一種高壓大電流小紋波梯度放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高壓大電流小紋波梯度放大器，用于驅(qū)動(dòng)梯度線圈，進(jìn)而產(chǎn)生磁共振系統(tǒng)成像所需的梯度場(chǎng)。由信號(hào)處理及控制部分、高壓功率變換部分、低壓功率變換部分和低通濾波部分組成。本發(fā)明的高壓大電流小紋波梯度放大器，根據(jù)輸入輸出信號(hào)的不同特征，采用不同的功率變換部分，通過輸出濾波，快速精準(zhǔn)生成所需的目標(biāo)梯度場(chǎng)的同時(shí)，最大限度減小輸出紋波電流。本發(fā)明的梯度放大器，能夠簡化高壓大電流放大器設(shè)計(jì)，降低硬件成本，提升系統(tǒng)效能，最大程度優(yōu)化梯度系統(tǒng)性能。
【專利說明】一種高壓大電流小紋波梯度放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種梯度放大器，用于產(chǎn)生和控制磁共振成像系統(tǒng)內(nèi)的梯度線圈中的 脈沖電流。

【背景技術(shù)】
[0002] 梯度系統(tǒng)是指與梯度磁場(chǎng)有關(guān)的一切電路單元。它的功能是為系統(tǒng)提供線性度 和精度滿足要求的、可快速開關(guān)的梯度場(chǎng)，以便動(dòng)態(tài)地修改主磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)成像體素的空間定 位。梯度系統(tǒng)由梯度波形發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)作為梯度放大器的輸入，梯度放大器的電流 輸出驅(qū)動(dòng)三組梯度線圈，在成像空間內(nèi)產(chǎn)生梯度場(chǎng)，給出成像部位的空間坐標(biāo)，使圖像中各 像素與人體成像部位--對(duì)應(yīng)。
[0003] 梯度系統(tǒng)包括梯度波形發(fā)生器、梯度放大器和負(fù)載(梯度線圈）三部分?，F(xiàn)階段普 遍使用的梯度放大器，都采用單一的高壓功率變換結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)期乃至一段時(shí)間內(nèi)，高壓功率器 件無法實(shí)現(xiàn)高頻率開關(guān)，隨著高壓電壓要求的不斷升高，單一的高壓功率變換結(jié)構(gòu)，無法實(shí) 現(xiàn)短建立時(shí)間和低紋波電流兼得。同時(shí)，這種單一高壓功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式，隨著 高壓電壓越高，體積和成本越高，并且無法最大程度優(yōu)化梯度系統(tǒng)的性能，無法使系統(tǒng)的性 能發(fā)揮到極致。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足之處，本發(fā)明提出一種高壓大電流小紋波梯度放大 器。
[0005] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種高壓大電流小紋波梯度放大 器，信號(hào)處理及控制部分的輸出端連接高壓功率變換部分和低壓功率變換部分，高壓功率 變換部分和低壓功率變換部分的輸出端均連接低通濾波部分，其中，
[0006] 信號(hào)處理及控制部分，用于對(duì)輸入的梯度控制信號(hào)和來自傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行 處理，輸出PWM控制信號(hào)，并根據(jù)梯度控制信號(hào)和/或反饋信號(hào)的特征選通高壓功率變換部 分或低壓功率變換部分；
[0007] 高壓功率變換部分，用于將高壓電壓轉(zhuǎn)換為高壓脈沖；接收PWM控制信號(hào)，輸出高 壓脈沖至低通濾波部分；
[0008] 低壓功率變換部分，用于將低壓電壓轉(zhuǎn)換為低壓脈沖；接收PWM控制信號(hào)；輸出低 壓脈沖至低通濾波部分；
[0009] 低通濾波部分，用于完成高壓脈沖/低壓脈沖到負(fù)載兩端電壓差的轉(zhuǎn)換，輸出至 負(fù)載。
[0010] 所述信號(hào)處理及控制部分包括：
[0011] 輸入信號(hào)處理模塊，用于對(duì)梯度控制信號(hào)進(jìn)行整形、前饋處理；輸入端接收來自梯 度波形發(fā)生器的梯度控制信號(hào)；將處理完成后的信號(hào)輸出到信號(hào)處理單元和特征識(shí)別模 塊；
[0012] 反饋信號(hào)處理模塊，用于對(duì)來自傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行濾波放大，生成反饋信號(hào)， 所述反饋信號(hào)輸出至信號(hào)處理單元和特征識(shí)別模塊；
