CN103675730A - 维持梯度线圈驱动器电路中软开关条件的系统和方法 - Google Patents

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CN103675730A CN201310416651.4A CN201310416651A CN103675730A CN 103675730 A CN103675730 A CN 103675730A CN 201310416651 A CN201310416651 A CN 201310416651A CN 103675730 A CN103675730 A CN 103675730A
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Abstract

在一个实施例中，系统包括梯度线圈驱动器，其配置成向磁共振成像系统的梯度线圈供应电信号。该梯度线圈驱动器包括电子电路。该电子电路包括电耦合于电源的第一H桥电路。该第一H桥包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；和与每个MOSFET开关并联电耦合的多个二极管。多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势。第一H桥还包括负载，其配置成调节流过多个二极管中的每个以及多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。

Description

维持梯度线圈驱动器电路中软开关条件的系统和方法
背景技术
一般，磁共振成像（MRI）检查基于一次磁场、射频（RF）磁场和在感兴趣受检者（例如患者）内具有带核自旋的旋磁材料的时变磁梯度场之间的交互。某些旋磁材料（例如水分子中的氢核）具有响应于外部磁场的特征行为。这些核的自旋进动可以通过操纵场来产生可以被检测、处理并且用于重建有用图像的RF信号而受到影响。
用于在MRI系统中生成图像的磁场包括高度均匀的静态磁场，其由一次场磁体产生。一系列梯度场由位于受检者周围的一组梯度线圈产生。这些梯度场对单独平面或体积元素（像素或体素）在二维或三维中的位置编码。采用RF线圈来产生RF磁场。该RF磁场扰乱旋磁核中的一些从它们平衡方向的自旋，从而促使自旋在它们的平衡磁化轴周围进动。在该进动期间，RF场由自旋的进动核发射并且被相同的传送RF线圈或被一个或多个独立线圈检测。这些信号被简化、过滤和数字化。然后使用一个或多个算法来处理数字化信号以重建有用图像。
发明内容
在一个实施例中，系统包括梯度线圈驱动器，其配置成向磁共振成像系统的梯度线圈供应电信号。该梯度线圈驱动器包括电子电路。该电子电路包括电耦合于电源的第一H桥电路。该第一H桥包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；和与每个MOSFET开关并联电耦合的多个二极管。多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势。第一H桥还包括负载，其配置成调节流过多个二极管中的每个以及多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
在另一个实施例中，提供改进装备，其包括配置成替换梯度线圈驱动器中现有的电子电路的电子电路，该梯度线圈驱动器配置成向磁共振成像系统的梯度线圈供应电信号。该电子电路包括电耦合于电源的第一H桥电路。该第一H桥包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；和与每个MOSFET开关并联电耦合的多个二极管。多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势。第一H桥电路还包括负载，其配置成调节流过多个二极管中的每个以及多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
在另一个实施例中，提供磁共振成像（MRI）系统，其包括：一次场磁体，其配置使患者内的旋磁核处于平衡磁化；多个梯度线圈，其配置成响应于施加的电压将位置信息编码到旋磁核中；射频（RF）传送线圈，其配置成扰乱旋磁核使其远离它们的平衡磁化；以及控制电路，其耦合于梯度线圈、RF传送线圈和多个RF接收线圈。该控制电路配置成向梯度、RF传送线圈或其的任何组合施加控制信号。系统还包括电力系统，其配置成驱动施加于多个梯度线圈的电压。电力系统包括梯度线圈驱动器电路，其配置成向梯度线圈中的至少一个供应电信号。该梯度线圈驱动器包括电子电路。该电子电路包括电耦合于电源的一个或多个H桥电路。该一个或多个H桥每个包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；和与每个MOSFET开关并联电耦合的多个二极管。多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势。该一个或多个H桥每个还包括负载，其配置成调节流过多个二极管中的每个以及多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
提供一种系统，其包括：
梯度线圈驱动器，其配置成向磁共振成像系统的梯度线圈供应电信号，其中所述梯度线圈驱动器包括：
电子电路，所述电子电路包括：
第一H桥电路，其电耦合于电源，其中所述第一H桥包括：
多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；
