CN104142483B - 一种高压大电流小纹波梯度放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压大电流小纹波梯度放大器，用于驱动梯度线圈，进而产生磁共振系统成像所需的梯度场。由信号处理及控制部分、高压功率变换部分、低压功率变换部分和低通滤波部分组成。本发明的高压大电流小纹波梯度放大器，根据输入输出信号的不同特征，采用不同的功率变换部分，通过输出滤波，快速精准生成所需的目标梯度场的同时，最大限度减小输出纹波电流。本发明的梯度放大器，能够简化高压大电流放大器设计，降低硬件成本，提升系统效能，最大程度优化梯度系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种梯度放大器，用于产生和控制磁共振成像系统内的梯度线圈中的脉冲电流。
背景技术
梯度系统是指与梯度磁场有关的一切电路单元。它的功能是为系统提供线性度和精度满足要求的、可快速开关的梯度场，以便动态地修改主磁场，实现成像体素的空间定位。梯度系统由梯度波形发生器产生控制信号作为梯度放大器的输入，梯度放大器的电流输出驱动三组梯度线圈，在成像空间内产生梯度场，给出成像部位的空间坐标，使图像中各像素与人体成像部位一一对应。
梯度系统包括梯度波形发生器、梯度放大器和负载（梯度线圈）三部分。现阶段普遍使用的梯度放大器，都采用单一的高压功率变换结构。现期乃至一段时间内，高压功率器件无法实现高频率开关，随着高压电压要求的不断升高，单一的高压功率变换结构，无法实现短建立时间和低纹波电流兼得。同时，这种单一高压功率转换拓扑结构的实现方式，随着高压电压越高，体积和成本越高，并且无法最大程度优化梯度系统的性能，无法使系统的性能发挥到极致。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提出一种高压大电流小纹波梯度放大器。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种高压大电流小纹波梯度放大器，信号处理及控制部分的输出端连接高压功率变换部分和低压功率变换部分，高压功率变换部分和低压功率变换部分的输出端均连接低通滤波部分，其中，
信号处理及控制部分，用于对输入的梯度控制信号和来自传感器的反馈信号进行处理，输出PWM控制信号，并根据梯度控制信号和/或反馈信号的特征选通高压功率变换部分或低压功率变换部分；
高压功率变换部分，用于将高压电压转换为高压脉冲；接收PWM控制信号，输出高压脉冲至低通滤波部分；
低压功率变换部分，用于将低压电压转换为低压脉冲；接收PWM控制信号；输出低压脉冲至低通滤波部分；
低通滤波部分，用于完成高压脉冲/低压脉冲到负载两端电压差的转换，输出至负载。
所述信号处理及控制部分包括：
输入信号处理模块，用于对梯度控制信号进行整形、前馈处理；输入端接收来自梯度波形发生器的梯度控制信号；将处理完成后的信号输出到信号处理单元和特征识别模块；
反馈信号处理模块，用于对来自传感器的反馈信号进行滤波放大，生成反馈信号，所述反馈信号输出至信号处理单元和特征识别模块；
特征识别模块，用于接收输入信号处理模块输出的信号和/或反馈信号处理模块的反馈数据，对接收到的数据进行信号特征识别，输出特征识别信号到信号处理单元；
信号处理单元，用于完成PID控制、识别信息处理、通路开关控制、PWM数据生成功能；输出优化的PWM数据和通路开关控制数据至高压功率变换部分和低压功率变换部分。
当所述梯度控制信号和/或来自传感器的反馈信号为模拟信号时，所述信号处理及控制部分通过ADC将其转换为数字信号。
所述信号处理及控制部分根据特征识别信号选通高压功率变换部分和低压功率变换部分中的一个。
所述特征识别信号用于识别梯度控制信号和/或反馈信号是边沿过程或平稳过程。
所述低压功率变换部分中串联开关器件，用于通路通断的转换。
