諧振逆變器的死區(qū)時間優(yōu)化的制作方法
【專利摘要】本公開涉及包括具有H橋和槽的諧振逆變器的電外科發(fā)生器。傳感器陣列測量所述槽的至少一個特性。脈寬調制PWM控制器向所述H橋輸出第一PWM時序信號和第二PWM時序信號。所述PWM控制器基于由所述傳感器陣列測量到的所述至少一個特性來控制所述第一PWM時序信號和所述第二PWM時序信號之間的死區(qū)時間。
【專利說明】諧振逆變器的死區(qū)時間優(yōu)化

【技術領域】
[0001]本公開涉及使用相移全橋諧振逆變器的射頻放大器。特別地，本公開涉及改善射頻放大器的效率和動態(tài)范圍。

【背景技術】
[0002]基于能量的組織治療是本領域已知的。向組織施加各種類型的能量(例如，電、超聲波、微波、低溫、熱、激光等)以實現所需的結果。電外科涉及向外科手術位應用高射頻電流以對組織進行切割、燒蝕、凝結或密封。源或有源電極將射頻能量從電外科發(fā)生器提供到組織，返回電極攜載電流返回到發(fā)生器。在單極電外科中，源電極通常是由外科醫(yī)生掌握并且應用到待治療組織的外科手術器械的一部分，返回電極被放置在遠離有源電極的位置以攜載電流回到發(fā)生器。在雙極電外科中，手持儀器的電極之一充當有源電極，另一個充當返回電極。
[0003]電外科發(fā)生器可以使用相移全橋諧振逆變器來生成執(zhí)行電外科手術所需的電外科能量。諧振逆變器的一個示例使用由具有兩對場效應晶體管(FET)的H橋驅動的LCLC槽(tank)拓撲。每對FET都包括串聯(lián)連接的兩個FET。兩個串聯(lián)連接的FET不應同時接通，否則將在輸入電壓源處發(fā)生短路。為了避免短路，在施加到FET對中的第一 FET的脈沖和施加到第二 FET的脈沖之間提供了固定的死區(qū)時間。取決于諧振逆變器的負載狀況，最佳死區(qū)時間也可以變化。如果FET的死區(qū)時間相對于最佳死區(qū)時間太長或太短，則FET過渡將部分地處于零電壓切換，部分地處于硬切換。由于FET在較大的程度上進行硬切換，諧振逆變器的效率顯著下降。


【發(fā)明內容】

[0004]本說明書可以使用短語“在一實施例中”、“在實施例中”、“在一些實施例中”或“在另一些實施例中”，它們每個都可以引用根據本公開的相同或不同實施例中的一個或多個。對于本說明書，“A/B”形式的短語表示A或B。對于本說明書，“A和/或B”形式的短語表示“㈧、(B)或(A和B)”。對于本說明書，“A、B或C中的至少一個”形式的短語表示“(A)、(B)、(C)、(A 和 B)、(A 和 C)、(B 和 C)、或(A、B 和 C) ”。
[0005]此處使用時，術語“發(fā)生器”可以是指能夠提供能量的設備。這樣的設備可以包括電源和能夠改變由電源輸出的能量以輸出具有所需強度、頻率、和/或波形的能量的電路。
[0006]此處所描述的系統(tǒng)也可以使用一個或多個控制器來接收各種信息和轉換所接收到的信息以生成輸出?？刂破骺砂軌驁?zhí)行存儲在存儲器中的一系列指令的任何類型的計算設備、計算電路、或任何類型的處理器或處理電路?？刂破骺梢园ǘ鄠€處理器和/或多核中央處理單元(CPU)，并且可以包括任何類型的處理器，諸如微處理器、數字信號處理器、微控制器等。控制器也可以包括存儲數據和/或算法以執(zhí)行一系列指令的存儲器。