多个二极管，其与每个MOSFET开关并联电耦合，其中所述多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨所述多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势；以及
负载，其配置成调节流过所述多个二极管中的每个以及所述多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
优选的，所述系统包括数字控制器，所述数字控制器配置成向所述MOSFET开关的栅极施加信号以在所述负载的任一侧上实现周期性电压信号，其中所述周期性电压信号的相移角和占空比值由所述数字控制器确定来确定所述电子电路的输出电压信号的特性。
优选的，所述输出电压信号的特性包括所述输出电压信号的占空比、所述电压信号的幅度或其组合。
优选的，每个MOSFET开关是SiC MOSFET开关。
优选的，所述负载包括一个或多个电感器。
优选的，所述多个MOSFET开关包括设置在所述第一H桥的第一桥臂上的第一和第二MOSFET开关，和设置在所述第一H桥的第二桥臂上的第三和第四MOSFET开关。
优选的，所述负载的第一侧上的第一电压参考定位在所述第三和第四MOSFET开关之间的第二桥臂上，并且所述负载的第二侧上的第二电压参考定位在所述第一和第二MOSFET开关之间的第一桥臂上。
优选的，所述电子电路包括电耦合于所述电源的第二H桥电路，所述系统包括：
额外的多个MOSFET开关；
额外的多个二极管，其与所述额外的多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关并联电耦合，其中所述额外的多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨所述额外的多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的电压电势；以及
额外的负载，其配置成调节流过所述额外的多个二极管中的每个以及所述额外的多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
优选的，所述多个二极管中的每个二极管配置成将电流从所述多个MOSFET开关中的一个的源极传导到漏极使得跨所述MOSFET的漏极与源极的电压在向所述MOSFET的栅极施加电压来传导电流之前大致上是零。
提供一种改进装备，包括：
电子电路，其配置成替换梯度线圈驱动器中现有的电子电路，所述梯度线圈驱动器配置成向磁共振成像系统的梯度线圈供应电信号；并且
其中所述电子电路包括：
第一H桥电路，其电耦合于电源，其中所述第一H桥包括：
多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；
多个二极管，其与每个MOSFET开关并联电耦合，其中所述多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨所述多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势；以及
负载，其配置成调节流过所述多个二极管中的每个以及所述多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
优选的，所述装备包括数字控制器，所述数字控制器配置成向所述MOSFET开关的栅极施加信号以在所述负载的任一侧上实现周期性电压信号，其中所述周期性电压信号的相移角和占空比值由所述数字控制器确定来确定所述电子电路的输出电压信号的特性。
优选的，所述输出电压信号的特性包括所述输出电压信号的占空比、所述电压信号的幅度或其组合。
优选的，所述多个MOSFET开关包括设置在所述第一H桥的第一桥臂上的第一和第二MOSFET开关，和设置在所述第一H桥的第二桥臂上的第三和第四MOSFET开关，其中所述负载的第一侧上的第一电压参考定位在所述第三和第四MOSFET开关之间的第二桥臂上，并且所述负载的第二侧上的第二电压参考定位在所述第一和第二MOSFET开关之间的第一桥臂上。
优选的，所述电子电路包括电耦合于所述电源的第二H桥电路，所述系统包括：
额外的多个MOSFET开关；
额外的多个二极管，其与所述额外的多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关并联电耦合，其中所述额外的多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨所述额外的多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的电压电势；以及
额外的负载，其配置成调节流过所述额外的多个二极管中的每个以及所述额外的多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
优选的，所述多个二极管中的每个二极管配置成将电流从所述多个MOSFET开关中的一个的源极传导到漏极使得跨所述MOSFET的漏极与源极的电压在向所述MOSFET的栅极施加电压来传导电流之前大致上是零。
优选的，每个MOSFET开关是SiC MOSFET开关。
优选的，所述负载包括一个或多个电感器。
提供一种磁共振成像（MRI）系统，其包括：
一次场磁体，其配置使患者内的旋磁核处于平衡磁化；
多个梯度线圈，其配置成响应于施加的电压而将位置信息编码到所述旋磁核中；
射频（RF）传送线圈，其配置成扰乱所述旋磁核使其远离它们的平衡磁化；