所述高压功率变换部分中串联开关器件，用于通路通断的转换。
所述高压功率变换部分包括一组或多组全桥功率变换器。
所述低压功率变换部分包括一组或多组全桥功率变换器。
所述信号处理及控制部分输出的优化的PWM控制信号，根据输出指向的功率变换部分，进行相应频率的PWM控制。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明采用高压功率变换和低压功率变换相结合的拓扑设计；本发明设计的梯度放大器，将实现短建立时间的高压功率变换和实现低纹波的低压功率变换分别进行设计，能够降低硬件成本，简化整体设计难度。
2.本发明根据特征识别信息，选择高压功率变换或低压功率变换，实现短建立时间和低纹波，提升系统效率，最大程度优化梯度系统性能。
附图说明
图1是本发明的基本结构框图；
图2是本发明的信号处理及控制部分结构框图；
图3是本发明的高压功率变换部分带可选通路开关的基本结构框图；
图4是本发明的可扩展的两组功率变换部分的结构框图；
图5是本发明的可扩展的多电感滤波部分的结构框图；
图6是本发明的信号处理单元的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的梯度放大器如图1所示，由信号处理及控制部分1-1、高压功率变换部分1-2、低压功率变换部分1-3和低通滤波部分1-4组成。
系统采用高压功率变换和低压功率变换相结合，能根据信号的特征识别信息，自动选择高压功率变换和低压功率变换，并通过信号处理和变频优化，形成驱动功率部分的PWM控制信号，功率部分输出经过低通滤波部分滤波，驱动梯度线圈，产生所需的快速切换、低纹波的目标梯度场。
如图2所示，本发明的信号处理及控制部分1-1由以下几部分组成：
输入信号处理模块2-1，用于对梯度的输入信号或数据进行波形整定、引入前馈等处理；输入端接收来自梯度波形发生器的梯度控制信号或数据；将处理完成的输入数据输出到信号处理单元2-4和特征识别模块2-2；如果输入信号为全数字形式的数据格式，这部分处理也可融入到特征识别模块2-2或信号处理单元2-4中。
特征识别模块2-2，用于识别来自输入信号处理模块2-1的输入数据和（或）反馈信号处理模块2-3的反馈数据，对其进行信号特征识别；输出特征识别信息到信号处理单元2-4；也就是说，特征识别可以是对输入信号的特征进行识别，可以是对反馈信号的特征进行识别，也可以是对输入信号和反馈信号相结合来进行特征识别。一般来讲，对输入信号进行特征识别，使用其引入的前馈进行预期判断，对系统响应及输出延迟都会大有改观。特征识别，主要是识别当前信号所处阶段：边沿或者平稳期。如果识别到的是边沿阶段，则可采用高压功率变换部分进行变换，以便达到输出电流快速切换的目的；如果识别到的是平稳期，则采用低压功率变换部分进行变换，以便达到输出电流的更加稳定，小纹波电流。
反馈信号处理模块2-3，用于完成反馈信号处理，可能包含的信号处理：反馈信号滤波、增益调节、数字化处理（ADC）等，处理后的数据输出至信号处理单元2-4；输入端接收来自传感器的波形数据；反馈信号相对输入信号会有一定的延迟，计算或参考这个延迟，设计和优化功率变换部分之间的切换，使切换更顺畅平稳。
信号处理单元2-4，如图6所示，完成PID控制、识别信息处理、通路开关控制、PWM数据生成功能；输入端接收来自输入信号处理模块2-1的输入数据；输入端接收来自特征识别模块2-2的识别信息；输入端接收来自反馈信号处理模块2-3的反馈数据；输出优化的PWM数据和通路开关控制数据至高压功率变换部分和低压功率变换部分。PID控制这里不在这里专利里阐述。信号处理单元对得到的特征识别信息进行处理，判断并给出高低压功率部分切换的起始点和结束点，并给出相应通路开关的通路控制信号。同时，信号处理单元根据PID控制实时生成PWM数据，作为更优化设计，通路状态信息也可引入到PWM数据生成，使PWM在不同阶段采用不同的开关频率，这样，既可实现高压功率转换时低开关损耗，又可实现在低压功率变换时输出超低纹波电流，极大提高系统性能。
