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Dokumentenidentifikation DE10044416A1 12.04.2001
Titel Energiemanagementsystem für in Reihe geschaltete Verstärker
Anmelder Crown Audio, Inc., Elkhart, Ind., US
Erfinder Gegner, Joel, Goshen, Ind., US;
Stanley, Gerald, Osceola, Ind., US
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Anmeldedatum 08.09.2000
DE-Aktenzeichen 10044416
Offenlegungstag 12.04.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2001
IPC-Hauptklasse H03F 3/217
IPC-Nebenklasse G01R 33/385   H03G 3/30   
Zusammenfassung Ein Energiemanagementregler (EMR) zur Verwendung bei in Reihe geschalteten Verstärkermodulen überwacht die Schienenspannung an einem Energiespeicherkondensator, der die Verstärkermodulen treibt, und vergleicht die Schienenspannung mit einer Referenzspannung. Der EMR steuert die Richtung des Energieflusses, um entweder einem der Verstärkermodulen Leistung zuzuführen und so Energie zu dem Energiespeicherkondensator hinzuzufügen, oder um der Last Leistung zuzuführen.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Gradientenverstärkersysteme und insbesondere ein System zum Verwalten der Bewegung von Energie innerhalb eines Hochspannungs- Gradientenverstärkersystems zur Speisen von Gradientenspulen eines bildgebenden Kernspin- Geräts (MRI-Gerät von magnetic resonance imaging).

Hintergrund der Erfindung

Die Nachfrage auf dem MRI-Markt hat zunehmend schnellere Gradientenfelder gefordert. Diese sich räumlich ändernden Magnetfelder werden durch große Spulen erzeugt, welche ihrerseits von Gradientenwellenformern betrieben werden, die von einem Gradientenverstärkersystem (GAS; gradient amplifier system) erzeugt werden. Das GAS ist für starken Strom und hohe Spannung ausgelegt. Der starke Strom ermöglicht stärkere Gradientenfelder, ausgedrückt durch Gauss pro Zentimeter, während die hohe Spannung schnellere Gradientenfeld-Änderungsraten gestattet.

Im vergangenen Jahrzehnt wurde eine Reihe von bildgebenden Sequenzen entwickelt, die unkonventionelle Gradientenwellenformen erfordern. Die konventionellen Wellenformen waren in ihrer Beschaffenheit vornehmlich trapezförmig mit steilen linearen Flanken, gefolgt von ausgedehnten Plateaus. Diese Wellenformen erfordern ein großes Verhältnis der Spitzenspannung zum mittleren Spannungsbetrag und können daher von einem GAS bereit gestellt werden, welches in ineffizienter Weise starke Ausgangsspannungen erzeugt, allerdings in effizienter Weise mäßige Ausgangsspannungen liefert.

Einige der in jüngerer Zeit entwickelten bildgebenden Methoden, so zum Beispiel das spiralförmige Scannen und die gewichtete Diffusions-Bildgebung, erfordern nicht nur hohe Spitzenströme, hohe Effektivströme und ein hohes Tastverhältnis, sondern auch kontinuierliche Anstiegs- und Abstiegsgeschwindigkeiten des Gradientenfelds. In der Folge wurde ein GAS gefordert, welches starke Spitzen- und Effektivspannung einhergehend mit starken Spitzen- und Effektivströmen zu liefern vermag. Der gestiegene Bedarf an hoher Effektiv- und Spitzenspannung erfordert eine GAS-Ausgestaltung mit gesteigerter Effizienz.

Eine Möglichkeit, der Nachfrage erhöhter Spitzenspannung seitens in jüngerer Zeit entwickelter bildgebender Methoden nachzukommen, besteht in der Ausgestaltung eines GAS mit in Reihe geschalteten Verstärkern, die jeweils eine aufwändige Leistungsversorgung besitzen. Eine weitere Methode besteht in der Verwendung von Boosterverstärkern und Wiedergewinnung eines Teiles der Leistung gemäß Methoden nach dem Stand der Technik.

Allerdings sind die Boosterverstärker der derzeitigen Generation zu ineffizient, um kontinuierlich in schaltendem Betrieb arbeiten zu können. Folglich können diese konventionellen Boosterverstärker nur zu Beginn und am Ende eines Stromimpulses regeneriert oder neu aufgeladen werden. Spezialimpulse können in der bildgebenden Sequenz nur zu dem Zweck bereitgestellt werden, diese Regeneration zu ermöglichen. Dies allerdings steigert die Kosten der Programmierung und des Betriebs des GAS.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Hochspannungs-GAS zum Speisen von Gradientenspulen in einem MRI-System. Das GAS ist in der Lage, wirtschaftlich und effizient Stromänderungsraten beliebiger Form und Dauer dadurch zu liefern, dass der Betrieb der in Reihe gestalteten Verstärkermodulen geregelt und die Regeneration der Verstärkermodulen abhängig von den Kennwerten der Ausgangswellenform gehandhabt wird.

Jedes Verstärkermodul liefert nur einen Teil der Systemausgangsspannung, ist jedoch für den Gesamt-Systemstrom ausgelegt. Die Verstärkermodulen können ihrerseits aus einer Mehrzahl parallel geschalteter Verstärkerstufen bestehen. Durch geeignetes Wechseln der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes jeder der in Reihe geschalteten Verstärkermodulen lässt sich die für sämtliche außer einem Verstärkermodul geforderte Leistung während Zeiten des ruhefreien Laststroms auf Null reduzieren. Während des Ruhe- Lastbetriebs reichen geringfügige Vorspannungs-Zugaben aus, um die internen Ruhestromverluste dieser floatenden oder schwimmenden Verstärkermodulen (FAMs) zu ermöglichen.

Die geringen Vorspannungsgaben können entweder getrennt oder boot-strapped sein. Beide Implementierungen liefern eine signifikante Reduzierung der Netzversorgungs-Komplexität und -kosten. Lediglich ein Verstärkermodul (das erdbezogene Verstärkermodul (GAM)) erfordert eine starke Energieversorgung, bei der es sich um eine erdbezogene, nicht getrennte Energieversorgung mit getrennten Stromschienen handeln kann. Außerdem braucht diese Energieversorgung nicht stark geregelt zu sein. Tatsächlich kann es sich bei dieser Versorgung um etwas mehr als einen Gleichrichter mit Stromunterbrechungsmöglichkeit handeln, so dass die Kosten der Energieversorgung letztlich reduziert werden.

Bei einem MRI-Gerät gibt es typischerweise drei Gradientenspulen, eine für jede der räumlichen Achsen. Die drei GAMs entsprechend den drei Achsen können daher sämtlich von ein und derselben nicht-getrennten Energieversorgung gespeist werden. Im Endergebnis erhält man ein wirtschaftliches, dreiachsiges GAS mit gleichwohl hoher Spannung und der Möglichkeit beliebiger Gradientenstrom-Änderungsrate.

Die FAMs jeder Achse brauchen nur kleine Leistungsversorgungen zu sein, da sie Leistung von dem GAM empfangen. Da sämtliche Verstärkermodulen den gleichen Strom führen, kann Leistung von dem GAM zu den FAMs dadurch übertragen werden, dass die Ausgangsspannung des GAMs erhöht und die Spannung an den FAMs um einen gleich großen Betrag verringert wird, wenn positive Ströme zu der Last fließen. Die Spannungspolaritäten werden bei negativen Lastströmen umgekehrt. Da die GAM-Spannung und die FAM- Spannungen im Betrag nach gleich und von entgegengesetzter Polarität sind, heben sie sich an der Last gegenseitig auf. Folglich lassen sich äußerst rasche Fehlerkorrekturen vornehmen, ohne Verzerrungen in die Lastschleife zu induzieren.

Die Spannung, die an der Last auftreten muss, hängt von dem Gradienten-Sollsignal ab, welches seinerseits von der gewünschten Gradientenwellenform abhängt. Damit ist die Lastspannung eine abhängige Variable. Demzufolge können Spannungsänderungen am Ausgang des GAM die summierten Spannungsänderungen der FAMs reduzieren. Darüber hinaus erzeugt der Regler, der die Ausgangsspannung der FAMs und des GAM, das heißt der Energiemanagementregler (EMR) eine stromabhängige Degeneration bzw. eine stromabhängige Regeneration, da Leistung von dem GAM zu den FAMs fließen muss, wo sie abgeführt wird.