控制电路，其耦合于所述梯度线圈、所述RF传送线圈和所述多个RF接收线圈，其中所述控制电路配置成向所述梯度、所述RF传送线圈或其的任何组合施加控制信号；以及
电力系统，其配置成驱动施加于所述多个梯度线圈的电压，其中所述电力系统包括：
梯度线圈驱动器电路，其配置成向所述梯度线圈中的至少一个供应电信号，其中所述梯度线圈驱动器包括：
电子电路，所述电子电路包括：
一个或多个H桥电路，其电耦合于电源，其中所述一个或多个H桥每个包括：
多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；
与每个MOSFET开关并联电耦合的多个二极管，其中所述多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨所述多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势；以及
负载，其配置成调节流过所述多个二极管中的每个以及所述多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
优选的，所述系统包括：
AC电源，其配置成提供电力；
二极管整流器，其配置成将所述电力的交流转换成直流；以及
高频隔离的DC到DC转换器，其配置成将电力的第一电压转换成电力的第二电压，其中所述转换器配置成向所述第一H桥提供电力。
优选的，所述梯度线圈驱动器配置成利用所述MOSFET开关的软开关来防止开关损耗。
附图说明
当下列详细描述参照附图（其中所有图中类似的符号代表类似的部件）阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1是根据本公开的方面配置成执行数据采集和图像重建的磁共振成像系统的实施例的示意图示。
图2是根据本公开的实施例驱动磁共振成像（MRI）机器的梯度线圈的电力系统的系统级图；
图3是根据本公开的方面图示梯度线圈驱动电路的开关电路的电路图；
图4是根据本公开的方面描绘碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中的零电压开关的条件的曲线图；
图5是根据本公开的方面示出在梯度线圈驱动电路的电感负载的任一侧上的可能电压与流过该电感负载的电流之间的关系的电压和电流分布；
图6是根据本公开的方面示出在梯度线圈驱动电路的电感负载的任一侧上的可能电压与流过该电感负载的电流之间的关系的电压和电流分布，以及标出梯度线圈驱动电路中的装置允许电流流动的时间的时间分布；
图7是示出两相H桥梯度驱动电路的每个侧的电感负载的任一侧上的可能电压与供应给梯度线圈的输出电压之间的关系的电压分布；
图8是根据本公开的方面示出两相H桥梯度驱动电路的每个侧的电感负载的任一侧上的可能电压与供应给梯度线圈的输出电压之间的关系的电压分布；
图9是根据本公开的方面在视觉上描绘占空比和相移的区域的曲线图，对于其零电压开关在梯度驱动电路中的SiC MOSFET中是可能的；以及
图10是根据本公开的方面描绘基于占空比和相移角的零电压开关的边界的电压和电流分布。
具体实施方式
将在下文描述一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简洁说明，实际实现的所有特征可不在说明书中描述。应该意识到在任何这样的实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实现特定的决定来达到开发者的特定目标，例如遵守系统相关和业务相关的约束，其可在实现之间变化。此外，应该意识到这样的开发努力可能是复杂并且耗时的，但对于具有该公开的利益的那些普通技术人员仍将是设计、制作和制造的例行任务。
当介绍本发明的各种实施例的要素时，冠词“一（a/an）”、“该”和“所述”意在表示存在要素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意在为包括性的并且表示可存在除列出的要素外的额外要素。
如上文指出的，在MRI中，由梯度线圈生成的梯度场对单独平面或体积元素（像素或体素）在二维或三维中的位置编码。为了实现这样的编码，每个梯度线圈必须能够对它的磁场强度和方向生成快且准确的修改。一般，采用梯度驱动器电路来生成用于对于每个梯度线圈的磁场创建快且准确修改的变化的电压信号。驱动器电路可包括一系列开关电路，其在常规系统中硬开关来产生变化的电压信号。
遗憾地，硬开关这些开关电路可以在系统中生成大量的开关损耗，从而使得驱动器庞大且低效。对于MRI的高功率高电压要求，尽管可以增加硬开关电路的操作频率来减少无源组件的尺寸和重量以试图减少响应时间，由于硬开关梯度驱动器电路而引起的相对高的开关损耗量可以致使这样的驱动器不充分或经受进一步的改进。例如，这样的电路中的硬开关可以产生快的电流或电压瞬态，从而导致电磁干扰噪声，其对于MRI应用特别成问题。
本实施例涉及对于能够维持例如碳化硅（SiC）MOSFET开关的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关或绝缘栅双极晶体管（IGBT）开关的软开关条件的梯度驱动电路的系统和方法。实际上，尽管本公开在MOSFET开关的上下文下呈现某些实施例，应该注意本文公开的这些MOSFET开关中的一些或全部可被IGBT开关所代替。例如，在一个实施例中，梯度驱动电路包括两相H桥电路。数字控制器可控制梯度驱动电路的开关以跨两相H桥电路的每侧上的电感负载（例如，梯度线圈）对施加电压信号。两相H桥电路的每侧上的电压信号以相同的占空比和脉宽调制分布操作，但在电感负载对的任一侧上的电压信号之间具有灵活的相移。施加于电感负载对的任一侧的电压信号之间的相移连同通过二极管（其连接每个MOSFET（或IGBT）的源极和漏极）的电流一起实现SiC MOSFET开关（或IGBT）的软开关，从而改进系统的效率并且使系统尺寸减小。
