JP6692801B2 - Multilevel inverter and method for providing multilevel output voltage by utilizing multilevel inverter - Google Patents
Multilevel inverter and method for providing multilevel output voltage by utilizing multilevel inverter Download PDFInfo
- Publication number
- JP6692801B2 JP6692801B2 JP2017516452A JP2017516452A JP6692801B2 JP 6692801 B2 JP6692801 B2 JP 6692801B2 JP 2017516452 A JP2017516452 A JP 2017516452A JP 2017516452 A JP2017516452 A JP 2017516452A JP 6692801 B2 JP6692801 B2 JP 6692801B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- level
- bridge
- inverter
- leg
- coupled
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
- H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/493—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode the static converters being arranged for operation in parallel
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from AC input or output
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/385—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils
- G01R33/3852—Gradient amplifiers; means for controlling the application of a gradient magnetic field to the sample, e.g. a gradient signal synthesizer
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0043—Converters switched with a phase shift, i.e. interleaved
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Description
本発明はインバータに関し、特に、マルチレベルインバータと、マルチレベルインバータによりマルチレベル出力電圧を供給するための方法とに関する。 The present invention relates to inverters, and more particularly to multilevel inverters and methods for providing multilevel output voltages with multilevel inverters.
磁気共鳴画像法(MRI:magnetic resonance imaging)では、傾斜磁場コイルが使用される。傾斜磁場コイルの電流は、撮像要件のために、数百アンペアに対して数十ppmの精度を達成しなければならない。例えば、図1の電流プロファイル100に示されるように、傾斜磁場コイルの電流Icoilは、短時間(ms範囲)のうちに−180Aから+180Aまで変化する必要がある。 A gradient magnetic field coil is used in magnetic resonance imaging (MRI). Gradient coil currents must achieve tens of ppm accuracy for hundreds of amps due to imaging requirements. For example, as shown in the current profile 100 in FIG. 1, the gradient coil current Icoil needs to change from −180 A to +180 A within a short time (ms range).
傾斜磁場コイルの電流を正確に制御するために、傾斜磁場コイルに正確な電圧を供給するための傾斜増幅器が必要とされ、傾斜増幅器は、傾斜磁場コイルの電流Icoilが1つのレベルから別のレベルに変化する電流過渡状態中には高電圧を供給し、傾斜磁場コイルの電流Icoilがあるレベルのままである電流定常状態中には低電圧を供給する必要がある。例えば、図1に示すように、傾斜磁場コイルの電流Icoilが−180Aから180Aに又は180Aから−180Aに変化する状態は電流過渡状態であり、傾斜磁場コイルの電流Icoilが−180A又は180Aの何れかに留まっている状態は電流定常状態である。 In order to precisely control the current of the gradient coil, a gradient amplifier is required to supply an accurate voltage to the gradient coil, and the gradient amplifier requires that the current Icoil of the gradient coil be changed from one level to another level. It is necessary to supply a high voltage during a current transient that changes to a low voltage and a low voltage during a current steady state in which the gradient coil current Icoil remains at a certain level. For example, as shown in FIG. 1, a state in which the current Icoil of the gradient coil changes from -180A to 180A or 180A to -180A is a current transient state, and the gradient coil current Icoil is either -180A or 180A. The state that remains in the crab is the steady state of current.
しかしながら、従来の傾斜増幅器は、一般的に高周波高調波を発生させる。従って、図2Aに示すように、傾斜増幅器210によって生成される高周波高調波を取り除くために、傾斜増幅器210と傾斜磁場コイル230との間に電磁妨害(EMI:electromagnetic interference)フィルタ220が必要である。図2Bに示すように、従来のEMIフィルタ220は、通常、2つのインダクタL1、L2と、2つのダンピング抵抗R1と、3つのコンデンサC1、C2、C3とを含む。 However, conventional gradient amplifiers typically generate high frequency harmonics. Therefore, as shown in FIG. 2A, an electromagnetic interference (EMI) filter 220 is required between the gradient amplifier 210 and the gradient coil 230 to remove the high frequency harmonics generated by the gradient amplifier 210. .. As shown in FIG. 2B, a conventional EMI filter 220 typically includes two inductors L1 and L2, two damping resistors R1 and three capacitors C1, C2 and C3.
これまで、傾斜増幅器について異なるトポロジーが提案されており、その中では、カスケード接続されたHブリッジ(CHB:cascaded H bridge)トポロジーの傾斜増幅器が業界で広く使用されている。CHBトポロジーを有する既存の傾斜増幅器210は、1つの従来型の2レベルインバータ、又はより多くのカスケード接続された従来型の2レベルインバータからなる。図3は、従来型の2レベルインバータ300の概略図を示す。図3に示すように、従来型の2レベルインバータ300は、直列に結合されたスイッチQAH及びQALにより形成される第1のハーフブリッジ脚310と、直列に結合されたスイッチQBH及びQBLにより形成される第2のハーフブリッジ脚320とを含み、第1のハーフブリッジ脚310及び第2のハーフブリッジ脚320は、電圧Vbusを有する直流電源330に並列に接続されている。従来型の2レベルインバータ300は、スイッチQAH及びQAL間に位置するノードAにおいて第1のハーフブリッジ脚310により出力される電圧VAと、スイッチQBH及びQBL間に位置するノードBにおいて第2のハーフブリッジ脚320により出力される電圧VBとの差である出力電圧VABを供給する。 Heretofore, different topologies have been proposed for gradient amplifiers, among which gradient amplifiers of cascaded H-bridge (CHB) topology are widely used in the industry. The existing gradient amplifier 210 with CHB topology consists of one conventional two-level inverter or more cascaded conventional two-level inverters. FIG. 3 shows a schematic diagram of a conventional two-level inverter 300. As shown in FIG. 3, a conventional two-level inverter 300 includes a first half-bridge leg 310 formed by switches QAH and QAL coupled in series and a switch QBH and QBL coupled in series. And a second half-bridge leg 320, and the first half-bridge leg 310 and the second half-bridge leg 320 are connected in parallel to a DC power supply 330 having a voltage Vbus. The conventional two-level inverter 300 comprises a voltage VA output by the first half bridge leg 310 at node A located between switches QAH and QAL and a second half voltage at node B located between switches QBH and QBL. It provides an output voltage VAB which is the difference from the voltage VB output by the bridge leg 320.
しかしながら、2レベルインバータからなる従来型の傾斜増幅器210では、通常、多くの高周波高調波が生成される。従って、傾斜増幅器210により生成される多くの高周波高調波を減衰させるために、EMIフィルタ220内に含まれるインダクタL1、L2に対する大きいインダクタンス値と、EMIフィルタ220内に含まれるダンピング抵抗R1に対する大きい抵抗値と、EMIフィルタ220内に含まれるコンデンサC1、C2、C3に対する大きい静電容量値とが必要となる。しかしながら、ダンピング抵抗R1の抵抗値が大きいとフィルタ効率が悪くなり、更に、インダクタL1、L2のインダクタンス値が大きく且つコンデンサC1、C2、C3の静電容量値が大きいと、システム制御帯域幅全体に影響を及ぼす。 However, a conventional gradient amplifier 210 consisting of a two-level inverter typically produces many high frequency harmonics. Therefore, in order to attenuate many high frequency harmonics generated by the gradient amplifier 210, a large inductance value for the inductors L1 and L2 included in the EMI filter 220 and a large resistance value for the damping resistor R1 included in the EMI filter 220 are provided. A value and a large capacitance value for capacitors C1, C2, C3 included in EMI filter 220 are required. However, when the resistance value of the damping resistor R1 is large, the filter efficiency is deteriorated, and when the inductance values of the inductors L1 and L2 are large and the capacitance values of the capacitors C1, C2, and C3 are large, the entire system control bandwidth is increased. affect.
更に、図2Aに戻ると、傾斜磁場コイル230は、安全のため及びEMI遮蔽要件のために、接地240に接続されることが必要であり、従って、傾斜磁場コイル230と接地240との間には大きい重複領域があり、これは大きい浮遊容量Cstrayをもたらす。傾斜増幅器210は動作中に出力電圧に大きい変化を有するため、大きいコモンモード電流Istrayが浮遊容量Cstrayを通って流れる。コモンモード電流Istrayは、傾斜磁場コイル230とEMIフィルタ220との間に配置された高精度電流センサ250により感知され、MRIシステムの動作中の不安定さにつながる高周波外乱として作用する。 Further, returning to FIG. 2A, the gradient coil 230 needs to be connected to ground 240 for safety and EMI shielding requirements, and thus between the gradient coil 230 and ground 240. Has a large overlap area, which results in a large stray capacitance Cstray. Since the gradient amplifier 210 has a large change in output voltage during operation, a large common mode current Istray flows through the stray capacitance Cstray. The common mode current Istray is sensed by the high precision current sensor 250 disposed between the gradient coil 230 and the EMI filter 220 and acts as a high frequency disturbance that leads to instability during operation of the MRI system.
更に、傾斜磁場コイル230の電流は大きい振幅で変動し、なぜなら、傾斜増幅器210が出力電圧に大きい変化を有し、これが傾斜磁場コイル230の高い電流リップルにつながるからである。 In addition, the current in the gradient coil 230 fluctuates with a large amplitude, because the gradient amplifier 210 has a large change in the output voltage, which leads to a high current ripple in the gradient coil 230.
従って、2レベルインバータからなる従来型の傾斜増幅器における上述の欠点を考慮して、改善された性能を有する新規の傾斜増幅器が必要とされている。 Therefore, in view of the above-mentioned drawbacks of conventional gradient amplifiers consisting of two-level inverters, there is a need for new gradient amplifiers with improved performance.
このために、本発明の発明者らは多数の実験を行い、従来型の傾斜増幅器210における欠陥が増幅器中で利用される2レベルインバータに起因し、2レベルインバータが出力電圧に大きい変化を有し、次には従来型の傾斜増幅器210によって多くの高周波高調波が生成されることにつながることを見出した。 To this end, the inventors of the present invention have conducted numerous experiments and found that the defect in the conventional gradient amplifier 210 is due to the two-level inverter utilized in the amplifier, which causes a large change in the output voltage. However, it was then found that the conventional gradient amplifier 210 leads to the generation of many high frequency harmonics.
従って、本発明は、前述した問題に対処するために、マルチレベルインバータと、マルチレベルインバータによりマルチレベル出力電圧を供給するための方法とを提供する。 Accordingly, the present invention provides a multi-level inverter and a method for providing a multi-level output voltage with a multi-level inverter to address the aforementioned problems.
本発明の第1の態様に従うと、この態様は、少なくとも1つのカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュールを含むマルチレベルインバータを提案し、各Hブリッジマルチレベルモジュールは、第1のHブリッジマルチレベル脚の出力端子において複数の出力レベルを有する第1のHブリッジマルチレベル脚と、第2のHブリッジマルチレベル脚の出力端子において複数の出力レベルを有する第2のHブリッジマルチレベル脚とを備え、第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚は並列に接続され、及びHブリッジマルチレベルモジュールのマルチレベル出力は、第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚の出力端子間に出力され、第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚の各々は、結合インダクタを介して並列に結合された第1のインバータ脚及び第2のインバータ脚を備え、第1のインバータ脚は、複数の電圧レベルを有する第1の入力電圧を供給するために結合インダクタの一次巻線に結合され、第2のインバータ脚は、複数の電圧レベルを有する第2の入力電圧を供給するために結合インダクタの二次巻線に結合され、結合インダクタの一次及び二次巻線は直列に結合され、及び直列に結合された一次及び二次巻線の接合ノードは、Hブリッジマルチレベル脚の出力端子を形成し、第1の入力電圧は、第2の入力電圧に対して所定の位相シフトを有する。 According to a first aspect of the present invention, this aspect proposes a multi-level inverter comprising at least one cascaded H-bridge multi-level module, each H-bridge multi-level module comprising a first H-bridge multi-level module. A first H-bridge multi-level leg having a plurality of output levels at the output terminals of the legs, and a second H-bridge multi-level leg having a plurality of output levels at the output terminals of the second H-bridge multi-level legs , The first and second H-bridge multi-level legs are connected in parallel, and the multi-level output of the H-bridge multi-level module is output between the output terminals of the first and second H-bridge multi-level legs, Each of the first and second H-bridge multi-level legs is connected in parallel via a coupling inductor. An inverter leg and a second inverter leg, the first inverter leg being coupled to the primary winding of the coupled inductor to provide a first input voltage having a plurality of voltage levels; Coupled to a secondary winding of the coupled inductor to provide a second input voltage having a plurality of voltage levels, the primary and secondary windings of the coupled inductor coupled in series, and coupled in series The junction nodes of the primary and secondary windings form the output terminals of the H-bridge multilevel leg, the first input voltage having a predetermined phase shift with respect to the second input voltage.
このようにして、各Hブリッジマルチレベルモジュールの第1のHブリッジマルチレベル脚及び第2のHブリッジマルチレベル脚の各々がマルチレベル出力電圧を出力するため、マルチレベルインバータは、出力電圧のより小さい変化を有することができ、従って、出力電圧の大きい変化により引き起こされる問題を解消する。 In this way, each of the first H-bridge multi-level legs and the second H-bridge multi-level legs of each H-bridge multi-level module outputs a multi-level output voltage, so that the multi-level inverter can It can have small changes, thus eliminating the problems caused by large changes in output voltage.
本発明の一実施形態では、第1及び第2のインバータ脚の各々は、ハイサイド(上側)スイッチ及びローサイド(下側)スイッチが直列に結合されたハーフブリッジ脚を備え、第1のHブリッジマルチレベル脚の第1及び第2のインバータ脚のハイサイドスイッチの駆動信号は、互いに対して所定の位相シフトを有し、及び第2のHブリッジマルチレベル脚の第1及び第2のインバータ脚のローサイドスイッチの駆動信号は、互いに対して所定の位相シフトを有する。このようにして、第1のインバータ脚により供給される第1の入力電圧は、第2のインバータ脚により供給される第2の入力電圧に対して所定の位相シフトを有することが可能になる。本発明の一実施形態では、M個のHブリッジマルチレベルモジュールはカスケード接続され、及び各Hブリッジマルチレベルモジュールの出力は、隣接するHブリッジマルチレベルモジュールに対して360°/M位相シフトを有し、ここで、Mは2以上の整数である。 In one embodiment of the present invention, each of the first and second inverter legs comprises a half bridge leg in which a high side (upper) switch and a low side (lower) switch are coupled in series, the first H bridge. The drive signals of the high-side switches of the first and second inverter legs of the multilevel leg have a predetermined phase shift with respect to each other, and the first and second inverter legs of the second H-bridge multilevel leg. The drive signals of the low-side switches have a predetermined phase shift with respect to each other. In this way, the first input voltage provided by the first inverter leg can have a predetermined phase shift with respect to the second input voltage provided by the second inverter leg. In one embodiment of the present invention, M H-bridge multi-level modules are cascaded, and the output of each H-bridge multi-level module has a 360 ° / M phase shift with respect to an adjacent H-bridge multi-level module. However, here, M is an integer of 2 or more.
このようにして、マルチレベルインバータは、均等なスイッチング周波数を増加させることができ、従って、電流リップルの低減をもたらす。 In this way, the multi-level inverter can increase the even switching frequency, thus resulting in reduced current ripple.