Eine Ausführungsform des EMR führt zu einer Nullsummen-Störung in der Last, was besagt, dass bei Erhöhung der Spannung in einem Verstärkermodul die Spannung um den gleichen Betrag in einem anderen Modul verringert wird, demzufolge die Last niemals eine Spannungsänderung erleidet. Bei einer Nullsummen-Konfiguration kann der EMR Signale erzeugen, die nicht-linear und nicht-stationär sind, was die Flexibilität für den EMR stark erhöht.

Grundsätzlich enthält der EMR eine Reglerfunktion, die ein Rückkopplungssignal empfängt, welches den Zustand der Energie oder des Energieflusses in den FAMs angibt. Er enthält außerdem Eingänge für einen Strom und/oder eine Spannung bezogen auf den Gradientenstrom, ferner die Gradientenspannung oder die Verstärkermodul- Ausgangsspannung. Der EMR kann diese Signale in vielfältiger Weise verarbeiten, darunter mittels nicht-linearer Funktionen, beispielweise mittels Multiplizierern, Quadrierern, Absolutwert-Funktionen sowie Sättigungsverstärkungsblock-Funktionen (z. B. eine sgn ()- Funktion). Durch richtiges Phasieren der PWM-Ansteuerung jedes der FAMs lässt sich darüber hinaus die effektive Last-Brummfrequenz steigern und die Brummamplitude verringern.

Diese und weitere Merkmale ergeben sich deutlicher bei besserem Verständnis der Erfindung durch Lektüre der folgenden Beschreibung und Betrachtung der begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines einzelnen stromgesteuerten Verstärkers.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines stromgesteuerten Verstärkers mit zwei Verstärkermodulen und einem verallgemeinerten Spannungsmanagement-Regler (VMR).

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm ähnlich der Fig. 2 und zeigt einen einfachen Signalaufspalter- VMR.

Fig. 4-7 sind Blockdiagramme ähnlich der Fig. 2, wobei die Eingangsgröße x = vA1, vg, ig bzw. id ist.

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm ähnlich Fig. 7.

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm ähnlich Fig. 7 und zeigt einen Nullsummen-VMR.

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm ähnlich der Fig. 7 mit einem Nullsummen-VMR.

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm des Systems nach Fig. 6, umgezeichnet, um die durch einen der Verstärker gesehene aktive Last darzustellen.

Fig. 12 ist ein Blockdiagramm des Systems nach Fig. 11, umgezeichnet mit dem Zweck, die effektive Last darzustellen.

Fig. 13 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des System nach Fig. 13. {12?}

Fig. 14 und 15 sind Blockdiagramme eines Energiemanagementreglers (EMR) und eines Nullsummen-VMR, die eine Nullsummenfunktion gemeinsam verwenden.

Fig. 16 und 17 sind Blockdiagramme ähnlich der Fig. 15, wobei der EMR von dem VMR abgekoppelt ist.

Fig. 18 ist ein Blockdiagramm eines EMR gemäß der Erfindung mit einer variablen Begrenzerschaltung.

Fig. 19 ist ein Blockdiagramm des EMR nach Fig. 18 mit einer spannungsabhängigen Dämpferschaltung.

Fig. 20 ist ein Blockdiagramm des EMR nach Fig. 18 mit der variablen Begrenzerschaltung nach Fig. 21 und der spannungsabhängigen Dämpferschaltung nach Fig. 19.

Fig. 21 ist ein Blockdiagramm eines Drei-Verstärkermodul-Systems mit zwei EMRs, zwei FAMs und einem GAM.

Fig. 22 ist eine weiteres Blockdiagramm des Systems nach Fig. 21.

Fig. 23 und 24 sind Blockdiagramme von Ausführungsformen von EMCs zur Verwendung in dem System nach Fig. 22.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung

Die für die Beschreibung ausgewählten Ausführungsformen wurden nicht zwecks Beschränkung der Erfindung auf die speziellen offenbarten Ausgestaltungen gewählt, vielmehr wurden die Ausführungsformen so ausgewählt, dass der Fachmann ihre Lehre nutzen kann.

Für reaktive Lasten wie zum Beispiel Gradientenspulen, bringt das Leistungsverbrauchmanagement signifikante Vorteile. Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung lässt sich irgendeine Anzahl von Verstärkermodulen in Reihe schalten, vorausgesetzt, dass ein geeignetes Steuerschema verwendet wird, um die erforderliche gradiente Spannung auf die Ausgänge dieser Verstärkermodule zu verteilen, während gleichzeitig das erforderliche statische und dynamische Ansprechverhalten des Systems erhalten bleibt. Dieser Steuermechanismus, bezeichnet als Spannungsmanagementregler (VMR) ist verantwortlich für die Abforderung der passenden Ausgangsspannung von dem jeweiligen Verstärkermodul. Es sind zahlreiche VMR-Konfigurationen möglich, die, wenngleich in ihrer Form unterschiedlich, sämtlich im Wesentlichen die gleichen Funktionen ausführen. Es sollte gesehen werden, dass jeder der hier beschriebenen VMRs als die Plattform verwendet werden kann, auf der sich ein erfindungsgemäßer Energiemanagementregler (EMR) implementieren lässt. Tatsächlich umfasst die Erfindung sämtliche kombinierte Permutationen der VMRs und die zahlreichen EMR-Ausführungsformen, wie sie hier beschrieben werden. Es sollte weiterhin gesehen werden, dass analoge und/oder digitale Implementierungen der hier beschriebenen Systeme in Betracht kommen. Zusätzliche Implementierung in digitaler oder in analoger Form kommt für eine Vielzahl von Komponenten der erfindungsgemäßen Systeme unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Fachmanns in Betracht.

Nunmehr auf Fig. 1 Bezug nehmend, ist dort ein einzelner stromgesteuerter Verstärker 10 mit Blöcken dargestellt, welche ein Verstärkermodul 12 mit einer Verstärkung GA, eine Last 14 mit einer Admittanz Yg und einen Stromkompensator 16 der Verstärkung Gc enthalten. Die Systemvariablen sind ein Stromsollsignal id, ein Gradientenstrom ig, ein Stromfehlersignal ie, ein Steuersignal (Eingang des Verstärkers) vc und eine Gradientenspannung vg. Der Gradientenstrom ig wird zu einem Summierglied 18 zurückgeführt, wo er mit dem Sollstrom id kombiniert wird. Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, ein zweites Verstärkermodul 20 in Reihe zu dem Verstärkermodul 12 und der Last 14 gemäß Fig. 1 geschaltet ist, muss ein VMR 22 hinzugefügt werden. Der VMR 22 ist allgemein mit Eingängen vc und x dargestellt, wobei x für eines von verschiedenen Signalen steht, die innerhalb des Zwei-Verstärkermodul-Systems 24 zur Verfügung stehen, einschließlich vc, id, ig, vA1 (die Ausgangsgröße des Verstärkermoduls 12) oder vg (Ausgangssignal des Summierglieds 26).

Der VMR 28 nach Fig. 3 ist eine einfache Signalaufspalter-Konfiguration; bei der das Steuersignal vc in zwei Signale vc1 und vc2 aufgeteilt ist, die den Verstärkermodulen 12 bzw. 20 zugeführt werden. Die Blöcke 30 und 32 weisen Übertragungsfunktionen H1 bzw. H2 auf, die Funktionen der Frequenz sein können, jedoch nicht müssen. Beispielsweise können sie skalare Größen haben, um die Ausgangsspannungen vA1 und vA2 des jeweiligen Verstärkungsmoduls in ihrer Form identisch zu machen, und alternativ könnte H1 ein Tiefpassfilter und könnte H2 ein Hochpassfilter sein. Für eine stark induktive und schwach ohmsche Last 14 würde eine solche Konfiguration eine hohe Spannung (wegen der Stromänderung) an das Verstärkermodul 20 leiten und dabei Spannungen halten, während dem Verstärkermodul 12 gehaltene Spannungen zugeführt werden, die zu einer Netto-Leistungsaufnahme führen.

Fig. 4 zeigt den VMR 34, wobei die Eingangsgröße x für den Block 32 aus dem Signal vA1 besteht. Es sollte gesehen werden, dass das Verstärkermodul 20 als Spannungsvervielfacher für das Verstärkermodul 12 arbeitet, was zu einer Gradientenspannung führt, die dem (1 + H2GA2)- fachen von vA1 entspricht.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Eingangsgröße x für den Block 30 des VMR 36 die Gradientenspannung vg ist. Diese Konfiguration multipliziert effektiv die Gradientenspannung vg um einen Faktor (1 + ((GA2H2)/(1 - GA2H2))).