[0007]此處所描述的方法、程序、算法或代碼中的任何一種都可以被轉換為或表示為編程語言或計算機程序。“編程語言”和“計算機程序”是用于向計算機指示指令的任何語言，包括(但不僅限于)這些語言以及它們的衍生物:匯編語言、Basic、批處理文件、BCPL、C、C+、C++、Delph1、Fortran、Java、JavaScript、機器代碼、操作系統(tǒng)命令語言、Pascal、Perl、PL1、腳本語言、Visual Basic、本身指示程序的元語言、以及所有的第一至第五代計算機語言。還包括數據庫和其他數據方案、以及任何其他元語言。對于本定義，在被解釋、編譯、或使用編譯的和解釋的方案的語言之間沒有區(qū)別。對于本定義，在程序的編譯版本和源版本之間沒有區(qū)別。如此，對其中編程語言可以以一個以上的狀態(tài)(諸如源、編譯的、對象、或鏈接)存在的程序的引用是對任何這樣的狀態(tài)的引用。該定義也涵蓋實際指令以及這些指令的意圖。
[0008]此處所描述的方法、程序、算法或代碼中的任何一種都可以包含在一個或多個機器可讀介質或存儲器中。術語“存儲器”可以包括以可由諸如處理器、計算機或數字處理設備之類的機器讀取的形式提供(例如，存儲和/或傳輸)信息的機構。例如，存儲器可包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、磁盤存儲介質、光存儲介質、閃存設備、或任何其他易失性或非易失性存儲設備。在其上包含的代碼或指令可以通過載波信號、紅外信號、數字信號以及通過其他類似信號來表示。
[0009]在本公開的一方面，提供了一種電外科發(fā)生器。電外科發(fā)生器包括具有H橋和槽的諧振逆變器。發(fā)生器還包括被配置成測量槽的至少一個特性的傳感器陣列。提供了脈寬調制(PWM)控制器，它被配置成向所述H橋輸出第一 PWM定時信號和第二 PWM定時信號。所述PWM控制器基于由所述傳感器陣列測量到的所述至少一個特性來控制所述第一 PWM定時信號和所述第二 PWM定時信號之間的死區(qū)時間。
[0010]在某些方面，傳感器陣列測量輸入電壓、輸出電壓和輸出電流，PWM控制器使用輸入電壓、輸出電壓和輸出電流來確定死區(qū)時間。PWM控制器基于輸入電壓和輸出電壓來計算效率測度。PWM控制器還基于輸出電壓和輸出電流來計算負載測度。PWM控制器基于效率測度來控制死區(qū)時間。
[0011]在某些方面，所述PWM控制器包括其上存儲有查找表的存儲器。所述PWM控制器基于由所述傳感器陣列測量的輸出電壓和輸出電流來確定H橋的相移和負載測度。PWM控制器通過將所述相移和所述負載測度與所述查找表中的數據進行比較來確定所述死區(qū)時間。
[0012]在本公開的另一方面，提供了一種用于優(yōu)化諧振逆變器中的場效應晶體管(FET)過渡的死區(qū)時間的方法。該方法包括初始化FET過渡的死區(qū)時間以及確定諧振逆變器的第一效率測度。增大FET過渡的死區(qū)時間以及確定諧振逆變器的第二效率測度?；谒龅谝恍蕼y度和所述第二效率測度之間的比較，調整所述死區(qū)時間。
[0013]在某些方面，如果所述第二效率測度大于所述第一效率測度達預定的百分比，則增大所述死區(qū)時間。如果所述第二效率測度小于所述第一效率測度達預定的百分比，則減小所述死區(qū)時間。
[0014]在本公開的另一方面，提供了一種用于優(yōu)化包括H橋和槽的諧振逆變器中的場效應晶體管(FET)過渡的死區(qū)時間的方法。該方法包括確定施加到H橋的多個脈沖寬度調制信號之間的相移以及確定槽的負載測度。將相移和負載測度與查找表進行比較，基于相移和負載測度與查找表之間的比較結果，確定最佳死區(qū)時間。基于所述最佳死區(qū)時間，調整用于FET過渡的死區(qū)時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]通過下面結合附圖對本公開進行的詳細描述，本公開的上面的和其他方面、特點和優(yōu)點將變得更加顯而易見，附圖中:
[0016]圖1是根據本公開一實施例的電外科發(fā)生器的示意圖；