本発明の第2の態様に従うと、この態様は、マルチレベルインバータによりマルチレベル出力電圧を供給するための方法を提案し、マルチレベルインバータは、少なくとも1つのカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュールを備え、各Hブリッジマルチレベルモジュールは、並列に接続された第1のHブリッジマルチレベル脚と第2のHブリッジマルチレベル脚とを備え、及びHブリッジマルチレベルモジュールの出力電圧は、第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚の出力端子間に出力され、第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚の各々は、結合インダクタを介して並列に結合された第1のインバータ脚と第2のインバータ脚とを備え、第1のインバータ脚は、結合インダクタの一次巻線に結合され、第2のインバータ脚は、結合インダクタの二次巻線に結合され、結合インダクタの一次及び二次巻線は直列に結合され、及び直列に結合された一次及び二次巻線の接合ノードは、Hブリッジマルチレベル脚の出力端子を形成し、この方法は、各Hブリッジマルチレベルモジュールの第1のHブリッジマルチレベル脚の第1のインバータ脚により、複数のレベルを有する第1の電圧を生成するステップと、各Hブリッジマルチレベルモジュールの第1のHブリッジマルチレベル脚の第2のインバータ脚により、第1の電圧に対して所定の位相シフトを有する複数のレベルを有する第2の電圧を生成するステップと、各Hブリッジマルチレベルモジュールの第1のHブリッジマルチレベル脚により、生成された第1及び第2の電圧に基づいて複数のレベルを有する第3の電圧を生成するステップと、各Hブリッジマルチレベルモジュールの第2のHブリッジマルチレベル脚の第1のインバータ脚により、複数のレベルを有する第4の電圧を生成するステップと、各Hブリッジマルチレベルモジュールの第2のHブリッジマルチレベル脚の第2のインバータ脚により、第4の電圧に対して所定の位相シフトを有する複数レベルを有する第5の電圧を生成するステップと、各Hブリッジマルチレベルモジュールの第2のHブリッジマルチレベル脚により、生成された第4及び第5の電圧に基づいて複数のレベルを有する第6の電圧を生成するステップと、各Hブリッジマルチレベルモジュールにより、生成された第3及び第6の電圧に基づいてマルチレベル出力電圧を生成するステップと、各Hブリッジマルチレベルモジュールにより出力されるマルチレベル出力電圧に基づいて、マルチレベルインバータのマルチレベル出力電圧を供給するステップとを含む。 According to a second aspect of the present invention, this aspect proposes a method for providing a multi-level output voltage by means of a multi-level inverter, which multi-level inverter comprises at least one cascaded H-bridge multi-level module. Each H-bridge multi-level module comprises a first H-bridge multi-level leg and a second H-bridge multi-level leg connected in parallel, and the output voltage of the H-bridge multi-level module is: Output between the output terminals of the second H-bridge multi-level legs, each of the first and second H-bridge multi-level legs being coupled in parallel via a coupling inductor to a first inverter leg and a second inverter leg. An inverter leg, the first inverter leg coupled to the primary winding of the coupled inductor, and the second inverter leg Are coupled to the secondary winding of the coupled inductor, the primary and secondary windings of the coupled inductor are coupled in series, and the junction nodes of the primary and secondary windings coupled in series are H-bridge multilevel legs. And forming a first voltage having a plurality of levels by the first inverter leg of the first H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module, the method comprising: Generating a second voltage having a plurality of levels having a predetermined phase shift with respect to the first voltage by the second inverter leg of the first H-bridge multi-level leg of the H-bridge multi-level module; Having multiple levels based on the first and second voltages generated by the first H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module Generating a voltage of 3; generating a fourth voltage having a plurality of levels by the first inverter leg of the second H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module; Second H-bridge of the multi-level module: generating a fifth voltage having multiple levels with a predetermined phase shift with respect to a fourth voltage by the second inverter leg of the multi-level leg; Generating a sixth voltage having multiple levels based on the generated fourth and fifth voltages by the second H-bridge multi-level leg of the multi-level module, and each H-bridge multi-level module, Generating a multi-level output voltage based on the generated third and sixth voltages; Providing the multi-level output voltage of the multi-level inverter based on the multi-level output voltage output by the level module.
上述したように、本発明に従ったマルチレベルインバータによりマルチレベル出力電圧を供給するための方法は、マルチレベルインバータにより供給される出力電圧の変化を小さくすることができ、従って、出力電圧の大きい変化により引き起こされる問題を解消することができる。 As described above, the method for supplying the multi-level output voltage by the multi-level inverter according to the present invention can reduce the change of the output voltage supplied by the multi-level inverter, and thus the output voltage is large. Problems caused by changes can be eliminated.
本発明の第3の態様に従うと、この態様は、n個のHブリッジマルチレベル脚と、n個の巻線の接合ノードで互いに結合されたn個の巻線を有する結合インダクタとを備えるマルチレベルインバータを提案し、n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、少なくとも1つのカスケード接続されたHブリッジインバータを有し、nは1より大きい整数であり、n個のHブリッジマルチレベル脚は、結合インダクタを介して並列に結合され、n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、複数の電圧レベルを有する入力電圧を供給するためにn個の巻線のうちの1つに結合され、及び接合ノードは、マルチレベル出力レベルを供給するためにマルチレベルインバータの出力端子を形成し、n個のHブリッジマルチレベル脚により供給される入力電圧は、互いに対して位相シフトを有する。 According to a third aspect of the invention, this aspect comprises a multi-leg with n H-bridge multi-level legs and a coupled inductor having n windings coupled together at a junction node of the n windings. A level inverter is proposed, where each of the n H-bridge multi-level legs has at least one cascaded H-bridge inverter, n is an integer greater than 1, and the n H-bridge multi-level legs are , Coupled in parallel through a coupling inductor, each of the n H-bridge multilevel legs being coupled to one of the n windings to provide an input voltage having a plurality of voltage levels, And the junction node forms the output terminal of the multi-level inverter to supply the multi-level output level, and the input voltage supplied by the n H-bridge multi-level legs. Has a phase shift relative to each other.
このようにして、マルチレベルインバータは、出力電圧の変化をより小さくすることができ、同時に、マルチレベルインバータにより1つのみの結合インダクタが使用されるため、コストを下げ、より小型にすることができる。 In this way, the multi-level inverter can have smaller changes in the output voltage, while at the same time reducing cost and making it smaller because the multi-level inverter uses only one coupled inductor. it can.
本発明の一実施形態では、少なくとも1つのカスケード接続されたHブリッジインバータは、少なくとも1つの給電Hブリッジインバータと、少なくとも1つの浮動Hブリッジインバータとを備える。このようにして、マルチレベルインバータはより少ない電源を必要とすることができる。 In one embodiment of the invention, the at least one cascaded H-bridge inverter comprises at least one powered H-bridge inverter and at least one floating H-bridge inverter. In this way, multi-level inverters may require less power.
本発明の第4の態様に従うと、この態様は、マルチレベルインバータによりマルチレベル出力電圧を供給するための方法を提案し、マルチレベルインバータは、n個のHブリッジマルチレベル脚及び結合インダクタを備え、nは1より大きい整数であり、n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、少なくとも1つのカスケード接続されたHブリッジインバータを有し、結合インダクタは、n個の巻線の接合ノードで互いに結合されたn個の巻線を有し、n個のHブリッジマルチレベル脚は、結合インダクタを介して並列に結合され、n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、n個の巻線のうちの1つに結合され、接合ノードは、マルチレベルインバータの出力端子を形成し、この方法は、n個のHブリッジマルチレベル脚により、それぞれが複数の電圧レベルを有するn個の電圧を生成するステップであって、このn個の電圧は互いに対して位相シフトを有する、ステップと、生成されたn個の電圧に基づいてマルチレベルインバータにより出力されるマルチレベル出力電圧を供給するステップとを含む。 According to a fourth aspect of the present invention, this aspect proposes a method for providing a multi-level output voltage by a multi-level inverter, the multi-level inverter comprising n H-bridge multi-level legs and a coupled inductor. , N is an integer greater than 1 and each of the n H-bridge multi-level legs has at least one cascaded H-bridge inverter and the coupled inductors are connected to each other at a junction node of n windings. With n windings coupled, the n H-bridge multi-level legs are coupled in parallel via a coupling inductor, each of the n H-bridge multi-level legs being of n windings. The junction node, coupled to one of the two, forms the output terminal of a multi-level inverter, the method comprising n H-bridge multi-level legs each. Is a step of generating n voltages having a plurality of voltage levels, the n voltages having a phase shift with respect to each other, and a multilevel inverter based on the generated n voltages. Providing a multilevel output voltage to be output.
このようにして、マルチレベルインバータは、出力電圧のより小さい変化を有することができ、同時に、マルチレベルインバータにより1つのみの結合インダクタが必要とされるため、コストを下げ、より小型にすることができる。 In this way, the multi-level inverter can have smaller changes in the output voltage, while at the same time reducing the cost and making it smaller as only one coupled inductor is required by the multi-level inverter. You can
本発明の第5の態様に従うと、この態様は、n個のHブリッジマルチレベル脚と、n個のHブリッジマルチレベル脚の両側に対称的に結合された結合インダクタの分割セットとを備えるマルチレベルインバータを提案し、n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、少なくとも1つのカスケード接続されたHブリッジインバータを有し、nは1より大きい整数であり、及び結合インダクタセットの各々は、n個の巻線の接合ノードで互いに結合されたn個の巻線を有し、n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、複数の電圧レベルを有する入力電圧を供給するために、結合インダクタセットのうちの1つの結合インダクタのn個の巻線のうちの1つと、結合インダクタセットのうちの別の結合インダクタのn個の巻線のうちの1つとの間に結合され、及び結合インダクタセット内の接合ノードは、マルチレベル出力レベルを供給するためにマルチレベルインバータの出力端子を形成し、n個のHブリッジマルチレベル脚により供給される入力電圧は、互いに対して位相シフトを有する。 According to a fifth aspect of the present invention, this aspect includes a multiplicity of n H-bridge multi-level legs and a split set of coupled inductors symmetrically coupled on opposite sides of the n H-bridge multi-level legs. A level inverter is proposed, each of the n H-bridge multi-level legs having at least one cascaded H-bridge inverter, n being an integer greater than 1, and each of the coupled inductor sets being n Having n windings coupled to each other at a junction node of the windings, each of the n H-bridge multi-level legs having a coupled inductor set for supplying an input voltage having a plurality of voltage levels. Between one of the n windings of one of the coupled inductors and one of the n windings of another coupled inductor of the coupled inductor set The junction nodes in the combined and coupled inductor sets form the output terminals of a multilevel inverter to provide multilevel output levels, and the input voltages provided by the n H-bridge multilevel legs are relative to each other. Have a phase shift.
このようにして、マルチレベルインバータは、出力電圧のより小さい変化を有することができ、同時に、結合インダクタの分割セットを使用しているため、ガルバニック分離要件及び電磁両立性(EMC:electro magnetic compatibility)を満たすことができる。 In this way, the multi-level inverter can have a smaller change in output voltage, while at the same time using a split set of coupled inductors, which results in galvanic isolation requirements and electromagnetic compatibility (EMC). Can meet.
本発明の一実施形態では、少なくとも1つのカスケード接続されたHブリッジインバータは、少なくとも1つの給電Hブリッジインバータと、少なくとも1つの浮動Hブリッジインバータとを備える。このようにして、マルチレベルインバータはより少ない電源を必要とすることができる。 In one embodiment of the invention, the at least one cascaded H-bridge inverter comprises at least one powered H-bridge inverter and at least one floating H-bridge inverter. In this way, multi-level inverters may require less power.
本発明の第6の態様に従うと、この態様は、マルチレベルインバータによりマルチレベル出力電圧を供給するための方法を提案し、マルチレベルインバータは、n個のHブリッジマルチレベル脚及び結合インダクタの分割セットを備え、nは1より大きい整数であり、n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、少なくとも1つのカスケード接続されたHブリッジインバータを有し、結合インダクタの分割セットは、n個のHブリッジマルチレベル脚の両側に対称的に結合され、結合インダクタセットの各々は、n個の巻線の接合ノードで互いに結合されたn個の巻線を有し、n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、結合インダクタセットのうちの1つの結合インダクタのn個の巻線のうちの1つと、結合インダクタセットのうちの別の結合インダクタのn個の巻線のうちの1つとの間に結合され、結合インダクタセット内の接合ノードは、マルチレベルインバータの出力端子を形成し、この方法は、n個のHブリッジマルチレベル脚により、それぞれが複数の電圧レベルを有するn個の電圧を生成するステップであって、このn個の電圧は互いに対して位相シフトを有する、ステップと、生成されたn個の電圧に基づいてマルチレベルインバータにより出力されるマルチレベル出力電圧を供給するステップとを含む。 According to a sixth aspect of the invention, this aspect proposes a method for providing a multi-level output voltage by means of a multi-level inverter, wherein the multi-level inverter comprises a partition of n H-bridge multi-level legs and a coupled inductor. Set, n is an integer greater than 1, and each of the n H-bridge multi-level legs has at least one cascaded H-bridge inverter, and the split set of coupled inductors is n H-bridges. Symmetrically coupled on both sides of the bridge multi-level leg, each of the coupled inductor sets has n windings coupled together at a junction node of the n windings, and n H-bridge multi-level legs. Each of one of the n windings of one coupled inductor of the coupled inductor set and another of the coupled inductor set of Coupled to one of the n windings of the combined inductor, the junction node in the coupled inductor set forms the output terminal of the multi-level inverter, and the method comprises n H-bridge multi-level legs. To generate n voltages each having a plurality of voltage levels, the n voltages having a phase shift with respect to each other, and a multi-step based on the generated n voltages. Providing a multi-level output voltage output by the level inverter.
このようにして、マルチレベルインバータは、出力電圧の変化をより小さくすることができ、同時に、結合インダクタの分割セットを使用しているため、ガルバニック分離要件及び電磁両立性(EMC)を満たすことができる。 In this way, the multi-level inverter can have smaller changes in the output voltage, while at the same time using galvanic isolation requirements and electromagnetic compatibility (EMC) because it uses a split set of coupled inductors. it can.
以下では、本発明の様々な実施形態が、添付の図面を参照して、単なる例として、説明される。
本発明は、特定の実施形態に関して特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれらに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載される図面は概略的に過ぎず、限定するものではない。図面では、説明のために、幾つかの要素のサイズが誇張されていることがあり、正確な縮尺で描かれていないことがある。 The present invention will be described with respect to particular embodiments and with reference to certain drawings but the invention is not limited thereto but only by the claims. The drawings described are only schematic and are non-limiting. In the drawings, the size of some of the elements may be exaggerated and not drawn on scale for illustrative purposes.
上述したように、本発明の発明者らは多数の実験を行い、従来型の傾斜増幅器210における欠陥が増幅器中で利用される2レベルインバータに起因し、2レベルインバータが出力電圧に大きい変化を有し、次には従来型の傾斜増幅器210によって多くの高周波高調波が生成されることにつながることを見出した。 As mentioned above, the inventors of the present invention have conducted numerous experiments and found that the defect in the conventional gradient amplifier 210 is due to the two-level inverter utilized in the amplifier, which causes a large change in the output voltage. In turn, it was found that the conventional gradient amplifier 210 leads to the generation of many high frequency harmonics.
具体的には、図4Aは、電流定常状態での、従来型の2レベルインバータ300の2つのハーフブリッジ脚により出力される電圧VA及びVB、並びに従来型の2レベルインバータ300により出力される電圧VABの概略図を示し、ここで、Vbusは例として450vであるように選択されている。図4Aに示すように、電流定常状態で従来型の2レベルインバータ300の第1及び第2のハーフブリッジ脚310、320により出力される電圧VA及びVB(それぞれ401及び402で表わされる)の各々が2つの出力レベル0v及びVbusを有し、電流定常状態で従来型の2レベルインバータ300により出力される電圧VAB(これは403で表わされる)は、同様に2つの出力レベル0v及びVbusを有し、各周期内に2つの電圧パルスを含む。 Specifically, FIG. 4A shows the voltages VA and VB output by the two half-bridge legs of the conventional two-level inverter 300 and the voltage output by the conventional two-level inverter 300 in the steady current state. Figure 5 shows a schematic of VAB, where Vbus is chosen to be 450v as an example. As shown in FIG. 4A, each of the voltages VA and VB (represented by 401 and 402, respectively) output by the first and second half-bridge legs 310, 320 of the conventional two-level inverter 300 in steady state current. Has two output levels 0v and Vbus, and the voltage VAB output by conventional two-level inverter 300 in current steady state, which is represented by 403, also has two output levels 0v and Vbus. However, it includes two voltage pulses in each period.
更に、図4Bは、電流過渡状態での従来型の2レベルインバータ300により出力される電圧VABの概略図を示しており、ここで、Vbusは例として450vであるように選択されている。図4Bに示すように、電流過渡状態での従来型の2レベルインバータ300により出力される電圧VAB(これは404で表わされる)は、2つの出力レベル0v及びVbusを有し、各周期内に2つの電圧パルスを含む。 Further, FIG. 4B shows a schematic diagram of the voltage VAB output by a conventional two-level inverter 300 during a current transient, where Vbus is chosen to be 450v by way of example. As shown in FIG. 4B, the voltage VAB (which is represented by 404) output by a conventional two-level inverter 300 during a current transient has two output levels 0v and Vbus, and within each period. It includes two voltage pulses.
図4A及び図4Bから分かるように、従来型の2レベルインバータ300により出力される電圧VABは、各遷移において0vからVbusに又はその逆に切り替わり、即ち、従来型の2レベルインバータ300により出力される電圧VABは毎回Vbusの量を変化させ、従って、従来型の2レベルインバータ300は、出力電圧において大きい変化量(この例では450v−0v=450v)を有する。従って、従来型の2レベルインバータ300により形成される傾斜増幅器210も出力電圧の変化が大きくなり、多くの高周波高調波が傾斜増幅器210により生成されることにつながる。 As can be seen from FIGS. 4A and 4B, the voltage VAB output by the conventional two-level inverter 300 switches from 0v to Vbus or vice versa at each transition, ie, is output by the conventional two-level inverter 300. The voltage VAB changes the amount of Vbus each time, and thus the conventional two-level inverter 300 has a large amount of change in the output voltage (450v-0v = 450v in this example). Therefore, the gradient amplifier 210 formed by the conventional two-level inverter 300 also has a large change in the output voltage, and many high frequency harmonics are generated by the gradient amplifier 210.