In Fig. 6 ist die Eingangsgröße x des VMR 38 der Gradientenstrom ig. Diese Rückkopplung lässt möglicherweise das Verstärkermodul 20 als eine negative Impedanz erscheinen, entweder im Verhältnis zu der Impedanz der Last 14, oder im Verhältnis zu dem reaktiven Anteil der Last 14. Wenn H2 des Blocks 32 einen Differenzierer enthält, dann hat die effektive Last einschließlich der Last 14 und Verstärkermodul 20, aus der Sicht des Verstärkermoduls 12 einen reduzierten reaktiven Term.

Schließlich verwendet der VMR 40 in Fig. 7 den Soll-Strom id als Eingangsgröße. Diese Vorwärtskopplungs-Konfiguration unterscheidet sich von den Konfigurationen der Fig. 3- 6, die Signale aus der Rückkopplungsschleife verwenden. Wie dem Fachmann bekannt sein sollte, wird, wenn H2 eine Hochpass-/Differenzier-Funktion hat (eine Forderung, wenn das Verstärkermodul 20 einen großen Teil der zum Treiben der induktiven Last 14 benötigten Spannung liefern soll), ein Fehler in dem Ausgangs-Ansprechverhalten des Systems 24 entstehen. Insbesondere kommt es zu einem Überschwinger an der Vorderflanke eines rasch ansteigenden Gradientenstroms ig. Korrigieren lässt sich dieses Problem durch Hinzufügen eines De-emphasis-Filters 42 vor dem Summierglied 18, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Während H2 von Natur aus ein Hochpass-/Differenzier-Block ist, nähert Hd ein TPF mit einer Verstärkung von 1 bei Gleichstrom an. Die Polfrequenz von Hd sollte möglichst hoch eingestellt werden, um das Gesamt-Ansprechverhalten des Systems nicht zu beeinträchtigen.

Die in den Fig. 2-8 dargestellten VMR teilen sich die Kennwerte, wonach das Eingangssignal x ein Ansprechverhalten in dem Gradientenstrom ig hervorruft. Das in Fig. 9 dargestellte System enthält einen modifizierten VMR 44, der zu einer vollständigen Entkoppelung des Eingangssignal x von dem Gradientenstrom ig führt. Dies ergibt eine Schleifenverstärkung, die von der Verstärkung H2 des Blocks 32 unabhängig ist, demzufolge das Eingangssignal x lediglich basierend auf den Spannungsmanagement-Anforderungen für die Verstärkermodulen 12 und 20 erfolgen kann. Wie dargestellt, wird das Eingangssignal des Verstärkermoduls 20 von dem Eingangssignal des Verstärkermoduls 12 subtrahiert. Der Block 46 mit der Verstärkung KR dient zur Skalierung des Signals Vc2, bevor es im Summierglied 48 von H1vc subtrahiert wird. Es sollte gesehen werden, dass der Block 46 sowohl Skalier-Therme zur Berücksichtigung von Verstärkungsdifferenzen in den Verstärkermodulen 12 und 20 (d. h. GA1 und GA2) als auch frequenzabhängige Therme zur Berücksichtigung von Differenzen in den Frequenzgängen der Verstärkermodulen 12 und 20 enthalten kann.

Diese Art von Signalmanagement wird als Nullsummen-Injektion bezeichnet, da eine Störung in vA2 im Summierglied 26 durch eine gleich große und entgegengesetzte Störung in vA1 aufgehoben wird. Ein Nullsummen-Injektions-VMR 44 ist besonders vorteilhaft in einem in Vorwärtsrichtung von id abgeleiteten System gemäß Fig. 10, da es die Nachteile des Systems nach Fig. 7 beseitigt (z. B. unerwünschte Überschwinger), was zu dem System nach Fig. 8 führt. Allerdings sollte verstanden werden, dass ein beträchtlicher Vorteil des Systems nach Fig. 10 darin besteht, dass das Eingangssignal x jegliche Form annehmen kann, einschließlich nicht-linearer Signale sowie Signale mit Bandbreiten, die größer sind als diejenige der Hauptregelschleife. Die Möglichkeit der Verwendung eines nicht-linearen Eingangssignals x erhöht in starkem Maß die Entwurfsflexibilität möglicher Energiemanagementsysteme, wie weiter unten erläutert werden wird.

Bei einer reaktiven Last 14, die sich induktiv verhält, wird ein großer Anteil der der Last 14 zugeführten Energie gespeichert und dann später zu den Verstärkermodulen 12 und 20 zurückgeführt. Etwas Energie allerdings wird tatsächlich in dem ohmschen Teil der Last 14 verbraucht. Folglich ist es wünschenswert, die von jedem Verstärkermodul 12 und 20 gelieferte individuelle Spannung derart zu steuern, dass das eine Modul vornehmlich Wirkleistung und das andere Modul vornehmlich Blindleistung an die Last 14 liefert.

Um den Einsatz des Spannungsmanagements als Mittel zum Steuern des Netto- Leistungsflusses besser zu verstehen, wurde das Gradientensystem nach Fig. 12 in den Fig. 11 und 12 umgezeichnet. Fig. 12 zeigt die Admittanz Y'g der Last 14 kombiniert mit dem Verstärkermodul 20. Wie oben beschrieben, lässt sich das Eingangssignal x definieren als beliebige Zustandsvariable innerhalb des Systems 24. Wenn z. B. x = ig, so gleicht die Übertragungsfunktion Hx des Blocks 50 dem Wert 1, da Hx = x/ig (vgl. Fig. 12). Wenn x = id so gilt Hx = (1 + GcH1GA1Yg)/(GcH1GA1Yg) ⩰ 1 für GcH1GA1Yg >> 1. Da der größte Teil des Energietransfers zu der Last 14 innerhalb der Bandbreite des GAS stattfindet, können ig und id als gleich angenommen werden, während Hx etwa den Wert 1 hat. Die zu der Last 14 in Kombination mit dem Verstärkermodul 20 gehörige Impedanz Z'g =1/Yg' lässt sich modifizieren zu Z'g = Zg - GA2H2Hx = Zg - ΔZ anhand der Formel für die Admittanz Y'g gemäß Fig. 12. In den MRI-Gradientenspulen gilt Zg = Rg + sLg, wobei Wirbelstromeffekte der Spule ebenso außer Acht gelassen sind wie Effekte höherer Frequenzen in der Nähe und oberhalb der Eigenresonanz. Die effektive Lastimpedanz aus der Sicht des Verstärkermoduls 12 hat den Wert Z'g = (Rg - ΔR) + s(Lg - ΔL), wobei Real- und Imaginärteil ΔZ dargestellt sind. Wie man sieht, haben Änderungen des Imaginärteils keinen Einfluss auf die von dem Verstärkermodul 12 gelieferte Nettoleistung, beeinflussen allerdings die Spitzenspannung, die das Verstärkermodul 12 liefern muss. Änderungen im Realteil hingegen beeinflussen die von dem Verstärkermodul 12 gelieferte Nettoleistung, haben aber praktisch keinen Einfluss auf die Spitzenspannung, die das Modul 12 liefern muss (unter der Annahme XL = s(Lg - ΔL) >> als Rg). Diese Annahme ist bei hohen Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeiten des Gradientenstroms ig zulässig, allerdings nicht zulässig, wenn ig einen Plateauwert erreicht hat. Damit lässt sich durch passende Wahl von ΔL die Spitzenspannungsabgabe durch das Verstärkermodul 12 verwalten. In ähnlicher Weise kann man durch geeignete Wahl ΔR die von dem Verstärkermodul 12 gelieferte Nettoleistung handhaben. Mit ΔZ = GA2H2Hx, müssen H2Hx einen Proportional- Differenzial-(PD-)Verstärkerblock bilden, wobei ein positiver Proportional-Term den effektiven Lastwiderstand verringert, während ein positiver Differenzial-Term die effektive Induktivität aus der Sicht des Verstärkermoduls 12 reduziert.

Wenn ein positiver Proportional-Term ΔR vorhanden ist, wirkt das Verstärkermodul 20 als negativer Wiederstand aus der Sicht des Verstärkermoduls 12 und verringert damit den Nettoanteil des Lastwiderstands, den das Verstärkermodul 12 erbringen muss. Wenn ΔR groß genug ist, kann der effektive Widerstand null oder sogar negativ sein. Damit liefert das Verstärkermodul 20 Energie an das Verstärkermodul 12. Wenn ΔR negativ ist, fließt Energie in die entgegengesetzte Richtung, und das Verstärkermodul 12 liefert Energie an das Verstärkermodul 20 zur Kompensation des internen Leistungsverbrauchs des Verstärkermoduls 20, um dadurch die erforderliche KVA-Nennleistung des Verstärkermoduls 20 zu verringern.

