用于超导磁体的充放电设备、该充放电设备的使用、对超导磁体进行充电的方法和对超导磁体进行放电的方法与流程

本发明涉及一种用于超导磁体的充放电设备、该充放电设备的使用、一种对超导磁体进行充电的方法和一种对超导磁体进行放电的方法。

背景技术：

1、用于超导磁体的充放电设备是普遍已知的。例如，ieee transactions on powerelectronics，第1-1页，2020，“design optimization of two-quadrant high-currentlow-voltage power supply”，e. coulinge，s. pittet和d. dujic公开了一种用于对超导磁体进行充放电的直流（dc）/dc转换器。该dc/dc转换器包括由四个金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）组成的全桥。该全桥包括第一和第二mosfet的串联连接，其与第三和第四mosfet的串联连接并联连接。在第一和第二mosfet之间的连接点与第三和第四mosfet之间的连接点之间，连接有电阻、电感和电容的串联连接。电感和电容形成低通滤波器。超导磁体与电容并联连接到dc/dc转换器。当电压源与mosfet的串联连接并联连接时，对于正电压输出，第四mosfet持续开启并且第三mosfet保持关闭，同时第一和第二mosfet对由互补的脉宽调制（pwm）信号驱动。对于负电压输出，第四mosfet关闭，第三mosfet开启，并且第一和第二mosfet对由pwm信号驱动。

2、由于使用了全桥，因此需要复杂的控制逻辑来同时操作所有四个mosfet并避免短路。这使得全桥的控制变得复杂并且因此成本高昂。此外，全桥拓扑中的单个lc滤波器必须过滤高电压摆幅，这需要大的电感和/或电容。这增加了电路的成本。

3、us 11 693 074 b2公开了一种用于为磁共振成像装置的超导磁体通电的电路布置。该电路包括第一电路部分、第二电路部分和控制装置。第一电路部分被设计为从交流电压生成直流电压作为dc链路电压，并且第二电路部分被设计为由dc链路电压馈送的电流源。第二电路部分包括可由控制装置控制的降压转换器、可由控制装置切换的变压器，以及整流器。初级电流可经由降压转换器从dc链路电压生成。初级电流可由开关装置馈送、由控制装置切换到变压器的初级侧，并且用于为磁体通电的次级电流可经由连接到变压器的次级侧的整流器生成。降压转换器根据初级电流的测量值和次级电流的测量值被致动。

4、us 5 159 541公开了一种非对称脉宽调制恒频谐振dc/dc转换器。该转换器包括桥式斩波器部件、谐振电路部件和整流器部件。桥式斩波器部件用于将dc输入转换成恒定高频的ac。谐振电路部件连接到所述桥式斩波器部件并且包括串联谐振电容器和谐振电感器，用于将所述高频ac发送到高频变压器部件以生成变压器次级ac。整流器部件连接到所述高频变压器部件，以对所述变压器次级ac进行整流从而产生稳定的dc输出。所述桥式斩波器部件包括至少两个半导体开关，每个开关两端连接有缓冲电容器(snubbercapacitor)。所述开关通过施加在其上的处于所述恒定高频的相应门控脉冲信号交替导通。所述门控脉冲信号的占空比以及因此所述开关的导通的占空比彼此互补。所述门控脉冲信号的所述占空比还可调节以维持所述稳定的dc输出。

5、us 5 245 520公开了一种半桥非对称降压转换器(buck converter)。该转换器包括以占空比d驱动的输入桥式晶体管和以占空比（1-d）驱动的附加桥式晶体管。该转换器还包括电源变压器、整流器和lc低通滤波器。

6、本发明的一个目的是提供一种在设计和控制上简单且便宜的充放电设备。此外，将详细说明该充放电设备的使用、用于对超导磁体进行充电的方法以及用于对超导磁体进行放电的方法。

7、这通过根据权利要求1的充放电设备、根据权利要求16的充放电设备的使用、根据权利要求17的对超导磁体进行充电的方法以及根据权利要求19的对超导磁体进行放电的方法来实现。