従って、本発明者らの見識を踏まえて、本発明はマルチレベルインバータを提供し、このマルチレベルインバータは、2つ以上の出力レベルを有し、従って従来型の2レベルインバータにより形成される既存の傾斜増幅器と比べて出力電圧の変化がより小さくなり、従って、既存の傾斜増幅器での出力電圧の大きい変化により引き起こされる問題を解決することができる。 Therefore, in light of the inventor's insight, the present invention provides a multi-level inverter, which has more than one output level and is therefore formed by a conventional two-level inverter. The change in output voltage is smaller than that of the existing gradient amplifier, and thus the problem caused by the large change in output voltage in the existing gradient amplifier can be solved.
以下では、本発明の様々な実施形態が、図面と共に詳細に説明される。 In the following, various embodiments of the invention will be described in detail in conjunction with the drawings.
第1の実施形態
図5は、本発明の第1の実施形態に従ったHブリッジマルチレベルモジュール50の概略図を示す。図5に示すように、Hブリッジマルチレベルモジュール50はHブリッジマルチレベル脚A510及びHブリッジマルチレベル脚B540を含み、Hブリッジマルチレベル脚A510及びHブリッジマルチレベル脚B540は、電圧Vbusを有する直流電源580に並列に接続されている。第1の実施形態では、Vbusは例として450vであるように選択されている。しかしながら、Vbusは必要に応じて他の値を有し得ることが当業者には容易に想到される。
First Embodiment FIG. 5 shows a schematic diagram of an H-bridge multi-level module 50 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the H-bridge multi-level module 50 includes an H-bridge multi-level leg A510 and an H-bridge multi-level leg B540, and the H-bridge multi-level leg A510 and the H-bridge multi-level leg B540 are direct currents having a voltage Vbus. It is connected in parallel to the power supply 580. In the first embodiment, Vbus is selected to be 450v as an example. However, one of ordinary skill in the art will readily appreciate that Vbus may have other values as desired.
Hブリッジマルチレベル脚A510は、第1のインバータ脚512、第2のインバータ脚514、及び結合インダクタ516を含む。当業者により認められるように、複数の巻線を有するいかなるインダクタ又は変圧器も結合インダクタと呼ばれる。 The H-bridge multi-level leg A510 includes a first inverter leg 512, a second inverter leg 514, and a coupled inductor 516. As will be appreciated by those in the art, any inductor or transformer with multiple windings is called a coupled inductor.
第1のインバータ脚512及び第2のインバータ脚514は、直流電源580に並列に接続される。第1のインバータ脚512は、ハイサイドスイッチQAH1_A1及びローサイドスイッチQAL1_A1により形成されるハーフブリッジ脚であり、スイッチQAH1_A1及びQAL1_A1は直列に結合される。 The first inverter leg 512 and the second inverter leg 514 are connected in parallel to the DC power supply 580. The first inverter leg 512 is a half-bridge leg formed by the high side switch QAH1_A1 and the low side switch QAL1_A1, and the switches QAH1_A1 and QAL1_A1 are coupled in series.
第2のインバータ脚514は、ハイサイドスイッチQAH1_A2及びローサイドスイッチQAL1_A2により形成されるハーフブリッジ脚であり、スイッチQAH1_A2及びQAL1_A2は直列に結合される。 The second inverter leg 514 is a half bridge leg formed by the high side switch QAH1_A2 and the low side switch QAL1_A2, and the switches QAH1_A2 and QAL1_A2 are coupled in series.
図6に示すように、結合インダクタ516は、磁気コアの周りに巻かれた一次巻線pと二次巻線sとを含む。一次巻線p及び二次巻線sは、直列に結合され、接合ノードAを有する。接合ノードAを流れる電流icmは、結合インダクタ516の一次巻線pを流れる電流icm1と結合インダクタ516の二次巻線sを流れる電流icm2との合計である。結合インダクタ516の一次巻線p及び二次巻線sが直列に結合されているため、電流icm1及び電流icm2により生成される磁束は、電流icm1が電流icm2と同じである場合には互いに打ち消し合い、従って、結合インダクタ516は抵抗器として動作する。 As shown in FIG. 6, the coupled inductor 516 includes a primary winding p and a secondary winding s wound around a magnetic core. The primary winding p and the secondary winding s are coupled in series and have a junction node A. The current icm flowing through the junction node A is the sum of the current icm1 flowing through the primary winding p of the coupled inductor 516 and the current icm2 flowing through the secondary winding s of the coupled inductor 516. Since the primary winding p and the secondary winding s of the coupled inductor 516 are coupled in series, the magnetic flux generated by the current icm1 and the current icm2 cancel each other out when the current icm1 is the same as the current icm2. Therefore, the coupled inductor 516 acts as a resistor.
図5に戻ると、第1のインバータ脚512のハイサイドスイッチQAH1_A1とローサイドスイッチQAL1_A1との間のノードA1が結合インダクタ516の一次巻線pに接続されており、第2のインバータ脚514のハイサイドスイッチQAH1_A2とローサイドスイッチQAL1_A2との間に位置するノードA2が結合インダクタ516の二次巻線sに接続されている。結合インダクタ516の接合ノードAは、Hブリッジマルチレベル脚A510の出力端子を形成する。 Returning to FIG. 5, the node A1 between the high-side switch QAH1_A1 and the low-side switch QAL1_A1 of the first inverter leg 512 is connected to the primary winding p of the coupled inductor 516, and the high voltage of the second inverter leg 514 is high. A node A2 located between the side switch QAH1_A2 and the low side switch QAL1_A2 is connected to the secondary winding s of the coupled inductor 516. Junction node A of coupled inductor 516 forms the output terminal of H-bridge multilevel leg A510.
同様に、Hブリッジマルチレベル脚B540は、第1のインバータ脚542、第2のインバータ脚544、及び結合インダクタ546を含む。 Similarly, H-bridge multi-level leg B540 includes a first inverter leg 542, a second inverter leg 544, and a coupled inductor 546.
第1のインバータ脚542及び第2のインバータ脚544は、直流電源580に並列に接続される。第1のインバータ脚542は、ハイサイドスイッチQBH1_B1及びローサイドスイッチQBL1_B1により形成されるハーフブリッジ脚であり、スイッチQBH1_B1及びQBL1_B1は直列に結合される。 The first inverter leg 542 and the second inverter leg 544 are connected in parallel to the DC power supply 580. The first inverter leg 542 is a half-bridge leg formed by the high side switch QBH1_B1 and the low side switch QBL1_B1, and the switches QBH1_B1 and QBL1_B1 are coupled in series.
第2のインバータ脚544は、ハイサイドスイッチQBH1_B2及びローサイドスイッチQBL1_B2により形成されるハーフブリッジ脚であり、スイッチQBH1_B2及びQBL1_B2は直列に結合される。 The second inverter leg 544 is a half bridge leg formed by the high side switch QBH1_B2 and the low side switch QBL1_B2, and the switches QBH1_B2 and QBL1_B2 are coupled in series.
結合インダクタ546は、結合インダクタ516と同じであり、直列に結合された一次巻線及び二次巻線を含み、一次巻線及び二次巻線の接合ノードBを有し得る。第1のインバータ脚542のスイッチQBH1_B1及びQBL1_B1間に位置するノードB1は、結合インダクタ546の一次巻線に接続され、第2のインバータ脚544のスイッチQBH1_B2及びQBL1_B2間に位置するノードB2は、結合インダクタ546の二次巻線に接続される。接合ノードBは、Hブリッジマルチレベル脚B540の出力端子を形成し得る。 Coupling inductor 546 is the same as coupling inductor 516, includes primary and secondary windings coupled in series, and may have a junction node B of the primary and secondary windings. The node B1 located between the switches QBH1_B1 and QBL1_B1 of the first inverter leg 542 is connected to the primary winding of the coupling inductor 546 and the node B2 located between the switches QBH1_B2 and QBL1_B2 of the second inverter leg 544 is coupled. It is connected to the secondary winding of inductor 546. Junction node B may form the output terminal of H-bridge multi-level leg B540.
Hブリッジマルチレベル脚A510及びHブリッジマルチレベル脚B540の出力端子は、Hブリッジマルチレベルモジュール50の出力端子を形成する。スイッチQAH1_A1、QAL1_A1、QAH1_A2、QAL1_A2、QBH1_B1、QBL1_B1、QBH1_B2、QBL1_B2の各々は、パワートランジスタ(例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:insulated gate bipolar transistor)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)、サイリスタ等)及びダイオードにより形成され、スイッチQAH1_A1、QAL1_A1、QAH1_A2、QAL1_A2、QBH1_B1、QBL1_B1、QBH1_B2、QBL1_B2は、同じ電圧定格及び電流定格を有し得る。 The output terminals of H-bridge multi-level leg A 510 and H-bridge multi-level leg B 540 form the output terminals of H-bridge multi-level module 50. Each of the switches QAH1_A1, QAL1_A1, QAH1_A2, QAL1_A2, QBH1_B1, QBL1_B1, QBH1_B2, QBL1_B2 is a power transistor (for example, insulated gate bipolar transistor (IGBT), metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET: metal). The switches QAH1_A1, QAL1_A1, QAH1_A2, QAL1_A2, QBH1_B1, QBL1_B1, QBH1_B2, QBL1_B2 may have the same voltage rating and current rating.
図7は、本発明の第1の実施形態に従ったマルチレベルインバータ70の概略図を示す。図7に示すように、マルチレベルインバータ70は、上述した1つのHブリッジマルチレベルモジュール50を含み、Hブリッジマルチレベルモジュール50は、電圧Vbusを有する直流電源78に接続される。図7に示すように、マルチレベルインバータ70は、EMIフィルタ220を介して傾斜磁場コイル230に接続される。 FIG. 7 shows a schematic diagram of a multi-level inverter 70 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the multi-level inverter 70 includes the one H-bridge multi-level module 50 described above, and the H-bridge multi-level module 50 is connected to the DC power supply 78 having the voltage Vbus. As shown in FIG. 7, the multi-level inverter 70 is connected to the gradient magnetic field coil 230 via the EMI filter 220.
以下では、Hブリッジマルチレベルモジュール50の原理、即ち、マルチレベルインバータを利用することによりマルチレベル出力電圧を供給するための方法が、図8と共に説明され、図8は、本発明の第1の実施形態に従ったマルチレベルインバータ70によりマルチレベル出力電圧を供給するための方法800のフローチャートを示す。 In the following, the principle of the H-bridge multi-level module 50, that is, the method for supplying the multi-level output voltage by utilizing the multi-level inverter will be explained in conjunction with FIG. 8, which shows the first embodiment of the present invention. 6 shows a flowchart of a method 800 for providing a multi-level output voltage with a multi-level inverter 70 according to an embodiment.
図8に示すように、ステップS802において、マルチレベルインバータ70におけるHブリッジマルチレベルモジュール50の第1のインバータ脚512は、第1のインバータ脚512のハイサイドスイッチQAH1_A1及びローサイドスイッチQAL1_A1の駆動信号が、この2つのスイッチのこれらの駆動信号が相補的になるように変調されている状態下で、第1のインバータ脚512のノードA1において電圧VA1を発生させる。電圧VA1は、マルチレベルインバータ70のHブリッジマルチレベルモジュール50の結合インダクタ516の一次巻線に入力される。図9Aに示すように、901によって表わされる電圧VA1は2つの出力レベル0v及びVbusを有しており、上述したように、Vbusは一例として450vである。 As shown in FIG. 8, in step S802, the first inverter leg 512 of the H-bridge multi-level module 50 in the multi-level inverter 70 outputs the drive signals for the high-side switch QAH1_A1 and the low-side switch QAL1_A1 of the first inverter leg 512. , The voltage VA1 is generated at the node A1 of the first inverter leg 512 under the condition that these drive signals of these two switches are modulated to be complementary. The voltage VA1 is input to the primary winding of the coupled inductor 516 of the H-bridge multilevel module 50 of the multilevel inverter 70. As shown in FIG. 9A, the voltage VA1 represented by 901 has two output levels 0v and Vbus, and as described above, Vbus is 450v as an example.
ステップS804において、第2のインバータ脚514のハイサイドスイッチQAH1_A2及びローサイドスイッチQAL1_A2の駆動信号が、これら2つのスイッチの駆動信号が相補的であるように変調されており、ハイサイドスイッチQAH1_A2の駆動信号がハイサイドスイッチQAH1_A1の駆動信号のデューティサイクルと同じデューティサイクルを有し、ハイサイドスイッチQAH1_A2の駆動信号がハイサイドスイッチQAH1_A1の駆動信号に対してθ位相シフトを有する状態下で、第2のインバータ脚514は、第2のインバータ脚514のノードA2において電圧VA2を発生させる。電圧VA2は、マルチレベルインバータ70のHブリッジマルチレベルモジュール50の結合インダクタ516の二次巻線に入力される。図9Aに示すように、902で表わされる電圧VA2は2つの出力レベル0v及びVbusを有する。ハイサイドスイッチQAH1_A2の駆動信号がハイサイドスイッチQAH1_A1の駆動信号に対してθ位相シフトを有するため、電圧VA2は電圧VA1に対してθ位相シフトを有している。 In step S804, the drive signals of the high-side switch QAH1_A2 and the low-side switch QAL1_A2 of the second inverter leg 514 are modulated so that the drive signals of these two switches are complementary, and the drive signal of the high-side switch QAH1_A2 is modulated. Has a duty cycle that is the same as the duty cycle of the drive signal of the high side switch QAH1_A1 and the drive signal of the high side switch QAH1_A2 has a θ phase shift with respect to the drive signal of the high side switch QAH1_A1. The leg 514 generates the voltage VA2 at the node A2 of the second inverter leg 514. The voltage VA2 is input to the secondary winding of the coupled inductor 516 of the H-bridge multilevel module 50 of the multilevel inverter 70. As shown in FIG. 9A, the voltage VA2, represented by 902, has two output levels, 0v and Vbus. Since the drive signal of the high side switch QAH1_A2 has a θ phase shift with respect to the drive signal of the high side switch QAH1_A1, the voltage VA2 has a θ phase shift with respect to the voltage VA1.
ステップS806において、マルチレベルインバータ70におけるHブリッジマルチレベルモジュール50のHブリッジマルチレベル脚A510は、電圧VA1及びVA2に基づいて、ノードAにおいて電圧VAを発生させる。この実施形態では、結合インダクタ516の一次巻線と二次巻線との巻数比は1:1であり、従って、電圧VAは式1に従って算出される。
VA=(VA1+VA2)/2(式1)
電圧VA2が電圧VA1に対してθ位相シフトを有するため、図9Aに示すように、903で表わされる電圧VAは、3つのレベル0v、1/2Vbus、及びVbusを有する。
In step S806, the H-bridge multi-level leg A510 of the H-bridge multi-level module 50 in the multi-level inverter 70 generates the voltage VA at the node A based on the voltages VA1 and VA2. In this embodiment, the turns ratio between the primary and secondary windings of the coupled inductor 516 is 1: 1 and thus the voltage VA is calculated according to equation 1.
VA = (VA1 + VA2) / 2 (Formula 1)
Since voltage VA2 has a θ phase shift with respect to voltage VA1, voltage VA represented by 903 has three levels 0v, 1 / 2Vbus, and Vbus, as shown in FIG. 9A.
ステップS808において、マルチレベルインバータ70におけるHブリッジマルチレベルモジュール50の第1のインバータ脚542のハイサイドスイッチQBH1_B1及びローサイドスイッチQBL1_B1の駆動信号が、これら2つのスイッチの駆動信号が相補的であるように変調されており、ローサイドスイッチQBL1_B1の駆動信号がハイサイドスイッチQAH1_A1の駆動信号のデューティサイクルと同じデューティサイクルを有し、ローサイドスイッチQBL1_B1の駆動信号がハイサイドスイッチQAH1_A1の駆動信号に対して180°位相シフトを有する状態下で、第1のインバータ脚542は、第1のインバータ脚542のノードB1において電圧VB1を発生させる。電圧VB1は、マルチレベルインバータ70におけるHブリッジマルチレベルモジュール50の結合インダクタ546の一次巻線に入力される。図9Bに示すように、904で表わされる電圧VB1は2つのレベル0v及びVbusを有しており、上述したように、Vbusは一例として450vである。 In step S808, the drive signals of the high-side switch QBH1_B1 and the low-side switch QBL1_B1 of the first inverter leg 542 of the H-bridge multi-level module 50 in the multi-level inverter 70 are set so that the drive signals of these two switches are complementary. It is modulated, the drive signal of the low-side switch QBL1_B1 has the same duty cycle as the duty cycle of the drive signal of the high-side switch QAH1_A1, and the drive signal of the low-side switch QBL1_B1 is 180 ° out of phase with the drive signal of the high-side switch QAH1_A1. Under shift conditions, first inverter leg 542 develops voltage VB1 at node B1 of first inverter leg 542. The voltage VB1 is input to the primary winding of the coupled inductor 546 of the H-bridge multilevel module 50 in the multilevel inverter 70. As shown in FIG. 9B, the voltage VB1 represented by 904 has two levels 0v and Vbus, and as described above, Vbus is 450v as an example.
