切換模式的供電設備和方法

2023-06-13 09:13:21

專利名稱：切換模式的供電設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種切換模式的供電設備和一種相應的方法。而且，本發明涉及一種裝置，其包括要被提供負載電壓和/或負載電流的負載。
背景技術：
由於輸出級的切換行為，對功率放大器進行切換通常受到非線性的影響。這些非線性的確切的性質不僅依賴於使用的(一個或多個)功率半導體的類型，也依賴於在負載和驅動側處的(一個或多個)連接電路。在精確功率應用中，例如用於磁共振成像(MRI)的運動控制和梯度放大器，對這些非線性的補償是強制的，因為大多數情況下在控制系統中使用前饋通道。US 2006/208798 Al公開了一種操作D類放大器輸出級的方法，其補償了在輸出級的切換中，在死區時間內由殘餘負載電流引入的非線性。所述放大器輸出級包括輸入、門控驅動器電路、兩個輸出電晶體、輸出和電流感測電路。所述電晶體串聯在電源的各終端之間。當他們被關閉時，殘餘負載電流流過所述電晶體。所述門控驅動器電路基於所述殘餘負載電流流過所述晶體的方向增大或減小驅動所述電晶體的信號的佔空比，從而令放大器輸出的佔空比保持基本上恆定並且等於放大器輸入的佔空比。如在US 2006/208798中所示的，通過(僅)使用負載電流的方向進行補償能夠獲取的準確性是有限的。為了獲取更好的結果，能夠使用基於模型的方式，例如使用查找表來預測系統在下一個感興趣時間周期上的行為。用於填充這樣的查找表的一種可能的方法是對上面提到的參數的所有組合重複地對電路脫線進行模擬，並且將所得的平均電壓存儲於查找表中。能夠通過使用查找表的條目找到切換定時的合適的補償，並且如果需要，使用內插法來找到恰好針對電路狀態的組合的電路行為的近似值，所述近似值由控制器在控制時間間隔的開始處測量。這樣的解決方案原則上是可能的，但是，如果要完全實施，需要考慮內存資源。即便利用當前可用的豐富且便宜的內存裝置，由於在這樣的方式中固有的指數增長規律，這樣的方式在準確性上和能夠使用的狀態變量的數量上是有限的。

發明內容
本發明的目標是提供一種切換模式的供電設備和一種相應的方法，其能夠有效補償在所述切換模式的供電設備的切換功率放大器中由死區時間和電壓下降造成的非線性。在本發明的第一方面中，給出了一種切換模式的供電設備，包括切換功率放大器，其用於放大由外部信號源供給的信號以及用於向負載供給負載電壓和/或負載電流，以及控制單元，其用於基於定時設置來控制所述切換功率放大器的切換，所述控制單元適於基於關於所述切換功率放大器的當前狀態的狀態信息，通過預測對於針對期望負載電壓和/或負載電流的至少兩個定時設置，特別是多個定時設置的平均負載電壓和/或負載電流，來模擬所述切換功率放大器的行為。在本發明的又一方面中，給出了一種包括負載的裝置，所述負載要被提供負載電壓和/或負載電流，所述裝置包括負載，其要被提供負載電壓和/或負載電流，以及根據本發明提出的切換模式的供電設備，其用於向所述負載供給負載電壓和/或負載電流。本發明優選的實施例在從屬權利要求中限定。應該理解到，聲明的方法和聲明的裝置具有與所聲明的切換模式供電設備以及在從屬權利要求中所限定的優選實施例相似和/或相同的優選實施例。本發明提出一種備選的方式用於以加速的時間比例，通過使用循環模擬來可靠補償由死區時間和電壓下降造成的非線性。由於這種實施方式的固有的平行處理，完成這點所需的電路系統(例如基於現場可編程門陣列，FPGA)的尺寸顯示出隨著代表電路的複雜性的線性增長。利用現今的裝置進行10倍的加速似乎是輕易可行的。例如，這樣的實施方式允許在2微秒或更短時間中預測接下來的20微秒(在上面提到的系統中用於控制和/或切換最內層控制環路的周期的典型值)。加入感興趣的額外電路特徵(諸如裝置溫度和/或驅動器電路細節)在無需妨礙模擬速度的情況下是可行的，只要使用的實施方式包含足夠的硬體資源。