技术实现思路

1、根据本发明，首先认识到，一个降压转换器或步降转换器由于其单极性输出电压而适用于对超导磁体进行充电，但不适用于放电。这就是本发明人转向双极性拓扑（即两个降压转换器）的原因。一个降压转换器的输出连接到超导磁体的一个极，并且另一个降压转换器的输出连接到超导磁体的另一个极。这两个降压转换器各自具有两个可控开关、共同的输入电压以及由于施加到降压转换器的不同占空比而产生的不同输出电压。在现有技术中，一个降压转换器以关于50%（居中）对称的占空比到另一个降压转换器的占空比操作。

2、本发明人进一步认识到，居中操作两个降压转换器，虽然降压转换器可能易于控制，但居中操作导致通过降压转换器的低通滤波器的电感产生高电流纹波。因此，电感的功率损耗导致电感引起的高散热。因此，充放电设备将需要占用空间且昂贵的冷却装备。通过各个转换器的电感的电流纹波

3、

4、取决于该转换器的占空比d、该转换器的输入电压vin、该转换器的开关的开关频率fsw以及滤波器电感l。

5、本发明人进一步认识到，为了减小电流纹波，可以选择减小d*（1-d）和/或vin以及增大fsw和/或l。但是，本发明人选择优化d，因为为了减小vin，将不得不增加印刷电路板（pcb）的轨道的导体横截面，而铜是昂贵的。为了增大开关频率fsw，将不得不使用更复杂的晶体管，这是昂贵的，并且转换器的损耗将增加。为了增加滤波器电感，将不得不使用更大的线圈，这既占空间又昂贵。

6、专利权利要求1全面地考虑了这些因素。

7、根据本发明，提供了一种用于超导磁体的充放电设备。该设备具有至少一个电路块，每个电路块具有第一和第二同步半桥转换器。每个转换器包括连接在输入点和基点之间的开关和另一个开关的串联连接，其中该开关和该另一个开关在汇合点处连接。每个转换器还包括滤波器电感和滤波器电容的串联连接。滤波器电感和滤波器电容在连接点处连接。滤波器电感连接到汇合点，并且滤波器电容连接到基点。对于每个这样的转换器，分配有控制信号发生器，用于输出驱动开关断开和闭合的控制信号，并且用于输出驱动另一个开关断开和闭合的另一个控制信号。控制信号施加占空比。另一个控制信号施加所述占空比的反相，使得当另一个开关闭合时开关断开，反之亦然。特别地，每个这样的转换器包括其自身的控制信号发生器。在每个电路块中，第一转换器的控制信号的占空比（还称为第一占空比d1）和第二转换器的控制信号的占空比（还称为第二占空比d2）彼此不同。因此当在两个转换器处的输入点和基点之间施加共同的输入电压uin时，存在于第一转换器的连接点和基点之间的第一输出电压uout1与第二转换器的连接点和基点之间的第二输出电压uout2彼此不同。第一占空比d1和第二占空比d2在情况a）中均为至多25%，或者在情况b）中均为至少75%。

8、一个同步半桥转换器的开关可以独立于另一个同步半桥转换器的开关进行控制。因此，与现有技术中已知的包括四个mosfet的全桥的dc/dc转换器相比，由于两个独立控制的同步半桥转换器，使得更简单且更灵活的控制成为可能。因此，充放电设备的控制更容易且成本更低。此外，两个同步半桥转换器各自具有低通滤波器。因此，与现有技术中已知的包括用于整个全桥的一个低通滤波器的dc/dc转换器相比，同步半桥转换器的低通滤波器各自必须过滤更低的电压摆幅。因此，电感和/或电容可以更小。因此，充放电设备的生产成本便宜。

9、由于第一占空比d1和第二占空比d2在情况a）中均为至多25%，或者在情况b）中均为至少75%这一事实，因此通过每个滤波器电感的纹波电流低。这提高了充放电设备的电磁兼容性（emc）。由于低纹波电流，相应滤波器电感具有低功率损耗。与占空比在40%到60%范围内的操作相比，损耗降低了约22%。由于低功率损耗，因此来自滤波器电感的散热低。因此，可以减少或完全省去冷却装备。在后一种情况下，在充放电设备的生产期间消除了涂抹导热膏的一个步骤。此外，没有冷却装备，充放电设备更轻。