ステップS810において、マルチレベルインバータ70のHブリッジマルチレベルモジュール50の第2のインバータ脚544のハイサイドスイッチQBH1_B2及びローサイドスイッチQBL1_B2の駆動信号が、これら2つのスイッチの駆動信号が相補的であるように変調されており、ローサイドスイッチQBH1_B2の駆動信号がローサイドスイッチQBH1_B1の駆動信号のデューティサイクルと同じデューティサイクルを有し、ローサイドスイッチQBH1_B2の駆動信号がローサイドスイッチQBH1_B1の駆動信号に対してθ位相シフトを有する状態下で、第2のインバータ脚544は、第2のインバータ脚544のノードB2において電圧VB2を発生させる。電圧VB2は、マルチレベルインバータ70のHブリッジマルチレベルモジュール50の結合インダクタ546の二次巻線に入力される。図9Bに示すように、905で表わされる電圧VB2は2つの出力レベル0v及びVbusを有する。ハイサイドスイッチQBH1_B2の駆動信号がハイサイドスイッチQBH1_B1の駆動信号に対してθ位相シフトを有するため、電圧VB2は電圧VB1に対してθ位相シフトを有している。 In step S810, the drive signals of the high-side switch QBH1_B2 and the low-side switch QBL1_B2 of the second inverter leg 544 of the H-bridge multi-level module 50 of the multi-level inverter 70 are set so that the drive signals of these two switches are complementary. Being modulated, the drive signal of the low-side switch QBH1_B2 has the same duty cycle as the duty cycle of the drive signal of the low-side switch QBH1_B1, and the drive signal of the low-side switch QBH1_B2 has a θ phase shift with respect to the drive signal of the low-side switch QBH1_B1. Under state, second inverter leg 544 develops voltage VB2 at node B2 of second inverter leg 544. The voltage VB2 is input to the secondary winding of the coupled inductor 546 of the H-bridge multilevel module 50 of the multilevel inverter 70. As shown in FIG. 9B, the voltage VB2 represented by 905 has two output levels 0v and Vbus. Since the drive signal of the high side switch QBH1_B2 has a θ phase shift with respect to the drive signal of the high side switch QBH1_B1, the voltage VB2 has a θ phase shift with respect to the voltage VB1.
ステップS812において、マルチレベルインバータ70におけるHブリッジマルチレベルモジュール50のHブリッジマルチレベル脚B540は、電圧VB1及びVB2を使用することにより、ノードBにおいて電圧VBを発生させる。この実施形態では、結合インダクタ546の一次巻線と二次巻線との巻数比は1:1であり、従って、電圧VBは式2に従って算出される。
VB=(VB1+VB2)/2(式2)
電圧VB2が電圧VB1に対してθ位相シフトを有するため、図9Bに示すように、906で表わされる電圧VBは、3つの出力レベル0v、1/2Vbus、及びVbusを有する。
In step S812, the H-bridge multi-level leg B540 of the H-bridge multi-level module 50 in the multi-level inverter 70 generates the voltage VB at the node B by using the voltages VB1 and VB2. In this embodiment, the turns ratio between the primary and secondary windings of coupled inductor 546 is 1: 1 and thus voltage VB is calculated according to equation 2.
VB = (VB1 + VB2) / 2 (Formula 2)
Since voltage VB2 has a θ phase shift with respect to voltage VB1, voltage VB represented by 906 has three output levels 0v, 1 / 2Vbus, and Vbus, as shown in FIG. 9B.
ステップS814において、マルチレベルインバータ70のHブリッジマルチレベルモジュール50は、Hブリッジマルチレベルモジュール50のHブリッジマルチレベル脚A510及びHブリッジマルチレベル脚B540によって生成される電圧VA及びVBの差である出力電圧VABを発生させる。 In step S814, the H-bridge multi-level module 50 of the multi-level inverter 70 outputs the difference between the voltages VA and VB generated by the H-bridge multi-level leg A510 and the H-bridge multi-level leg B540 of the H-bridge multi-level module 50. A voltage VAB is generated.
この実施形態では、電流定常状態用に選択されるハイサイドスイッチQAH1_A1の駆動信号のデューティサイクルと、電流過渡状態用に選択されるハイサイドスイッチQAH1_A1の駆動信号のデューティサイクルとは異なる。結果として、図10Aに示すように、Hブリッジマルチレベルモジュール50により生成される電流定常状態での出力電圧VAB(これは1001で表わされる)は、2つの出力レベル0v及び1/2Vbusを有し、各周期内に4つの電圧パルスを含み、一方、図10Bに示すように、Hブリッジマルチレベルモジュール50により生成される電流過渡状態での出力電圧VAB(これは1002で表わされる)は、3つの出力レベル0v、1/2Vbus、及びVbusを有し、各周期内に2つの電圧パルスを含む。 In this embodiment, the duty cycle of the drive signal of the high side switch QAH1_A1 selected for the steady current state is different from the duty cycle of the drive signal of the high side switch QAH1_A1 selected for the current transient state. As a result, as shown in FIG. 10A, the current steady state output voltage VAB (denoted by 1001) produced by the H-bridge multi-level module 50 has two output levels, 0v and 1 / 2Vbus. , Four voltage pulses within each period, while the output voltage VAB (which is represented by 1002) in the current transient state generated by the H-bridge multilevel module 50 is 3 as shown in FIG. 10B. It has one output level 0 v, 1/2 Vbus, and Vbus, and contains two voltage pulses in each period.
この実施形態ではマルチレベルインバータ70は1つのHブリッジマルチレベルモジュール50を含むため、マルチレベルインバータ70のHブリッジマルチレベルモジュール50により生成される出力電圧VABが、マルチレベルインバータ70の出力電圧VABになる。 Since the multi-level inverter 70 includes one H-bridge multi-level module 50 in this embodiment, the output voltage VAB generated by the H-bridge multi-level module 50 of the multi-level inverter 70 becomes the output voltage VAB of the multi-level inverter 70. Become.
上記の説明から分かるように、電圧VA1及びVA2間及び電圧VB1及びVB2間のθ位相シフトは、第1の実施形態における電圧VA及びVBの各々が3つの出力レベル0v、1/2Vbus、及びVbusを有することにつながり、3つの出力レベル0v、1/2Vbus、及びVbusを有する電圧VA及びVBは、電流定常状態でマルチレベルインバータ70により出力される出力電圧VABが、図10Aに示すように、各遷移において0vと1/2Vbusとの間で切り替わり、電流過渡状態でマルチレベルインバータ70により出力される出力電圧VABが、図10Bに示すように、各遷移において0vと1/2Vbusとの間又は1/2VbusとVbusとの間で切り替わることにつながる。 As can be seen from the above description, the θ phase shift between the voltages VA1 and VA2 and between the voltages VB1 and VB2 has three output levels 0v, 1 / 2Vbus, and Vbus for each of the voltages VA and VB in the first embodiment. The voltages VA and VB having three output levels 0 v, 1/2 Vbus, and Vbus are connected to the output voltage VAB output by the multi-level inverter 70 in the current steady state, as shown in FIG. 10A. The output voltage VAB switched between 0v and 1 / 2Vbus at each transition and output by the multilevel inverter 70 in the current transient state is between 0v and 1 / 2Vbus at each transition, as shown in FIG. 10B. It leads to switching between 1/2 Vbus and Vbus.
従って、マルチレベルインバータ70により出力される出力電圧VABは、各遷移において1/2Vbusの量を変化させ、従って、既存の傾斜増幅器と比べて出力電圧の変化をより小さくする。マルチレベルインバータ70により出力される出力電圧VABは出力電圧の変化がより小さいため、より少ない高周波高調波がマルチレベルインバータ70により生成され、従って、マルチレベルインバータ70により生成される高周波高調波を減衰させるためのEMIフィルタ220は、より小さい抵抗値のダンピング抵抗、小さい静電容量値のコンデンサ、及びより小さいインダクタンス値のインダクタを使用することができ、これにより、EMIフィルタ220のフィルタ効率を改善させることができ、システム全般の制御帯域幅には影響を及ぼさない。更に、マルチレベルインバータ70に係る出力電圧の変化がより小さいと、浮遊容量Cstrayにより引き起こされるコモンモード電流が遥かに小さくなり、安定化が大幅に容易になる。更に、マルチレベルインバータ70に係る出力電圧の変化がより小さいと、傾斜磁場コイル230の電流リップルも低下する。 Therefore, the output voltage VAB output by the multi-level inverter 70 changes the amount of 1/2 Vbus at each transition, thus making the change in output voltage smaller than existing gradient amplifiers. Since the output voltage VAB output by the multi-level inverter 70 has a smaller change in the output voltage, less high-frequency harmonics are generated by the multi-level inverter 70, and thus the high-frequency harmonics generated by the multi-level inverter 70 are attenuated. The EMI filter 220 for achieving this can use a damping resistor having a smaller resistance value, a capacitor having a smaller capacitance value, and an inductor having a smaller inductance value, thereby improving the filter efficiency of the EMI filter 220. It does not affect the overall control bandwidth of the system. Further, if the change in the output voltage of the multi-level inverter 70 is smaller, the common mode current caused by the stray capacitance Cstray is much smaller, and the stabilization is greatly facilitated. Further, when the change in the output voltage of the multi-level inverter 70 is smaller, the current ripple of the gradient magnetic field coil 230 is also reduced.
加えて、電流定常状態でマルチレベルインバータ70により生成される出力電圧VABは各周期内に4つの電圧パルスを含み、既存の傾斜増幅器の各2レベルインバータにより出力される出力電圧VABは図4Bに示すように各周期内に2つの電圧パルスを含むため、電流定常状態でのマルチレベルインバータ70の等価スイッチング周波数は、既存の傾斜増幅器の各2レベルインバータの等価スイッチング周波数の2倍であり、従って、マルチレベルインバータ70は、既存の傾斜増幅器に比べて、電流定常状態でより少ない電流リップルを更に供給する。 In addition, the output voltage VAB generated by the multi-level inverter 70 in the current steady state includes four voltage pulses in each period, and the output voltage VAB output by each two-level inverter of the existing gradient amplifier is shown in FIG. 4B. Since, as shown, there are two voltage pulses in each period, the equivalent switching frequency of the multi-level inverter 70 at current steady state is twice the equivalent switching frequency of each two-level inverter of the existing gradient amplifier, and thus , Multi-level inverter 70 further provides less current ripple at current steady state than existing gradient amplifiers.
第1の実施形態では、マルチレベルインバータ70は1つのHブリッジマルチレベルモジュール50のみを含んでいるが、マルチレベルインバータ70は、必要に応じて、複数のカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュール50を含むことを理解されたい。図11は、第1の実施形態の変形形態に従った、3つのカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュール50からなるマルチレベルインバータ70の概略図を示す。 In the first embodiment, the multi-level inverter 70 includes only one H-bridge multi-level module 50, but the multi-level inverter 70 may optionally include multiple cascaded H-bridge multi-level modules 50. Should be understood to include. FIG. 11 shows a schematic diagram of a multi-level inverter 70 consisting of three cascaded H-bridge multi-level modules 50 according to a variant of the first embodiment.
マルチレベルインバータ70が複数のカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュール50を含む場合、マルチレベルインバータ70に含まれるスイッチは、マルチレベルインバータ70の各Hブリッジマルチレベルモジュールにより生成される電圧が、マルチレベルインバータ70の隣接するHブリッジマルチレベルモジュールにより生成される電圧に対して360°/n位相シフトを有するように変調される(nは、マルチレベルインバータ70中に含まれるカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュール50の数である)。図12は、図11に示すマルチレベルインバータ70の3つのカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュール50により生成される電流定常状態での電圧の概略図を示し、1201、1202、及び1203は、それぞれ、3つのカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュール50により生成される電圧VAB1、VAB2、VAB3を表している。 When the multi-level inverter 70 includes a plurality of cascaded H-bridge multi-level modules 50, the switches included in the multi-level inverter 70 are configured so that the voltage generated by each H-bridge multi-level module of the multi-level inverter 70 is multi-level. Modulated to have a 360 ° / n phase shift with respect to the voltage produced by adjacent H-bridge multi-level modules of level inverter 70, where n is a cascaded H-bridge included in multi-level inverter 70. Number of multi-level modules 50). FIG. 12 shows a schematic diagram of the current steady state voltage produced by the three cascaded H-bridge multi-level modules 50 of the multi-level inverter 70 shown in FIG. 11, 1201, 1202 and 1203 respectively. The voltages VAB1, VAB2, VAB3 generated by three cascaded H-bridge multi-level modules 50 are represented.
マルチレベルインバータ70の任意の2つの隣接するHブリッジマルチレベルモジュール50間の360°/n位相シフトは、マルチレベルインバータ70の複数のHブリッジマルチレベルモジュール50により生成される電圧パルスが、マルチレベルインバータ70により生成される出力電圧VAB中に均等に分散されることにつながる。従って、マルチレベルインバータ70により生成される出力電圧VABが各周期により多くの電圧パルスを含むようになり、その結果、マルチレベルインバータ70はより大きい等価スイッチング周波数を提供するようになり、従って、傾斜磁場コイル230の電流リップルを低減することができる。 The 360 ° / n phase shift between any two adjacent H-bridge multi-level modules 50 of the multi-level inverter 70 means that the voltage pulses generated by the plurality of H-bridge multi-level modules 50 of the multi-level inverter 70 are multi-level. This leads to being evenly distributed in the output voltage VAB generated by the inverter 70. Therefore, the output voltage VAB produced by the multi-level inverter 70 will contain more voltage pulses in each period, which will result in the multi-level inverter 70 providing a greater equivalent switching frequency and thus a ramp. The current ripple of the magnetic field coil 230 can be reduced.
第1の実施形態では、結合インダクタ516、546の各々の一次巻線と二次巻線との巻数比は1:1であるが、結合インダクタ516、546の各々の一次巻線と二次巻線との巻数比はn1:n2であり、ここで、n1及びn2は互いに異なる整数であることを理解されたい。この場合、電圧VA及びVBは次の数式に従って算出される。
VA=(VA1*n1+VA2*n2)/(n1+n2)、及びVB=(VB1*n1+VB2*n2)/(n1+n2)
In the first embodiment, the turns ratio between the primary winding and the secondary winding of each of the coupled inductors 516 and 546 is 1: 1. It should be understood that the turns ratio to the wire is n1: n2, where n1 and n2 are different integers. In this case, the voltages VA and VB are calculated according to the following formulas.
VA = (VA1 * n1 + VA2 * n2) / (n1 + n2), and VB = (VB1 * n1 + VB2 * n2) / (n1 + n2)
第1の実施形態では、Hブリッジマルチレベルモジュール50のHブリッジマルチレベル脚A510及びHブリッジマルチレベル脚B540の各々は、3つの出力レベル(0v、1/2Vbus、及びVbus)を有するHブリッジマルチレベル脚であるが、Hブリッジマルチレベルモジュール50のHブリッジマルチレベル脚A510及びHブリッジマルチレベル脚B540の各々は、出力電圧の変化をより小さくするために、2m+1個の出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚であり、ここで、mは2以上の整数であることを理解されたい。 In the first embodiment, each of the H-bridge multi-level leg A 510 and the H-bridge multi-level leg B 540 of the H-bridge multi-level module 50 has an H-bridge multi-level having three output levels (0 v, 1/2 Vbus, and Vbus). As the level legs, each of the H-bridge multi-level leg A510 and the H-bridge multi-level leg B540 of the H-bridge multi-level module 50 has 2 m +1 output levels to make the change of the output voltage smaller. It is to be understood that it is a H-bridge multi-level leg, where m is an integer greater than one.
Hブリッジマルチレベルモジュール50のHブリッジマルチレベル脚A510及びHブリッジマルチレベル脚B540の各々が、2m+1個の出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚である場合、2m+1個の出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚は以下の態様で構成される:3つの出力レベルを有する2つのHブリッジマルチレベル脚を、結合インダクタ516と同様の結合インダクタを介して並列に結合することにより、3つの出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚がまず5つの出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚に拡張され、次いで、5つの出力レベルを有する2つのHブリッジマルチレベル脚を、結合インダクタ516と同様の結合インダクタを介して並列に結合することにより、5つの出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚が9つの出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚に拡張される等であり、最終的に、2m−1+1個の出力レベルを有する2つのHブリッジマルチレベル脚を、結合インダクタ516と同様の結合インダクタを介して並列に結合することにより、2m−1+1個の出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚が2m+1個の出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚に拡張される。図13A及び図13Bは、それぞれ、5つの出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚及び9つの出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚の概略図を示しており、132及び134の各々は3つの出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚を表し、136及び138の各々は、5つの出力レベルを有するHブリッジマルチレベル脚を表している。 Each of the H-bridge multilevel module 50 of the H-bridge multilevel legs A510 and H-bridge multilevel legs B540 is, when an H-bridge multilevel legs having 2 m +1 single output level, the 2 m +1 single output level The H-bridge multi-level legs with are constructed in the following manner: three H-bridge multi-level legs with three output levels are coupled in parallel via a coupling inductor similar to coupling inductor 516 to form three H-bridge multi-level legs. The H-bridge multi-level leg with output levels is first extended to an H-bridge multi-level leg with 5 output levels, and then two H-bridge multi-level legs with 5 output levels are combined in a similar manner to the coupling inductor 516. By connecting in parallel through an inductor, five output levels An H-bridge multi-level leg with a bell is extended to an H-bridge multi-level leg with 9 output levels, etc., and finally two H-bridge multi-level legs with 2 m-1 +1 output levels. the coupling by coupling in parallel via the same coupling inductor and the inductor 516, H-bridge multi-level H-bridge multilevel legs having 2 m-1 +1 single output level has a 2 m +1 single output level Expanded to the legs. 13A and 13B show schematic diagrams of an H-bridge multi-level leg with five output levels and an H-bridge multi-level leg with nine output levels, respectively, 132 and 134 each having three output levels. , And each of 136 and 138 represents an H-bridge multi-level leg having five output levels.