在此提到的由外部信號源供給的信號可以為由功率源提供的功率信號，但該信號通常為設置點，所述設置點通常由「主」控制器在微小的功率水平上供給。在優選的實施例中，所述控制單元適於通過選擇屬於最接近期望負載電壓和/或負載電流的預測的平均負載電壓和/或負載電流的定時設置，從用於預測平均負載電壓和/或負載電流的定時設置中選擇用於控制對所述切換功率放大器進行切換的定時設置。通過這種方式，通常能夠獲取高準確性的預測。根據另一實施例中，所述控制單元適於通過在屬於最接近期望負載電壓和/或負載電流的預測的平均負載電壓和/或負載電流的各定時設置之間進行內插，來確定用於控制對所述切換功率放大器的切換的定時設置。通過這種內插能夠獲得最佳定時設置。優選地，所述控制單元包括採樣控制電路，所述採樣控制電路用於從關於所述切換功率放大器的當前狀態的狀態信息和設置點來確定期望負載電壓和/或負載電流。所述採樣控制電路特別適於基於設置點與測量信號的結合周期性地提供放大器的期望輸出電壓。在又一實施例中，所述控制單元適於預測對於預定數量的定時設置的平均供給電壓和/或供給電流，特別是對於從2到25範圍內的數量的時間設置的平均供給電壓和/或供給電流。2到25為合理的數量，但是其他數量也能夠在實踐中實施。所述切換模式的供電設備還可以包括感測器件，所述感測器件用於感測關於所述切換功率放大器的當前狀態的所述狀態信息，特別地，用於感測所述切換功率放大器的內部電流和/或電壓，和/或感測所述功率放大器和/或供電設備的一個或多個元件的溫度。這樣的感測器件通常由公知的器件實施，諸如電流測量元件、電壓測量元件、溫度測量元件等。然而，對於如上面描述的使用公知器件難以獲取的那些信號，也能夠使用預測方法，例如，基於電路和/或裝置行為的物理模型的使用的預測方法。這樣的方式對於測量半導體結點的溫度是特別有意義的，測量半導體結點的溫度通過公知器件是幾乎不能達到的。而且，所述控制單元可以適於以高保真度預測對於下個切換周期的平均負載電壓和/或負載電流。如果所述切換功率放大器用於前饋控制鏈中，這是特別重要的。在實際的實施中，所述控制單元適於預測對於隨後的時間間隔的平均負載電壓和/或負載電流，所述隨後的時間間隔特別地等於控制周期或在I到200微秒範圍內，特別是5到50微秒範圍內。


參考下文描述的(一個或多個)實施例，本發明的這些和其他方面會變得明顯並被闡述。在下面附圖中圖1示出了具有恆定電流負載和切換節點電容的相位臂，圖2示出了用於改變輸出電流的單個相位臂的關閉/打開切換，圖3示出了用於改變輸出電流的相位臂電壓的平均值，圖4示出了對於恆定(5A)電流，平均相位臂電壓與負載的佔空比的依賴性，圖5示出了具有針對兩個邊緣進行補償的定時的相位臂電壓，圖6示出了在應用補償後的平均相位臂電壓，圖7示出了用於MRI梯度放大器的典型負載電路，圖8示出了具有如圖7所示負載的相位臂電壓和濾波器電流的例子，圖9示出了在附接實際負載的情況下平均相位臂電壓與佔空比的依賴性，以及更大比例的真實和理想行為間的差異，圖10示出了一種根據本發明的切換模式的供電設備的框圖，圖11示出了功率放大器的示範性實施例，圖12示出了如常規地用於切換模式的供電設備中的控制單元的已知實施例的框圖，圖13示出了根據本發明的用在如圖11所示的切換模式的供電設備中的控制單元的實施例的框圖，圖14示出了一圖表，其圖示了根據本發明的定時設置的確定，以及圖15示出了放大器的電路圖，所述放大器具有電流源電源，並由具有電壓源特性的電路加載。
具體實施例方式切換功率放大器通常受由於輸出級的切換行為而導致的非線性影響。在精確功率應用中，諸如用於精確運動控制和在磁共振成像(MRI)設備的梯度系統中，這些非線性的補償是強制性的，因為在大多數情況下前饋通路用於控制系統中。非線性行為主要由在相位臂中關閉一個半導體並且打開另一個而花費的非零時間造成。通常，在關閉和打開事件之間引入所謂的死區時間，以製造對於在功率半導體、驅動級以及電路狀態的不同實現間的定時差異的某種容忍。在死區時間內，兩個功率半導體都被關閉，並且在切換節點上的電壓主要由輸出電流確定(同時切換節點的初始狀態(電壓)通常也是相關的)。