使用本文描述的软开关梯度线圈驱动器电路，MRI系统可采用快速且受控的方式执行数据采集。采集的数据以及从其处合成的图像例如可以使用MRI系统来重建。参考图1，磁共振成像系统10示意地图示为包括扫描仪12、扫描仪控制电路14和系统控制电路16，其在一起用于采集磁共振数据并且产生感兴趣受检者的图像。系统10另外包括例如图片存档和通信系统（PACS）18的远程访问和存储系统或装置，或例如远程放射设备的其他装置使得可现场或非现场地访问由系统10采集的数据。尽管MRI系统10可包括任何适合的扫描仪或检测器，在图示的实施例中，系统10包括具有壳体20的全身扫描仪12，通过该壳体20形成膛22。台24能移动到膛22内以允许患者26定位在其中用于对患者内的选择解剖结构成像。
扫描仪12包括一系列关联的线圈，用于产生受控磁场用于激发成像的受检者的解剖结构内的旋磁材料。具体地，提供一次磁体线圈28，用于生成大体上与膛22对齐的一次磁场。一系列梯度线圈30、32和34（其中的全部或一些可由本文描述的梯度线圈驱动器电路控制）允许生成受控磁梯度场用于在检查序列期间患者26内旋磁核中的某些的位置编码。提供射频（RF）线圈36，并且其配置成生成射频脉冲用于激发患者内的某些旋磁核。除可以对扫描仪12是本地的线圈外，系统10还包括一组接收线圈38（例如，线圈阵列），其配置成用于接近（例如，靠着）患者26的安置。接收线圈38可具有任何几何形状，其包括封闭和单面几何形状两者。作为示例，接收线圈38可以包括颈部/胸部/腰部（CTL）线圈、头部线圈、单面脊柱线圈等等。大体上，接收线圈38接近患者26而放置或放置在患者26顶部上以便在患者26内的旋磁核返回它们的松弛态时接收由它们中的某些生成的弱RF信号（相对于由扫描仪线圈生成的传送脉冲是弱的）。可关闭接收线圈38以便不接收由扫描仪线圈生成的传送脉冲或不与之共振，并且可接通以便接收由松弛的旋磁核生成的RF信号或与之共振。
系统10的各种线圈由外部电路控制来生成期望的场和脉冲，并且采用受控的方式读取来自旋磁材料的发射。在图示的实施例中，主电力供应40向一次场线圈28提供电力。提供驱动器电路42（其根据本实施例包括软开关梯度线圈驱动器电路），用于使梯度场线圈30、32和34脉动。软开关梯度线圈驱动器电路的方面在下文关于图2-10进一步详细论述。
大体上，电路42可包括放大和控制电路，用于如由扫描仪控制电路14输出的数字化脉冲序列限定的那样向线圈供应电流。提供另一个控制电路44，用于调节RF线圈36的操作。电路44包括用于在活动和不活动操作模式之间交替的开关装置，其中RF线圈36相应地传送或不传送信号。电路44还包括放大电路，用于生成RF脉冲。相似地，接收线圈38连接到开关46，其能够在接收和非接收模式之间开关接收线圈38。另外，提供接收电路48，用于接收由接收线圈38检测的数据，并且可包括一个或多个复用和/或放大电路。
应该注意，尽管上文描述的扫描仪12和控制/放大电路图示为通过单个线路而耦合，在实际安装中可存在许多这样的线路或连接。例如，独立线路可用于控制、数据通信等等。另外，适合的硬件可沿每个类型的线路设置用于正确地处理数据。实际上，各种过滤器、数字化仪和处理器可设置在扫描仪与扫描仪和系统控制电路14、16中的任一个或两个之间。
如图示的，扫描仪控制电路14包括接口电路50，其输出用于驱动梯度场线圈和RF线圈并且用于接收代表在检查序列中产生的磁共振信号的数据的信号。接口电路50耦合于控制和分析电路52。控制和分析电路52基于经由系统控制电路16选择的限定协议来执行用于驱动电路42和44的命令。控制和分析电路52还起到接收磁共振信号并且在将数据传送到系统控制电路16之前执行后续处理的作用。扫描仪控制电路14还包括一个或多个存储器电路54，其在操作期间存储配置参数、脉冲序列描述、检查结果等等。接口电路56耦合于控制和分析电路52用于在扫描仪控制电路14与系统控制电路16之间交换数据。
系统控制电路16包括接口电路58，其从扫描仪控制电路14接收数据并且将数据和命令传送回到扫描仪控制电路14。接口电路58耦合于控制和分析电路60，其可包括多用或专用计算机或工作站中的CPU。控制和分析电路60耦合于存储器电路62来存储用于操作MRI系统10的程序码并且存储采集的图像数据用于重建、显示和传送。可提供另外的接口电路64，用于与例如远程访问和存储装置18的外部系统组件交换图像数据、配置参数等等。最后，系统控制和分析电路60可包括各种外围装置，用于使操作者接口便利并且用于产生重建图像的硬拷贝。在图示的实施例中，这些外设包括打印机60、监测器62和用户接口64，其包括例如键盘或鼠标的装置。
扫描仪12以及与之关联的控制和分析电路52采用受控的方式产生磁场和射频脉冲来激发患者26内的特定旋磁材料并且对其编码。扫描仪12以及控制和分析电路52还感测从这样的材料发出的信号并且创建被扫描材料的图像。应该注意，描述的MRI系统仅意为示范性的，并且还可使用其他系统类型，例如所谓的“开放的”MRI系统。相似地，这样的系统可由它们的一次磁体的强度来评定，并且可采用能够实施下文描述的数据采集和处理的任何适当评定的系统。