[0013] 特征識(shí)別模塊，用于接收輸入信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)和/或反饋信號(hào)處理模塊 的反饋數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)特征識(shí)別，輸出特征識(shí)別信號(hào)到信號(hào)處理單元；
[0014] 信號(hào)處理單元，用于完成PID控制、識(shí)別信息處理、通路開關(guān)控制、PWM數(shù)據(jù)生成功 能；輸出優(yōu)化的PWM數(shù)據(jù)和通路開關(guān)控制數(shù)據(jù)至高壓功率變換部分和低壓功率變換部分。
[0015] 當(dāng)所述梯度控制信號(hào)和/或來自傳感器的反饋信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)，所述信號(hào)處理 及控制部分通過ADC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
[0016] 所述信號(hào)處理及控制部分根據(jù)特征識(shí)別信號(hào)選通高壓功率變換部分和低壓功率 變換部分中的一個(gè)。
[0017] 所述特征識(shí)別信號(hào)用于識(shí)別梯度控制信號(hào)和/或反饋信號(hào)是邊沿過程或平穩(wěn)過 程。
[0018] 所述低壓功率變換部分中串聯(lián)開關(guān)器件，用于通路通斷的轉(zhuǎn)換。
[0019] 所述高壓功率變換部分中串聯(lián)開關(guān)器件，用于通路通斷的轉(zhuǎn)換。
[0020] 所述高壓功率變換部分包括一組或多組全橋功率變換器。
[0021] 所述低壓功率變換部分包括一組或多組全橋功率變換器。
[0022] 所述信號(hào)處理及控制部分輸出的優(yōu)化的PWM控制信號(hào)，根據(jù)輸出指向的功率變換 部分，進(jìn)行相應(yīng)頻率的PWM控制。
[0023] 本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1.本發(fā)明采用高壓功率變換和低壓功率變換相結(jié)合的拓?fù)湓O(shè)計(jì)；本發(fā)明設(shè)計(jì)的 梯度放大器，將實(shí)現(xiàn)短建立時(shí)間的高壓功率變換和實(shí)現(xiàn)低紋波的低壓功率變換分別進(jìn)行設(shè) 計(jì)，能夠降低硬件成本，簡化整體設(shè)計(jì)難度。
[0025] 2.本發(fā)明根據(jù)特征識(shí)別信息，選擇高壓功率變換或低壓功率變換，實(shí)現(xiàn)短建立時(shí) 間和低紋波，提升系統(tǒng)效率，最大程度優(yōu)化梯度系統(tǒng)性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)框圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明的信號(hào)處理及控制部分結(jié)構(gòu)框圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明的高壓功率變換部分帶可選通路開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)框圖；
[0029] 圖4是本發(fā)明的可擴(kuò)展的兩組功率變換部分的結(jié)構(gòu)框圖；
[0030] 圖5是本發(fā)明的可擴(kuò)展的多電感濾波部分的結(jié)構(gòu)框圖；
[0031] 圖6是本發(fā)明的信號(hào)處理單元的結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0033] 本發(fā)明的梯度放大器如圖1所示，由信號(hào)處理及控制部分1-1、高壓功率變換部分 1-2、低壓功率變換部分1-3和低通濾波部分1-4組成。
[0034] 系統(tǒng)采用高壓功率變換和低壓功率變換相結(jié)合，能根據(jù)信號(hào)的特征識(shí)別信息，自 動(dòng)選擇高壓功率變換和低壓功率變換，并通過信號(hào)處理和變頻優(yōu)化，形成驅(qū)動(dòng)功率部分的 PWM控制信號(hào)，功率部分輸出經(jīng)過低通濾波部分濾波，驅(qū)動(dòng)梯度線圈，產(chǎn)生所需的快速切換、 低紋波的目標(biāo)梯度場(chǎng)。
[0035] 如圖2所示，本發(fā)明的信號(hào)處理及控制部分1-1由以下幾部分組成：