對於一般具有電感特性的相位臂的負載，在特定時間跨度內的平均電壓是重要的。在死區時間內這種平均電壓也依賴於切換節點電壓。為了圖示相關現象，通過絕緣柵雙極電晶體(IGBT)和二極體建立的相位臂在圖1中示出。從　電壓源給所述相位臂供應DC電壓V_sup，並且從電流源給所述相位臂加載DC輸出電流I_bridge。在切換節點上的組合電容顯示為單個電容器Cnode。將測量裝置mVnode併入以顯示出切換節點電壓的限定(definition),如在隨後的圖中示出的。根據輸出電流的符號和值，在切換節點上的電壓顯示出變化的行為。使用對於1_bridge的各值，V_sup=100V、切換周期20 μ s以及Cnode=8nF，來模擬電路運行。IGBT實現為具有ΙΟΟπιΩ串聯電阻的理想的切換器。這是相當粗略的模型，其僅用於圖示造成非線性的主要現象。在現實中，需要考慮功率半導體的詳細的切換行為以及在圖1中由Cnode代表的寄生裝置電容的非線性。對於這個例子，節點電壓對時間的波形在圖2中示出。已經設置了功率半導體的定時(打開/關閉)從而使得使用60%的額定佔空比和2 μ S的死區時間。在這個例子中的額定切換點位於t=6 μ S (高到低轉變)處和t=14 μ S (低到高)處。由於死區時間，實際切換能夠發生達到I μ S，即50%的死區時間間隔，或早或晚，如在圖2中所示的。結果是，在死區時間間隔中的切換節點電壓，並且因此這個電壓在切換周期上的平均值，依賴於輸出電流的符號和幅度。這種依賴性在圖3中示出。在這個例子中，平均電壓最顯著的變化(即，在-2Α到+2Α輸出電流之間，幾乎20伏特的擺動)由死區時間造成。另外，對於更高的電流值能夠觀察到有限的斜率。這種斜率主要由因功率半導體的電阻行為造成的電壓下降導致，同時也存在電壓換向的影響，但是在這個例子中高於幾安培，遠小於電阻性的電壓下降。如在圖3中所示的能夠通過調整驅動功率半導體的門控信號的佔空比來補償平均節點電壓的下降或升高。能夠使用如圖3中所示的表格值來改變切換事件的定時從而修正對於在這個例子中(即，20μ s)所考慮的間隔的平均節點電壓。能夠通過估計平均切換節點電壓對佔空比的依賴性來找到所需的(定時)修正量。對於5Α的恆定電流負載的情況，這已經在圖4中描繪出。在這種情況中，真實與理想行為之間的差異，如在圖4Β中所示的，是獨立於佔空比的。由此得出結論，補償是能夠輕易找出的，因為對於真實行為(在圖4Α中示出)的描繪圖為直線。對於這種情況，用於補償所需的唯一測量值為輸出電流。應用補償後的切換節點電壓的波形在圖5中示出。在圖5的例子中，不僅平均相位臂電壓被補償，而且獨立邊緣的定時也被調整從而使完整電壓波形的重心重新集中於t=10 μ s 處。考慮這樣的補償另一方式為獨立地處置時間間隔的第一半(時間從O到IOys)和第二半(時間從10μ s到20μ S)。對於以直線一路從O直到100V或者相反的電壓邊緣，在圖5中的軌跡清晰地顯示出在這個例子中邊緣半程點恰位於50V處。對於由兩段構成的邊緣,情況會更加複雜,且這些邊緣的重心也分別被重新定位在t=6y s和t=14y s的期望位置處。對於此處示出的　情況，所述補償能夠帶來幾乎完美的結果，60伏特的設置點值能夠在幾mV內實現。在圖6中示出了所得的平均相位臂電壓。如果「實際的」負載電路連接於相位臂，情況會變得更加複雜，因為輸出電流現在包括紋波，並且因此隨時間改變。在圖7中示出典型的負載電路，如在MRI掃描器的梯度鏈(de gradient chain)中使用的。所述負載電路包括濾波電感Lfilt,濾波電容器Cfilt,以及梯度線圈Lgrad。通常，所述濾波電感為梯度線圈電感的大約5%。如圖1，測量裝置已經被加入到所述電路，以指示將要在隨後圖中示出的信號的起源。對於接下來的例子，將下列示範性參數配置給所述電路
權利要求