再次，本实施例涉及能够软开关以向一个或多个梯度线圈（例如在上文关于图1阐述的那些）提供变化的电压信号的梯度线圈驱动器电路。用于驱动图1的MR扫描仪12的梯度线圈30、32、34的电力系统的一个实施例示意地在图2中描绘。该电力系统70可设置在设备室74和扫描室76中。该设备室74可包括电耦合于二极管整流器80的AC电源78。该二极管整流器可将来自AC电源78的交流转换成直流。可携带直流到扫描室76内并且将其供应给高频隔离的DC到DC转换器82。该高频隔离的DC到DC转换器82可将由二极管整流器80供应的电压转换成适合于供梯度线圈驱动器84使用的电压。梯度线圈驱动器84可从数字控制器86接收数字信号并且输出用于驱动磁共振扫描仪12的梯度线圈30、32、34的电压信号。应该注意，尽管梯度线圈驱动器84描绘为定位在扫描室76内，目前预想任何定位方案，其包括其中梯度线圈驱动器84设置在设备室74中的配置。实际上，目前预想电力系统70的组件（其包括转换器82或梯度线圈驱动器84或数字控制器86或其任何组合）可设置在设备室74而不是扫描室76中。
图3图示在图2中示出的梯度线圈驱动器84的开关电路89的实施例。应该注意，开关电路89可作为配置成替换现有梯度线圈驱动器中的现有电路的改进装备的全部或一部分而被利用。备选地，可结合梯度线圈驱动器84提供开关电路89以便替换MRI扫描仪（例如，图1的扫描仪12）的现有梯度线圈驱动器。装备可包括各种附件，例如电缆、连接器等等，以便于这样的替换。
参考电路89，电源90可连接到电接地92并且可向梯度线圈驱动器84提供电力。如图示的，梯度线圈驱动器84包括八个开关94，但驱动器84可包括更少（例如，四个）或更多（例如，12个）数量的开关。开关94指定为第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3、第四开关Q4、第五开关Q5、第六开关Q6、第七开关Q7和第八开关Q8。在图示的实施例中，八个开关94设置在两个独立H桥（第一H桥H1和第二H桥H2）中。
开关94可使用包括但不限于SiC的材料中的任何一个或组合来构造。实际上，尽管目前预想任何适合的材料（例如，硅）用于在开关94中使用，在一个实施例中，开关94可以是碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。再次，如上文指出的，目前预想开关94中的一些或全部可以是绝缘栅双极晶体管（IGBT）而不是MOSFET。因此，尽管开关94目前论述为是SiC MOSFET，应该意识到它们关联的描述意在包含材料或配置中的所有变化，其包括但不限于Si MOSFET和IGBT。在一个实施例中，与其他MOSFET材料（其包括Si）相比，SiC MOSFET可以可期望地实现更快的开关以及开关损耗减少。
每个开关94可包括二极管96，其电耦合于SiC MOSFET的漏极和源极。特别地，如关于第一开关Q1图示的，二极管D1关于MOSFET电并联地定位使得电流被允许从MOSFET的源极93通过二极管D1流到MOSFET的漏极95，而不是通过MOSFET自身（例如，MOSFET的沟道）。该操作对于开关94中的全部大致上是相同的。二极管96可使电流能够在SiC MOSFET开关94的漏极与源极之间流动以能够在零电压电势到“导通”态的SiC MOSFET开关。每个SiC MOSFET在它正传导时可视为处于“导通”态并且在它不传导时可视为处于“关断”态。梯度线圈驱动器84的每个H桥97可包括电感负载98，其在图示的实施例中包括设置在第一H桥H1上的第一电感器L1和第二电感器L2，以及设置在第二H桥H2上的第三电感器L3和第四电感器L4。在操作期间，每个电感负载98具有流过它的电流，如箭头表示的。特别地，在操作期间，流过第一电感器L1的电流是第一电流IL1，流过第二电感器L2的电流是第二电流IL2，流过第三电感器L3的电流是第三电流IL3，并且流过第四电感器L4的电流是第四电流IL4。第一电感器L1与第二电感器L2之间的点可以是正输出电压端子100。第三电感器L3与第四电感器L4之间的点可以是负电压输出端子102。该正输出电压端子100和负输出电压端子102可向梯度线圈30、32、34提供电压信号（Vout）来控制由梯度线圈30、32、34生成的梯度场。
根据本实施例，开关94（开关Q1、开关Q2、开关Q3、开关Q4、开关Q5、开关Q6、开关Q7和开关Q8）中的每个之间的不同“导通”和“关断”态可在电感负载98（例如，L1-L4）中的每个中引起多种不同的电流。例如，提及第一H桥H1，在第一和第三开关Q1和Q3都导通的实施例中，在第一与第二开关Q1与Q2之间的第一H桥H1的第一桥臂104上测量的电压参考V1以及在第三与第四开关Q3与Q4之间的第一H桥H1的第二桥臂106上测量的电压参考V2可都具有大致上等于电源90的电压的电压。因为在第一电感器L1与第二电感器L2之间没有电压差，第一电流IL1和第二电流IL2可以是大致上恒定的电流。然而，如果第二和第三开关Q2和Q3导通，电压参考V1可具有大致上等于电源90电压的电压并且电压参考V2可具有大致上等于电接地92的电压的电压。跨电感负载98的该电压差可在电感负载98中的每个中引起差动电流。在该情况下，第一电流IL1可以恒定的速率增加并且第二电流IL2可以恒定的速率减小。梯度线圈驱动器84的另一H桥表现相似。例如，如果第六开关Q6并且八个开关Q8导通，在第五与第六开关Q5和Q6之间的第二H桥H2的第一桥臂108上测量的电压参考V3以及在第七与第八开关Q7和Q8之间的第二H桥H2的第二桥臂109上测量的电压参考V4可都具有大致上等于电接地92的电压的电压。如之前的，因为在电压参考V3与电压参考V4之间没有电压差，第三电流IL3和第四电流IL4两者都将是恒定电流。在上文提到的情形中，甚至在开关关断的情形中，二极管96（二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8）可允许电流流动并且改变电压参考（例如，V1、V2、V3和/或V4）中的一个的电压。
