本發(fā)明屬于核磁共振成像，具體涉及一種梯度放大器數(shù)字pwm控制方法。

背景技術：

1、梯度放大器是磁共振成像系統(tǒng)的重要組成部分，通常用于為磁共振成像系統(tǒng)中的梯度線圈提供電流。功能是在磁共振成像空間區(qū)域的x軸、y軸及z軸方向上產生磁場梯度，利用磁場梯度進行空間編碼以用于成像。

2、梯度放大器驅動梯度線圈以提供保真度達到滿足磁共振成像要求的準確電流，使得梯度線圈在成像空間產生一個線性變化的磁場，即梯度磁場。對于梯度放大器而言，其輸出電流的穩(wěn)定性、高電流變化率、低穩(wěn)態(tài)電流波動及波形跟蹤能力決定了梯度磁場性能的優(yōu)劣，而梯度磁場的性能直接影響著成像的質量以及對人體的診斷結果。

3、隨著磁共振成像系統(tǒng)需求的梯度放大器電流變化率越來越高，在梯度線圈電感等參數(shù)相對不變的情況下，需要梯度放大器的輸出電壓越來越高。而受當前可用的電力電子功率器件的技術參數(shù)限制，大電流高電壓的功率器件的開關頻率很低，硬開關頻率一般不到10khz，而開關頻率較高的大電流功率器件的電壓等級比較低，一般不超過1200v。為實現(xiàn)梯度放大器輸出的高電流變化率及低穩(wěn)態(tài)電流波動，國內外的設備廠家的設計方案大多選擇的是多電平的串聯(lián)結構，一部分廠家選擇低頻高壓管開關實現(xiàn)高電流變化率，疊加多路低頻高壓管移相開關實現(xiàn)低穩(wěn)態(tài)電流波動。

4、現(xiàn)有技術的缺點：多電平的串聯(lián)結構方案的梯度放大器，往往所需供電電源數(shù)量多，結構相對復雜，而且這種多電平的串聯(lián)結構在電源切變的時候，在梯度放大器輸出電壓上會有很難避開的切變瞬間的電壓抖動，這種抖動體現(xiàn)在輸出到梯度線圈的電流上，會有輕微的電流變化，這種輕微的電流變化在磁共振成像系統(tǒng)的高級成像上會產生圖像畸變，比如偽影，進而影響圖像診斷。

5、而采用低頻高壓管開關多路移相并聯(lián)的方案的梯度放大器，往往體積極為龐大，電力電子功率器件的開關損耗很大，電源效率低，且成本非常高。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷和不足，提供了一種通過特定pwm控制調節(jié)機制，控制相應電路結構的電力電子功率器件，調節(jié)輸出高壓脈沖占空比，實現(xiàn)以低電壓等級較高開關頻率的電力電子功率器件實現(xiàn)高電壓輸出且低紋波電流的梯度放大器設計，可以實現(xiàn)梯度放大器輸出的高電流變化率、低穩(wěn)態(tài)電流波動的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法。

2、本發(fā)明的技術解決方案是，一種梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，包括

3、pwm控制模塊，接收輸入控制與輸出電流反饋信號，數(shù)據(jù)處理后通過pid算法處理，生成實時誤差數(shù)據(jù)，通過特定pwm控制機制，將實時誤差數(shù)據(jù)對應生成多路pwm信號，對應控制每個電力電子功率器件的開關及持續(xù)時間，多路pwm信號輸出到功率輸出模塊；

4、功率輸出模塊接收多路pwm信號，驅動相應的電力電子功率器件，將高壓直流信號轉換成對應pwm信號的高壓脈沖信號，高壓脈沖信號由一定占空比的電壓v1和一定占空比的電壓v2組成，高壓脈沖信號輸出到輸出濾波模塊；

5、輸出濾波模塊將接收到的高壓脈沖信號，濾波成預期的直流電壓信號，并把該直流電壓加載到梯度放大器的負載兩端，形成所需精密電流信號，同時，經電流傳感器檢測輸出電流反饋信號。