Wenngleich das System 24 nach den Fig. 11 und 12 bei geeigneter Wahl der Parameter des VMR 44 (festgelegt durch H2Hx) nützlich ist bei der Gestaltung der von jedem Verstärkermodul 12 und 20 gelieferten Nettoleistungen, so ist das System 24 dennoch nicht in der Lage, Energie dynamisch zu handhaben. Die Hinzufügung einer Proportional-Rückführung von ig zu vA2 kann die Polarität des Nettoleistungsschlusses von entweder dem Verstärkermodul 12 oder dem Modul 20 verringern oder gar ändern, allerdings ändert diese Rückkopplung sich nicht dynamisch als Funktion des ich ändernden Spulenwiderstands oder der Änderung des internen Leistungsverbrauchs eines Verstärkermoduls. Damit lässt sich nur die KVA- Nennleistung eines der Verstärkermodulen reduzieren. Der Leistungsquellenstrom lässt sich nicht eliminieren. Die Größe der Rückkopplung (der Effektivwert von ΔR) wird anhand eines Arbeitspunkts gewählt, und unter sämtlichen Bedingungen muss immer noch Leistung an das Verstärkermodul geliefert werden. Allerdings besteht die Zielsetzung in einem Regler, der die Leistungsanforderungen eines in Reihe geschalteten Verstärkers nicht mehr als über die Ruhestromanforderungen hinaus reduziert (die Leistung, die bei ig = 0 verbraucht wird). Wie im folgenden beschrieben werden wird, erreicht der Energiemanagementregler (EMR) dieses Ziel.

Nunmehr auf die Fig. 13 und 14 Bezug nehmend, sind die Blöcke 32 und 50 in Form eines Proportional-Differenzial-Blocks mit einem veränderlichen, in einen Multiplizierer 48 des Proportional-Terms eingespeisten Steuersignals ke dargestellt. Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform der variablen Proportionalrückkopplung. Die Blöcke 52, 54 und 56 sowie der Summierer 60 wurden hinzugefügt, um eine mögliche Übertragungsfunktion H2 des Blocks 32 zu veranschaulichen. Der Proportional-Term ist a0ke wobei ke in der Amplitude und der Polarität geändert werden kann. Das Eingangssignal ke lässt sich von einer nicht-linearen und nicht-stationären Quelle ableiten, da vc2 nullsummen-injiziert wird. Wenn ke umdefiniert wird in der Form ke = 1 + Δke, kann das System 24 gemäß Fig. 14 dargestellt werden. Der Proportional-Term Δke liegt außerhalb des VMR 44 und ist Bestandteil des EMR 62, wie weiter unten ausgeführt wird. Der Term Δke wird mit der Verstärkung a0 des Blocks 44 im Multiplizierer 66 multipliziert. Wenngleich das EMR-62-Ausgangssignal vemc, welches auf das Ausgangssignal der Blöcke 32, 50 im Summierglied 68 addiert wird, jegliche Form annehmen kann, um die von jedem Verstärkermodul 12 und 20 gelieferte Nettoleistung zu modifizieren, so sollte vemc möglichst häufig die gleiche Polarität wie der Gradientenstrom ig haben (das heißt eine große Grundwelle in Phase mit der Grundwelle von ig). Folglich machen die hier beschriebenen EMR Gebrauch von einem Signal, welches von dem Gradientenstrom ig abgeleitet ist.

Wie in Fig. 15 gezeigt wird, wird dieses Signal allgemein mit imvmi bezeichnet und ist definiert als vmi = fi(if), wobei die Stromformerfunktion fi() des Blocks 70 a0 als eine beliebige, lineare und nicht-lineare Funktion ersetzt. Die Eingangsgröße des Blocks 70 ist if, ein Signal in der Form des Gradientenstroms ig. Es kann jede System-Zustandsvariable für if verwendet werden (z. B. if = ig, id, vg Yg vc H1 GA1 Yg, etc.). Angemerkt sei, dass in Fig. 15 der VMR 44 und der EMR 62 den Nullsummen-Block 72 gemeinsam benutzen (Block 46 und Summierglied 48).

Nunmehr auf Fig. 16 Bezug nehmend, lassen sich der VMR 44 und der EMR 62 vollständig dadurch separieren, dass ein getrennter Nullsummen-Block einschließlich des Blocks 74 und des Summierglieds 76 für den EMR 62 hinzugefügt werden. Schließlich zeigt Fig. 17 den EMR 62, in welchem der Block 74 ersetzt wurde durch Blöcke 78 und 80 (kR1 und kR2), und die Polarität der Nullsummen-Summierglieder 68 und 76 umgekehrt wurde. Diese Umkehrung garantiert, dass ein positiver Wert von Δke einen Netto-Energietransfer von dem. Verstärkermodul 12 zu dem Verstärkermodul 20 verursacht, wobei kR1 und kR2 beides positive Größen sind.

Das oben hergeleitete EMR 62 schafft ein System 24, in welchem der Energiefluss von dem Wechselstromnetz nahezu ausschließlich über das Verstärkermodul 12 eingespeist wird, wobei nur sehr wenig (wenn überhaupt) Energie direkt zu dem Verstärkermodul 20 fließt. Der EMR 62 kann wohl Energie- als auch Leistungsfluss handhaben. Wenn die Schienenspannung des Verstärkermoduls 20 gesteuert wird, so handhabt der EMR 62 die in diesem Verstärkermodul gespeicherte Energie. Alternativ kann die von dem die Leistungsquelle speisenden Verstärkermodul 20 gelieferte Nettoleistung (oder der von der Leistungsquelle gelieferte Nettostrom) so gesteuert werden, dass er einem speziellen Wert gleicht, damit der EMR 62 die Leistung verwaltet. Beide Formen der Steuerung führen zu dem selben Ziel, wie weiter unten noch im Einzelnen erläutert wird.

Erneut auf Fig. 17 Bezug nehmend, gleicht die Nettozunahme der von dem Verstärkermodul 12 gelieferten Leistung der von dem Verstärkermodul 20 empfangenen Nettoleistung, oder die verwaltete Leistung lässt sich ausdrücken in der Form pm(t) = ΔpA1(t) = ΔpA2(t) = ig(t)gA1vemc(t) wobei ein Nullsummen-EMR unterstellt wird, KR1 = 1, und gA1 die Gleichstromverstärkung des Verstärkermoduls 12 ist, allgemein eine Funktion der Frequenz. Die von der Leistungsquelle an das Verstärkermodul 20 gelieferte Nettoleistung pps2 (t) lässt sich ausdrücken als Funktion von pm(t) in der Form pps2(t) = pRg2(t) + pA2(t) - pm(t), wobei pRg2 die von dem Verstärkermodul 20 an den Gradientenspulen-Widerstand gelieferte Nettoleistung und pA2 die durchschnittliche Leistung ist, die im Inneren des Moduls verbraucht wird. Diese Größen lassen sich ausdrücken in der Form



pRg2(t) = ΔRi2g(t) = Re[GA2H2Hx]i2g(t) (Gleichung 1)



und



pA2(t) = PQ + kv |ig(t)| + kri2g(t) (Gleichung 2),



wobei unterstellt ist, dass das Modul 20 ein hocheffizienter PWM-Schaltmodus-Verstärker ist und dessen Verluste eine Funktion des Ausgangsstroms sind. Wie der Fachmann weiß, stellen Schwankungen im Leistungsverbrauch als Funktion der Ausgangsspannung üblicherweise einen Sekundäreffekt in Sekundär-Leistungsschaltungen dar.

Diese Schwankungen hängen ab vom Tastverhältnis, gekoppelt mit Differenzen der Leitfähigkeit von Dioden und Transistoren. In zahlreichen Entwürfen, insbesondere in solchen, in denen Schaltfrequenzen relativ hoch sind, sind diese Schwankungen im Vergleich zu den größeren Schaltverlusten, die nicht Funktion der Ausgangsspannung sind, unbedeutend. Die drei Größen, PQ, kv und kr (der Gleichung 2, die den Leistungsverbrauch des Verstärkers definiert) sind Parameter für einen gegebenen Verstärker und ändern sich nicht, ausgenommen bei möglichen Temperaturschwankungen.

