CN105703631B - 梯度放大器功率单元、梯度放大器及磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

一种梯度放大器的功率单元，包括：多个功率模块，组成一个H桥结构，H桥结构的每个半桥包括至少两个功率模块；冷却板，功率模块排布于冷却板上；还包括与半桥的输出端电气连接的汇流排，同一半桥中功率模块的电流通过汇流排统一输出。利用汇流排的均流特性，能够较好地解决不同的功率模块的输出电流大小不一致的问题。

Description

梯度放大器功率单元、梯度放大器及磁共振成像系统

技术领域

本发明涉及一种梯度放大器功率单元、梯度放大器及磁共振成像系统。

背景技术

核磁共振成像技术(Nuclear Magnetic Resonance Imaging，简称NMRI)是核磁共振在医学领域的应用，运用该技术的系统称为核磁共振成像系统。

人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像。核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。核磁共振成像系统成像的基本原理是：将人体置于梯度磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被人体之外的接受器收录，然后经电子计算机处理获得图像。

上述“梯度磁场”通过梯度放大器和梯度线圈来产生。具体为，梯度放大器给梯度线圈供电，使得梯度线圈在成像空间产生一个线性变化的磁场，即梯度磁场。对于梯度放大器而言，其输出电流的稳定性、高电流变化率、低稳态电流波动及波形跟踪能力决定了梯度磁场性能的优劣，而梯度磁场的性能直接影响着成像的质量以及对人体的诊断结果。

梯度放大器的功率单元是梯度放大器的核心关键模块之一，功率单元包括由多个功率模块组成的H桥结构，其功能是通过接收来自外部的PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)脉冲指令，来控制其内部的电力电子开关器件的通断，调整其输出电压的脉冲宽度以及输出电流的形状和幅值，从而控制向梯度线圈提供的电流。由于单个功率模块的输出电流、电压能力有限，因此梯度放大器中通常将多个功率模块并联起来作为一个半桥(一个H桥包括两个极性相反的半桥)使用，以实现所需的电压、电流输出，满足电器需求。

但是，每个功率模块的出厂参数不能完全一致，因此两个并联的功率模块输出电流大小也会有所不同。在实际使用中，输出电流大的功率模块发热量多，这容易最终导致功率模块的损坏。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种改进型的梯度放大器功率单元。

为解决上述问题，本发明提供一种梯度放大器的功率单元，包括：多个功率模块，组成一个H桥结构，所述H桥结构的每个半桥包括至少两个功率模块；冷却板，所述功率模块排布于所述冷却板上；还包括与所述半桥的输出端电气连接的汇流排，同一半桥中功率模块的电流通过所述汇流排统一输出。

可选的，所述汇流排包括至少两个均流排及磁芯，同一半桥中的均流排与功率模块一一对应；每一均流排具有相互电气连接的第一横臂部和第二横臂部，所述第一横臂部相对于所述第二横臂部的另一端通过管脚与所述功率模块输出端电气连接；同一汇流排中的所有第一横臂部两两重叠且电气绝缘；相互重叠的第一横臂部的电流方向相反且穿设于同一磁芯的磁环中；同一汇流排的所有第二横臂部相互叠置且电连通，作为所述汇流排的输出端。

可选的，相互重叠的第一横臂部中具有相互连通的开口，所述磁芯穿过开口并嵌套于所述第一横臂部中。

可选的，还包括多个电解电容，所述电解电容为柱体且卧置于所述冷却板上，所述多个电解电容分别通过连接端子与所述多个功率模块的输入端一一对应电气连接。

可选的，所述电解电容和所述功率模块位于所述冷却板的同侧或异侧。

可选的，还包括固定支架，固定于所述冷却板上，所述电解电容通过电容卡箍固定于所述固定支架。

可选的，还包括层压母排，位于所述电解电容相对于所述固定支架的另一端，且与所述冷却板相互垂直；所述层压母排包括相互电气连通的电容母排和功率母排，所述电容母排与所述多个电解电容的连接端子电气连接，所述功率母排与所述功率模块的输入端电气连接。