第2の実施形態
図14は、本発明の第2の実施形態に従ったマルチレベルインバータ1400の概略図を示す。図14に示すように、マルチレベルインバータ1400は、結合インダクタ1320、第1のHブリッジマルチレベル脚1340、及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360を含む。第1のHブリッジマルチレベル脚1340及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360は、結合インダクタ1320を介して並列に結合される。
Second Embodiment FIG. 14 shows a schematic diagram of a multi-level inverter 1400 according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, the multi-level inverter 1400 includes a coupled inductor 1320, a first H-bridge multi-level leg 1340, and a second H-bridge multi-level leg 1360. First H-bridge multi-level leg 1340 and second H-bridge multi-level leg 1360 are coupled in parallel via coupling inductor 1320.
結合インダクタ1320は、結合インダクタ516と同じであり、直列に結合された一次巻線及び二次巻線を含み、一次巻線及び二次巻線の接合ノードAを有し得る。結合インダクタ1320の接合ノードAは、マルチレベルインバータ1400の出力端子を形成して、マルチレベル出力電圧Vmを傾斜磁場コイル230に供給する。第1のHブリッジマルチレベル脚1340の一方の側及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360の一方の側は、それぞれ、結合インダクタ1320の一次巻線及び二次巻線に接続され、第1のHブリッジマルチレベル脚1340の他方の側と第2のHブリッジマルチレベル脚1360の他方の側との接合ノードが、マルチレベルインバータ1400の他方の出力端子を形成する。 Coupling inductor 1320 is similar to coupling inductor 516 and includes primary and secondary windings coupled in series and may have a junction node A of the primary and secondary windings. The junction node A of the coupled inductor 1320 forms the output terminal of the multilevel inverter 1400 and supplies the multilevel output voltage Vm to the gradient coil 230. One side of the first H-bridge multi-level leg 1340 and one side of the second H-bridge multi-level leg 1360 are connected to the primary and secondary windings of the coupled inductor 1320, respectively. The junction node between the other side of H-bridge multi-level leg 1340 and the other side of second H-bridge multi-level leg 1360 forms the other output terminal of multi-level inverter 1400.
第1のHブリッジマルチレベル脚1340は、3つのカスケード接続されたHブリッジインバータ1342、1344、1346を含む。 The first H-bridge multi-level leg 1340 includes three cascaded H-bridge inverters 1342, 1344, 1346.
Hブリッジインバータ1342は、直流電源U1に並列に接続される第1のハーフブリッジ脚F11及び第2のハーフブリッジ脚F12を含む。第1のハーフブリッジ脚F11は、直列に結合されたハイサイドスイッチQHA1及びローサイドスイッチQLA1を含む。第2のハーフブリッジ脚F12は、直列に結合されたハイサイドスイッチQHB1及びローサイドスイッチQLB1を含む。これらのスイッチの駆動信号は、スイッチQHA1の駆動信号とスイッチQLA1の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHB1の駆動信号とスイッチQLB1の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHA1の駆動信号がスイッチQLB1の駆動信号と同じデューティサイクルを有し、スイッチQLB1の駆動信号がスイッチQHA1の駆動信号に対して180°位相シフトを有するように変調される。 The H-bridge inverter 1342 includes a first half-bridge leg F11 and a second half-bridge leg F12 that are connected in parallel to the DC power supply U1. The first half bridge leg F11 includes a high side switch QHA1 and a low side switch QLA1 coupled in series. The second half bridge leg F12 includes a high side switch QHB1 and a low side switch QLB1 coupled in series. The drive signals of these switches are such that the drive signal of the switch QHA1 and the drive signal of the switch QLA1 are complementary, the drive signal of the switch QHB1 and the drive signal of the switch QLB1 are complementary, and the drive signal of the switch QHA1 is It has the same duty cycle as the drive signal of switch QLB1 and the drive signal of switch QLB1 is modulated to have a 180 ° phase shift with respect to the drive signal of switch QHA1.
同様に、Hブリッジインバータ1344は、直列に結合されたハイサイドスイッチQHA2及びローサイドスイッチQLA2からなる第1のハーフブリッジ脚F21と、直列に結合されたハイサイドスイッチQHB2及びローサイドスイッチQLB2からなる第2のハーフブリッジ脚F22とを含み、脚F21及びF22は直流電源U2に並列に接続され、スイッチQHA2、QLA2、QHB2、QLB2の駆動信号は、スイッチQHA2の駆動信号がスイッチQHA1の駆動信号に対してΘ位相シフトを有することを除いて、スイッチQHA1、QLA1、QHB1、QLB1の駆動信号と同様である。Hブリッジインバータ1346は、直列に結合されたハイサイドスイッチQHA3及びローサイドスイッチQLA3からなる第1のハーフブリッジ脚F31と、直列に結合されたハイサイドスイッチQHB3及びローサイドスイッチQLB3からなる第2のハーフブリッジ脚F32とを含み、脚F31及びF32は直流電源U3に並列に接続され、スイッチQHA3、QLA3、QHB3、QLB3の駆動信号は、スイッチQHA3の駆動信号がスイッチQHA2の駆動信号に対してΘ位相シフトを有することを除いて、スイッチQHA2、QLA2、QHB2、QLB2の駆動信号と同様である。 Similarly, the H-bridge inverter 1344 includes a first half-bridge leg F21 including a high-side switch QHA2 and a low-side switch QLA2 coupled in series, and a second half-bridge switch FHB2 and a low-side switch QLB2 coupled in series. And half-bridge legs F22, and the legs F21 and F22 are connected in parallel to the DC power source U2. The drive signals of the switches QHA2, QLA2, QHB2, QLB2 are the drive signals of the switch QHA2 with respect to the drive signal of the switch QHA1. Similar to the drive signals for switches QHA1, QLA1, QHB1, QLB1 except that they have a Θ phase shift. The H-bridge inverter 1346 includes a first half-bridge leg F31 including a high-side switch QHA3 and a low-side switch QLA3 coupled in series, and a second half-bridge including a high-side switch QHB3 and a low-side switch QLB3 coupled in series. The legs F31 and F32 are connected in parallel to the DC power supply U3, and the drive signals of the switches QHA3, QLA3, QHB3, and QLB3 are the phase shifts of the drive signal of the switch QHA3 with respect to the drive signal of the switch QHA2. Are the same as the drive signals for the switches QHA2, QLA2, QHB2, QLB2, except that
第2のHブリッジマルチレベル脚1360は、3つのカスケード接続されたHブリッジインバータ1362、1364、1366を含む。 The second H-bridge multi-level leg 1360 includes three cascaded H-bridge inverters 1362, 1364, 1366.
Hブリッジインバータ1362は、直列に結合されたハイサイドスイッチQHA4及びローサイドスイッチQLA4からなる第1のハーフブリッジ脚F41と、直列に結合されたハイサイドスイッチQHB4及びローサイドスイッチQLB4からなる第2のハーフブリッジ脚F42とを含み、脚F41及びF42は直流電源U4に並列に接続され、スイッチQHA4、QLA4、QHB4、QLB4の駆動信号は、スイッチQHA4の駆動信号がスイッチQHA1の駆動信号に対してΨ位相シフトを有することを除いて、スイッチQHA1、QLA1、QHB1、QLB1の駆動信号と同様である。 The H-bridge inverter 1362 includes a first half-bridge leg F41 including a high-side switch QHA4 and a low-side switch QLA4 connected in series, and a second half-bridge including a high-side switch QHB4 and a low-side switch QLB4 connected in series. The leg F42 and the legs F41 and F42 are connected in parallel to the DC power source U4, and the drive signals of the switches QHA4, QLA4, QHB4, QLB4 are the phase shift of the drive signal of the switch QHA4 with respect to the drive signal of the switch QHA1. Are the same as the drive signals for the switches QHA1, QLA1, QHB1, and QLB1 except that
Hブリッジインバータ1364は、直列に結合されたハイサイドスイッチQHA5及びローサイドスイッチQLA5からなる第1のハーフブリッジ脚F51と、直列に結合されたハイサイドスイッチQHB5及びローサイドスイッチQLB5からなる第2のハーフブリッジ脚F52とを含み、脚F51及びF52は直流電源U5に並列に接続され、スイッチQHA5、QLA5、QHB5、QLB5の駆動信号は、スイッチQHA5の駆動信号がスイッチQHA2の駆動信号に対してΨ位相シフトを有することを除いて、スイッチQHA2、QLA2、QHB2、QLB2の駆動信号と同様である。 The H-bridge inverter 1364 includes a first half-bridge leg F51 including a high-side switch QHA5 and a low-side switch QLA5 coupled in series, and a second half-bridge including a high-side switch QHB5 and a low-side switch QLB5 coupled in series. The leg F52 and the leg F52 are connected in parallel to the DC power supply U5, and the drive signals of the switches QHA5, QLA5, QHB5, QLB5 are the phase shift of the drive signal of the switch QHA5 with respect to the drive signal of the switch QHA2. Are the same as the drive signals for the switches QHA2, QLA2, QHB2, QLB2, except that
Hブリッジインバータ1366は、直列に結合されたハイサイドスイッチQHA6及びローサイドスイッチQLA6からなる第1のハーフブリッジ脚F61と、直列に結合されたハイサイドスイッチQHB6及びローサイドスイッチQLB6からなる第2のハーフブリッジ脚F62とを含み、脚F61及びF62は直流電源U6に並列に接続され、スイッチQHA6、QLA6、QHB6、QLB6の駆動信号は、スイッチQHA6の駆動信号がスイッチQHA3の駆動信号に対してΨ位相シフトを有することを除いて、スイッチQHA3、QLA3、QHB3、QLB3の駆動信号と同様である。 The H-bridge inverter 1366 includes a first half-bridge leg F61 composed of a high-side switch QHA6 and a low-side switch QLA6 coupled in series, and a second half-bridge composed of a high-side switch QHB6 and a low-side switch QLB6 coupled in series. The leg F62 and the leg F61 and F62 are connected in parallel to the DC power supply U6, and the drive signals of the switches QHA6, QLA6, QHB6, QLB6 are the phase shift of the drive signal of the switch QHA6 with respect to the drive signal of the switch QHA3. Are the same as the drive signals of the switches QHA3, QLA3, QHB3, and QLB3, except that
駆動信号間のΘ位相シフト及びΨ位相シフトは、Hブリッジインバータ1342、1344により生成される出力電圧間、Hブリッジインバータ1344、1346により生成される出力電圧間、Hブリッジインバータ1362、1364により生成される出力電圧間、及びHブリッジインバータ1364、1366により生成される出力電圧間にΘ位相シフトが存在し、Hブリッジインバータ1342、1362により生成される出力電圧間、Hブリッジインバータ1344、1364により生成される出力電圧間、及びHブリッジインバータ1346、1366により生成される出力電圧間にΨ位相シフトが存在することにつながる。換言すると、Hブリッジインバータ1342、1344、及び1346のスイッチの変調は、Hブリッジインバータ1362、1364、及び1366のスイッチの変調に対して位相シフトを有している。この位相シフトは、出力電圧V1及びV2間に位相シフトをもたらす。結合インダクタ1320に供給される、この変調方式に従った出力電圧V1及びV2により、出力信号Vmのリップル周波数は、スタックされたHブリッジインバータの数(例えば、図14の実施形態では3つのスタックされたHブリッジインバータ)だけ増倍され、これはより詳細に説明される。更に、出力電圧V1及びV2のレベルはスタックされたHブリッジインバータの数と関連しているため、出力信号Vmのスイッチングレベルの数は、スタックされたHブリッジインバータの数に等しい倍率だけ増加されることが当業者により理解されるであろう。 The Θ phase shift and the Ψ phase shift between the drive signals are generated by the H bridge inverters 1362 and 1364, between the output voltages generated by the H bridge inverters 1342 and 1344, between the output voltages generated by the H bridge inverters 1344 and 1346. There is a Θ phase shift between the output voltages generated by the H-bridge inverters 1364 and 1366 and between the output voltages generated by the H-bridge inverters 1364 and 1366. Leading to the existence of a Ψ phase shift between the output voltages produced by the H-bridge inverters 1346, 1366. In other words, the modulation of the switches of H-bridge inverters 1342, 1344, and 1346 has a phase shift with respect to the modulation of the switches of H-bridge inverters 1362, 1364, and 1366. This phase shift results in a phase shift between the output voltages V1 and V2. With the output voltages V1 and V2 according to this modulation scheme being supplied to the coupled inductor 1320, the ripple frequency of the output signal Vm will be the number of stacked H-bridge inverters (eg three stacked in the embodiment of FIG. 14). H-bridge inverter) and this will be explained in more detail. Furthermore, since the levels of the output voltages V1 and V2 are related to the number of stacked H-bridge inverters, the number of switching levels of the output signal Vm is increased by a factor equal to the number of stacked H-bridge inverters. It will be appreciated by those skilled in the art.
更に、直流電源U1、U2、U3、U4、U5、及びU6は、同じ電圧Vbusを有する。 Furthermore, the DC power supplies U1, U2, U3, U4, U5 and U6 have the same voltage Vbus.
6つの結合インダクタを使用する第1の実施形態におけるマルチレベルインバータ70と比較すると、第2の実施形態におけるマルチレベルインバータ1400は1つの結合インダクタのみを使用する。従って、第2の実施形態のマルチレベルインバータ1400は、第1の実施形態のマルチレベルインバータ70と比較して、より低コストでより小型である。 Compared to the multi-level inverter 70 in the first embodiment which uses six coupled inductors, the multi-level inverter 1400 in the second embodiment uses only one coupled inductor. Therefore, the multi-level inverter 1400 of the second embodiment is lower in cost and smaller in size than the multi-level inverter 70 of the first embodiment.
図15は、本発明の第2の実施形態に従ったマルチレベルインバータ1400によりマルチレベル出力電圧を供給するための方法のフローチャートを示す。図15の方法は、図14に関連して詳細に説明される。 FIG. 15 shows a flowchart of a method for providing a multi-level output voltage by a multi-level inverter 1400 according to the second embodiment of the present invention. The method of FIG. 15 is described in detail in connection with FIG.
図15に示すように、ステップS1500において、マルチレベルインバータ1400の第1のHブリッジマルチレベル脚1340は、スイッチQHA1の駆動信号とスイッチQLA1の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHB1の駆動信号とスイッチQLB1の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHA1の駆動信号がスイッチQLB1の駆動信号と同じデューティサイクルを有し、スイッチQLB1の駆動信号がスイッチQHA1の駆動信号に対して180°位相シフトを有し、スイッチQHA2の駆動信号とスイッチQLA2の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHB2の駆動信号とスイッチQLB2の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHA2の駆動信号がスイッチQLB2の駆動信号と同じデューティサイクルを有し、スイッチQLB2の駆動信号がスイッチQHA2の駆動信号に対して180°位相シフトを有し、スイッチQHA3の駆動信号とスイッチQLA3の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHB3の駆動信号とスイッチQLB3の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHA3の駆動信号がスイッチQLB3の駆動信号と同じデューティサイクルを有し、スイッチQLB3の駆動信号がスイッチQHA3の駆動信号に対して180°位相シフトを有し、スイッチQHA1、QHA2の駆動信号間、及びスイッチQHA2、QHA3の駆動信号間にΘ位相シフトが存在するように、第1のHブリッジマルチレベル脚1340に含まれるスイッチが変調されている状態下で、複数の出力レベルを有する電圧V1を発生させる。電圧V1は、結合インダクタ1320の一次巻線に入力される。第1のHブリッジマルチレベル脚1340及びそのHブリッジインバータにより生成される電圧の例が図16Aに示されており、ここで、Tは1周期を表し、1601、1602、1603、及び1604でそれぞれ表わされる電圧V1、V11、V12、V13は、それぞれ、第1のHブリッジマルチレベル脚1340及びHブリッジインバータ1342、1344、1346により出力され、Vbusは450vであると仮定される。 As shown in FIG. 15, in step S1500, the first H-bridge multi-level leg 1340 of the multi-level inverter 1400 determines that the drive signal of the switch QHA1 and the drive signal of the switch QLA1 are complementary, and the drive signal of the switch QHB1 is complementary. And the drive signal of the switch QLB1 are complementary, the drive signal of the switch QHA1 has the same duty cycle as the drive signal of the switch QLB1, and the drive signal of the switch QLB1 is 180 ° phase-shifted with respect to the drive signal of the switch QHA1. The drive signal of the switch QHA2 and the drive signal of the switch QLA2 are complementary, the drive signal of the switch QHB2 and the drive signal of the switch QLB2 are complementary, and the drive signal of the switch QHA2 drives the switch QLB2. Has the same duty cycle as the signal , The drive signal of the switch QLB2 has a 180 ° phase shift with respect to the drive signal of the switch QHA2, the drive signal of the switch QHA3 and the drive signal of the switch QLA3 are complementary, and the drive signal of the switch QHB3 and the drive signal of the switch QLB3 are The drive signal is complementary, the drive signal of switch QHA3 has the same duty cycle as the drive signal of switch QLB3, the drive signal of switch QLB3 has a 180 ° phase shift with respect to the drive signal of switch QHA3, Under the condition that the switches included in the first H-bridge multi-level leg 1340 are modulated such that there is a Θ phase shift between the drive signals of the switches QHA1, QHA2 and between the drive signals of the switches QHA2, QHA3, A voltage V1 having a plurality of output levels is generated. The voltage V1 is input to the primary winding of the coupled inductor 1320. An example of the voltage generated by the first H-bridge multi-level leg 1340 and its H-bridge inverter is shown in FIG. 16A, where T represents one period, at 1601, 1602, 1603, and 1604, respectively. The voltages V1, V11, V12, V13 represented are output by the first H-bridge multi-level leg 1340 and H-bridge inverters 1342, 1344, 1346, respectively, and Vbus is assumed to be 450v.