信号处理及控制部分1-1，可以是由模拟信号形式处理与控制，可以是以数字信号形式处理与控制，也可以是由模拟信号和数字信号混合处理与控制。
高压功率变换部分1-2，用于完成高压电压源到高压脉冲的转换；输入端连接信号处理及控制部分1-1，接收PWM控制信号；输出高压脉冲至低通滤波部分1-4。高压功率变换部分主要由高压功率器件及相应的驱动、保护、吸收等器件组成，同时，高压功率变换部分也可在输出环节加通路开关，如图3中的S3、S4所示，通路开关起到保护环路器件、引导工作电流路径等作用，在高压功率变换部分，通路开关不是必须加入的。
低压功率变换部分1-3，用于完成低压电压源到低压脉冲的转换；输入端连接信号处理及控制部分1-1，接收PWM控制信号；输出低压脉冲至低通滤波部分1-4；低压功率变换部分主要由低压功率器件及相应的驱动、保护、吸收等器件组成，同时，低压功率变换部分应在输出环节加通路开关，如图2和图3中的S1、S2所示，通路开关起到保护环路器件、引导工作电流路径等作用。低压功率变换部分器件，相对于高压功率变换部分的功率器件，工作开关频率高对系统性能会有很大改善。
所述高压大电流小纹波梯度放大器拓扑设计，图1和图2是其中一种一组高压全桥功率变换和一组低压全桥功率变换的拓扑结构，可以扩展为两组高压全桥功率变换和两组低压全桥功率变换的拓扑结构，如图4所示。也可以扩展为三组、四组、到N组高压全桥功率变换和低压全桥功率变换的拓扑结构。同时，也可以高压全桥功率变换和低压全桥功率变换数量不对称结构，但基本实现原理不变。
图1、图3、图4、图5所示的K1、K2…K18组成的结构只是一种示意，其组成结构可以由一个全桥组成，或者由多个全桥并联，也可以由多个全桥移相后并联组成。
通路开关可以是高压开关功率器件，如IGBT、MOS管或其他器件，也可以是其他可实现类似功能的器件或组件。
低通滤波部分1-4，用于完成高压（或低压）脉冲到负载两端稳定电压差的转换；输入端连接高压功率变换部分1-2和低压功率变换部分1-3，接收高压脉冲或低压脉冲信号，将脉冲信号转换成负载两端稳定电压差，形成预期电流；输出至负载（梯度线圈）。
所述低通滤波部分1-4中的电感，可以是一组电感，可以是耦合电感，可以是多组电感并联，也可以是多组电感串联，也可以是串联和并联的组合。
所述低通滤波部分1-4中的电感，如图5所示，可以在功率变换半桥输出后引入电感L11、L12、L21、L22，并联后接到输出电感L1、L2，也可不接输出电感L1、L2，并联后直接连接输出电容。图中所示电感，根据高压功率变换部分和低压功率变换部分的所用结构和数量，做相应调整设计。图中所示电感，为示意电感，可以是一组或多组电感组成的耦合电感，可以是多组电感并联，也可以是多组电感串联，也可以是串联和并联的组合。
所述低通滤波部分，分别将正负两端的一定占空比的高压脉冲滤波成相应的直流电压，在负载线圈两端形成电压差，产生和调节负载线圈内的电流，使其达到输出预期电流。电感电容滤波器件，组成相对于开关频率下的低通滤波。同时，实现有效工作脉冲时低感抗，其他时间高感抗，降低内部损耗，提高转换效率。
Claims (8)
1.一种高压大电流小纹波梯度放大器，其特征在于，信号处理及控制部分(1-1)的输出端连接高压功率变换部分(1-2)和低压功率变换部分(1-3)，高压功率变换部分(1-2)和低压功率变换部分(1-3)的输出端均连接低通滤波部分(1-4)，其中，
信号处理及控制部分(1-1)，用于对输入的梯度控制信号和来自传感器的反馈信号进行处理，输出PWM控制信号，并根据梯度控制信号和/或反馈信号的特征选通高压功率变换部分(1-2)或低压功率变换部分(1-3)；