[0017]圖2是施加到圖1所示的H橋的信號的時序圖；
[0018]圖3A是由于大的死區(qū)時間而施加到放大器的電壓的圖解說明；
[0019]圖3B是由于短的死區(qū)時間而施加到放大器的電壓的圖解說明；
[0020]圖3C是由于優(yōu)化的死區(qū)時間而施加到放大器的電壓的圖解說明；
[0021]圖4是描繪根據本公開一實施例的優(yōu)化算法的流程圖；以及
[0022]圖5是描繪根據本公開的另一實施例的優(yōu)化算法的流程圖。

【具體實施方式】
[0023]下面將參考附圖來描述本公開的特定實施例；然而將理解，所公開的實施例只是本公開的示例，本公開可以以各種形式實現。沒有詳細描述已知的功能或結構以避免以不必要的細節(jié)模糊本公開。因此，此處所公開的特定結構和功能細節(jié)不應解釋為限制性的，而是只作為權利要求的基礎并且作為代表性基礎用于教導本領域技術人員以各種方式采用幾乎任意適當細節(jié)結構的本公開的。貫穿對附圖的說明，相同的附圖標記可以引用相似或相同的元件。
[0024]本公開涉及一種電外科發(fā)生器，其采用具有LCLC槽拓撲和H橋的相移全橋諧振逆變器。該發(fā)生器使用死區(qū)時間優(yōu)化算法來優(yōu)化施加到H橋中的FET的脈沖之間的死區(qū)時間。通過優(yōu)化死區(qū)時間，可以改善諧振逆變器的效率和動態(tài)范圍。
[0025]參照圖1，根據本公開一實施例的電外科發(fā)生器的一個不例一般性地不為100。發(fā)生器100包括用于控制發(fā)生器100的合適的輸入控件(例如，按鈕、激活器、開關、觸摸屏等)。另外，發(fā)生器100還可包括用于向用戶提供各種輸出信息(例如，強度設置、治療完成指示符等)的一個或多個顯示屏幕(未示出)?？丶试S用戶調整RF能量的功率、波形、以及所允許的最大電弧能的水平(其隨所需組織效果以及其他參數而變化)，以實現適于特定任務(例如，凝結、組織密封、強度設置等)的所需波形。可以連接到發(fā)生器100的器械(未示出)也可以包括多個輸入控件，這些輸入控件可以與發(fā)生器100的某些輸入控件重復。在器械處設置輸入控件允許在外科手術過程中更容易和更快地修改RF能量參數，而不需要與發(fā)生器100交互。
[0026]發(fā)生器100可包括多個連接器以適應各種類型的電外科器械。進一步地，發(fā)生器100可通過包括在連接器之間切換RF能量供應的開關機構(例如，繼電器)而在單極或雙極模式下操作。
[0027]發(fā)生器100包括諧振逆變器電路102、脈寬調制(PWM)控制器110、以及傳感器陣列120。諧振逆變器電路102包括H橋104和LCLC槽106，H橋104具有FET Ql、Q2、Q3和Q4。PWM控制器110包括處理器112和存儲器114。
[0028]在諧振逆變器電路102中，向H橋104提供正高壓直流電流(+HVDC)。通過有源FET開關Q1、Q2、Q3和Q4，以全橋配置驅動LCLC槽106的串并聯(lián)或LCLC轉換器。PWM控制器110向FET開關Ql、Q2、Q3和Q4供應相移PWM定時信號，如圖2所示。FET Ql和Q2向LCLC槽106提供電壓Vsi，FET Q3和Q4向LCLC槽106提供電壓Vs2。
[0029]組件Ls、Cs、Lm和Cp被選擇以提供與相移PWM占空因數乘以電源軌+HVDC和接地成比例的諧振輸出振幅。LCLC槽106通過有源端子130向器械(未示出)輸出電外科能量。特別地，有源端子130提供高RF能量的連續(xù)的或脈沖的正弦波。有源端子130被配置成提供具有各種占空因數、峰值電壓、波峰因數和其他適當參數的多個波形。某些類型的波形適于特定的電外科模式。例如，有源端子130可以在切割模式中提供100%占空因數的正弦波，其最適于燒蝕、熔化和分割組織，并且可以在凝結模式中提供1-25%占空因數的波形，其最適于燒灼組織以止血。