10、总之根据本发明，提供了一种节省空间且重量轻，同时在设计上便宜且易于控制的充放电设备。

11、通常，存在共同的输入级，每个电路块的每个转换器的输入点连接到该输入级。对应地，通常存在共同的基级，每个电路块的每个转换器的基点连接到该基级。共同的输入电压uin然后存在于共同的输入级和共同的基级之间。共同的输入电压uin是恒定电压，例如，选择为12v，或者选择为在6v和24v之间。通常，每个电路块的每个转换器的基点连接到地。

12、控制信号发生器可以包括模拟到pwm信号转换器。模拟到pwm信号转换器可以是具有互补输出的运算放大器比较器。模拟到pwm信号转换器的输入可以是模拟电压，并且输出可以是脉宽调制信号。

13、每个开关和另一个开关或者开启或者关闭。开关和另一个开关在每种情况下都可能选择为晶体管。晶体管可以是mosfet，特别是n沟道增强模式mosfet，优选地是simosfet。也可以设想该晶体管是氮化镓场效应晶体管（ganfet）。每个晶体管可以由栅极驱动器驱动。可以提供具有栅极驱动器mosfet组合的mosfet集成电路（ic）。也可以设想使用具有栅极驱动器ganfet组合的ganfet ic。

14、每个滤波器电感和滤波器电容组合形成低通滤波器。该低通滤波器用于过滤开关波形。

15、与第一同步半桥转换器的第一占空比的相位相比，第二同步半桥转换器的第二占空比的相位可以发生偏移，特别是大约180度。这减小了输入和/或输出纹波电压中的纹波。

16、第一和第二同步半桥转换器可以一起被放置在同一pcb中。

17、本发明的充放电设备构成了非对称四象限（双向）高电流转换器。第一和第二转换器以非居中的方式控制，其中d1和d2的均值显著不同于50%，即低于25%（情况a）或高于75%（情况b）。该设备适用于充电和放电，只需通过适当地选择d1和d2，特别地选择其差值的合适符号。可以通过选择d1和d2的差值的绝对值来设置充电或放电的速度。注意的是，d1和d2的差值可以动态改变，以适应充电和放电的速度，同时，d1和d2的均值也可以动态适应（“动态共模”），特别地使得实现损耗最小化（通过尽可能使d1和d2的均值远离50%），并且能够以特别安全的方式执行充电和放电。本发明的设备不需要变压器，而是可以基于非隔离步降转换器进行设计。

18、本发明的优选实施例

19、在特定实施例中，提供了第一过渡点，每个电路块的每个第一转换器的连接点直接或间接连接到该第一过渡点，并且提供了第二过渡点，每个电路块的每个第二转换器的连接点直接或间接连接到该第二过渡点，其中提供了用于连接超导磁体的第一端的第一负载点，并且提供了用于连接超导磁体的第二端的第二负载点，并且其中第一过渡点经由第一负载连接连接到第一负载点，并且第二过渡点经由第二负载连接连接到第二负载点。这种设计使得特别容易并行化几个电路块，特别是并行化几个第一转换器并且并行化几个第二转换器，并将它们一起连接到超导磁体。

20、在另一个特定实施例中，充放电设备还包括控制单元，该控制单元为每个电路块的每个第一转换器的控制信号发生器提供第一发生器控制信号，并为每个电路块的每个第二转换器的控制信号发生器提供第二发生器控制信号。由于这种设计，集中控制每个电路块的每个第一转换器和每个第二转换器的占空比特别容易。第一发生器控制信号可以包含uout1的目标值，并且第二发生器控制信号可以包含uout2的目标值。

21、在另一个特定实施例中，在第一负载连接或第二负载连接中包含电流测量设备，其中电流测量设备的信号输出用电流测量线连接到控制单元。由于该电流测量设备，可以测量当前在超导磁体中运行的电流。因此，可以取决于测量的当前在超导磁体中运行的电流来控制超导磁体中的电流，特别是防止失超(quench)。

22、电流测量设备可以由电流感测放大器形成，该电流感测放大器将其同相输入和其反相输入连接到第一负载连接或第二负载连接的不同点。在这些不同点之间，第一负载连接或第二负载连接可以形成电阻，或者在相应连接中插入电阻。电流感测放大器的输出可以经由电流测量线连接到控制单元。

