開關(guān)功率變換器的制造方法
【專利說(shuō)明】開關(guān)功率變換器
[0001]本發(fā)明涉及一種開關(guān)功率變換器，并且涉及形成這種變換器的功率變換器單元。特別地，本發(fā)明涉及一種用于在MRI系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)梯度線圈的功率變換器。
[0002]MRI系統(tǒng)中的梯度線圈需要必須受控的高電壓和高電流。這個(gè)電壓典型地大約為2000V及以上。所需的峰值電流大約為600A及以上。
[0003]為了生成這種高輸出電壓和高輸出電流，典型地使用所謂的堆疊的H橋多級(jí)功率變換器。這種變換器可包括具有電控開關(guān)的所謂的單個(gè)H橋。該橋連接到隔離的電壓源，其可以是起電壓源作用的任何東西，例如隔離DC/DC變換器或所謂的飛跨電容器。用適合于H橋的脈沖寬度調(diào)制方案(例如單極或雙極PWM)控制該開關(guān)。堆疊的H橋由串聯(lián)放置的多個(gè)H橋組成。該變換器的輸出連接終端連接到負(fù)載。這種變換器從德國(guó)專利DE19812069、日本專利JP2006000645或美國(guó)專利US2011187369中已知。
[0004]然而，堆疊的H橋存在問(wèn)題，由于H橋的開關(guān)，在H橋的每一個(gè)之間存在高的dV/dt。與分離的橋之間的寄生電容結(jié)合的這個(gè)高的dV/dt在變換器中導(dǎo)致高泄漏電流循環(huán)和諧振。這些電流對(duì)變換器輸出信號(hào)質(zhì)量(輸出電壓和電流不想要的高頻頻譜分量)和EMC有負(fù)效應(yīng)。在“Analysis and Suppress1n of a Common Mode Resonance in the CascadedH-Bridge Multilevel Inverter (級(jí)聯(lián)的H橋多級(jí)變換器中的共模諧振的分析和抑制)(2010),Rixin Lai,Maja Harfman Todorovic 和 Juan Sabate” 中解決這個(gè)問(wèn)題,其中提出一種方法來(lái)使用在關(guān)鍵地方放置的共模扼流圈來(lái)阻尼這些諧振。由于設(shè)定到控制系統(tǒng)和/或寄生效應(yīng)的要求，這種解決方案具有它不總是能在實(shí)踐中被實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明為此提出一種方法來(lái)降低dV/dt并且從而降低了循環(huán)的泄漏電流，其消除了現(xiàn)有技術(shù)解決方案的缺點(diǎn)。
[0006]對(duì)此發(fā)明提出一種開關(guān)功率變換器單元，包括:
-具有正輸出連接和負(fù)輸出連接的DC電壓源；
-在DC電壓源的正和負(fù)輸出鉗位(clamp)之間的兩個(gè)并聯(lián)支路，每個(gè)支路包括兩個(gè)開關(guān)單元的串聯(lián)連接；
-第一輸出鉗位，
O通過(guò)第一電感元件耦合到第一并聯(lián)支路的兩個(gè)開關(guān)單元的公共點(diǎn)；
O通過(guò)二極管耦合到DC電壓源的正輸出鉗位，該二極管被這樣布置以允許電流從第一輸出鉗位流到DC電壓源；
O通過(guò)二極管耦合到DC電壓源的負(fù)輸出鉗位，該二極管被這樣布置以允許電流從DC電壓源流到第一輸出鉗位；
O并聯(lián)耦合到二極管Dl的電容器，和/或 O并聯(lián)耦合到二極管D2的電容器；
-第二輸出鉗位，
O通過(guò)第二電感元件耦合到第二并聯(lián)支路的兩個(gè)開關(guān)單元的公共點(diǎn)；
O通過(guò)二極管耦合到DC電壓源的正輸出鉗位，該二極管被這樣布置以允許電流從第二輸出鉗位流到DC電壓源； O通過(guò)二極管耦合到DC電壓源的負(fù)輸出鉗位(_)，該二極管被這樣布置以允許電流從DC電壓源流到第二輸出鉗位；
O電容器并聯(lián)耦合到二極管D3，和/或 O電容器并聯(lián)耦合到二極管D4。