[0030]返回端子132耦合到用于單極過程的返回墊(未示出)?？闪磉x地，返回端子132電耦合到器械上的返回電極(未示出)。
[0031]發(fā)生器100可以實施閉環(huán)和/或開環(huán)控制方案，其包括傳感器陣列120，傳感器陣列120具有測量各種組織和能量特性(例如，組織阻抗、組織溫度、輸出電流和/或電壓等)并且向PWM控制器110提供反饋的多個傳感器。電流傳感器122可以設置在有源或返回電流路徑或者二者中以提供輸出電流(10)。電壓傳感器124可以感測端子130和132處的電壓并且提供輸出電壓(V。輸出電流和輸出電壓被提供到傳感器陣列120。傳感器陣列120可以向PWM控制器110提供輸出電流和/或輸出電壓。然后，PWM控制器110向FET Ql、Q2、Q3和Q4發(fā)送適當的信號。PWM控制器110還接收來自發(fā)生器100或器械的輸入控件的輸入信號。PWM控制器110利用輸入信號來調整由發(fā)生器100輸出的功率和/或對其執(zhí)行其他控制功能。
[0032]傳感器電路120測量提供給LCLC槽106的輸入電壓(V1)、由有源端子130和返回端子132實時提供的輸出電壓(y0)和輸出電流(10)，以在手術期間表征電外科過程。這允許所測量的電特性被用作動態(tài)輸入控制變量以實現反饋控制。電流和電壓值也可用于導出其他電參數，諸如功率(P = ν*Ι)和阻抗(Z = V/I)。傳感器電路120還可測量電流和電壓波形的特性并且確定其形狀。
[0033]輸入電壓(V1)、輸出電壓(V。)和輸出電流(10)被提供到PWM控制器110以實現閉環(huán)反饋方案。如下面更詳細地描述的那樣，PWM控制器110的處理器112實施存儲在存儲器114中的算法以調整提供給FET Ql、Q2、Q3和Q4的PWM時序信號的死區(qū)時間。
[0034]圖2描繪了分別提供給FET Ql、Q2、Q3和Q4的PWM時序信號A、B、C和D的示例。如圖2所示，PWM信號A和B包括下降緣死區(qū)時間140和上升緣死區(qū)時間142。PWM信號C和D包括下降緣死區(qū)時間144和上升緣死區(qū)時間146。在此處所描述的實施例中使用時，死區(qū)時間是第一輸入信號的變化和第二輸入信號的變化之間的時間間隔。例如，死區(qū)時間140出現在信號A的下降緣和信號B的上升緣之間。死區(qū)時間140、142、144和146可以基本類似或可以根據下面將描述的算法而變化。
[0035]圖3A-3C描繪了由于各種死區(qū)時間情況而施加到LCLC槽106的電壓VS1。如圖3A所示，當死區(qū)時間大于最佳死區(qū)時間時，FET過渡將部分地處于零電壓切換(150)，部分地處于硬切換(152)。如圖3B所示，當死區(qū)時間小于最佳死區(qū)時間時，FET過渡將部分地處于零電壓切換(154)，部分地處于硬切換(156)。因此，當死區(qū)時間不是最佳時，FET過渡經歷硬切換(152、156)，導致FET的效率降低。圖3C描繪了最佳死區(qū)時間，其中FET過渡處于零電壓切換(158)，沒有硬切換。