23、相应负载连接在相应负载点和电流测量设备之间的部分可以由线缆形成。类似地，另一个负载连接的端部（与其对应的负载点相邻）可以由另一根线缆形成。每根线缆的长度可以为1至3米。优选地，线缆长度可以为2米。与较长的线缆相比，这种短线缆的电阻相对小。因此，线缆造成的损耗低。当每个电路块的转换器的所有电感器都没有铁磁芯时，特别可能的是充放电设备被定位成如此靠近超导磁体并且在其磁场中。

24、在另一个特定实施例中，控制单元被配置为取决于超导磁体的充放电进度提供发生器控制信号，其中超导磁体的充放电进度由电流测量设备监测。这种设计使得可以取决于监测到的当前流经超导磁体的电流来控制充放电处理。这进一步支持了防止失超。

25、在另一个特定实施例中，第一电位测量线将第一负载点与控制单元连接，并且第二电位测量线将第二负载点与控制单元连接。由于这种设计，可以测量当前施加到超导磁体的电压。因此，测量的电压可以用于控制施加到磁体的电压，特别是限制施加到磁体的电压，以防止失超。

26、在另一个特定实施例中，控制单元具有用于设置要施加到超导磁体的最大磁体电压的第一设置输入，以及用于设置超导磁体的电流目标的第二设置输入，其中控制单元被配置为生成第一发生器控制信号和第二发生器控制信号，同时考虑设定的电流目标、设定的最大磁体电压、来自电流测量线的指示当前在超导磁体中运行的电流的信号，以及来自第一电位测量线和第二电位测量线的指示当前施加在超导磁体处的电压的信号。由于这种设计，流经超导磁体的电流可以取决于电流目标和测量的当前流经超导磁体的电流来控制，并且施加到磁体的电压可以通过最大磁体电压设置和测量的当前施加到磁体的电压来控制。通过在充放电期间调节电流并限制电压，可以有效地防止失超。

27、在另一个特定实施例中，定义共模值cm，其中cm=（uout1+uout2）/2，其中控制单元被配置为提供第一发生器控制信号和第二发生器控制信号，使得在使用充放电设备对超导磁体进行充放电期间，共模值cm随时间变化。通过改变共模值cm，可以一方面平衡充电或放电的速度，另一方面平衡损耗，以获得优化的整体充电或放电过程。

28、在另一个特定实施例中，在充电期间，在情况a）中共模值cm随时间减小，或者在情况b）中随时间增大，特别地，取决于测量的充电进度；和/或在放电期间，在情况a）中共模值cm随时间增大，或在情况b）中随时间减小，特别地，取决于测量的放电进度。由于这一点，在充电期间，滤波器电感的损耗被进一步动态降低，或在放电期间，放电速度可以被动态地提高。一般而言，转换器的开关（或分别为d1和d2值）的控制在滤波器电感的损耗尽可能低的区域内动态地进行。

29、在另一个特定实施例中，定义差模值dm，其中dm=uout1-uout2，其中控制单元被配置为提供第一发生器控制信号和第二发生器控制信号，使得在使用充放电设备对超导磁体进行充放电期间，差模值dm随时间变化。

30、在另一个特定实施例中，在充电期间，差模值的绝对值|dm|随时间减小，特别地，取决于测量的充电进度；和/或在放电期间，差模值的绝对值|dm|随时间增加，特别地，取决于测量的放电进度。这使得在充电期间可以进一步动态地降低滤波器电感的损耗，其中另外还防止了失超。充电和放电的速度可以被优化，特别地，当失超的可能性较小时提高该速度，或者当失超的可能性较大时降低该速度。

31、在另一个特定实施例中，定义差模值dm，其中dm=uout1-uout2，其中控制单元被配置为提供第一发生器控制信号和第二发生器控制信号，使得在使用充放电设备对超导磁体进行充放电期间，关于差模值的绝对值|dm|适用|dm|≤0.25*|uin|，优选地|dm|≤0.20*|uin|。这在实践中允许良好的充电和放电的速度，同时保持磁体安全。uin通常被选择为正值。