如上文提到的，在图3中示出的SiC MOSFET开关94的硬开关可在梯度线圈驱动器84中引起开关损耗。可通过实现用于开关SiC MOSFET开关94的零电压开关而在梯度线圈驱动器84中实现更高效的软开关过程。图4是曲线图110，其描绘适合于SiC MOSFET（例如，图3的梯度线圈驱动器84的SiC MOSFET）中这样的零电压开关的条件的一个实施例。栅极电压分布112代表SiC MOSFET开关94中的一个的栅极电压对时间。栅极电压分布112包括上升沿114，其中电压施加于SiC MOSFET开关94的栅极。漏极-源极电压分布116代表跨SiC MOSFET开关94的漏极和源极的电压。漏极-源极电流分布118代表流过SiC MOSFET开关94的漏极和源极的电流，其中负电流代表从SiC MOSFET的源极到漏极的方向上的传导。零电压开关可在漏极-源极电压是零时出现，并且电压施加于栅极，如由上升沿114表示的。当漏极-源极电压是零时，小的负漏极-源极电流可流动（例如，由于开关关联的二极管96的存在），其便于在出现上升沿114（即，施加电压）后漏极-源极电流的恒定增加。也就是说，驱动MOSFET在从漏极到源极的方向上传导电流，其与处于“导通”态时它通常的传导相反。从而，当电压施加于MOSFET的栅极来实现到它通常的源极-漏极传导的开关时，MOSFET具有从它的“关断”态到它的“导通”的平滑转变，而不是将使用硬开关方法而获得的急剧转变。该零电压开关方法还可使与这样的硬开关方法关联的损耗减小。然而，应该注意在其他实施例中，零电压开关可在没有漏极-源极电流流动（如果漏极-源极电压是零）时出现。
根据本实施例，在图4中描述的零电压开关可通过施加于上文提到的电压参考点的电压信号中的相移而便利。图5描绘与施加于电压参考点的电压信号的相移以及流过图3的电感负载98的电流相关的一系列电压和电流分布。在标绘图119中，电压V1分布120代表电压参考V1的电压对时间。同样，电压V2分布122代表电压参考V2的电压对时间。电流IL1分布124代表流过电感器L1的电流（电流IL1）对时间。电流IL2分布126代表流过电感器L2的电流（电流IL2）对时间。由电压分布120代表的电压信号和由电压分布122代表的电压信号可是周期性的并且对于它们相应持续时间的百分比可是相对高的。该高压处的百分比可称为信号的占空比。根据实施例，电压参考V1的电压信号与电压参考V2（例如，在相同H桥内的电压参考）的电压信号可都具有相同的占空比。参考电压V1的电压信号（由分布120表示的）和电压参考V2的电压信号（由分布122表示的）在它们之间可具有相移128，其通过在对应的SiC MOSFET开关94导通之前使流过电感负载98的电流为负而便于零电压开关。如描绘的，在第一时间段130期间，电压参考V1的电压信号是高的并且电压参考V2的电压信号是低的，从而在电感负载98的每侧上引起电压差。该电压差可便于通过第一电感器L1的第一电流IL1中的增加并且便于通过第二电感器L2的第二电流IL2中的减小。在第二时间段132期间，电压参考V1的电压信号和电压参考V2的电压信号两者都是低的，并且在某些实施例中，在第一和第二电感器L1和L2的每侧上可大致上没有电压差。在这样的实施例中，电流IL1和IL2两者保持大致上恒定。在第三时间段134期间，电压参考V1的电压信号是低的并且电压参考V2的电压信号是高的，从而在第一和第二电感器L1和L2的每侧上引起电压差。该电压差可便于第一电流IL1中的增加以及第二电流IL2中的减小。当第一或第二电流IL1、IL2中的任一个为负时，对应的SiC MOSFET开关94可在零电压开关并且从而最小开关损耗的情况下导通。
与图5类似，图6描绘与施加于电压参考点（例如，V1、V2）的电压信号的相移以及流过电感负载98（例如，第一和第二电感器L1、L2）的电流相关的一系列电压和电流分布。图6还描绘梯度线圈驱动器84中每个装置的分布，其图示每个装置导通或允许电流关于梯度线圈驱动器84的电压和电流分布而流动的时间。在图6中，相移128小于图5的相移128。由于较小的相移128，第一时间段130具有较短的持续时间。因为第一电流IL1可对较短持续时间而增加，第一电流IL1可具有较低的最大电流。另外，由于较小的相移128，与图5的实施例相比，第一和第二电流IL1、IL2可在第二时间段132中对较长的时段是恒定的。
装置选通分布（开关Q1分布136、开关Q2分布138、开关Q3分布140、开关Q4分布142）代表SiC MOSFET开关94的选通时间。向上脉冲代表装置导通，并且向下的记号代表装置关断。在第一时间段130中在时间t=0处，第一电流IL1为负并且Q4关断，这意指电流可流过第三二极管D3。在第一电流IL1增加至零之前，第三开关Q3可经由零电压开关而导通并且允许电流从电源90流动，从而使第一电流IL1逐渐为正。一旦第一电流IL1从负转为正，第三二极管D3可不再传导（即，可不再在它的规定方向上传递电流）。在预定时间量之后，第三开关Q3可关断，从而使第四二极管D4 100变成传导（即，可在它的规定方向上传递电流）。一旦第四二极管D4传导，电压参考V1处的电压可从相对高的电压下降到相对低的电压，如由下降沿144表示的，并且第一电流IL1开始减少。当第一电流IL1减少至零时，第四开关Q4可经由零电压开关而导通。一旦第一电流IL1从正转为负，第四二极管D4可停止传导电流。第四开关Q4可在预定时间量后关断并且使第三二极管D3变成传导。使装置导通和关断的该模式可重复以生成在图6中描绘的分布。