ステップS1502において、マルチレベルインバータ1400の第2のHブリッジマルチレベル脚1360は、スイッチQHA1、QHA4の駆動信号間、スイッチQHA2、QHA5の駆動信号間、及びスイッチQHA3、QHA6の駆動信号間にΨ位相シフトが存在し、スイッチQHA4の駆動信号とスイッチQLA4の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHB4の駆動信号とスイッチQLB4の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHA4の駆動信号がスイッチQLB4の駆動信号と同じデューティサイクルを有し、スイッチQLB4の駆動信号がスイッチQHA4の駆動信号に対して180°位相シフトを有し、スイッチQHA5の駆動信号とスイッチQLA5の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHB5の駆動信号とスイッチQLB5の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHA5の駆動信号がスイッチQLB5の駆動信号と同じデューティサイクルを有し、スイッチQLB5の駆動信号がスイッチQHA5の駆動信号に対して180°位相シフトを有し、スイッチQHA6の駆動信号とスイッチQLA6の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHB6の駆動信号とスイッチQLB6の駆動信号とが相補的であり、スイッチQHA6の駆動信号がスイッチQLB6の駆動信号と同じデューティサイクルを有し、スイッチQLB6の駆動信号がスイッチQHA6の駆動信号に対して180°位相シフトを有し、スイッチQHA1、QHA4の駆動信号間、スイッチQHA2、QHA5の駆動信号間、及びスイッチQHA3、QHA6の駆動信号間にΨ位相シフトが存在するように、第2のHブリッジマルチレベル脚1360に含まれるスイッチが変調されている状態下で、複数の出力レベルを有する電圧V2を発生させる。電圧V2は、結合インダクタ1320の二次巻線に入力される。スイッチQHA1、QHA4の駆動信号間、スイッチQHA2、QHA5の駆動信号間、及びスイッチQHA3、QHA6の駆動信号間にΨ位相シフトが存在するため、電圧V2は、電圧V1に対してΨ位相シフトを有する。 In step S1502, the second H-bridge multi-level leg 1360 of the multi-level inverter 1400 controls the Ψ phase between the drive signals of the switches QHA1 and QHA4, between the drive signals of the switches QHA2 and QHA5, and between the drive signals of the switches QHA3 and QHA6. There is a shift, the drive signal of the switch QHA4 and the drive signal of the switch QLA4 are complementary, the drive signal of the switch QHB4 and the drive signal of the switch QLB4 are complementary, and the drive signal of the switch QHA4 is the switch signal of the switch QLB4. Has the same duty cycle as the drive signal, the drive signal of switch QLB4 has a 180 ° phase shift with respect to the drive signal of switch QHA4, and the drive signal of switch QHA5 and the drive signal of switch QLA5 are complementary; Drive signal of switch QHB5 and switch The drive signal of switch QLB5 is complementary, the drive signal of switch QHA5 has the same duty cycle as the drive signal of switch QLB5, and the drive signal of switch QLB5 has a 180 ° phase shift with respect to the drive signal of switch QHA5. The drive signal of the switch QHA6 and the drive signal of the switch QLA6 are complementary, the drive signal of the switch QHB6 and the drive signal of the switch QLB6 are complementary, and the drive signal of the switch QHA6 is the drive signal of the switch QLB6. And the drive signal of switch QLB6 has a 180 ° phase shift with respect to the drive signal of switch QHA6, between the drive signals of switches QHA1 and QHA4, between the drive signals of switches QHA2 and QHA5, and Ψ phase shift between the drive signals of QHA3 and QHA6 So they present, in a state where switches included in the second H-bridge multilevel leg 1360 is modulated to generate a voltage V2 having a plurality of output levels. The voltage V2 is input to the secondary winding of the coupled inductor 1320. Since there is a Ψ phase shift between the drive signals of the switches QHA1 and QHA4, between the drive signals of the switches QHA2 and QHA5, and between the drive signals of the switches QHA3 and QHA6, the voltage V2 has a Ψ phase shift with respect to the voltage V1. ..
第2のHブリッジマルチレベル脚1360及びそのHブリッジインバータにより生成される電圧の例が図16Bに示されており、ここで、Tは1周期を表し、1605、1606、1607、及び1608でそれぞれ表わされる電圧V2、V21、V22、V23は、それぞれ、第2のHブリッジマルチレベル脚1360及びHブリッジインバータ1362、1364、1366により出力され、Vbusは450vであると仮定される。 An example of the voltage generated by the second H-bridge multi-level leg 1360 and its H-bridge inverter is shown in FIG. 16B, where T represents one period, at 1605, 1606, 1607, and 1608, respectively. The voltages V2, V21, V22, V23 represented are output by the second H-bridge multi-level leg 1360 and H-bridge inverters 1362, 1364, 1366, respectively, and Vbus is assumed to be 450v.
ステップS1504において、マルチレベルインバータ1400は、電圧V1及び電圧V2から出力電圧Vmを発生させる。第2の実施形態では、結合インダクタ1320の一次巻線と二次巻線との巻数比は1:1であり、従って、電圧Vmは式3に従って算出される。
Vm=(V1+V2)/2(式3)
マルチレベルインバータ1400により生成される出力電圧Vmの一例が図16Cに示されており、ここで、電圧Vmは1609で表わされている。
In step S1504, the multilevel inverter 1400 generates the output voltage Vm from the voltage V1 and the voltage V2. In the second embodiment, the turns ratio between the primary winding and the secondary winding of the coupled inductor 1320 is 1: 1. Therefore, the voltage Vm is calculated according to Equation 3.
Vm = (V1 + V2) / 2 (Formula 3)
An example of the output voltage Vm generated by the multi-level inverter 1400 is shown in FIG. 16C, where the voltage Vm is represented by 1609.
図16Cから分かるように、マルチレベルインバータ1400により生成される出力電圧Vmは、各遷移において0vと1/2Vbus(225v)との間で切り替わり、従って、マルチレベルインバータ1400により生成される出力電圧Vmは、各遷移において1/2Vbusを変化させる。従って、マルチレベルインバータ1400は、既存の傾斜増幅器に比べて出力電圧の変化がより小さくなる。 As can be seen from FIG. 16C, the output voltage Vm generated by the multi-level inverter 1400 switches between 0v and 1/2 Vbus (225v) at each transition, thus the output voltage Vm generated by the multi-level inverter 1400. Changes 1/2 Vbus at each transition. Therefore, the multi-level inverter 1400 has a smaller change in output voltage than the existing gradient amplifier.
更に、第2の実施形態において開示された内容から分かるように、マルチレベルインバータ1400の第1のHブリッジマルチレベル脚1340の3つのカスケード接続されたHブリッジインバータ1342、1344、1346により生成される出力電圧V11、V12、V13と、マルチレベルインバータ1400の第2のHブリッジマルチレベル脚1360の3つのカスケード接続されたHブリッジインバータ1362、1364、1366により生成される出力電圧V21、V22、V23とは、結合インダクタ1320によって接続され、Θ位相シフト及びΨ位相シフトで変調される。従って、この変調方式と結合インダクタ1320との組み合わせにより、図16Cに示すように、マルチレベルインバータ1400により生成される出力電圧Vmが各周期内に12個の電圧パルスを含むようになり、他方、図16A及び図16Bに示すように、Hブリッジインバータ1342、1344、1346、1362、1364、1366の各々は各周期内に2つの電圧パルスのみを含み、従って、マルチレベルインバータ1400の出力電圧Vmのリップル周波数は、各Hブリッジインバータにより生成される出力電圧のリップル周波数の6倍であり、マルチレベルインバータ1400のスイッチング周波数は各Hブリッジインバータのスイッチング周波数の6倍である。マルチレベルインバータ1400は6つのカスケード接続されたHブリッジインバータを含むため、この変調方式と結合インダクタ1320との組み合わせにより、マルチレベルインバータ1400の出力電圧のリップル周波数は、マルチレベルインバータ1400に含まれるカスケード接続されたHブリッジインバータの数だけ増倍されることになる。 Furthermore, as can be seen from the content disclosed in the second embodiment, it is generated by the three cascaded H-bridge inverters 1342, 1344, 1346 of the first H-bridge multi-level leg 1340 of the multi-level inverter 1400. Output voltages V11, V12, V13 and output voltages V21, V22, V23 generated by the three cascaded H-bridge inverters 1362, 1364, 1366 of the second H-bridge multi-level leg 1360 of the multi-level inverter 1400. Are connected by a coupled inductor 1320 and are modulated with Θ and Ψ phase shifts. Therefore, the combination of this modulation scheme and the coupled inductor 1320 allows the output voltage Vm generated by the multilevel inverter 1400 to include 12 voltage pulses within each period, as shown in FIG. 16C, while As shown in FIGS. 16A and 16B, each of the H-bridge inverters 1342, 1344, 1346, 1362, 1364, 1366 includes only two voltage pulses within each period, and thus the output voltage Vm of the multilevel inverter 1400. The ripple frequency is 6 times the ripple frequency of the output voltage generated by each H-bridge inverter, and the switching frequency of the multilevel inverter 1400 is 6 times the switching frequency of each H-bridge inverter. Since the multi-level inverter 1400 includes six cascaded H-bridge inverters, the ripple frequency of the output voltage of the multi-level inverter 1400 is changed by the combination of this modulation method and the coupling inductor 1320. It will be multiplied by the number of connected H-bridge inverters.
第3の実施形態
図17は、本発明の第3の実施形態に従ったマルチレベルインバータ1700の概略図を示す。図17に示すように、第3の実施形態のマルチレベルインバータ1700は、Hブリッジインバータ1342及び1362の両方が単一の直流電源U1に接続され(即ち、Hブリッジインバータ1342及び1362は給電Hブリッジインバータであり)、第1のHブリッジマルチレベル脚1340のHブリッジインバータ1344、1346、及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360のHブリッジインバータ1364、1366は浮動Hブリッジインバータであるという点で、第2の実施形態のマルチレベルインバータ1400と異なる。即ち、浮動HブリッジインバータとしてのHブリッジインバータ1344は、直流電源U2の代わりにコンデンサCdc1に接続され、浮動HブリッジインバータとしてのHブリッジインバータ1346は、直流電源U3の代わりにコンデンサCdc2に接続され、浮動HブリッジインバータとしてのHブリッジインバータ1364は、直流電源U5の代わりにコンデンサCdc3に接続され、浮動HブリッジインバータとしてのHブリッジインバータ1366は、直流電源U6の代わりにコンデンサCdc4に接続される。浮動HブリッジインバータはPCT出願国際公開第2010/109399A1号に詳細に記載されており、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
Third Embodiment FIG. 17 shows a schematic diagram of a multi-level inverter 1700 according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 17, in the multi-level inverter 1700 of the third embodiment, both H-bridge inverters 1342 and 1362 are connected to a single DC power source U1 (that is, the H-bridge inverters 1342 and 1362 are fed H-bridges). Inverters), the H-bridge inverters 1344, 1346 of the first H-bridge multi-level leg 1340, and the H-bridge inverters 1364, 1366 of the second H-bridge multi-level leg 1360 are floating H-bridge inverters. It is different from the multi-level inverter 1400 of the second embodiment. That is, the H-bridge inverter 1344 as a floating H-bridge inverter is connected to the capacitor Cdc1 instead of the DC power supply U2, and the H-bridge inverter 1346 as a floating H-bridge inverter is connected to the capacitor Cdc2 instead of the DC power supply U3. The H-bridge inverter 1364 as a floating H-bridge inverter is connected to the capacitor Cdc3 instead of the DC power supply U5, and the H-bridge inverter 1366 as a floating H-bridge inverter is connected to the capacitor Cdc4 instead of the DC power supply U6. The floating H-bridge inverter is described in detail in PCT application WO 2010 / 109399A1, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
第2の実施形態のマルチレベルインバータ1400と比べると、第3の実施形態のマルチレベルインバータ1700は、より少ない直流電源を必要とし得る。更に、マルチレベルインバータ1700に浮動Hブリッジインバータを導入することにより、マルチレベルインバータ1700の変調アルゴリズムに追加的な自由度がもたらされ、これは、傾斜磁場コイル230に電流が流れていない場合であっても、始動時にマルチレベルインバータ1700の浮動Hブリッジインバータのコンデンサを充電するために使用され得る。 Compared to the multi-level inverter 1400 of the second embodiment, the multi-level inverter 1700 of the third embodiment may require less DC power. Furthermore, the introduction of a floating H-bridge inverter in the multi-level inverter 1700 provides an additional degree of freedom in the modulation algorithm of the multi-level inverter 1700, which is the case when no current is flowing in the gradient coil 230. Even so, it can be used to charge the capacitors of the floating H-bridge inverter of multi-level inverter 1700 at startup.
本発明の第3の実施形態に従ったマルチレベルインバータ1700によりマルチレベル出力電圧を供給するための方法については、上述した本発明の第2の実施形態に従った方法と同じであるため、ここでは説明を省略する。 The method for supplying the multi-level output voltage by the multi-level inverter 1700 according to the third embodiment of the present invention is the same as the method according to the second embodiment of the present invention described above. Then, the description is omitted.
第4の実施形態
図18は、本発明の第4の実施形態に従ったマルチレベルインバータ1800の概略図を示す。図18に示すように、第4の実施形態のマルチレベルインバータ1800は、マルチレベルインバータ1800が結合インダクタ1320の代わりに結合インダクタ1322、1324のセットを含むという点で、第2の実施形態のマルチレベルインバータ1400と異なる。結合インダクタ1322、1324の各々は第2の実施形態の結合インダクタ1320の半分のインピーダンスを有する、即ち、第2の実施形態の結合インダクタ1320が結合インダクタ1322、1324のセットに分割される。
Fourth Embodiment FIG. 18 shows a schematic diagram of a multi-level inverter 1800 according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 18, the multi-level inverter 1800 of the fourth embodiment is similar to the multi-level inverter 1800 of the second embodiment in that the multi-level inverter 1800 includes a set of coupled inductors 1322, 1324 instead of the coupled inductor 1320. Different from the level inverter 1400. Each of the coupled inductors 1322, 1324 has half the impedance of the coupled inductor 1320 of the second embodiment, ie, the coupled inductor 1320 of the second embodiment is divided into a set of coupled inductors 1322, 1324.
結合インダクタ1322、1324のセットの各々は、結合インダクタ1320と同じであり、直列に結合された一次巻線及び二次巻線を含み、一次巻線及び二次巻線の接合ノードAを有し得る。 Each of the set of coupled inductors 1322, 1324 is the same as coupled inductor 1320 and includes a primary winding and a secondary winding coupled in series and has a junction node A of the primary winding and the secondary winding. obtain.
図18に示すように、結合インダクタ1322、1324の分割セットは第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚1340、1360の両側に対称的に結合される。具体的には、第1のHブリッジマルチレベル脚1340は結合インダクタ1322、1324の一次巻線間に結合され、第2のHブリッジマルチレベル脚1360は結合インダクタ1322、1324の二次巻線間に結合される。結合インダクタ1322、1324の接合ノードAが、マルチレベルインバータ1800の2つの出力端子を形成する。 As shown in FIG. 18, split sets of coupled inductors 1322 and 1324 are symmetrically coupled to both sides of the first and second H-bridge multilevel legs 1340 and 1360. Specifically, the first H-bridge multi-level leg 1340 is coupled between the primary windings of the coupled inductors 1322, 1324, and the second H-bridge multi-level leg 1360 is coupled between the secondary windings of the coupled inductors 1322, 1324. Be combined with. The junction node A of the coupled inductors 1322, 1324 forms the two output terminals of the multilevel inverter 1800.