[0036] 輸入信號(hào)處理模塊2-1，用于對(duì)梯度的輸入信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行波形整定、引入前饋等 處理；輸入端接收來自梯度波形發(fā)生器的梯度控制信號(hào)或數(shù)據(jù)；將處理完成的輸入數(shù)據(jù)輸 出到信號(hào)處理單元2-4和特征識(shí)別模塊2-2 ;如果輸入信號(hào)為全數(shù)字形式的數(shù)據(jù)格式，這部 分處理也可融入到特征識(shí)別模塊2-2或信號(hào)處理單元2-4中。
[0037] 特征識(shí)別模塊2-2,用于識(shí)別來自輸入信號(hào)處理模塊2-1的輸入數(shù)據(jù)和（或）反饋 信號(hào)處理模塊2-3的反饋數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)特征識(shí)別；輸出特征識(shí)別信息到信號(hào)處理單 元2-4 ;也就是說，特征識(shí)別可以是對(duì)輸入信號(hào)的特征進(jìn)行識(shí)別，可以是對(duì)反饋信號(hào)的特征 進(jìn)行識(shí)別，也可以是對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)相結(jié)合來進(jìn)行特征識(shí)別。一般來講，對(duì)輸入信號(hào) 進(jìn)行特征識(shí)別，使用其引入的前饋進(jìn)行預(yù)期判斷，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)及輸出延遲都會(huì)大有改觀。特 征識(shí)別，主要是識(shí)別當(dāng)前信號(hào)所處階段：邊沿或者平穩(wěn)期。如果識(shí)別到的是邊沿階段，則可 采用高壓功率變換部分進(jìn)行變換，以便達(dá)到輸出電流快速切換的目的；如果識(shí)別到的是平 穩(wěn)期，則采用低壓功率變換部分進(jìn)行變換，以便達(dá)到輸出電流的更加穩(wěn)定，小紋波電流。
[0038] 反饋信號(hào)處理模塊2-3,用于完成反饋信號(hào)處理，可能包含的信號(hào)處理：反饋信號(hào) 濾波、增益調(diào)節(jié)、數(shù)字化處理（ADC)等，處理后的數(shù)據(jù)輸出至信號(hào)處理單元2-4 ;輸入端接收 來自傳感器的波形數(shù)據(jù)；反饋信號(hào)相對(duì)輸入信號(hào)會(huì)有一定的延遲，計(jì)算或參考這個(gè)延遲，設(shè) 計(jì)和優(yōu)化功率變換部分之間的切換，使切換更順暢平穩(wěn)。
[0039] 信號(hào)處理單元2-4,如圖6所示，完成PID控制、識(shí)別信息處理、通路開關(guān)控制、PWM 數(shù)據(jù)生成功能；輸入端接收來自輸入信號(hào)處理模塊2-1的輸入數(shù)據(jù)；輸入端接收來自特征 識(shí)別模塊2-2的識(shí)別信息；輸入端接收來自反饋信號(hào)處理模塊2-3的反饋數(shù)據(jù)；輸出優(yōu)化 的PWM數(shù)據(jù)和通路開關(guān)控制數(shù)據(jù)至高壓功率變換部分和低壓功率變換部分。PID控制這里 不在這里專利里闡述。信號(hào)處理單元對(duì)得到的特征識(shí)別信息進(jìn)行處理，判斷并給出高低壓 功率部分切換的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，并給出相應(yīng)通路開關(guān)的通路控制信號(hào)。同時(shí)，信號(hào)處理單 元根據(jù)PID控制實(shí)時(shí)生成PWM數(shù)據(jù)，作為更優(yōu)化設(shè)計(jì)，通路狀態(tài)信息也可引入到PWM數(shù)據(jù)生 成，使PWM在不同階段采用不同的開關(guān)頻率，這樣，既可實(shí)現(xiàn)高壓功率轉(zhuǎn)換時(shí)低開關(guān)損耗， 又可實(shí)現(xiàn)在低壓功率變換時(shí)輸出超低紋波電流，極大提高系統(tǒng)性能。
[0040] 信號(hào)處理及控制部分1-1，可以是由模擬信號(hào)形式處理與控制，可以是以數(shù)字信號(hào) 形式處理與控制，也可以是由模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混合處理與控制。
[0041] 高壓功率變換部分1-2,用于完成高壓電壓源到高壓脈沖的轉(zhuǎn)換；輸入端連接信 號(hào)處理及控制部分1-1，接收PWM控制信號(hào)；輸出高壓脈沖至低通濾波部分1-4。高壓功率 變換部分主要由高壓功率器件及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、吸收等器件組成，同時(shí)，高壓功率變換 部分也可在輸出環(huán)節(jié)加通路開關(guān)，如圖3中的S3、S4所示，通路開關(guān)起到保護(hù)環(huán)路器件、弓丨 導(dǎo)工作電流路徑等作用，在高壓功率變換部分，通路開關(guān)不是必須加入的。