相似的操作方法可生成在图6中图示的第二电流IL2的曲线图。在第一时间段130中在时间t=0处，第二电流IL2减小并且电压参考V2处的电压是低的。因此，电流流过第二二极管D2。当第二电流IL2减小至零时，第二开关Q2可在零电压开关情况下导通。在预定时间量后，第二开关Q2可关断，从而使第一二极管D1变成传导。一旦第一二极管D1传导，电压参考V2处的电压可变成高的并且第二电流IL2可变成恒定的。第二电流IL2可保持恒定直到电压参考V1处的电压变成低的并且第二电流IL2可开始增加。当第二电流IL2增加至零时，第一开关Q1可在零电压开关情况下导通。一旦第二电流IL2从负转为正，第一二极管D1可停止传导电流。在预定时间量后，第一开关Q1可关断，从而使第二二极管D2变成传导。一旦第二二极管D2传导，电压参考V2处的电压可变成低的并且第二电流IL2可变成恒定的。第二电流IL2可保持恒定直到电压参考V1处的电压变成高的并且第二电流IL2开始减小。当第二电流IL2减小至零时，第二开关Q2可在零电压开关情况下导通。施加于MOSFET开关94的栅极电压的定时可由数字控制器控制，例如图1的控制和分析电路52。
在图5和6中图示的相移方法可扩展到梯度线圈驱动器84的第二H桥H2以便跨正输出端子100和负输出端子102引入周期性电压信号。图7图示H桥H1、H2中的每个的电感负载98的任一侧上的可能电压与供应给梯度线圈30、32、34的输出电压之间的关系。在图7中，电压V1分布150和电压V2分布152可代表具有大致上相同的占空比但在其之间具有相移的信号。同样，电压V3分布154和电压V4分布156可代表具有大致上相同的占空比但在其之间具有相移的信号。输出电压分布158可代表跨正输出端子100和负输出端子102生成的电压（Vout）。跨正输出端子100和负输出端子102生成的输出电压可与从电压V1和V2的和减去电压V3和V4的和而获得的值成比例。例如，在第一窗160中，电压V1是高的，电压V2是高的，电压V3是高的，并且电压V4是低的。从而，第一H桥H（其具有正输出端子（电压V1和电压V2））具有两个高电压，而第二H桥H2（其具有负输出端子102（电压V3和电压V4））具有一个高电压。因此，存在一个净的高电压，从而导致正输出电压。另一方面，在第二窗162中，电压V1是高的，电压V2是低的，电压V3是高的，并且电压V4是低的。在该情况下，第一和第二H桥H1、H2两者都具有一个高电压，从而导致没有净电压以及导致低或大致上零输出电压。
图8描绘具有正输出端子100的第一H桥H1上的较大占空比可使由输出电压分布158表示的输出电压增加所采用的方式。在第三窗164中，电压V1（如由分布150表示的）是高的，电压V2（如由分布152表示的）是高的，电压V3（如由分布154表示的）是低的，并且电压V4（如由分布156表示的）是低的。因此，在第一与第二H桥H1、H2之间存在净的两个高电压，并且由输出电压分布158描绘的输出电压近似是在图7中示出的输出电压的两倍高。从而，电压V1-V4的占空比与其之间的相移的不同组合可使数字控制器86能够操纵梯度线圈驱动器84的净输出电压。
尽管在某些实施例中使第一H桥H1上的电压的占空比增加可使梯度线圈驱动器84的输出电压增加，在其他实施例中，占空比与相移的某些组合可不便于SiC MOSFET开关94的零电压开关。实际上，应该注意可管理或控制相移角和占空比以便实现零电压开关。
图9是标绘图170，其描绘适合于在本文描述的SiC MOSFET开关94中实现零电压开关的占空比和相移的区域。特别地，标绘图170将相移角172描绘为占空比174的函数。占空比174代表对于电压V1和电压V2的占空比的值。在某些实施例中，对于电压V3和电压V4的占空比可是电压V1和V2的补。例如，如果电压V1和电压V2的占空比是87.5%，则电压V3和电压V4的占空比可以是12.5%。从而，标绘图170可适合于电压V3和电压V4是电压V1和电压V2的补的实施例。
在标绘图170中表示的相移角170是电压V1和V2的组合与电压V3和V4的组合之间的相移角。曲线图区域176代表其中可实现零电压开关的占空比和相移角的范围。
应该注意曲线图区域176上的边界可因为占空比和相移角的组合可不便于对足够的持续时间产生跨电感负载的电压差来使负电流流动而存在。图10图示电压和电流分布178，其在一些实施例中可对应于图9的曲线图176上的边界。在图示的实施例中，对于电压信号的占空比是87.5%并且相移角是180°，如由标绘图170上的点180所表示的。在时间窗182中，电压V1可从高电压下降到低电压，而电压V2可保持为高的，从而引起第一电流IL1中的减小。如在上文关于图6指出的，第三开关Q3中的零电压开关可在第一电流IL1是零或负的时出现，以便实现零电压开关。从而，在时间窗180的末端处，第三开关Q3可导通并且电压V1可从低电压上升至高电压。第三开关Q3可在与减小的第一电流IL1到达零几乎相同的时刻导通，从而便于零电压开关。如果占空比更大，第一电流IL1可不必具有足够的时间量来到达零（或负值），这可防止零电压开关。较小的占空比可使第一电流IL1能够有足够的时间到达适当的负值。
图10还图示改变电压V1和V2的相移角和占空比可便于SiC MOSFET开关94中的零电压开关所采用的方式。相似地，改变电感器98的电感值也可便于零电压开关。例如，较小的电感可使第一和第二电流IL1和IL2的变化率增加。相反，较大的电感可使第一和第二电流IL1和IL2的变化率减小。因为从正电流到负电流的快速转变可以是零电压开关的一个标准，较小的电感可便于在图9中示出的曲线图区域176外部的占空比和相移角组合的零电压开关。