[0007]電感元件、二極管和電容器的布置形成鉗位dV/dt濾波器。添加該濾波器改善了輸出信號(hào)質(zhì)量和EMC性能。
[0008]在實(shí)施例中，至少一個(gè)開關(guān)單元由多個(gè)開關(guān)元件組成，諸如一個(gè)或多個(gè)晶體管，諸如并聯(lián)的IGBT。這樣可以處理較大的電流。
[0009]在優(yōu)選實(shí)施例中，由Fco=I/(2*pi*sqrt(Ll*(Cla+C2a)))定義的截止頻率(Fco)超出第一并聯(lián)支路的開關(guān)頻率。
[0010]同樣地，由Fco=I/(2*pi*sqrt (LI* (Clb+C2b)))定義的截止頻率(Fco)優(yōu)選地超出第二并聯(lián)支路的開關(guān)頻率。
[0011]電阻元件可與二極管中的至少一個(gè)串聯(lián)放置，用于平滑二極管的開關(guān)。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種開關(guān)功率變換器，包括多個(gè)根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的開關(guān)功率變換器單元，用串聯(lián)的它們各自的輸出鉗位來(lái)開關(guān)。
[0013]優(yōu)選地，在這種開關(guān)功率變換器中，負(fù)載通過(guò)第一濾波器電感耦合到多個(gè)開關(guān)功率變換器單元的第一開關(guān)功率變換器單元的第一輸出鉗位，并且其中所述負(fù)載通過(guò)第二濾波器電感耦合到多個(gè)開關(guān)功率變換器單元的第η個(gè)開關(guān)功率變換器單元的第二輸出鉗位，并且其中濾波器電容并聯(lián)耦合到所述負(fù)載。
[0014]現(xiàn)在將參照接下來(lái)的附圖更詳細(xì)地闡明本發(fā)明。在本文中:
-圖1顯示根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平的具有IGBT開關(guān)的單個(gè)H橋；
-圖2顯示根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平的由串聯(lián)放置的多個(gè)H橋組成的堆疊H橋；
-圖3顯示包括dV/dt濾波器的基本的H橋單元；
-圖4顯示來(lái)自圖3的濾波的H橋單元的串聯(lián)連接；
-圖5顯示H橋單元的串聯(lián)連接的簡(jiǎn)化圖；以及 -圖6顯示具有對(duì)稱的LC濾波器的實(shí)例。
[0015]圖1中顯示根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平的具有IGBT開關(guān)的單個(gè)H橋，原則上，可代替地使用任何電控開關(guān)。用SI至S4指示開關(guān)。橋連接到由UDC指示的隔離的電壓源。用適合于H橋的脈沖寬度調(diào)制方案(例如單極或雙極PWM)控制開關(guān)。堆疊的H橋由如圖2中所示的串聯(lián)放置的多個(gè)H橋組成。變換器的輸出連接終端由具有通過(guò)它的對(duì)角線的圓指示，這些輸出連接連接到由“L”和“R”的串聯(lián)連接表示的負(fù)載。
[0016]圖3中顯示包括dV/dt濾波器的提出的基本的H橋單元。開關(guān)被繪制為IGBT，但可由其它晶體管或者甚至用多個(gè)并聯(lián)的晶體管代替。