1.一種切換模式的供電設備，包括 切換功率放大器(14)，其用於放大由外部信號源(11)供給的信號並且用於向負載(15)供給負載電壓和/或負載電流，以及 控制單元(12 ;12b)，其用於基於定時設置來控制所述切換功率放大器的切換，所述控制單元適於基於關於所述切換功率放大器的當前狀態的狀態信息，通過預測對於針對期望負載電壓和/或負載電流的至少兩個定時設置，特別是多個定時設置的平均負載電壓和/或負載電流，來模擬所述切換功率放大器的行為。
2.根據權利要求1所述的切換模式的供電設備， 其中，所述控制單元(12 ;12b)適於通過選擇屬於最接近所述期望負載電壓和/或負載電流的預測的平均負載電壓和/或負載電流的定時設置，從用於預測平均負載電壓和/或負載電流的定時設置中選擇用於控制對所述切換功率放大器進行切換的定時設置。
3.根據權利要求1所述的切換模式的供電設備， 其中，所述控制單元(12 ;12b)適於通過在屬於最接近所述期望負載電壓和/或負載電流的預測的平均負載電壓和/或負載電流的各定時設置之間進行內插，來確定用於控制對所述切換功率放大器進行切換的定時設置。
4.根據權利要求1所述的切換模式的供電設備， 其中，所述控制單元(12 ; 12b )包括採樣控制電路(20 )，所述採樣控制電路用於根據關於所述切換功率放大器的當前狀態的狀態信息和設置點來確定所述期望負載電壓和/或負載電流。
5.根據權利要求1所述的切換模式的供電設備， 其中，所述控制單元(12 ;12b)適於預測對於預定數量的定時設置的，特別是對於從2到25範圍內的數量的時間設置的，平均供給電壓和/或供給電流。
6.根據權利要求1所述的切換模式的供電設備， 還包括感測器件(13)，所述感測器件用於感測關於所述切換功率放大器的當前狀態的所述狀態信息，特別是用於感測所述切換功率放大器的內部電流和/或電壓，和/或感測所述功率放大器和/或所述供電設備的一個或多個元件的溫度。
7.根據權利要求1所述的切換模式的供電設備， 其中，所述控制單元(12 ; 12b)適於預測針對下一個切換周期的平均負載電壓和/或負載電流。
8.根據權利要求1所述的切換模式的供電設備， 其中，所述控制單元(12 ;12b)適於預測對於隨後的時間間隔的平均負載電壓和/或負載電流，特別地，所述隨後的時間間隔等於控制循環或在I到200微秒範圍內，特別是5到50微秒的範圍內。
9.一種切換模式的供電方法，包括下述步驟 通過切換功率放大器放大由外部信號源供給的信號並且向負載供給電壓和/或電流，以及 通過模擬所述切換功率放大器的行為，基於定時設置控制所述切換功率放大器的切換，所述模擬是基於關於所述切換功率放大器的當前狀態的狀態信息，通過預測對於針對期望負載電壓和/或負載電流的至少兩個定時設置，特別是多個定時設置的平均負載電壓和/或負載電流進行的。
10.一種包括負載的裝置，所述負載要被提供負載電壓和/或負載電流，所述裝置包括 負載(15)，其要被提供負載電壓和/或負載電流，以及 如權利要求1所述的切換模式的供電設備(10)，其用於向所述負載供給負載電壓和/或負載電流。
全文摘要
本發明涉及一種切換模式的供電設備和一種相應的方法。為了有效補償由在對所述設備的切換功率放大器中的死區時間和電壓下降造成的非線性，提出了一種設備，其包括切換功率放大器(14)，所述切換功率放大器用於放大由外部信號源(11)供給的信號並用於向負載(15)供給負載電壓和/或負載電流；並且包括控制單元(12；12b)，所述控制單元用於基於定時設置控制所述切換功率放大器的切換，所述控制單元適於基於關於所述切換功率放大器的當前狀態的狀態信息，通過預測對於針對期望負載電壓和/或負載電流的至少兩個定時設置，特別是多個定時設置的平均負載電壓和/或負載電流，來模擬所述切換功率放大器的行為。
文檔編號H03F3/217GK103069714SQ201180039028
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月5日 優先權日2010年8月13日
發明者H·胡伊斯曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司