Basierend auf den obigen Definitionen lässt sich die durchschnittliche Leistung pps2, die an das Verstärkermodul 20 geliefert wird, folgendermaßen berechnen:





und die durchschnittlich gehandhabte Leistung Pm lässt sich berechnen zu





wobei TR die Wiederholungszeit der Gradientenwellenform ist, wenngleich dies nicht impliziert, dass das Signal ein sich wiederholendes Signal sein muss. Ig(eff) und Ig(amplitude) bedeuten den Effektivwert bzw. die durchschnittliche Amplitude von Ig(t). Für eine spezifierte Eingangsleistung des Verstärkermoduls 20 muss die gemäß Gleichung 4 gehandhabte Leistung Pm folgenden Ausdruck erfüllen:



Pm = PQ +(ΔR + kr)I2g(eff) + kvIg(ampl) - Pps2 (Gleichung 5).



Wenn die Stromversorgung so spezifiert ist, dass sie nur für die Ruheleistung sorgt, so muss die gehandhabte Leistung Pm folgenden Wert haben:





Es ist ersichtlich, dass die Gleichung 6 dadurch erfüllt werden kann, dass man die Größe vemc so einrichtet, dass sie gemeinsame Grundwellen mit einem Gradientenstrom ig ausreichender Amplitude aufweist. Eine Erhöhung von vemc reduziert allerdings den verfügbaren Spitzenbereich des Verstärkermoduls 12 deshalb, weil vemc eine Änderung im Ausgangssignal des Verstärkermoduls 12 hervorruft, die den Wert



ΔvA1(t) = GA1kR1vemc (Gleichung 7)



aufweist, eine Spannung, die ansonsten für die Last 14 verfügbar gemacht werden kann. Deshalb steht das Ziel der Maximierung der gehandhabten Leistung Pm im Widerstreit mit dem Ziel einer Minimierung des Verlusts des Spitzenbereichs des Verstärkermoduls 12. Allerdings lässt sich durch Auswahl der passenden Signalform vemc die gehandhabte Leistung Pm maximieren, ohne dass lediglich die Amplitude von vemc erhöht wird. Es sollte gesehen werden, dass die Behandlung des Verstärkermoduls 12 als Element zum Übertragen einer Nettoleistung zu dem Verstärkermodul 20 lediglich eine Konvention darstellt. Wenn unterstellt wird, dass das Verstärkermodul 12 sämtlich erforderliche Leistung des Verstärkermoduls 20 bereitstellt, so wird die Versorgung zum Speisen des Verstärkermoduls 12 basierend auf den Gesamtsystem-Leistungsanforderungen eingerichtet. Da die Gradientenspule eines MRI- Systems üblicherweise nicht von dem Wechselstromnetz getrennt zu werden braucht, lässt sich zur Speisung des Verstärkermoduls 12 eine hocheffiziente, wenig komplexe, billige, nichtisolierte Spannungsquelle verwenden. Demzufolge kann das Verstärkermodul 12 als erdbezogenes Verstärkermodul (GAM 12) betrachtet werden, obschon das Modul nicht erdpotential-bezogen sein muss, da die Spannungsversorgung von dem Wechselstromnetz isoliert sein kann. Das Verstärkermodul 20 kann als schwimmendes oder floatendes Verstärkermodul (FAM 20) bezeichnet werden, da es von GAM 12 gespeist wird. Grundsätzlich können GAM 12 und FAM 20 tatsächlich zwei Sätze von Verstärkermodulen repräsentieren, oder ein einzelnes GAM und eine gerade Anzahl von FAMs, gleichmäßig verteilt auf das GAM.

Bezug nehmend auf die Fig. 15 und 18 ist der mit linearem Strom gespeiste EMR ein Spezialfall eines EMR, bei dem die Stromformungsfunktion fi() definiert ist als fi(if) = c0if, wobei c0 eine skalare Größe ist. Die Multiplizierer-Eingangsgröße Δkc ist schlicht das Ausgangssignal einer Spannungsregelschleife, die die Schienenspannung des Verstärkermoduls 20 mit einem Referenzsignal vref am Summierglied 82 vergleicht und sie einem Kompensations- Fehlerverstärker Block 84 mit einer Übertragungsfunktion Ge zuführt. Der EMR 62 steht in enger Beziehung zu den Mechanismen des Leistungsmanagements, die bereits in dem VMR 44 vorhanden sind. vcme ist ein Signal proportional zum Gradientenstrom ig, allerdings skaliert durch einen Betrag Δke.

Um die Spitzenspannung des Verstärkermoduls 12 zu bestimmen, muss der Typ der Gradientenwellenform definiert werden. Wird eine trapezförmige Wellenform erzeugt, so tritt die von dem Verstärkermodul 12 gelieferte Spitzenspannung auf, kurz bevor der Gradientenstrom ig seinen Endwert erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die maximale Spannung sowohl an der Induktivität der Spule 14 als auch an dem ohmschen Widerstand der Spule 14 geliefert. Bei einer Sinuswellenform lässt sich unterstellen, dass 1/(N + 1)tel der Spannung der Spule 14 von dem Verstärkermodul 12 geliefert wird, wobei N das Verhältnis der FAM- Nennspannung zu der GAM-Nennspannung ist.

Der Fachmann sollte sehen, dass der EMR 62 weitaus weniger Einfluss auf die verfügbare Spannung hat, wenn sinusförmige Gradienten im Gegensatz zu trapezförmigen Gradienten erzeugt werden. Dies ist eine offensichtliche Folge des trapezförmigen Gradienten mit einer maximalen und konstanten Stromsteigung von null Ampere ausgehend bis zum einem Maximalstrom, während der sinusförmige Gradientenstrom eine maximale Steigung nur beim Strom null und eine Steigung von null nur beim maximalen Strom hat. Der mit linearem Strom gespeiste EMR 62 ist bei dem Leistungs-Management bei minimalem Verlust von Spannungs- Spitzenbereich für sinusförmige Gradienten äußerst effektiv, bei trapezförmigen Gradienten ergibt sich aber deutlich höherer Spannungsverlust. Die Verwendung eines nicht-linearen EMR schafft allerdings eine Verbesserung des Spannungsverlusts beim Treiben mit trapezförmigen Strömen.

Wie oben beschrieben, führen bei trapezförmigen und sinusförmigen Gradientenströmen sämtliche Formen von EMRs 62 zu einem Verlust verfügbarer Spannung seitens des Verstärkermoduls 20. Trapezförmige Ströme führen zu dem stärksten Verlust verfügbarer Spannung, was sich auch durch Modifizieren von fi() nicht spürbar verbessern lässt, da für den Gesamtstromverlauf die maximale Lastspannung erforderlich ist, ausgehend von einem Null- Strom zu maximalem Strom. Bei maximalem Strom sind tatsächlich sowohl große als auch kleine Lastspannungen vorhanden. Folglich wäre es hilfreich, wenn der EMR 62 Kenntnis der Spannung der Last 14 hätte, um das Steuersignal vemc zu dämpfen, wenn große Spannungen angefordert werden. Dies würde das Problem beim trapezförmigen Signal lösen, indem die Aktivität des EMR 62 bei steilen Rampen des Gradientenstroms ig wirksam reduziert oder gar beseitigt würde. Im Idealfall würde der EMR 62 überhaupt keine Reduzierung der verfügbaren Spannung für die Last 14 veranlassen, ungeachtet des Typs der Gradientenwellenform.

Um zu garantieren, dass das Verstärkermodul 20 von dem EMR 62 niemals in Sättigung getrieben wird, ist die zu behandelnde Spannung GA1vi1 , derjenige Anteil der Spannung der Last 14, von dem der Stromfehlerverstärker 16 erwartet, dass ihn das Verstärkermodul 12 erzeugt. Dieses Signal muss Priorität gegenüber dem EMR-62-Steuersignal vemc haben. Erreichen lässt sich dies durch Verwendung einer veränderlichen Begrenzerschaltung, wie sie in Fig. 18 gezeigt ist. Der Begrenzer 86 liegt in der Leitung des Steuersignals vemc und erhält als Eingangsgröße vi1, mit welchem sein Clip-Pegel oder der Grenzwert des Begrenzers 86 eingestellt wird. Um die Spannung für die Last 14 zu maximieren, sollte das Signal vi1 (oder dessen Äquivalent) gelesen werden. Alternativ könnte die Spannung der Last 14 (oder deren Äquivalent, zum Beispiel Ygig, Ygid, etc.) gelesen werden, und der Begrenzer 86 könnte durch einen Schalter ersetzt werden, der abhängig von einer Schwellenspannung, mit der der Betrag der Lastspannung verglichen wird, das Signal vemc durchlassen oder sperren würde. Der ideale Begrenzerpegel wird eingestellt gemäß der Beziehung



±rect[((VA1_limit/gA1) - |Vi1|)/KR1],



wobei rect () eine Gleichrichterfunktion ist, die ihr Argument wiedergibt, wenn dieses größer als null ist, für sämtliche anderen Werte das Argument auf Null bringt. Sowohl für trapezförmige als auch für sinusförmige Gradientenwellenformen wird die Effektivspannung, die an die Last 14 geliefert wird, als Folge des die veränderliche Begrenzerschaltung verwendenden EMR 62 nicht reduziert. Folglich wird eine ideale Spitzenspannung erzielt.