結合インダクタ1322、1324はマルチレベルインバータ1800内で対称的に配置されるため、マルチレベルインバータ1800はガルバニック分離要件及びEMC適合に対して有益である。更に、2つのコンデンサC1及びC2が傾斜磁場コイル230の2つの側にそれぞれ配置される場合、結合インダクタ1322、1324のセットをこの2つのコンデンサC1及びC2と結合することにより、二次フィルタが形成され得、これは高周波高調波をより効果的に減衰させることができる。 The multi-level inverter 1800 is beneficial for galvanic isolation requirements and EMC compliance because the coupled inductors 1322, 1324 are symmetrically arranged within the multi-level inverter 1800. Furthermore, if two capacitors C1 and C2 are placed on two sides of the gradient coil 230, respectively, a set of coupled inductors 1322, 1324 is coupled with the two capacitors C1 and C2 to form a second order filter. Which can attenuate high frequency harmonics more effectively.
本発明の第4の実施形態に従ったマルチレベルインバータ1800によりマルチレベル出力電圧を供給するための方法については、上述した本発明の第2の実施形態に従った方法と同じであるため、ここでは説明を省略する。 The method for supplying the multi-level output voltage by the multi-level inverter 1800 according to the fourth embodiment of the present invention is the same as the method according to the second embodiment of the present invention described above. Then, the description is omitted.
第5の実施形態
図19は、本発明の第5の実施形態に従ったマルチレベルインバータ1900の概略図を示す。図19に示すように、第5の実施形態のマルチレベルインバータ1900は、Hブリッジインバータ1342及び1362が給電Hブリッジインバータであり、第1のHブリッジマルチレベル脚1340のHブリッジインバータ1344、1346、及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360のHブリッジインバータ1364、1366が浮動Hブリッジインバータであるという点で、第4の実施形態のマルチレベルインバータ1800と異なる。
Fifth Embodiment FIG. 19 shows a schematic diagram of a multi-level inverter 1900 according to a fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 19, in the multi-level inverter 1900 of the fifth embodiment, the H-bridge inverters 1342 and 1362 are power feeding H-bridge inverters, and the H-bridge inverters 1344 and 1346 of the first H-bridge multi-level leg 1340, And the H-bridge inverters 1364, 1366 of the second H-bridge multi-level leg 1360 are floating H-bridge inverters, unlike the multi-level inverter 1800 of the fourth embodiment.
本発明の第5の実施形態に従ったマルチレベルインバータ1900によりマルチレベル出力電圧を供給するための方法については、上述した本発明の第2の実施形態に従った方法と同じであるため、ここでは説明を省略する。 The method for supplying the multi-level output voltage by the multi-level inverter 1900 according to the fifth embodiment of the present invention is the same as the method according to the second embodiment of the present invention described above. Then, the description is omitted.
改変形態
第2及び第4の実施形態では、直流電源U1、U2、U3、U4、U5、及びU6は同じ電圧Vbusを有するが、直流電源U1、U2、U3、U4、U5、及びU6が互いに異なる電圧を有し得ることが当業者には容易に想到されることを理解されたい。
Modifications In the second and fourth embodiments, the DC power supplies U1, U2, U3, U4, U5 and U6 have the same voltage Vbus, but the DC power supplies U1, U2, U3, U4, U5 and U6 are mutually connected. It should be appreciated by one of ordinary skill in the art that it is possible to have different voltages.
第2、第3、第4、及び第5の実施形態で説明されたΘ位相シフト及び/又はΨ位相シフトは、一定であり得、又は時間と共に変化し得ることを理解されたい。 It should be appreciated that the Θ phase shift and / or Ψ phase shift described in the second, third, fourth, and fifth embodiments may be constant or may change over time.
第2、第3、第4及び第5の実施形態では、スイッチQHA1、QHA2の駆動信号間、スイッチQHA2、QHA3の駆動信号間、スイッチQHA4、QHA5の駆動信号間、及びスイッチQHA5、QHA6の駆動信号間に同じΘ位相シフトが存在するが、これらの位相シフトは互いに異なり得ることを理解されたい。 In the second, third, fourth and fifth embodiments, the drive signals of the switches QHA1 and QHA2, the drive signals of the switches QHA2 and QHA3, the drive signals of the switches QHA4 and QHA5, and the drive of the switches QHA5 and QHA6 are driven. It should be appreciated that although the same Θ phase shift exists between the signals, these phase shifts can be different from each other.
第2、第3、第4及び第5の実施形態では、スイッチQHA1、QHA4の駆動信号間、スイッチQHA2、QHA5の駆動信号間、及びスイッチQHA3、QHA6の駆動信号間に同じΨ位相シフトが存在するが、これらの位相シフトは互いに異なり得ることを理解されたい。 In the second, third, fourth and fifth embodiments, the same Ψ phase shift exists between the drive signals of the switches QHA1 and QHA4, between the drive signals of the switches QHA2 and QHA5, and between the drive signals of the switches QHA3 and QHA6. However, it should be understood that these phase shifts may differ from each other.
第2、第3、第4、及び第5の実施形態では、第1のHブリッジマルチレベル脚1340及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360の各々は3つのカスケード接続されたHブリッジインバータを含むが、第1のHブリッジマルチレベル脚1340及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360の各々に含まれるHブリッジインバータの数は、必要に応じて、3より少ない又は多いことができることを理解されたい。 In the second, third, fourth, and fifth embodiments, each of the first H-bridge multi-level leg 1340 and the second H-bridge multi-level leg 1360 includes three cascaded H-bridge inverters. However, it should be understood that the number of H-bridge inverters included in each of the first H-bridge multi-level leg 1340 and the second H-bridge multi-level leg 1360 can be less than or greater than three, as desired. ..
第2、第3、第4、及び第5の実施形態では、第1のHブリッジマルチレベル脚1340に含まれるHブリッジインバータの数は第2のHブリッジマルチレベル脚1360に含まれるHブリッジインバータの数と同じであるが、第1のHブリッジマルチレベル脚1340に含まれるHブリッジインバータの数は、第2のHブリッジマルチレベル脚1360に含まれるHブリッジインバータの数と異なり得ることを理解されたい。 In the second, third, fourth, and fifth embodiments, the number of H-bridge inverters included in the first H-bridge multi-level leg 1340 is equal to the number of H-bridge inverters included in the second H-bridge multi-level leg 1360. It is understood that the number of H-bridge inverters included in the first H-bridge multi-level leg 1340 may be different from the number of H-bridge inverters included in the second H-bridge multi-level leg 1360. I want to be done.
第3及び第5の実施形態における第1のHブリッジマルチレベル脚1340及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360の各々は、1つの給電Hブリッジインバータ及び2つの浮動Hブリッジインバータを含むが、第1のHブリッジマルチレベル脚1340及び第2のHブリッジマルチレベル脚1360の各々は、少なくとも1つの給電Hブリッジインバータと少なくとも1つの浮動Hブリッジインバータとを含むことを理解されたい。 Each of the first H-bridge multi-level leg 1340 and the second H-bridge multi-level leg 1360 in the third and fifth embodiments includes one feed H-bridge inverter and two floating H-bridge inverters. It should be appreciated that each of the one H-bridge multi-level leg 1340 and the second H-bridge multi-level leg 1360 includes at least one feed H-bridge inverter and at least one floating H-bridge inverter.
第2、第3、第4、及び第5の実施形態では、結合インダクタ1320の一次巻線と二次巻線との巻数比は1:1であるが、結合インダクタ1320の一次巻線と二次巻線との巻数比はn3:n4であり得、ここで、n3及びn4は互いに異なる整数であることを理解されたい。この場合、電圧Vmは次の数式に従って算出される。
Vm=(V1*n3+V2*n4)/(n3+n4)
In the second, third, fourth, and fifth embodiments, the turns ratio between the primary winding and the secondary winding of the coupled inductor 1320 is 1: 1, but the primary winding and the secondary winding of the coupled inductor 1320 have the same winding ratio. It should be understood that the turns ratio with the secondary winding can be n3: n4, where n3 and n4 are different integers. In this case, the voltage Vm is calculated according to the following mathematical formula.
Vm = (V1 * n3 + V2 * n4) / (n3 + n4)
第2及び第3の実施形態では、マルチレベルインバータは2つのHブリッジマルチレベル脚1340、1360を含むが、マルチレベルインバータは、k個のHブリッジマルチレベル脚T1、T2、T3、...、Tkを含み、ここで、kは2よりも大きい整数であることを理解されたい。マルチレベルインバータに含まれるスイッチは、k個のHブリッジマルチレベル脚により生成される電圧が互いに対して位相シフトを有し、k個のHブリッジマルチレベル脚の各々に含まれるHブリッジインバータにより生成される電圧が互いに対して位相シフトを有するように変調される。この場合、結合インダクタ1320は、互いに接続されたK個の巻線m1、m2、m3、...、mkを含み、K個の巻線の接合ノードAを有する。マルチレベルインバータに含まれるk個のHブリッジマルチレベル脚T1、T2、T3、...、Tkの各々は、結合インダクタ1320のk個の巻線m1、m2、m3、...、mkのうちの1つに接続される。図20は、結合インダクタ1320のk個の巻線とマルチレベルインバータのk個のHブリッジマルチレベル脚との間の接続関係の概略図を示し、Hブリッジマルチレベル脚T1は、入力電圧V1を供給するために結合インダクタ1320の巻線m1に結合され、Hブリッジマルチレベル脚T2は、入力電圧V2を供給するために結合インダクタ1320の巻線m2に結合され、Hブリッジマルチレベル脚T3は、入力電圧V3を供給するために結合インダクタ1320の巻線m3に結合される等であり、Hブリッジマルチレベル脚Tkは、入力電圧Vkを供給するために結合インダクタ1320の巻線mkに結合され、結合インダクタ1320の接合ノードAは、マルチレベルインバータの出力電圧として電圧Vmを出力する。マルチレベルインバータに含まれるHブリッジマルチレベル脚が多くなるほど、マルチレベルインバータの出力電圧の各周期内に含まれる電圧パルスが多くなることは明らかであり、結果として、傾斜磁場コイル230の電流リップルの低減につながる。 In the second and third embodiments, the multi-level inverter comprises two H-bridge multi-level legs 1340, 1360, while the multi-level inverter comprises k H-bridge multi-level legs T1, T2, T3 ,. . . , Tk, where k is an integer greater than 2. The switch included in the multi-level inverter has a voltage generated by the k H-bridge multi-level legs having a phase shift with respect to each other, and is generated by an H-bridge inverter included in each of the k H-bridge multi-level legs. The applied voltages are modulated to have a phase shift with respect to each other. In this case, the coupled inductor 1320 has K windings m1, m2, m3 ,. . . , Mk, and has a junction node A of K windings. The k H-bridge multi-level legs T1, T2, T3 ,. . . , Tk, each of the k windings m1, m2, m3 ,. . . , Mk. FIG. 20 shows a schematic diagram of the connection between the k windings of the coupled inductor 1320 and the k H-bridge multi-level legs of the multi-level inverter, the H-bridge multi-level leg T1 being connected to the input voltage V1. The H-bridge multi-level leg T2 is coupled to the winding m1 of the coupled inductor 1320 to supply, and the H-bridge multi-level leg T2 is coupled to the winding m2 of the coupled inductor 1320 to supply the input voltage V2. The H-bridge multi-level leg Tk is coupled to the winding m3 of the coupled inductor 1320 to provide the input voltage V3, etc., and the H-bridge multi-level leg Tk is coupled to the winding mk of the coupled inductor 1320 to provide the input voltage Vk, The junction node A of the coupling inductor 1320 outputs the voltage Vm as the output voltage of the multilevel inverter. It is clear that the more H-bridge multi-level legs included in the multi-level inverter, the more voltage pulses are included in each cycle of the output voltage of the multi-level inverter, and as a result, the current ripple of the gradient coil 230 is increased. It leads to reduction.
第4及び第5の実施形態では、マルチレベルインバータは2つのHブリッジマルチレベル脚1340、1360を含むが、マルチレベルインバータは、k個のHブリッジマルチレベル脚を含むことを理解されたい。この場合、結合インダクタ1322及び1324の各々は、互いに接続されたk個の巻線を含み、k個の巻線の接合ノードAを有する。マルチレベルインバータに含まれるk個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、結合インダクタ1322のk個の巻線うちの1つと、結合インダクタ1324のk個の巻線のうちの1つとの間に接続される。マルチレベルインバータに含まれるスイッチは、k個のHブリッジマルチレベル脚により生成される電圧が互いに対して位相シフトを有し、k個のHブリッジマルチレベル脚の各々に含まれるHブリッジインバータにより生成される電圧が互いに対して位相シフトを有するように変調される。 In the fourth and fifth embodiments, the multi-level inverter includes two H-bridge multi-level legs 1340, 1360, but it should be understood that the multi-level inverter includes k H-bridge multi-level legs. In this case, each of the coupled inductors 1322 and 1324 includes k windings connected together and has a junction node A of k windings. Each of the k H-bridge multilevel legs included in the multilevel inverter is connected between one of the k windings of coupled inductor 1322 and one of the k windings of coupled inductor 1324. To be done. The switch included in the multi-level inverter has a voltage generated by the k H-bridge multi-level legs having a phase shift with respect to each other, and is generated by an H-bridge inverter included in each of the k H-bridge multi-level legs. The applied voltages are modulated to have a phase shift with respect to each other.
好ましい実施形態が例として詳細に説明されたが、本明細書を考慮し本明細書に開示された本発明を実施するにあたり、当業者には本発明の他の実施形態及び変形形態が明らかであろう。本明細書及び与えられた例は例示的なものに過ぎないと見なされるべきであり、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲内にある任意の他の実施形態又は変形形態を包含することが企図されている。 While the preferred embodiment has been described in detail by way of example, other embodiments and variations of the invention will be apparent to those skilled in the art in view of this specification and practice of the invention disclosed herein. Let's see The specification and the examples given should be regarded as illustrative only, and the appended claims are intended to cover any other embodiments or variations that fall within the true scope of the invention. It is intended to be included.
本発明で示された方法のステップは、上述したステップに限定されるべきではないことに留意されたい。特許請求される本発明の様々な態様は、これらの特定の詳細から逸脱した他の例において実施され得ることが当業者には明らかであろう。 It should be noted that the method steps presented in the present invention should not be limited to the steps described above. It will be apparent to those skilled in the art that various aspects of the claimed invention can be practiced in other examples that depart from these specific details.
更に、当業者により容易に理解されるように、幾つかの手段を列挙した装置クレームにおいて、これらの手段のうちの幾つかは同一のハードウェア品目により具現化され得る。特定の処置が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの処置の組み合わせが利益を得るように使用され得ないことを示すものではない。 Furthermore, in a device claim enumerating several means, several of these means can be embodied by one and the same item of hardware, as will be readily appreciated by those skilled in the art. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage.
上述した実施形態は、本発明を限定するのではなく説明するものであり、当業者であれば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく代替の実施形態を設計できるであろうことに留意されたい。特許請求の範囲において、括弧内に置かれたいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。「含む」という語は、請求項又は本明細書に記載されていない要素又はステップの存在を排除するものではない。要素に先行する「1つの(a)」又は「1つの(an)」という語は、複数のそのような要素の存在を排除するものではない。幾つかのユニットを列挙するシステムクレームにおいて、これらのユニットのうちの幾つかは同一のソフトウェア品目及び/又はハードウェア品目により具現化され得る。第1、第2、及び第3などの語の使用は、何らかの順序を示すものではない。これらの語は名称として解釈されるべきである。 It should be noted that the above described embodiments are illustrative rather than limiting of the present invention and that one of ordinary skill in the art could design alternative embodiments without departing from the scope of the appended claims. I want to be done. In the claims, any reference signs placed between parentheses shall not be construed as limiting the claim. The word "comprising" does not exclude the presence of elements or steps not listed in a claim or herein. The word "a" or "an" preceding an element does not exclude the presence of a plurality of such elements. In the system claim enumerating several units, some of these units may be embodied by the same software item and / or hardware item. The use of words such as first, second, and third does not indicate any order. These words should be interpreted as names.
Claims (13)
コアの周りに巻かれ且つ前記n個の巻線の接合ノードで共に結合された当該n個の巻線を有する結合インダクタと
を備え、前記n個のHブリッジマルチレベル脚は、前記結合インダクタを介して並列に結合され、前記n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、複数の電圧レベルを有する入力電圧を供給するために前記n個の巻線のうちの1つに結合され、前記接合ノードは、マルチレベル出力レベルを供給するためのマルチレベルインバータの出力端子を形成し、前記n個のHブリッジマルチレベル脚により供給される前記入力電圧は、互いに対して位相シフトを有し、
前記M個のカスケード接続されたHブリッジインバータにより生成される電圧は、隣接するHブリッジインバータに対して360°/M位相シフトを有する、マルチレベルインバータ。 N H-bridge multi-level legs, each having M cascaded H-bridge inverters, where n and M are integers greater than 1.