32、在另一个特定实施例中，充放电设备包括多个电路块，其中所有电路块的所有转换器的所有输入点都连接到共同的输入级，并且所有电路块的所有转换器的所有基点都连接到共同的基级。这使得所有电路块的电压供应都特别容易。此外，通过提供几个电路块，要传输的功率可以分布在几个电路块上。因此，单个转换器可以由功率较小的组件制成并且因此便宜。

33、在多个电路块的情况下，一个控制信号发生器可以用于多个第一转换器并且/或者一个控制信号发生器可以用于多个第二转换器。在这种情况下，一个控制信号发生器可以在所有第一转换器中在占空比中施加相同相位并且/或者一个控制信号发生器可以在所有第二转换器中在反相的占空比中施加相同相位。但是，优选地，每个转换器具有其自身的控制信号发生器，该发生器可以被认为是转换器的一部分。因此可以建立每个转换器中的局部反馈回路和/或可以施加局部相移，特别地，针对每个块施加局部相移。

34、通常，施加不同电路块的其相应占空比的控制信号朝彼此相移2/n，其中n为：电路块的数量。用于几个并联使用的第一和第二转换器的相移技术有助于增加纹波频率并使纹波不那么明显，因此滤波所需的无源组件更少。对于并联的n个半桥，重新组合的纹波频率通常为fripple = n * fsw。

35、在另一个特定实施例中，每个这样的转换器包括其自身的控制信号发生器，其中每个转换器包括连接到连接点和控制信号发生器的反馈线，并且控制信号发生器被配置为在考虑经由反馈线接收到的反馈信号的情况下确定其控制信号的占空比。这使得能够将每个第一转换器与连接在一起的几个块的其他第一转换器去耦，并将每个第二转换器与连接在一起的几个块的其他第二转换器去耦，从而在不直接测量电流的情况下施加电流并行化。这使得每个转换器更便宜，因为针对高电流的电流测量是昂贵的。

36、每个控制信号发生器可以包括运算放大器，特别是作为pi控制器互连的运算放大器。在运算放大器的输出处可以存在用于相应控制信号发生器的模拟到pwm信号转换器的模拟电压信号。运算放大器的输出可以经由反馈连接反馈到其反相输入，在该反馈连接中布置有电容和电阻。电容可以直接连接到运算放大器的输出，并且电阻可以直接连接到运算放大器的反相输入。其一端也连接到运算放大器的反相输入的可以是反馈线，该反馈线其另一端连接到相应转换器的连接点，并且在其中布置有电阻。

37、在另一个特定实施例中，每个转换器包括连接到输入点和基点的输入电容。输入电容用作电流储备缓冲器、存储dc能量并提供存在于输入电容与滤波器电容或去耦电容之间的ac电流。

38、在另一个特定实施例中，每个转换器还包括去耦电感和去耦电容的串联连接，其中去耦电感和去耦电容在另一个连接点处连接，并且其中去耦电感连接到连接点，并且去耦电容连接到基点，特别地，其中每个电路块的每个第一转换器的另一个连接点连接到第一过渡点，并且每个电路块的每个第二转换器的另一个连接点连接到第二过渡点。去耦电感和去耦电容的每个组合可以形成对高电流进行去耦的低通滤波器。每个第一转换器的去耦电感允许通过阻抗串联去耦实现第一转换器的简单并联。每个第二转换器的去耦电感允许通过阻抗串联去耦实现第二转换器的简单并联。当第一和第二转换器并联时，每个去耦电感充当一种平衡电阻器。这使得能够将每个第一转换器与连接在一起的几个块的其他第一转换器去耦，并将每个第二转换器与连接在一起的几个块的其他第二转换器去耦。