[0036]在本公開一實施例中，根據圖4的流程圖所示的算法，對PWM時序信號的死區(qū)時間進行優(yōu)化。圖4所示的算法用于針對每對FET (即，第一對包括Ql和Q2，第二對包括Q3和Q4)測試FET過渡。結合圖1參照圖4，在步驟sl60中，將計數器初始化為零。計數器實施在處理器112中，或者可以作為PWM控制器110中的單獨組件來提供。計數器可用于計數RF周期數、持續(xù)時間等。在步驟sl62中，為FET過渡選擇初始死區(qū)時間。該死區(qū)時間可以是由制造商設置的預定死區(qū)時間，或者可以是用戶設置的死區(qū)時間。在步驟sl64中，傳感器電路120測量輸入電壓(V1)和輸出電壓(V。)，處理器112確定效率測度Et。在步驟sl66中，效率測度Et作為Ew存儲在存儲器114中。在步驟sl68中，傳感器電路120還測量輸出電流，處理器112使用輸出電流和輸出電壓測度來確定輸出阻抗或負載測度Lt。在步驟sl70中，負載測度Lt作為Lh存儲在存儲器114中。
[0037]在效率測度和負載測度作為Ew和Lh被存儲之后，在步驟sl72中，FET過渡的死區(qū)時間被增大。分別在步驟sl74和sl76中取得另一效率測度Et和負載測度Lt。在步驟sl78中，在Lt和、之間進行比較。如果Lt比Lw大或小X%，其中X是由制造商編程的或由用戶輸入的數，那么算法進行到步驟sl80，在步驟sl80中來自步驟sl76的負載測度Lt作為Lh被存儲，并且算法返回到步驟sl74。如果Lt不比Lh大或小X%，那么算法進行到步驟sl82，在步驟sl82中在Et和Ew之間進行比較。如果Et比Ew大Y%，其中Y是由制造商編程的或由用戶輸入的數，那么算法進行到步驟sl84，在步驟sl84中來自步驟sl74的效率測度Et作為Ew被存儲，并且算法返回到步驟sl72以增大死區(qū)時間。如果Et不比Eh大Y%，那么算法進行到步驟s 186，在步驟s 186中判斷Et是否比Et^1小Y%。如果Et比Et^1小Y%，那么算法進行到步驟sl88，在步驟sl88中減小死區(qū)時間。
[0038]在減小死區(qū)時間之后，算法進行到步驟sl90，在步驟sl90，來自步驟sl74效率測度Et作為Et_i被存儲。如果Et不比Ew小Y%，那么算法跳過步驟s188，進展到步驟sl90。當使用圖4的算法來優(yōu)化FET過渡的死區(qū)時間時，計數器持續(xù)運行，直到它達到預定值。當計數器在步驟sl60中達到預定值時，算法終止，并且對于不同的FET過渡重新開始。
[0039]在本公開的另一實施例中，根據圖5的流程圖所示的查找表(LUT)來優(yōu)化PWM時序信號的死區(qū)時間。LUT由制造商創(chuàng)建并且存儲在存儲器118中。具體而言，基于H橋的各種相移和負載測度，憑經驗導出最佳死區(qū)時間。然后，由制造商將最佳死區(qū)時間與對應的相移和負載測度數據一起存儲在LUT中。結合圖1參照圖5，在步驟sl90中，將計數器初始化為零。計數器實施在處理器112中或者可以作為PWM控制器110中的單獨的組件來提供。計數器可用于計數RF周期數、持續(xù)時間等。在步驟sl92中，由處理器112確定H橋的相移。相移在提供給H橋104中的兩對FET (Ql、Q2和Q3、Q4)的時序信號(即，時序信號A-B和C-D)之間。每對FET都以固定的占空因數(例如，50% )減去優(yōu)化的死區(qū)時間來操作。相移與提供給負載的輸出功率成比例。
[0040]在步驟sl94中，傳感器電路120測量輸出電流(10)和輸出電壓(V。)以確定諧振逆變器102的輸出阻抗或負載測度Lt。處理器112將H橋104的相移和負載測度Lt與存儲在PWM控制器110的存儲器114中的LUT中的數據進行比較。在步驟sl98中，基于H橋104的相移和負載測度Lt，處理器112確定PWM時序信號的最佳死區(qū)時間。具體而言，在步驟sl96中，將H橋104的相移和諧振逆變器102的負載測度與LUT中的相移和負載測度數據進行比較。然后，在步驟sl98中，處理器112確定與H橋的相移和諧振逆變器102的負載測度對應的最佳死區(qū)時間。在步驟s200中，將最佳死區(qū)時間應用到由PWM控制器輸出的PWM時序信號。