[0042] 低壓功率變換部分1-3,用于完成低壓電壓源到低壓脈沖的轉(zhuǎn)換；輸入端連接信 號(hào)處理及控制部分1-1，接收PWM控制信號(hào)；輸出低壓脈沖至低通濾波部分1-4 ;低壓功率 變換部分主要由低壓功率器件及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、吸收等器件組成，同時(shí)，低壓功率變換 部分應(yīng)在輸出環(huán)節(jié)加通路開關(guān)，如圖2和圖3中的SI、S2所示，通路開關(guān)起到保護(hù)環(huán)路器 件、引導(dǎo)工作電流路徑等作用。低壓功率變換部分器件，相對(duì)于高壓功率變換部分的功率器 件，工作開關(guān)頻率高對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)有很大改善。
[0043] 所述高壓大電流小紋波梯度放大器拓?fù)湓O(shè)計(jì)，圖1和圖2是其中一種一組高壓全 橋功率變換和一組低壓全橋功率變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以擴(kuò)展為兩組高壓全橋功率變換和兩 組低壓全橋功率變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。也可以擴(kuò)展為三組、四組、到N組高壓全橋 功率變換和低壓全橋功率變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，也可以高壓全橋功率變換和低壓全橋功 率變換數(shù)量不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但基本實(shí)現(xiàn)原理不變。
[0044] 圖1、圖3、圖4、圖5所示的K1、K2…K18組成的結(jié)構(gòu)只是一種示意，其組成結(jié)構(gòu)可 以由一個(gè)全橋組成，或者由多個(gè)全橋并聯(lián)，也可以由多個(gè)全橋移相后并聯(lián)組成。
[0045] 通路開關(guān)可以是高壓開關(guān)功率器件，如IGBT、M0S管或其他器件，也可以是其他可 實(shí)現(xiàn)類似功能的器件或組件。
[0046] 低通濾波部分1-4,用于完成高壓(或低壓)脈沖到負(fù)載兩端穩(wěn)定電壓差的轉(zhuǎn)換；輸 入端連接高壓功率變換部分1-2和低壓功率變換部分1-3,接收高壓脈沖或低壓脈沖信號(hào)， 將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成負(fù)載兩端穩(wěn)定電壓差，形成預(yù)期電流；輸出至負(fù)載(梯度線圈）。
[0047] 所述低通濾波部分1-4中的電感，可以是一組電感，可以是耦合電感，可以是多組 電感并聯(lián)，也可以是多組電感串聯(lián)，也可以是串聯(lián)和并聯(lián)的組合。
[0048] 所述低通濾波部分1-4中的電感，如圖5所示，可以在功率變換半橋輸出后引入電 感Lll、L12、L21、L22,并聯(lián)后接到輸出電感LI、L2,也可不接輸出電感LI、L2,并聯(lián)后直接 連接輸出電容。圖中所示電感，根據(jù)高壓功率變換部分和低壓功率變換部分的所用結(jié)構(gòu)和 數(shù)量，做相應(yīng)調(diào)整設(shè)計(jì)。圖中所示電感，為示意電感，可以是一組或多組電感組成的耦合電 感，可以是多組電感并聯(lián)，也可以是多組電感串聯(lián)，也可以是串聯(lián)和并聯(lián)的組合。
[0049] 所述低通濾波部分，分別將正負(fù)兩端的一定占空比的高壓脈沖濾波成相應(yīng)的直流 電壓，在負(fù)載線圈兩端形成電壓差，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)負(fù)載線圈內(nèi)的電流，使其達(dá)到輸出預(yù)期電 流。電感電容濾波器件，組成相對(duì)于開關(guān)頻率下的低通濾波。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)有效工作脈沖時(shí)低 感抗，其他時(shí)間高感抗，降低內(nèi)部損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。
【權(quán)利要求】