高压功率变换部分(1-2)，用于将高压电压转换为高压脉冲；接收PWM控制信号，输出高压脉冲至低通滤波部分(1-4)；
低压功率变换部分(1-3)，用于将低压电压转换为低压脉冲；接收PWM控制信号；输出低压脉冲至低通滤波部分(1-4)；
低通滤波部分(1-4)，用于完成高压脉冲/低压脉冲到负载两端电压差的转换，输出至负载；
所述信号处理及控制部分(1-1)包括：
输入信号处理模块(2-1)，用于对梯度控制信号进行整形、前馈处理；输入端接收来自梯度波形发生器的梯度控制信号；将处理完成后的信号输出到信号处理单元(2-4)和特征识别模块(2-2)；
反馈信号处理模块(2-3)，用于对来自传感器的反馈信号进行滤波放大，生成反馈信号，所述反馈信号输出至信号处理单元(2-4)和特征识别模块(2-2)；
特征识别模块(2-2)，用于接收输入信号处理模块(2-1)输出的信号和/或反馈信号处理模块(2-3)的反馈数据，对接收到的数据进行信号特征识别，输出特征识别信号到信号处理单元(2-4)；
信号处理单元(2-4)，用于完成PID控制、识别信息处理、通路开关控制、PWM数据生成功能；输出优化的PWM数据和通路开关控制数据至高压功率变换部分(1-2)和低压功率变换部分(1-3)；
所述信号处理及控制部分(1-1)根据特征识别信号选通高压功率变换部分(1-2)和低压功率变换部分(1-3)中的一个。
2.根据权利要求1所述的一种高压大电流小纹波梯度放大器，其特征在于：当所述梯度控制信号和/或来自传感器的反馈信号为模拟信号时，所述信号处理及控制部分(1-1)通过ADC将其转换为数字信号。
3.根据权利要求1所述的一种高压大电流小纹波梯度放大器，其特征在于：所述特征识别信号用于识别梯度控制信号和/或反馈信号是边沿过程或平稳过程。
4.根据权利要求1所述的一种高压大电流小纹波梯度放大器，其特征在于：所述低压功率变换部分(1-3)中串联开关器件(S1、S2)，用于通路通断的转换。
5.根据权利要求1所述的一种高压大电流小纹波梯度放大器，其特征在于：所述高压功率变换部分(1-2)中串联开关器件(S3、S4)，用于通路通断的转换。
6.根据权利要求1所述的一种高压大电流小纹波梯度放大器，其特征在于：所述高压功率变换部分(1-2)包括一组或多组全桥功率变换器。
7.根据权利要求1所述的一种高压大电流小纹波梯度放大器，其特征在于：所述低压功率变换部分(1-3)包括一组或多组全桥功率变换器。
8.根据权利要求1所述的一种高压大电流小纹波梯度放大器，其特征在于：所述信号处理及控制部分(1-1)输出的优化的PWM控制信号，根据输出指向的功率变换部分，进行相应频率的PWM控制。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 117000 No. 1, building 166-1, Xianghuai Road, Benxi Economic Development Zone, Benxi City, Liaoning Province Patentee after: Kuantang (Liaoning) Medical Equipment Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 117000 No. 1, building 166-1, Xianghuai Road, Benxi Economic Development Zone, Benxi City, Liaoning Province Patentee before: LIAONING KAMPO MEDICAL SYSTEM Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| CP03 | Change of name, title or address |