Der Begrenzer 86 schneidet statt dessen beim Verstärkermodul 12. Bei einer Nullsummen- Injektion des Steuersignals vemc erscheint diese Störung nicht an der Last 14. In der Praxis jedoch würde das harmonische Spektrum des Steuersignals vemc Nullsummen-Injektionsfehler abweichend von der Nullsumme für die Last 14 liefern, wenn nicht im vollständigen Frequenzspektrum von vemcKR1GA1 = KR2GA2 erfüllt ist. Die folgende EMR-Implementierung vermeidet sowohl Probleme der Spitzenbereichsreduzierung als auch der hinzukommenden Oberwellen.

Der EMR 162 in Fig. 19 enthält eine dritte Eingangsgröße für den EMR-Multiplizierer 66, der aus einem Durchleiten eines Spannungssignals vf durch die nicht-lineare Funktion fv() des Blocks 88 abgeleitet wird. Der EMR 161 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 18 dadurch, dass der spannungsgespeiste EMR 62 nach Fig. 19 nicht direkt das Steuersignal vemc begrenzt, sondern dieses vielmehr nach Maßgabe des Ausgangssignals von fv(vf) dämpft. Das Spannungssignal vf dämpft kontinuierlich das Steuersignal vemc und eliminiert dadurch den diskreten Modulbetrieb des Begrenzers 86 (das heißt Abschneiden gegenüber Nicht- abschneiden). Das bevorzugte, als vr zu verwendende Signal ist das Eingangssignal vi1 oder dessen Äquivalent, wenngleich auch andere Signale verwendet werden können (z. B. ig Yg, vg, id Yg etc.). Unterstellt, vf = vi1, so hat die Funktion fv(vf) die gleiche Form, wie sie zum Bestimmen des Clip-Pegels für den Begrenzer 68 verwendet wird, wobei



±rect[((VA1_limit/gA1) - |Vi1|)/KR1].



Es sollte gesehen werden, dass, da die Ausgangsgröße vmv von fv() mit vmi und vme multipliziert wird, immer noch die Möglichkeit besteht, das Verstärkermodul 12 in die Sättigung zu treiben, wenn eines der beiden Signale zu groß ist. Ist das System 24 passend ausgelegt, so geschieht dies allerdings nicht, wenn das System mit den Nenn-Effektiv- und Spitzenströmen arbeitet. Wenn die Spannung der Last 14 ihr theoretisches Maximum einnimmt, stimmen die Signale vA1 und vA2 überein (wobei die Verstärkung des Verstärkermoduls 12 die gleiche ist wie die des Verstärkermoduls 20), da vmv gleich Null ist. Wenn die Spannung der Last 14 Null ist, hat vemc seinen Maximalwert, und die Ausgangssignale vA1 und vA2 sind maximal divergent. Bei einer induktiven Last 14 ist auch dies der Punkt, bei dem der Strom der Last 14 seinen Maximalwert einnimmt.

In Fig. 20 ist ein verallgemeinerter EMR 262 dargestellt, wobei beide Arten von Spannungsabhängigkeiten enthalten sind: Der Dämpfungsglied-Typ unter Verwendung von fv (vf), und der Begrenzertyp unter Verwendung von fL(vm). Der EMR 262 enthält allgemein einen Rückkopplungsregler, der ein Rückkopplungssignal vfb überwacht und garantiert, dass ausreichende Leistung an das Verstärkermodul 20 geliefert wird, ferner ein Eingangssignal if mit der Form des Stroms der Last 14, um das Ausgangssignal des Rückkopplungsreglers richtig zu polarisieren und eine Leistungsflussrichtung sicherzustellen, die das Rückkopplungssignal vfb in Richtung des Referenzsignals bringt. Das Eingangssignal if kann auch in nicht-linearer Weise verarbeitet und dazu verwendet werden, den Betrag des Regler-Ausgangssignals zu ändern. Der EMR 262 enthält außerdem eine Nullsummen-Injektion des geänderten Regler- Ausgangssignals in den Vorwärtspfad jedes Verstärkermoduls 12 und 20, so dass das in der Last 14 auf Grund des polarisierten Regler-Ausgangssignals erzeugte Nettosignal den Wert Null hat, und eine Dämpfungsglied- oder Dämpfungsfunktion, die den Betrag des Regler- Ausgangssignals zusätzlich einstellt, entweder durch Dämpfung (Block 88) oder durch direktes Begrenzen (Block 86), um zu verhindern, dass die Verstärkermodulen auf Grund des EMR 262 in Sättigung gehen.

Das Rückkopplungs-Eingangssignal vfb für den Regler kann ein Signal sein, welches auf die Schienenspannung des Verstärkermoduls 20 bezogen ist. Alternativ kann der Versorgungsstrom für das Verstärkermodul 20 oder der Versorgungsstrom zuzüglich des Kondensatorstroms als Rückkopplungs-Eingangssignal vfb verwendet werden.

Wenngleich die Nicht-Nullsummen-Injektion des EMR-Steuersignals Nachteile hat, kann eine solche Konfiguration unter gewissen Umständen von Nutzen sein. Ein Weg, die Nicht- Nullsummen-Injektionsmethode einzusetzen, ohne Störungen in der Ausgangsstromschleife mit der Folge von Fehlern zu erzeugen, besteht darin, dass vemc linear in Beziehung zu den Zuständen der Hauptstromschleife steht. Eine typische Implementierung wäre ein mit linearem Strom gespeister EMR 262 gemäß Fig. 20, in welchem der Regler entweder weggelassen ist, oder sein Ausgangssignal in der Hauptstrom-Rückkopplungsschleife kompensiert ist. Ist kein Regler vorhanden, so entfällt das dynamische Energiemanagement und es ist dann eine Sache der Programmierung, den richtigen Ausgangswiderstand ΔR entweder über den VMR 44 oder den EMR 262 einzustellen.

Wie dem Fachmann nunmehr ersichtlich sein sollte, kann die Nullsummen-Injektion vorgesehen sein, ohne dass die Nullsummen-Injektion in Erscheinung tritt. Angenommen, ΔR, der Realteil der Ausgangsimpedanz des Verstärkermoduls 20, ist durch VMR 44 als negativ programmiert, so dass ausreichend Leistung an das Verstärkermodul 20 geliefert wird, um sowohl interne Verluste als auch den Anteil der realen Lastimpedanz zu liefern, die das Verstärkermodul 20 bereitstellt. Zur dynamischen Einstellung dieses Netto-Leistungsflusses lässt sich der Realteil des Stromfehlerverstäker-Ausgangssignals Re[vc] (derjenige Anteil, der Rg, den ohmschen Widerstand der Last 14 begleicht) in variierende Anteile zwischen beide Verstärkermodulen 12 und 20 aufteilen, wobei die Summe stets dem durch Rg geforderten Gesamtsignal gleicht. Wenn zuviel Leistung an das Verstärkermodul 20 geliefert wird, so wird der größere Anteil von Re[vc] an das Verstärkermodul 20 geliefert, und ein entsprechend kleinerer Teil gelangt an das Verstärkermodul 12. Damit liefert das Verstärkermodul 20 mehr Nettoleistung an die Last 14 und reduziert die Leistung, die ansonsten verfügbar wäre zur Aufladung der Eingangskondensatoren des Verstärkermoduls 20.