6、優(yōu)選地，所述功率輸出模塊由不少于四個半橋電路結構組成，每兩個半橋電路為一組，其中，上半橋的工作電源電壓v1，下半橋的工作電源電壓v2，上半橋工作電源電壓v1的負端與下半橋工作電源電壓v2的正端相接，上半橋電路中間輸出節(jié)點與對應下半橋電路中間輸出節(jié)點短接，此短接點連接到輸出濾波模塊，不少于兩組相同配置的上述電路組成功率輸出模塊。

7、優(yōu)選地，所述pwm控制模塊生成的多路pwm信號，每組四個pwm信號，對應每組兩個半橋的電力電子功率器件的四個驅動端，根據(jù)實時誤差數(shù)據(jù)所產生的pwm信號，決定所驅動組兩個半橋所輸出的電壓及占空比。

8、優(yōu)選地，所述pwm控制模塊輸出的多路pwm信號驅動功率輸出模塊所形成的高壓脈沖信號，按照pwm控制邏輯，實現(xiàn)有序調整輸出電壓v1脈沖占空比或輸出電壓v2脈沖占空比，或者同時調整輸出電壓v1脈沖占空比和輸出電壓v2脈沖占空比。

9、優(yōu)選地，該pwm控制方法，根據(jù)實時誤差數(shù)據(jù)，生成相應占空比的多路pwm信號，調節(jié)各路pwm信號間的相位，在不增加電力電子器件開關頻率的前提下，使得有效輸出占空比在一個開關周期內實現(xiàn)四次，進而提高動態(tài)輸出電流和輸出電壓的有效開關頻率，降低輸出到梯度線圈的動態(tài)輸出紋波電流。

10、優(yōu)選地，不少于兩組相同配置的上述電路組成功率輸出模塊，根據(jù)實際需求可以是兩組、四組、六組或者八組上述電路的倍數(shù)組成功率輸出模塊，同時，特定pwm控制模塊輸出的多路pwm信號控制下，可以在相同功能組上述電路輸出之間產生一定的相位差，進一步提高輸出電流和輸出電壓的有效開關頻率，降低輸出到梯度線圈的輸出紋波電流。

11、優(yōu)選地，該pwm控制方法，通過優(yōu)化梯度放大器負載零電流輸出附近的pwm控制信號占空比，進而有效減少輸出紋波電流，同時降低輸出濾波模塊功率損耗，提升梯度放大器電源利用效率。

12、優(yōu)選地，該pwm控制方法，通過特定pwm控制機制，在根據(jù)實時誤差數(shù)據(jù)生成多路pwm信號時，可以交替調節(jié)各路pwm信號占空比，均衡各個電力電子器件開關及導通損耗，提高功率輸出模塊可靠性。

13、優(yōu)選地，所述上半橋的工作電源電壓v1，下半橋的工作電源電壓v2，兩個電源電壓可以是相等的v1＝v2，也可以是不相等的。實際應用中，兩個電源電壓基本相等更有利于pwm控制及綜合性能實現(xiàn)最佳。

14、本發(fā)明通過特定pwm控制調節(jié)機制，控制相應電路結構的電力電子功率器件，調節(jié)輸出高壓脈沖占空比，實現(xiàn)以低電壓等級較高開關頻率的電力電子功率器件實現(xiàn)高電壓輸出且低紋波電流的梯度放大器設計，可以實現(xiàn)梯度放大器輸出的高電流變化率、低穩(wěn)態(tài)電流波動。

技術特征：

1.一種梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，包括

2.根據(jù)權利要求1所述的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，所述功率輸出模塊由不少于四個半橋電路結構組成，每兩個半橋電路為一組，其中，上半橋的工作電源電壓v1，下半橋的工作電源電壓v2，上半橋工作電源電壓v1的負端與下半橋工作電源電壓v2的正端相接，上半橋電路中間輸出節(jié)點與對應下半橋電路中間輸出節(jié)點短接，此短接點連接到輸出濾波模塊，不少于兩組相同配置的上述電路組成功率輸出模塊。