A coupled inductor having n windings wound around a core and coupled together at a junction node of the n windings, the n H-bridge multilevel legs comprising: Coupled in parallel via each of the n H-bridge multi-level legs to one of the n windings to provide an input voltage having a plurality of voltage levels, the junction The node forms the output terminal of a multi-level inverter for providing a multi-level output level, the input voltages provided by the n H-bridge multi-level legs having a phase shift with respect to each other,
A multi-level inverter, wherein the voltage generated by the M cascaded H-bridge inverters has a 360 ° / M phase shift with respect to adjacent H-bridge inverters.
前記n個のHブリッジマルチレベル脚の両側に対称的に結合された結合インダクタの分割セットと
を備え、前記結合インダクタのセットの各々は、コアの周りに巻かれ且つn個の巻線の接合ノードで共に結合された当該n個の巻線を有し、前記n個のHブリッジマルチレベル脚の各々は、複数の電圧レベルを有する入力電圧を供給するために、前記結合インダクタのセットのうちの1つの結合インダクタの前記n個の巻線のうちの1つと、前記結合インダクタのセットのうちの別の結合インダクタの前記n個の巻線のうちの1つとの間に結合され、前記結合インダクタのセット内の前記接合ノードは、マルチレベル出力レベルを供給するためにマルチレベルインバータの出力端子を形成し、前記n個のHブリッジマルチレベル脚により供給される前記入力電圧は、互いに対して位相シフトを有し、
前記M個のカスケード接続されたHブリッジインバータにより生成される電圧は、隣接するHブリッジインバータに対して360°/M位相シフトを有する、マルチレベルインバータ。 N H-bridge multi-level legs, each having M cascaded H-bridge inverters, where n and M are integers greater than 1.
And a split set of coupled inductors symmetrically coupled on opposite sides of the n H-bridge multilevel legs, each of the coupled inductor sets being wound around a core and joining n windings. Having n windings coupled together at a node, each of the n H-bridge multi-level legs of the set of coupled inductors for supplying an input voltage having a plurality of voltage levels. Of one of said n windings of one coupled inductor of said and one of said n windings of another coupled inductor of said set of coupled inductors, the junction node of the set of the inductor forms an output terminal of the multi-level inverter in order to supply the multi-level output level, the supply of the said n H-bridge multilevel legs That the input voltage has a phase shift relative to each other,
A multi-level inverter, wherein the voltage generated by the M cascaded H-bridge inverters has a 360 ° / M phase shift with respect to adjacent H-bridge inverters.
各Hブリッジマルチレベルモジュールは、第1のHブリッジマルチレベル脚の出力端子において複数の出力レベルを有する当該第1のHブリッジマルチレベル脚と、第2のHブリッジマルチレベル脚の出力端子において複数の出力レベルを有する当該第2のHブリッジマルチレベル脚とを備え、前記第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚は並列に接続され、前記Hブリッジマルチレベルモジュールのマルチレベル出力は、前記第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚の前記出力端子間に出力され、
前記第1及び第2のHブリッジマルチレベル脚の各々は、コアの周りに巻かれた一次巻線及び二次巻線を含む結合インダクタを介して並列に結合された第1のインバータ脚と第2のインバータ脚とを備え、前記第1のインバータ脚は、複数の電圧レベルを有する第1の入力電圧を供給するために前記結合インダクタの前記一次巻線に結合され、前記第2のインバータ脚は、複数の電圧レベルを有する第2の入力電圧を供給するために前記結合インダクタの前記二次巻線に結合され、前記結合インダクタの前記一次及び二次巻線は直列に結合され、直列に結合された前記一次及び二次巻線の接合ノードは、前記Hブリッジマルチレベル脚の前記出力端子を形成し、前記第1の入力電圧は、前記第2の入力電圧に対して所定の位相シフトを有し、
前記M個のカスケード接続されたHブリッジマルチレベルモジュールにより生成される電圧は、隣接するHブリッジマルチレベルモジュールに対して360°/M位相シフトを有する、マルチレベルインバータ。 A multi-level inverter comprising M cascaded H-bridge multi-level modules, M being an integer greater than 1.
Each H-bridge multi-level module has a first H-bridge multi-level leg having a plurality of output levels at the output terminal of the first H-bridge multi-level leg and a plurality of output terminals of the second H-bridge multi-level leg. And a second H-bridge multi-level leg having an output level of, the first and second H-bridge multi-level legs being connected in parallel, the multi-level output of the H-bridge multi-level module being Output between the output terminals of the first and second H-bridge multi-level legs,
Each of the first and second H-bridge multi-level legs includes a first inverter leg and a first inverter leg coupled in parallel via a coupling inductor that includes a primary winding and a secondary winding wound around a core. Two inverter legs, the first inverter leg coupled to the primary winding of the coupled inductor to provide a first input voltage having a plurality of voltage levels, the second inverter leg Is coupled to the secondary winding of the coupled inductor to provide a second input voltage having a plurality of voltage levels, the primary and secondary windings of the coupled inductor are coupled in series, and in series A junction node of the coupled primary and secondary windings forms the output terminal of the H-bridge multi-level leg, the first input voltage being a predetermined phase shift with respect to the second input voltage. Have
A multi-level inverter, wherein the voltage generated by the M cascaded H-bridge multi-level modules has a 360 ° / M phase shift with respect to adjacent H-bridge multi-level modules.
各Hブリッジマルチレベルモジュールの前記第1のHブリッジマルチレベル脚の前記第1のインバータ脚により、複数のレベルを有する第1の電圧を生成するステップと、
各Hブリッジマルチレベルモジュールの前記第1のHブリッジマルチレベル脚の前記第2のインバータ脚により、前記第1の電圧に対して所定の位相シフトを有する複数のレベルを有する第2の電圧を生成するステップと、
各Hブリッジマルチレベルモジュールの前記第1のHブリッジマルチレベル脚により、生成された前記第1及び第2の電圧に基づいて複数のレベルを有する第3の電圧を生成するステップと、
各Hブリッジマルチレベルモジュールの前記第2のHブリッジマルチレベル脚の前記第1のインバータ脚により、複数のレベルを有する第4の電圧を生成するステップと、
各Hブリッジマルチレベルモジュールの前記第2のHブリッジマルチレベル脚の前記第2のインバータ脚により、前記第4の電圧に対して前記所定の位相シフトを有する複数のレベルを有する第5の電圧を生成するステップと、
各Hブリッジマルチレベルモジュールの前記第2のHブリッジマルチレベル脚により、前記生成された第4及び第5の電圧に基づいて複数のレベルを有する第6の電圧を生成するステップと、
各Hブリッジマルチレベルモジュールにより、前記生成された第3及び第6の電圧に基づいて、マルチレベル出力電圧を生成するステップと、
各Hブリッジマルチレベルモジュールにより出力される前記マルチレベル出力電圧に基づいて、前記マルチレベルインバータのマルチレベル出力電圧を供給するステップと、含み、
各Hブリッジマルチレベルモジュールの出力は、隣接するHブリッジマルチレベルモジュールに対して360°/M位相シフトを有する、方法。 A method for providing a multi-level output voltage by a multi-level inverter, said multi-level inverter comprising M cascaded H-bridge multi-level modules, M being an integer greater than 1, each H being The bridge multi-level module includes a first H-bridge multi-level leg and a second H-bridge multi-level leg connected in parallel, and the output voltage of the H-bridge multi-level module is the first and second H-bridge multi-level legs. Output between the output terminals of the H-bridge multi-level legs, each of said first and second H-bridge multi-level legs via a coupled inductor including a primary winding and a secondary winding wound around a core. A first inverter leg and a second inverter leg coupled in parallel with each other, wherein the first inverter leg includes the coupling Coupled to the primary winding of the inductor, the second inverter leg is coupled to the secondary winding of the coupled inductor, the primary and secondary windings of the coupled inductor are coupled in series, and A junction node of the coupled primary and secondary windings forms the output terminal of the H-bridge multi-level leg, the method comprising:
Generating a first voltage having a plurality of levels by the first inverter leg of the first H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module;
The second inverter leg of the first H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module produces a second voltage having a plurality of levels having a predetermined phase shift with respect to the first voltage. Steps to
Generating a third voltage having a plurality of levels based on the generated first and second voltages by the first H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module;
Generating a fourth voltage having a plurality of levels by the first inverter leg of the second H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module;
The second inverter leg of the second H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module produces a fifth voltage having a plurality of levels having the predetermined phase shift with respect to the fourth voltage. The step of generating
Generating a sixth voltage having a plurality of levels based on the generated fourth and fifth voltages by the second H-bridge multi-level leg of each H-bridge multi-level module;
Generating, by each H-bridge multi-level module, a multi-level output voltage based on the generated third and sixth voltages;
Providing a multi-level output voltage of the multi-level inverter based on the multi-level output voltage output by each H-bridge multi-level module,
The method, wherein the output of each H-bridge multi-level module has a 360 ° / M phase shift with respect to an adjacent H-bridge multi-level module.
前記第1のHブリッジマルチレベル脚の前記第1及び第2のインバータ脚における前記ハイサイドスイッチの駆動信号は、互いに対して前記所定の位相シフトを有し、及び前記第2のHブリッジマルチレベル脚の前記第1及び第2のインバータ脚における前記ローサイドスイッチの駆動信号は、互いに対して前記所定の位相シフトを有する、請求項10に記載の方法。 Each of the first and second inverter legs comprises a half bridge leg having a high side switch and a low side switch coupled in series,
The drive signals of the high side switches in the first and second inverter legs of the first H-bridge multi-level leg have the predetermined phase shift with respect to each other, and the second H-bridge multi-level leg. 11. The method of claim 10, wherein the drive signals of the low side switches in the first and second inverter legs of the legs have the predetermined phase shift with respect to each other.
前記n個のHブリッジマルチレベル脚により、n個の電圧を生成するステップであって、前記n個の電圧の各々は複数の電圧レベルを有し、前記n個の電圧は互いに対して位相シフトを有する、ステップと、
前記生成されたn個の電圧に基づいて、前記マルチレベルインバータにより出力されるマルチレベル出力電圧を供給するステップと、を含み、
前記M個のカスケード接続されたHブリッジインバータにより生成される電圧は、隣接するHブリッジインバータに対して360°/M位相シフトを有する、方法。 A method for providing a multi-level output voltage by a multi-level inverter, said multi-level inverter comprising n H-bridge multi-level legs and n windings wound around a core. And n and M are integers greater than one, each of the n H-bridge multi-level legs has M cascaded H-bridge inverters, and the n windings are , Coupled to each other at a junction node, the n H-bridge multi-level legs are coupled in parallel through the coupling inductor, and each of the n H-bridge multi-level legs is coupled to the n windings. And the junction node forms an output terminal of the multi-level inverter, the method comprising:
Generating n voltages with the n H-bridge multi-level legs, each of the n voltages having a plurality of voltage levels, the n voltages being phase-shifted with respect to each other. With a step,
Supplying a multi-level output voltage output by the multi-level inverter based on the generated n voltages.
The method wherein the voltage generated by the M cascaded H-bridge inverters has a 360 ° / M phase shift with respect to adjacent H-bridge inverters.
前記n個のHブリッジマルチレベル脚により、n個の電圧を生成するステップであって、前記n個の電圧の各々は複数の電圧レベルを有し、前記n個の電圧は互いに対して位相シフトを有する、ステップと、
前記生成されたn個の電圧に基づいて、前記マルチレベルインバータにより出力されるマルチレベル出力電圧を供給するステップと、を含み、
前記M個のカスケード接続されたHブリッジインバータにより生成される電圧は、隣接するHブリッジインバータに対して360°/M位相シフトを有する、方法。 A method for providing a multi-level output voltage by a multi-level inverter, wherein the multi-level inverter comprises n H-bridge multi-level legs and a split set of coupled inductors, where n and M are integers greater than one. And each of the n H-bridge multi-level legs has M cascaded H-bridge inverters, and the split set of coupled inductors are on either side of the n H-bridge multi-level legs. Symmetrically coupled, each of the set of coupled inductors being n windings wound around a core and coupled together at a junction node of the n windings. has, each of said n H-bridge multilevel legs, among the n windings of one coupled inductor of the set of the coupled inductor One, the junction node of the coupled inductor of another coupled inductor of the set of the coupled between one of the n windings, and the set of the coupled inductor, the multilevel inverter Forming an output terminal of
Generating n voltages with the n H-bridge multi-level legs, each of the n voltages having a plurality of voltage levels, the n voltages being phase-shifted with respect to each other. With a step,
Supplying a multi-level output voltage output by the multi-level inverter based on the generated n voltages.
The method wherein the voltage generated by the M cascaded H-bridge inverters has a 360 ° / M phase shift with respect to adjacent H-bridge inverters.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP14197383.4 | 2014-12-11 | ||
| EP14197383 | 2014-12-11 | ||
| PCT/EP2015/072478 WO2016050800A2 (en) | 2014-09-29 | 2015-09-29 | Multi-level inverter and method for providing multi-level output voltage by utilizing the multi-level inverter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017529054A JP2017529054A (en) | 2017-09-28 |
| JP6692801B2 true JP6692801B2 (en) | 2020-05-13 |
Family
ID=52101121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017516452A Active JP6692801B2 (en) | 2014-12-11 | 2015-09-29 | Multilevel inverter and method for providing multilevel output voltage by utilizing multilevel inverter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6692801B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109361308B (en) * | 2018-10-31 | 2024-01-16 | 宁波职业技术学院 | Plasma cutting power supply device and topological method of double-bridge phase-shifting power structure |
| KR102595965B1 (en) * | 2021-07-13 | 2023-10-30 | 숭실대학교산학협력단 | Multilevel converter |
| CN117134639B (en) * | 2023-10-27 | 2024-02-13 | 深圳市德兰明海新能源股份有限公司 | Converter bridge arm circuit control method and device, electronic equipment and computer equipment |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000092863A (en) * | 1998-09-10 | 2000-03-31 | Toshiba Corp | Inverter device |
| JP2003209973A (en) * | 2002-01-11 | 2003-07-25 | Meidensha Corp | Power converter |
| KR100975926B1 (en) * | 2008-08-08 | 2010-08-13 | 삼성전기주식회사 | Transformer with Resonant Inductance |
| TW201240298A (en) * | 2011-03-21 | 2012-10-01 | Motech Ind Inc | Inverter for converting a direct current voltage into an alternating current voltage and method thereof |
| EP2920871A1 (en) * | 2012-11-15 | 2015-09-23 | ABB Technology Ltd. | Apparatus and method for filtering harmonics in railway contact lines |
-
2015
- 2015-09-29 JP JP2017516452A patent/JP6692801B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2017529054A (en) | 2017-09-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10498255B2 (en) | Multi-level inverter and method for providing multi-level output voltage by utilizing the multi-level inverter | |
| JP6855534B2 (en) | Multi-channel inverter system | |
| JP6640177B2 (en) | Isolated DC / DC converter | |
| EP2905789B1 (en) | Coupled inductor and power converter | |
| US7449867B2 (en) | Multi-phase buck converter with a plurality of coupled inductors | |
| JP6220980B2 (en) | Power factor improving converter and power supply device including power factor improving converter | |
| KR102828361B1 (en) | Power supply multi-tapped autotransformer | |
| WO2018159437A1 (en) | Dc-dc converter | |
| Ikriannikov et al. | Magnetically coupled buck converters | |
| US9899911B2 (en) | Power source circuit | |
| WO2018116437A1 (en) | Power conversion device | |
| Wu et al. | Multi-phase buck converter design with two-phase coupled inductors | |
| EP3857698A1 (en) | Apparatus for conversion between ac power and dc power | |
| US20220368214A1 (en) | Switching power converters including injection stages, and associated methods | |
| CN104796027B (en) | Voltage balance circuit and three-phase inverter | |
| US20220270816A1 (en) | Transformer and switching power supply apparatus for reducing common mode noise due to line-to-ground capacitances | |
| JP6207751B2 (en) | Power converter | |
| US20230369977A1 (en) | Switching power converters including boosted coupled inductors and injection stages, and associated methods | |
| US20240396448A1 (en) | Switching power converters including injection stages, and associated methods | |
| JP6692801B2 (en) | Multilevel inverter and method for providing multilevel output voltage by utilizing multilevel inverter | |
| TWI786308B (en) | DC power circuit | |
| CN113824297B (en) | Method and apparatus for reducing ripple current | |
| JPWO2018199228A1 (en) | Power supply circuit | |
| JP2007068392A (en) | Multiphase buck converter having a plurality of coupling inductors | |
| KR20130135784A (en) | Power supply system with an inverter for generation of single-phase alternating current |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180927 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190802 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190731 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20191031 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20191224 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200205 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200317 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200415 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6692801 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |