公开日2012年5月30日 申请日期2010年3月22日 优先权日2009年3月27日
发明者H·胡伊斯曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司