3.根據(jù)權利要求1所述的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，所述pwm控制模塊生成的多路pwm信號，每組四個pwm信號，對應每組兩個半橋的電力電子功率器件的四個驅動端，根據(jù)實時誤差數(shù)據(jù)所產生的pwm信號，決定所驅動組兩個半橋所輸出的電壓及占空比。

4.根據(jù)權利要求1所述的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，所述pwm控制模塊輸出的多路pwm信號驅動功率輸出模塊所形成的高壓脈沖信號，按照pwm控制邏輯，實現(xiàn)有序調整輸出電壓v1脈沖占空比或輸出電壓v2脈沖占空比，或者同時調整輸出電壓v1脈沖占空比和輸出電壓v2脈沖占空比。

5.根據(jù)權利要求1所述的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，該pwm控制方法，根據(jù)實時誤差數(shù)據(jù)，生成相應占空比的多路pwm信號，調節(jié)各路pwm信號間的相位，在不增加電力電子器件開關頻率的前提下，使得有效輸出占空比在一個開關周期內實現(xiàn)四次，進而提高動態(tài)輸出電流和輸出電壓的有效開關頻率，降低輸出到梯度線圈的動態(tài)輸出紋波電流。

6.根據(jù)權利要求2所述的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，不少于兩組相同配置的上述電路組成功率輸出模塊，根據(jù)實際需求可以是兩組、四組、六組或者八組上述電路的倍數(shù)組成功率輸出模塊，同時，特定pwm控制模塊輸出的多路pwm信號控制下，可以在相同功能組上述電路輸出之間產生一定的相位差，進一步提高輸出電流和輸出電壓的有效開關頻率，降低輸出到梯度線圈的輸出紋波電流。

7.根據(jù)權利要求1所述的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，該pwm控制方法，通過優(yōu)化梯度放大器負載零電流輸出附近的pwm控制信號占空比，進而有效減少輸出紋波電流，同時降低輸出濾波模塊功率損耗，提升梯度放大器電源利用效率。

8.根據(jù)權利要求1所述的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，該pwm控制方法，通過特定pwm控制機制，在根據(jù)實時誤差數(shù)據(jù)生成多路pwm信號時，可以交替調節(jié)各路pwm信號占空比，均衡各個電力電子器件開關及導通損耗，提高功率輸出模塊可靠性。

9.根據(jù)權利要求1所述的梯度放大器數(shù)字pwm控制方法，其特征在于，所述上半橋的工作電源電壓v1，下半橋的工作電源電壓v2，兩個電源電壓可以是相等的v1＝v2，也可以是不相等的。

技術總結
本發(fā)明公開了一種梯度放大器數(shù)字PWM控制方法，包括PWM控制模塊，接收輸入控制與輸出電流反饋信號，數(shù)據(jù)處理后通過PID算法處理，生成實時誤差數(shù)據(jù)，通過特定PWM控制機制，將實時誤差數(shù)據(jù)對應生成多路PWM信號，對應控制每個電力電子功率器件的開關及持續(xù)時間；功率輸出模塊接收多路PWM信號，驅動相應的電力電子功率器件，將高壓直流信號轉換成對應PWM信號的高壓脈沖信號；輸出濾波模塊將接收到的高壓脈沖信號，濾波成預期的直流電壓信號，并把該直流電壓加載到梯度放大器的負載兩端，形成所需精密電流信號，同時，經電流傳感器檢測輸出電流反饋信號。本發(fā)明可以實現(xiàn)梯度放大器輸出的高電流變化率、低穩(wěn)態(tài)電流波動。

技術研發(fā)人員：張俊偉,陳軍
受保護的技術使用者：沈陽溢沃科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19