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Gradientverstärker und Netzteil mit Wirkleistungskontrolle

IP.com Disclosure Number: IPCOM000018120D
Original Publication Date: 2002-Feb-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-23
Document File: 2 page(s) / 190K

Publishing Venue

Siemens

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Stefan Nowak: AUTHOR [+2]

Abstract

Für die Gradientenspulen eines Magnetresonanz- geräts sind zur Erzielung kurzer Stromanstiegszeiten sehr hohe Spannungen des speisenden Gradienten- verstärkers (GPA) erforderlich.

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Gradientverstärker und Netzteilmit Wirkleistungskontrolle

Gesundheit

Idee: Stefan Nowak, Erlangen;

Dr. Markus Vester, Nürnberg

Für  die  Gradientenspulen eines Magnetresonanz-geräts sind zur Erzielung kurzer Stromanstiegszeitensehr  hohe  Spannungen  des  speisenden Gradienten-verstärkers (GPA) erforderlich.

Der Kaskaden-GPA besteht aus mehreren (z.B. 5) inReihe geschalteten Teilverstärkern (Kaskadenstufen)mit geringeren verfügbaren Ausgangsspannungen(z.B.  400  V),  so  dass  die  Summenspannung  (z.B.2000  V)  an  einer  der  Gradinetenspulen erscheint.Jede Stufe ist als Vollbrücke mit einer Taktfrequenzvon z.B. 20 kHz ausgeführt, wobei durch eine geeig-nete Phasenverschiebung der einzelnen Ansteuerun-gen die Summenspannung mit der n-fachen Frequenz(z.B. 100 kHz) steuerbar ist.

Der Nachteil ist, dass jede der Stufen ein eigenes,potenzialfreies Netzteil  zur  Stromversorgung  benö-tigt. Üblicherweise wird ein gemeinsamer Netztrafomit mehreren galvanisch getrennten Sekundärwick-lungen  verwendet.  Dieser  wird  bei  Netzfrequenzbetrieben und ist deshalb groß und schwer. Da zwi-schen  den  Sekundärwicklungen  hohe  und  schnellgeschaltete Spannungen anliegen, müssen diese zu-dem kapazitätsarm ausgeführt werden, um eine Be-lastung  der Schalttransistoren  und  hochfrequenteStörauskoppelungen zu vermeiden.

Durch Verwendung von Schaltnetzteilen ließe sichneben  der  Verringerung des Netztrafo-Volumenseine Stabilisierung der Versorgungsspannung (Zwi-schenkreisspannung) erzielen die eine bessere Aus-nutzung der Kaskadenstufen bei schwankender Netz-spannung  ermöglichen  würde.  Der Aufwand fürdiese Netzteile ist aber erheblich.

Typischerweise benötigt eine Gradientenspule wäh-rend des Auf-  und  Abbaus  des  Magnetfeldes  eineBlindleistung  in  der  Größenordnung  von  1  MVA,wogegen die im Mittel in Wärme umgesetzte Ver-lustleistung unter 25 kW liegt. Statt lauter gleicharti-ger Stufen soll deshalb die Kaskade in eine Wirk-leistungsstufe, die vom Netz versorgt wird, und meh-rere Blindleistungsstufen, die lediglich mit Energie-speichern (z.B. Elektrolyt-Kondensatoren) als Pufferverbunden sind, aufgeteilt werden.

Dieses  Grundprinzip  wurde  bisher  bereits in derBooster-Schaltung genutzt. Es soll jetzt so erweitertwerden,  dass  eine  Ansteuerschaltung  das  Tastver-hältnis jeder Stufe individuell so einstellt, dass

•   erstens  die  gewünschte augenblickliche Sum-men-Spulenspannung einstellt wird und

•   zweitens  der  Ladezustand  der Energiespeicherauf eine  konstante  gespeicherte  Gesamtenergiedes Systems hin geregelt wird.

Dazu werden der Ansteuerschaltung neben dem Ist-und Sollwert des  Spulenstromes  auch  Informationüber  den  Ladezustand  jedes Speicherkondensatorszur Verfügung gestellt. (Bild 1)

Übertragungsfaktor und Leistungsbilanz einerBlindleistungsstufe

Wird eine Brücke mit dem Tastverhältnis   t

£ t   geschaltet,  verhält  sie  sich über dieTaktperiode gemittelt und bei Vernachlässigung...