該圖顯示開關(guān)功率變換器單元，包括:具有正輸出連接(+ )和負(fù)輸出連接(_)的DC電壓源(UDC);在DC電壓源的正和負(fù)輸出鉗位之間的兩個(gè)并聯(lián)支路，每個(gè)支路包括兩個(gè)開關(guān)單元(SI，S2，S3，S4)的串聯(lián)連接；第一輸出鉗位(UA)，通過(guò)第一電感元件(LI)耦合到第一并聯(lián)支路的兩個(gè)開關(guān)單元(SI，S2)的公共點(diǎn)(SNA);通過(guò)二極管(Dl)耦合到DC電壓源(UDC)的正輸出鉗位( + )，二極管(Dl)被這樣布置以允許電流從第一輸出鉗位(UA)流到DC電壓源(UDC);通過(guò)二極管(D2)耦合到DC電壓源(UDC)的負(fù)輸出鉗位(_)，二極管(D2)被這樣布置以允許電流從DC電壓源(UDC)流到第一輸出鉗位(UA);電容器(Cla)并聯(lián)耦合到二極管D1，和/或電容器(C2a)并聯(lián)耦合到二極管D2 ;第二輸出鉗位(UB)，通過(guò)第二電感元件(L2)耦合到第二并聯(lián)支路的兩個(gè)開關(guān)單元(S3，S4)的公共點(diǎn)(SNB);通過(guò)二極管(D3)耦合到DC電壓源(UDC)的正輸出鉗位( + )，二極管(D3)被這樣布置以允許電流從第二輸出鉗位(UB)流到DC電壓源(UDC);通過(guò)二極管(D4)耦合到DC電壓源(UDC)的負(fù)輸出鉗位(_)，二極管(D4)被這樣布置以允許電流從DC電壓源流到第二輸出鉗位(UB);電容器(Clb)并聯(lián)耦合到二極管D3，和/或電容器(C2b)并聯(lián)耦合到二極管D4。
[0017]dV/dt濾波器因此被放置在兩個(gè)半橋支路中的每一個(gè)上。對(duì)于半橋支路(SI和S2)，該濾波器由濾波器電感器L1、濾波器電容器Cla和C2a以及鉗位二極管Dl和D2組成。這兩個(gè)濾波器電容器還可由具有Cla和C2a總和的電容的單個(gè)濾波器電容器代替。這個(gè)單個(gè)電容器必須被放置在Cla或C2a的位置處。對(duì)于另一半橋(S3和S4)，在對(duì)應(yīng)的位置處的組件具有相同的功能。
[0018]dV/dt濾波器被形成如下尺寸，使得由Fco=I/(2*pi*sqrt (LI* (Cla+C2a)))定義的濾波器的截止頻率(Fco )超出對(duì)應(yīng)的半橋支路的開關(guān)頻率。
[0019]圖4中顯示濾波的H橋單元的串聯(lián)連接(堆疊)，該圖顯示任意數(shù)目的H橋單元如何串聯(lián)連接。取決于應(yīng)用，可串聯(lián)連接任何數(shù)量的H橋單元。
[0020]圖5中顯示包括到負(fù)載(由“L”和“R”表示)的連接的H橋單元的串聯(lián)連接的簡(jiǎn)化圖。
[0021]還可將任何類型的輸出濾波添加到完整的功率變換器，圖6中顯示具有對(duì)稱的LC濾波器的實(shí)例。
[0022]除了顯示的實(shí)施例，存在多個(gè)可能的變化，其都被認(rèn)為是落在如下列權(quán)利要求所定義的發(fā)明的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.開關(guān)功率變換器單元，包括: -具有正輸出連接(+ )和負(fù)輸出連接(-)的DC電壓源(UDC)； -在DC電壓源的正和負(fù)輸出鉗位之間的兩個(gè)并聯(lián)支路，每個(gè)支路包括兩個(gè)開關(guān)單元(SI，S2，S3，S4)的串聯(lián)連接； -第一輸出鉗位(UA), O通過(guò)第一電感元件(LI)耦合到第一并聯(lián)支路的兩個(gè)開關(guān)單元(SI，S2)的公共點(diǎn)(SNA)； O通過(guò)二極管(Dl)耦合到DC電壓源(UDC)的正輸出鉗位( + )，二極管(Dl)被這樣布置以允許電流從第一輸出鉗位(UA)流到DC電壓源(UDC)； O通過(guò)二極管(D2)耦合到DC電壓源(UDC)的負(fù)輸出鉗位(_)，二極管(D2)被這樣布置以允許電流從DC電壓源(UDC)流到第一輸出鉗位(UA)； O電容器(Cla)并聯(lián)耦合到二極管D1，和/或 O電容器(C2a)并聯(lián)耦合到二極管D2 ； -第二輸出鉗位(UB)， O通過(guò)第二電感元件(L2)耦合到第二并聯(lián)支路的兩個(gè)開關(guān)單元(S3，S4)的公共點(diǎn)(SNB)； O通過(guò)二極管(D3)耦合到DC電壓源(UDC)的正輸出鉗位( + )，二極管(D3)被這樣布置以允許電流從第二輸出鉗位(UB)流到DC電壓源(UDC)； O通過(guò)二極管(D4)耦合到DC電壓源(UDC)的負(fù)輸出鉗位(_)，二極管(D4)被這樣布置以允許電流從DC電壓源流到第二輸出鉗位(UB)； O電容器(Clb)并聯(lián)耦合到二極管D3，和/或 