[0041]應理解，前面的說明僅是本公開的示范。在不偏離本公開的情況下，可以由本領域技術人員設計各種替代方案和修改。相應地，本公開旨在包含所有這樣的替代方案、修改和變化。參考附圖所描述的實施例只為了演示本公開的某些示例。與上文和/或所附權利要求書中所描述的那些沒有本質區(qū)別的其他元件、步驟、方法和技術也在本公開的范圍內。
【權利要求】
1.一種電外科發(fā)生器,包括: 包括H橋和槽的諧振逆變器； 被配置成測量所述槽的至少一個特性的傳感器陣列； 被配置成向所述H橋輸出第一脈寬調制PWM時序信號和第二 PWM時序信號的PWM控制器，其中所述PWM控制器基于由所述傳感器陣列測量的所述至少一個特性來控制所述第一PWM時序信號和所述第二 PWM時序信號之間的死區(qū)時間。
2.如權利要求1所述的電外科發(fā)生器，其中，所述傳感器陣列測量輸入電壓、輸出電壓和輸出電流，所述PWM控制器使用所述輸入電壓、所述輸出電壓和所述輸出電流來確定所述死區(qū)時間。
3.如權利要求2所述的電外科發(fā)生器，其中，所述PWM控制器基于所述輸入電壓和所述輸出電壓來計算效率測度。
4.如權利要求2所述的電外科發(fā)生器，其中，所述PWM控制器基于所述輸出電壓和所述輸出電流來計算負載測度。
5.如權利要求3所述的電外科發(fā)生器，其中，所述PWM控制器基于所述效率測度來控制所述死區(qū)時間。
6.如權利要求1所述的電外科發(fā)生器，其中，所述PWM控制器包括其上存儲有查找表的存儲器。
7.如權利要求6所述的電外科發(fā)生器，其中，所述PWM控制器確定所述H橋的相移。
8.如權利要求7所述的電外科發(fā)生器，其中，所述傳感器陣列測量輸出電壓和輸出電流，所述處理器基于所述輸出電壓和所述輸出電流來確定負載測度。
9.如權利要求8所述的電外科發(fā)生器，其中，所述PWM控制器通過將所述相移和所述負載測度與所述查找表中的數據進行比較來確定所述死區(qū)時間。
10.一種用于優(yōu)化諧振逆變器中的場效應晶體管FET過渡的死區(qū)時間的方法，所述方法包括: 初始化所述FET過渡的死區(qū)時間； 確定所述諧振逆變器的第一效率測度； 增大所述FET過渡的死區(qū)時間； 確定所述諧振逆變器的第二效率測度；以及 基于所述第一效率測度和所述第二效率測度之間的比較，調整所述死區(qū)時間。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，如果所述第二效率測度大于所述第一效率測度達預定百分比，則增大所述死區(qū)時間。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，如果所述第二效率測度小于所述第一效率測度達預定百分比，則減小所述死區(qū)時間。
13.一種用于優(yōu)化包括H橋和槽的諧振逆變器中的場效應晶體管FET過渡的死區(qū)時間的方法，所述方法包括: 確定施加到所述H橋的多個脈沖寬度調制信號之間的相移； 確定所述槽的負載測度； 將所述相移和所述負載測度與查找表進行比較； 基于所述相移和所述負載測度與所述查找表之間的比較結果，確定最佳死區(qū)時間；以及基于所述最佳死區(qū)時間，調整所述FET過渡的死區(qū)時間。
【文檔編號】A61B18/12GK104224309SQ201410254197
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權日:2013年6月24日
【發(fā)明者】J·H·約翰遜, J·A·吉爾伯特 申請人:柯惠有限合伙公司