Dieser Typ von Signalfluss unterscheidet sich nicht von der Nullsummen-Injektion. Anstatt Re[vc] in ungleiche Teile aufzuspalten wird der Wert einfach in einen gleichen Anteil als imaginärer Term aufgespalten, und an seiner Stelle können zwei Summierknoten hinzugefügt werden, einer im Vorwärtspfad des Verstärkermoduls 12, der andere im Vorwärtspfad des Verstärkermoduls 20. Dann kann ein Signal im Verhältnis zum Strom der Last 14 (oder dem Sollstrom id) dem Summierknoten des Verstärkermoduls 12 zugeführt und von dem Summierknoten des Verstärkermoduls 20 subtrahiert werden. Durch dynamisches Dämpfen dieses Signals kann der Anteil des Lastsignals, die zum Treiben von Rg erforderlich ist, in dem Verstärkermodul 20 verringert und im gleichen Maß innerhalb des Verstärkermoduls 12 erhöht werden. Dies unterscheidet sich nicht von dem linear gespeisten EMR 262, der dem VMR hinzugefügt ist, welcher effektiv eine negative Stromrückführung oder ein vorwärts gekoppeltes Signal für das Verstärkermodul 20 enthielt.

Im allgemeinen kann jede beliebige Anzahl von Verstärkermodulen 12 und 20 in Reihe geschaltet werden. Jedes FAM erfordert einen separaten EMR 62. Das Steuersignal vemc des EMR 62 von jedem FAM wird auch mit der Eingangsgröße des GAM summiert (das heißt, dem Verstärker, der die FAMs speist). Gibt es mehr als einen GAM, so lässt sich die Nullsummen-Injektion für jedes Signal vemc über jede Kombination von GAMs erreichen. Eine typische Konfiguration eines GAM und zwei FAMs ist in den Fig. 21 und 22 gezeigt.

Bezug nehmend auf Fig. 22 kann eine Hauptstromversorgung 90 eine nicht-entkoppelte Stromversorgung sein, die den GAM 12 versorgt. Die beiden FAMs 20' und 20" werden von ihren jeweiligen Ruhestromversorgungen 92' und 92" gespeist. Der Eingang der Ruhestromversorgungen 92' und 92" kann durch irgendeine Anzahl von Quellen gebildet werden, einschließlich das Wechselstromnetz oder der Gleichstromausgang der Hauptspannungsversorgung 90. Die Versorgungen 92' und 92" können entweder entkoppelt oder "gebootstrapped" sein. Fig. 22 zeigt außerdem eine Stromfühleinrichtung 94 sowie Energiespeicherkondensatoren 96, 98 und 100. Die Last 14 ist als induktiv und ohmsch dargestellt, was der Fall bei MRI-Anwendungen ist. Im allgemeinen ist allerdings die Erfindung auch auf Systeme 24 mit beliebiger Last anwendbar (z. B. einen Kondensator, einen Motor mit mechanischer Energiespeicherung, einen Widerstand etc.).

Die Fig. 23 und 24 zeigen zwei Ausführungsformen von EMR 62' und 62" der Fig. 21 und 22. Beide Ausführungsformen verwenden einen Spannungsbegrenzerblock 88 mit einer Übertragungsfunktion fv(vc), wie es in Verbindung mit Fig. 19 beschrieben wurde. Das EMR 62-Steuersignal vemc ist basierend auf dem in dem GAM verfügbaren Freiraum effektiv gedämpft. Da der GAM 12 die Aktivität des EMR 62 aus zwei FAMs 20' und 20" unterstützt, enthält der Block 88 ein Produkt von 1/Nd, wobei Nd die Anzahl von FAMs ist. Wenn die FAMs 20' und 20" etwa die gleiche Menge Leistung verbrauchen, führt der GAM 12 keine Begrenzung als Ergebnis des EMR 62' oder 62" aus. Haben die FAMs 20' und 20" signifikant unterschiedliche Leistungsverbrauchswerte, so lässt sich der verfügbare Spitzenbereich des GAM 12 dadurch bestimmen, dass man fv() in dem EMR 62 eines der FAMs 20' und 20" definiert, beispielsweise fv3() entsprechend



fv3(vc, vemc2) = rect(vlimit - |vc + KR2vemc2|),



während fv2() des anderen FAM 20" in einer Form definiert wird, wie sie in Verbindung mit Fig. 19 erläutert wurde. In anderen Worten: Das Signal vmv des EMR 62' für den FAM 20' wird nicht nur durch bloßes Betrachten des Stromfehlersignals vc festgelegt, sondern auch des zusätzlichen Signals, das auf Grund von v"emv von dem GAM 12 gefordert wird, nämlich des EMC-Steuersignals des FAM 20". Zusätzlich sollten die Werte kR1, kR2 und kR3 so gewählt werden, dass die Nullsummen-Injektion der EMR-Steuersignale garantiert ist. Obschon keines der Verstärkermodulen 20, 20' und 20" identisch (oder auch nur ähnlich) zu sein braucht, macht die bevorzugte Ausführungsform von identischen Modulen Gebrauch.

Schließlich ergibt eine Vielfalt von Implementierungen zur Spannungsregulierung der einzelnen Verstärkermodulen 12, 20' und 20" ein arbeitsfähiges System 24. Eines besteht in der Verwendung einer Spannungsregelschleife um jedes Verstärkermodul 12, 20' und 20" herum. Alternativ kann eine Regelschleife die gesamte Serienschaltung von Verstärkermodulen umfassen. Ein Vorteil einer einzelnen Regelschleife ist eine höhere erreichbare Bandbreite durch Verschachteln von PWM-Takten in jedem Verstärkermodul 12, 20' und 20". Schließlich ist es möglich, das System 24 ohne Spannungsregelschleife auszuführen. Dies kann deshalb erreicht werden, da PWM-Verstärker oder geschaltete Spannungssegmentverstärker sich eher wie Spannungsquellen als wie Stromquellen verhalten. Sie weisen eine ziemlich geringe Ausgangsimpedanz auch ohne Spannungsrückführung auf.


Anspruch[de]
  1. 1. Verstärkersystem zum Treiben einer Last, enthaltend:

    ein erstes und ein zweites Verstärkermodul, jeweils mit einem Signalausgang in Reihe mit der Last geschaltet, um Ausgangsleistung an die Last zu bringen;

    einen Regler, der ein Signal bezüglich einer gespeicherten Energie in Verbindung mit dem zweiten Verstärkermodul empfängt und ein Steuersignal an die Verstärkermodulen ausgibt, abhängig von dem Rückkopplungssignal, um die Ausgangsleistung des zweiten Verstärkermoduls zu senken und diejenige des ersten Verstärkermoduls anzuheben.
  2. 2. System nach Anspruch 1, bei dem das Rückkopplungssignal kennzeichnend für eine zu dem zweiten Verstärkermodul gehörige Leistung ist.
  3. 3. System nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsleistung des ersten und des zweiten Verstärkermoduls zu einer Nettoleistung in der Last führt, die von dem Steuersignal im wesentlichen unverändert bleibt.
  4. 4. System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine erste und eine zweite Spannungsversorgung zum Liefern von Leistung an die Eingänge des ersten bzw. des . zweiten Verstärkermoduls.
  5. 5. System nach Anspruch 1, bei dem sowohl das erste als auch das zweite Verstärkermodul einen Signaleingang zum Empfangen des Steuersignals enthält.
  6. 6. System nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsleistung des ersten Verstärkermoduls eine durchschnittliche Leistung enthält und die Ausgangsleistung des zweiten Verstärkermoduls eine durchschnittliche Leistung enthält, wobei die durchschnittliche Ausgangsleistung des ersten Verstärkermoduls größer ist als die durchschnittliche Ausgangsleistung des zweiten Verstärkermoduls.
  7. 7. System nach Anspruch 1, bei dem die Abnahme der Ausgangsleistung des zweiten Verstärkermoduls im Betrag im wesentlichen gleich ist der Zunahme der Ausgangsleistung des ersten Verstärkermoduls.
  8. 8. System nach Anspruch 1, bei dem der Regler ein Stromsignal repräsentativ für einen Laststrom empfängt.
  9. 9. System nach Anspruch 1, bei dem der Regler ein Referenzsignal empfängt, wobei das Rückkopplungssignal mit dem Referenzsignal verglichen wird, um ein Spannungsfehlersignal zu erzeugen.
  10. 10. System nach Anspruch 9, bei dem der Regler einen Verstärker zum Empfangen des Spannungsfehlersignals aufweist, der das Steuersignal ausgibt.
  11. 11. System nach Anspruch 8, bei dem das Stromsignal proportional zu dem Laststrom ist.
  12. 12. System nach Anspruch 8, bei dem das Stromsignal eine Polarität hat, die die gleiche ist wie die Polarität des Laststroms.
  13. 13. System nach Anspruch 8, bei dem der Regler eine Stromformerfunktion zum Empfangen des Stromsignals aufweist, wobei die Stromformerfunktion einen Ausgang besitzt, der das Steuersignal dämpft.
  14. 14. System nach Anspruch 13, bei dem der Stromformerfunktion-Ausgang eine Polarität besitzt, die die gleiche wie die Polarität des Stromsignals ist.
  15. 15. System nach Anspruch 1, bei dem der Regler einen Dämpfer zum Empfangen eines Spannungssignals aufweist, wobei der Dämpfer einen Ausgang besitzt, der das Steuersignal dämpft.
  16. 16. System nach Anspruch 15, bei dem das Spannungssignal repräsentativ für eine Lastspannung ist.
  17. 17. System nach Anspruch 16, bei dem der Dämpfer-Ausgang Null ist, wenn das Spannungssignal einer vorbestimmten Amplitude gleicht.
  18. 18. System nach Anspruch 16, bei dem der Dämpfer-Ausgang eine erste Polarität aufweist, wenn das Spannungssignal niedriger als eine vorbestimmte Amplitude ist, und eine zweite Polarität besitzt, wenn das Spannungssignal größer als die vorbestimmte Amplitude ist.
  19. 19. System nach Anspruch 16, bei dem der Dämpfer-Ausgang einen Maximalwert aufweist, wenn das Spannungssignal Null ist.
  20. 20. System nach Anspruch 1, bei dem der Regler einen Begrenzer zum Begrenzen des Steuersignals auf einen Grenzwert aufweist.
  21. 21. System nach Anspruch 20, bei dem der Regler ein Spannungssignal zum Regeln des Grenzwerts aufweist.
  22. 22. System nach Anspruch 21, bei dem der Grenzwert einen Maximalwert hat, wenn das Spannungssignal Null ist.
  23. 23. System nach Anspruch 20, bei dem der Grenzwert Null ist, wenn das Spannungssignal größer als eine vorbestimmte Amplitude ist.
  24. 24. System nach Anspruch 1, bei dem das zweite Verstärkermodul mehrere Verstärker enthält.
  25. 25. System nach Anspruch 1, bei dem das erste Verstärkermodul eine erste Mehrzahl von Verstärkern enthält und das zweite Verstärkermodul eine zweite Mehrzahl von Verstärkern enthält.
  26. 26. Verstärkersystem zum Treiben einer induktiven Last, umfassend:

    ein erstes und ein zweites Verstärkermodul mit Ausgängen, die in Reihe mit der Last geschaltet sind, um Ausgangsleistung an die Last zu bringen, wobei das erste Verstärkermodul einen Leistungseingang zum Empfangen von Eingangsleistung und einen Signaleingang enthält, und das zweite Verstärkermodul einen Leistungseingang zum Empfangen von Leistung und einen Signaleingang enthält; und

    einen Regler mit einem Rückkopplungssignal-Eingang zum Überwachen der Eingangsleistung des zweiten Verstärkermoduls, und mit einem Ausgang zum Abgeben eines Steuersignals an die Signaleingänge des ersten und zweiten Verstärkermoduls abhängig von einem Zustand der Eingangsleistung des zweiten Verstärkermoduls, wobei das Steuersignal die Ausgangsleistung des zweiten Verstärkermoduls senkt und die Ausgangsleistung des ersten Verstärkermoduls anhebt, derart, dass das erste Verstärkermodul Ausgangsleistung an das zweite Verstärkermodul liefert.
  27. 27. System nach Anspruch 26, bei dem die Ausgangsleistung des ersten und des zweiten Verstärkermoduls in der Last zusammengeführt werden, um eine Netto-Lastleistung zu definieren, die im wesentlichen unverändert bleibt als Ergebnis der Absenkung der Ausgangsleistung des zweiten Verstärkermoduls und der Anhebung der Ausgangsleistung des ersten Verstärkermoduls.
  28. 28. System nach Anspruch 26, bei dem die Ausgangsleistung des ersten Verstärkermoduls eine durchschnittliche Leistung enthält und die Ausgangsleistung des zweiten Verstärkermoduls eine durchschnittliche Leistung aufweist, wobei die durchschnittliche Ausgangsleistung des ersten Verstärkermoduls größer ist als diejenige des zweiten Verstärkermoduls.
  29. 29. System nach Anspruch 26, bei dem der Regler ein einen Laststrom repräsentierendes Stromsignal empfängt.
  30. 30. System nach Anspruch 29, bei dem der Regler ein Referenzsignal empfängt, und das Rückkopplungssignal mit dem Referenzsignal verglichen wird, um ein Spannungsfehlersignal zu erzeugen.
  31. 31. System nach Anspruch 29, bei dem der Regler eine Stromformerfunktion zum Empfangen des Stromsignals enthält, wobei die Stromformerfunktion einen Ausgang aufweist, der das Steuersignal dämpft.
  32. 32. System nach Anspruch 26, bei dem der Regler einen Dämpfer enthält, der ein Spannungssignal empfängt und einen Ausgang aufweist, der das Steuersignal dämpft.
  33. 33. System nach Anspruch 26, bei dem der Regler einen Begrenzer zum Beschränken des Steuersignals auf einen Grenzwert enthält.
  34. 34. System nach Anspruch 33, bei dem der Regler ein Spannungssignal zum Steuern des Grenzwerts empfängt.
  35. 35. System nach Anspruch 26, bei dem das zweite Verstärkermodul mehrere Verstärker enthält.
  36. 36. System nach Anspruch 26, bei dem das erste Verstärkermodul eine erste Mehrzahl von Verstärkern enthält und das zweite Verstärkermodul eine zweite Mehrzahl von Verstärkern enthält.
  37. 37. System nach Anspruch 26, bei die Eingangsleistung an das erste Verstärkermodul von einer auf Erdpotential bezogenen, nicht-entkoppelten Leistungsversorgung geliefert wird.
  38. 38. System nach Anspruch 26, bei dem die Eingangsleistung an das zweite Verstärkermodul von einer zweiten Leistungsversorgung geliefert wird, die ausgelegt ist zur Bereitstellung einer maximalen Eingangsleistung für das zweite Verstärkermodul, welche im Wesentlichen gleich ist in internen Ruhestromverlusten des zweiten Verstärkermoduls.
  39. 39. Gradientenverstärkersystem zum Treiben einer Gradientenspule in einem bildgebenden magnetischen Resonanzsystem, umfassend:

    ein erdpotentialbezogenes Verstärkermodul zur Bereitstellung einer ersten Ausgangsspannung an der Spule;

    ein schwimmendes Verstärkermodul in Reihe geschaltet mit dem auf Erdpotential bezogenen Verstärkermodul und der Last, um eine zweite Ausgangsspannung an der Spule bereit zu stellen, wobei die erste und die zweite Ausgangsspannung zu einer Netto- Spulenspannung führen, und das schwimmende Verstärkermodul eine gespeicherte Energie aufweist; und

    einen Regler, der an die Verstärkermodulen gekoppelt ist, ein Rückkopplungssignal empfängt, welches kennzeichnend ist für die gespeicherte Energie des schwimmenden Verstärkermoduls, der auf ein Rückkopplungssignal anspricht, welches bezeichnend ist für geringe gespeicherte Energie des schwimmenden Verstärkermoduls, indem er ein Steuersignal an das auf Erdpotential bezogene Verstärkermodul ausgibt, um die erste Ausgangsspannung zu erhöhen, und an das schwimmende Verstärkermodul gibt, um die zweite Ausgangsspannung um einen etwa gleich großen Betrag zu senken, und so Leistung von dem auf Erdpotential bezogenen Verstärkermodul zu dem schwimmenden Verstärkermodul transferiert, während die Netto-Spulenspannung aufrecht erhalten bleibt.
  40. 40. Verstärkersystem zum Treiben einer Last, umfassend:

    eine erste Einrichtung zum Speisen der Last mit Leistung;

    eine zweite Einrichtung zum Speisen der Last mit Leistung, wobei die erste und die zweite Speiseeinrichtung in Reihe zu der Last geschaltet sind, um der Last eine Nettoleistung zuzuführen;

    eine Einrichtung zum Steuern der ersten und der zweiten Speiseeinrichtung, wobei die Steuereinrichtung ein Steuersignal an die erste und die zweite Speiseeinrichtung ansprechend auf ein Signal ausgibt, welches kennzeichnend ist für eine der zweiten Speiseeinrichtung zugehörige Energie, das Steuersignal die Ausgangsleistung der ersten und der zweiten Speiseeinrichtung derart ändert, dass die zu der zweiten Speiseeinrichtung gehörige Energie angehoben wird und die der Last zugeführten Nettoleistung im Wesentlichen unverändert bleibt.






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