O電容器(C2b)并聯(lián)耦合到二極管D4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的開關(guān)功率變換器單元，其中至少一個(gè)開關(guān)單元由多個(gè)開關(guān)元件組成，諸如一個(gè)或多個(gè)晶體管，諸如并聯(lián)的IGBT。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的開關(guān)功率變換器單元，其中由Fco=I/(2*pi*sqrt (LI* (Cla+C2a)))定義的截止頻率(Fco)超出第一并聯(lián)支路的開關(guān)頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的開關(guān)功率變換器單元，其中由Fco=I/(2*pi*sqrt (LI* (Clb+C2b)))定義的截止頻率(Fco)超出第二并聯(lián)支路的開關(guān)頻率。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的開關(guān)功率變換器，其中至少一個(gè)二極管被串聯(lián)連接耦合到電阻元件。
6.開關(guān)功率變換器，包括多個(gè)根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的開關(guān)功率變換器單元，用串聯(lián)的它們各自的輸出鉗位來(lái)開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的開關(guān)功率變換器，其中負(fù)載通過(guò)第一濾波器電感Lfl耦合到多個(gè)開關(guān)功率變換器單元的第一開關(guān)功率變換器單元的第一輸出鉗位UA1，并且其中所述負(fù)載通過(guò)第二濾波器電感Lfl耦合到多個(gè)開關(guān)功率變換器單元的第η個(gè)開關(guān)功率變換器單元的第二輸出鉗位UBn，并且其中濾波器電容Cf并聯(lián)耦合到所述負(fù)載。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種開關(guān)功率變換器單元，包括：具有正輸出連接和負(fù)輸出連接的DC電壓源；在DC電壓源的正和負(fù)輸出鉗位之間的兩個(gè)并聯(lián)支路，每個(gè)支路包括兩個(gè)開關(guān)單元的串聯(lián)連接；第一輸出鉗位，通過(guò)第一電感元件耦合到第一并聯(lián)支路的兩個(gè)開關(guān)單元的公共點(diǎn)；通過(guò)二極管耦合到DC電壓源的正輸出鉗位；通過(guò)二極管耦合到DC電壓源的負(fù)輸出鉗位；電容器并聯(lián)耦合到二極管D1，和/或電容器并聯(lián)耦合到二極管D2；第二輸出鉗位，通過(guò)第二電感元件耦合到第二并聯(lián)支路的兩個(gè)開關(guān)單元的公共點(diǎn)；通過(guò)二極管耦合到DC電壓源的正輸出鉗位；通過(guò)二極管耦合到DC電壓源的負(fù)輸出鉗位；電容器并聯(lián)耦合到二極管D3，和/或電容器并聯(lián)耦合到二極管D4。
【IPC分類】H02M1-44, H02M3-155
【公開號(hào)】CN104578771
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410551521
【發(fā)明人】A.W.H.J.德里伊斯森
【申請(qǐng)人】浦利派特有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年10月17日
【公告號(hào)】US20150109826