1. 一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于，信號(hào)處理及控制部分（1-1)的輸 出端連接高壓功率變換部分（1-2)和低壓功率變換部分（1-3)，高壓功率變換部分（1-2)和 低壓功率變換部分（1-3)的輸出端均連接低通濾波部分（1-4)，其中， 信號(hào)處理及控制部分（1-1)，用于對(duì)輸入的梯度控制信號(hào)和來自傳感器的反饋信號(hào)進(jìn) 行處理，輸出PWM控制信號(hào)，并根據(jù)梯度控制信號(hào)和/或反饋信號(hào)的特征選通高壓功率變換 部分（1-2)或低壓功率變換部分（1-3); 高壓功率變換部分（1-2)，用于將高壓電壓轉(zhuǎn)換為高壓脈沖；接收PWM控制信號(hào)，輸出 高壓脈沖至低通濾波部分（1-4); 低壓功率變換部分（1-3)，用于將低壓電壓轉(zhuǎn)換為低壓脈沖；接收PWM控制信號(hào)；輸出 低壓脈沖至低通濾波部分（1-4); 低通濾波部分（1-4)，用于完成高壓脈沖/低壓脈沖到負(fù)載兩端電壓差的轉(zhuǎn)換，輸出至 負(fù)載。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：所述信號(hào) 處理及控制部分（1-1)包括： 輸入信號(hào)處理模塊（2-1 )，用于對(duì)梯度控制信號(hào)進(jìn)行整形、前饋處理；輸入端接收來自 梯度波形發(fā)生器的梯度控制信號(hào)；將處理完成后的信號(hào)輸出到信號(hào)處理單元（2-4)和特征 識(shí)別模塊（2_2); 反饋信號(hào)處理模塊（2-3)，用于對(duì)來自傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行濾波放大，生成反饋信 號(hào)，所述反饋信號(hào)輸出至信號(hào)處理單元（2-4)和特征識(shí)別模塊（2-2); 特征識(shí)別模塊（2-2)，用于接收輸入信號(hào)處理模塊（2-1)輸出的信號(hào)和/或反饋信號(hào)處 理模塊（2-3)的反饋數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)特征識(shí)別，輸出特征識(shí)別信號(hào)到信號(hào)處 理單元（2-4); 信號(hào)處理單元（2-4)，用于完成PID控制、識(shí)別信息處理、通路開關(guān)控制、PWM數(shù)據(jù)生成 功能；輸出優(yōu)化的PWM數(shù)據(jù)和通路開關(guān)控制數(shù)據(jù)至高壓功率變換部分（1-2)和低壓功率變 換部分（1-3)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：當(dāng)所 述梯度控制信號(hào)和/或來自傳感器的反饋信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)，所述信號(hào)處理及控制部分 (1-1)通過ADC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：所述 信號(hào)處理及控制部分（1-1)根據(jù)特征識(shí)別信號(hào)選通高壓功率變換部分（1-2)和低壓功率變 換部分（1-3)中的一個(gè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：所述特征 識(shí)別信號(hào)用于識(shí)別梯度控制信號(hào)和/或反饋信號(hào)是邊沿過程或平穩(wěn)過程。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：所述低壓 功率變換部分（1-3)中串聯(lián)開關(guān)器件（S1、S2)，用于通路通斷的轉(zhuǎn)換。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：所述高壓 功率變換部分（1-2 )中串聯(lián)開關(guān)器件（S3、S4 )，用于通路通斷的轉(zhuǎn)換。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：所述高壓 功率變換部分（1-2)包括一組或多組全橋功率變換器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：所述低壓 功率變換部分（1-3)包括一組或多組全橋功率變換器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓大電流小紋波梯度放大器，其特征在于：所述信號(hào) 處理及控制部分（1-1)輸出的優(yōu)化的PWM控制信號(hào)，根據(jù)輸出指向的功率變換部分，進(jìn)行相 應(yīng)頻率的PWM控制。
【文檔編號(hào)】G01R33/385GK104142483SQ201310162916
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月7日
【發(fā)明者】孔祥林, 吳繼鋒, 施金泉, 盧廣 申請(qǐng)人:遼寧開普醫(yī)療系統(tǒng)有限公司