本发明的技术效果包括电子电路，其配置成在最小开关损耗的情况下向磁共振成像（MRI）扫描仪的梯度线圈提供周期性电压信号。在某些实现中，电子电路包括具有用作开关的碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的两个H桥电路。二极管与每个SiC MOSFET并联连接来允许在SiC MOSFET中的每个的每侧上电压相等以便于从“关断”态到“导通”态的零电压开关。每个H桥电路包括串联的两个电感负载。在每对电感负载之间是到梯度线圈的最后电压输出的端子。在操作期间，数字控制器将信号发送到SiC MOSFET开关中的每个以采用特定的周期性模式使它们导通和关断以在具有变化的占空比和相移角的电感负载的任一侧上生成电压。电感负载的任一侧上的电压之间的占空比和相移角的某些组合在电感负载中引起负电流偏移。在负电流偏移期期间，二极管传导，从而在SiC MOSFET上以最小损耗实现零电压开关。
该书面描述使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果其具有不与权利要求的文字语言不同的结构元件，或者如果其包括与权利要求的文字语言无实质区别的等同结构元件则意在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
梯度线圈驱动器，其配置成向磁共振成像系统的梯度线圈供应电信号，其中所述梯度线圈驱动器包括：
电子电路，所述电子电路包括：
第一H桥电路，其电耦合于电源，其中所述第一H桥包括：
多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；
多个二极管，其与每个MOSFET开关并联电耦合，其中所述多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨所述多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势；以及
负载，其配置成调节流过所述多个二极管中的每个以及所述多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
2.如权利要求1所述的系统，包括数字控制器，所述数字控制器配置成向所述MOSFET开关的栅极施加信号以在所述负载的任一侧上实现周期性电压信号，其中所述周期性电压信号的相移角和占空比值由所述数字控制器确定来确定所述电子电路的输出电压信号的特性。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述输出电压信号的特性包括所述输出电压信号的占空比、所述电压信号的幅度或其组合。
4.如权利要求1所述的系统，其中，每个MOSFET开关是SiC MOSFET开关。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述负载包括一个或多个电感器。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个MOSFET开关包括设置在所述第一H桥的第一桥臂上的第一和第二MOSFET开关，和设置在所述第一H桥的第二桥臂上的第三和第四MOSFET开关。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述负载的第一侧上的第一电压参考定位在所述第三和第四MOSFET开关之间的第二桥臂上，并且所述负载的第二侧上的第二电压参考定位在所述第一和第二MOSFET开关之间的第一桥臂上。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述电子电路包括电耦合于所述电源的第二H桥电路，所述系统包括：
额外的多个MOSFET开关；
额外的多个二极管，其与所述额外的多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关并联电耦合，其中所述额外的多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨所述额外的多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的电压电势；以及
额外的负载，其配置成调节流过所述额外的多个二极管中的每个以及所述额外的多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个二极管中的每个二极管配置成将电流从所述多个MOSFET开关中的一个的源极传导到漏极使得跨所述MOSFET的漏极与源极的电压在向所述MOSFET的栅极施加电压来传导电流之前大致上是零。
10.一种改进装备，包括：
电子电路，其配置成替换梯度线圈驱动器中现有的电子电路，所述梯度线圈驱动器配置成向磁共振成像系统的梯度线圈供应电信号；并且
其中所述电子电路包括：
第一H桥电路，其电耦合于电源，其中所述第一H桥包括：
多个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关；
多个二极管，其与每个MOSFET开关并联电耦合，其中所述多个二极管中的每个二极管配置成传导电流以引起跨所述多个MOSFET开关中的一个的源极和漏极的零电压电势；以及
负载，其配置成调节流过所述多个二极管中的每个以及所述多个MOSFET开关中的每个MOSFET开关的电流。
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