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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. Der Kaskaden-GPA besteht aus mehreren (z.B. 5) in Reihe 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 Taktfrequenz von 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.

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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...