39、本发明还涉及使用充放电设备用于对超导磁体进行充电或放电。在每个电路块的每个转换器的输入点和基点之间供应共同的输入电压uin，使得在每个电路块的每个第一转换器的连接点和基点之间生成第一输出电压uout1，并且在每个第二转换器块的连接点和基点之间生成第二输出电压uout2。超导磁体连接到充放电设备，使得电压uout1和uout2的差值有效地对超导磁体进行充电。特别地，充放电设备被配置为使得提供第一过渡点，每个电路块的每个第一转换器的连接点直接或间接连接到该第一过渡点；并且提供第二过渡点，每个电路块的每个第二转换器的连接点直接或间接连接到该第二过渡点；使得提供用于连接超导磁体的第一端的第一负载点，并且提供用于连接超导磁体的第二端的第二负载点；并且使得第一过渡点经由第一负载连接连接到第一负载点，并且第二过渡点经由第二负载连接连接到第二负载点；并且使得超导磁体连接在第一负载点和第二负载点之间。

40、由于充放电设备以第一占空比d1和第二占空比d2操作，在情况a）中d1和d2两者均为至多25%，或在情况b）中d1和d2两者均为至少75%，因此通过转换器的阻抗的纹波电流低，使得阻抗的功率损耗也低。因此，阻抗导致的热排放低。由于这个原因，可以减少或省略充放电设备的冷却装备。这使得充放电设备占用较少空间并且便宜。

41、本发明还涉及一种对超导磁体进行充电的方法，

42、特别是使用该充放电设备对超导磁体进行充电的方法，包括：

43、- 利用至少一个第一同步半桥转换器从共同的输入电压uin生成第一输出电压uout1，其中施加第一占空比d1，

44、- 利用至少一个第二同步半桥转换器从所述共同的输入电压uin生成第二输出电压uout2，其中施加第二占空比d2，

45、- 不同地选择d1和d2，使得uout1和uout2彼此不同，

46、- 选择d1和d2，在情况a）中d1和d2两者均为至多25%，或者在情况b）中d1和d2两者均为至少75%，

47、- 将uout1和uout2施加到超导磁体，使得超导磁体有效地被uout1和uout2的差值充电，特别地，其中uout1和uout2被施加到超导磁体的不同端。

48、作为选择d1和d2，在情况a）中d1和d2两者均为至多25%，或者在情况b）中d1和d2两者均为至少75%的结果，通过转换器阻抗的纹波电流低。由于这个原因，这些阻抗释放的热量低，这就是充放电设备的冷却元件可以最小化或省略的原因。这确保了充放电设备是节省空间的且便宜的。

49、在特定变体中，定义共模值cm，其中cm=（uout1+uout2）/2，其中在超导磁体充电期间，共模值cm随时间变化，特别地，其中在情况a）中共模值cm随时间减小，或者在情况b）中随时间增加，特别地，取决于测量的充电进度。由于这种设计，滤波器电感的损耗在充电期间可以动态地进一步降低。在充电情况下uout1和uout2的差值为正值。

50、本发明还涉及一种对超导磁体进行放电的方法，特别是使用该充放电设备对超导磁体进行放电的方法，包括：

51、- 利用至少一个第一同步半桥转换器从共同的输入电压uin生成第一输出电压uout1，其中施加第一占空比d1，

52、- 利用至少一个第二同步半桥转换器从所述共同的输入电压uin生成第二输出电压uout2，其中施加第二占空比d2，

53、- 不同地选择d1和d2，使得uout1和uout2彼此不同，

54、- 选择d1和d2，在情况a）中d1和d2两者均为至多25%，或者在情况b）中d1和d2两者均为至少75%，

55、- 将uout1和uout2施加到超导磁体，使得超导磁体有效地被uout1和uout2的差值放电，特别地，其中uout1和uout2被施加到超导磁体的不同端。

56、由于选择d1和d2，在情况a）中d1和d2两者均为至多25%，或者在情况b）中d1和d2两者均为至少75%，因此通过转换器的滤波器电感的纹波电流相对低，使得所述滤波器电感的功率损耗相对低。基于此，转换器的冷却装备可以最小化或省略，使得充放电设备是节省空间的且便宜的。

57、在特定实施例中，定义共模值cm，其中cm=（uout1+uout2）/2，其中在超导磁体放电期间，共模值cm随时间变化，特别地，共模值cm在情况a）中随时间增加，或者在情况b）中随时间减小，特别地，取决于测量的放电进度。放电可以在安全磁体操作的情况下以良好放电速度以低损耗进行。在放电情况下uout1和uout2的差值为负值。