可选的，还包括整流模块，通过所述层压母排电连接于所述H桥结构的输入端。

可选的，还包括固定于所述冷却板的导流支撑板，所述整流模块固定于所述导流支撑板上。

可选的，所述汇流排固定于所述固定支架，所述汇流排与所述固定支架之间设有绝缘部件。

可选的，所述功率模块通过平圆头螺钉固定于所述冷却板。

可选的，还包括与所述功率模块电气连接的驱动板，位于功率模块相对于所述冷却板的另一侧且与所述冷却板平行。

可选的，还包括位于所述功率模块输入端的吸收电容，与所述功率模块一一对应且电气连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

同一半桥中功率模块的输出电流通过汇流排统一输出，利用汇流排的均流特性，能够较好地解决不同的功率模块的输出电流大小不一致的问题。

进一步，利用层压母排代替传统导线和PCB板实现电解电容和输入电流、功率模块之间的电连接，同时将电解电容卧置于冷却板的表面，占用空间更小，且由于层压母排的造价比PCB板低，有效降低成本。

附图说明

图1是本发明实施例功率单元的立体分解图一；

图2是本发明实施例功率单元的立体分解图二；

图3是本发明实施例功率单元的立体装配图一，其中未示出汇流排；

图4是本发明实施例功率单元的立体装配图二，其中示出了汇流排；

图5是本发明实施例功率单元的立体装配图三，其中示出了吸收电容的结构；

图6是本发明实施例功率单元中汇流排的立体装配图；

图7是本发明实施例功率单元中汇流排的立体分解图；

图8是本发明实施例的一个变形例中汇流排的立体装配图；

图9是本发明实施例的一个变形例中汇流排的立体分解图；

图10是本发明实施例的另一个变形例中汇流排的立体装配图；

图11是本发明实施例的另一个变形例中汇流排的立体分解图；

图12是本发明实施例的又一个变形例中功率单元的立体装配图一；

图13是本发明实施例的又一个变形例中功率单元的立体装配图二。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种梯度放大器的功率单元，参照图1-5，包括：

冷却板10，借助冷却液(如水)带走功率单元中各器件产生的热量，使得各器件能够工作在安全温度范围，保证功率单元的工作安全性；

四个功率模块20，排布于冷却板10上并组成一个H桥结构，H桥结构的每个半桥包括两个功率模块20。具体地，四个功率模块20并排排布，这样可以节约空间；

驱动板30，位于功率模块20相对于冷却板10的另一侧且与冷却板10平行，驱动板30与功率模块20电气连接，用于向功率模块20提供驱动信号，控制H桥工作，以产生输出电流；

汇流排40，与半桥的输出端电气连接，一个汇流排40对应一个半桥，每个半桥中功率模块20的电流通过汇流排40统一输出。其中，汇流排40的材质可以采用如铜、金、铝等电的良导体，本实施例中为铜，汇流排40利用铜的高导电率代替导线作为电流的输出件，一方面可以节约空间，提高功率单元的结构紧凑度，另一方面可以对同一半桥中的各功率模块进行均流，使各功率模块输出电流的大小基本一致。

需要注意的是，功率模块20需要采用平圆头螺钉固定在冷却板10上，以保证足够的电气间隙，电气间隙是指功率模块20与螺钉头部的空气间最短路径，保证电气间隙的目的是防止二者相对电压过高时击穿空气，导致功率模块20上的电流传递到螺钉以及冷却板10上，引起电击危险。

本实施例中，参照图1-2并结合图6-7所示，每个汇流排40包括两个均流排41及磁芯42。每一均流排41分别用于通过对应功率模块20的电流，其具有相互电气连接的第一横臂部41a和第二横臂部41b，第一横臂部41a远离第二横臂部41b的一端通过管脚41c与一个功率模块20电气连接。

同一汇流排40中的所有均流排41的第一横臂部41a两两重叠且电气绝缘，相互重叠的两第一横臂部41a的表面之间可以通过绝缘层绝缘，或者通过间隔一定的距离来实现绝缘。相互重叠的两个第一横臂部41a之间，电流方向相反。

磁芯42套设在重叠的两第一横臂部41a的外围，用于增大两均流排41的电路电感。具体地，磁芯42由两个U形磁块42a组成，两U形磁块42a的U形开口相对并相互连接，形成一个磁环，两个第一横臂部41a从磁芯42的磁环中穿过。

同一汇流排40的所有第二横臂部41b相互叠置且电连通。继续参照图6-7，第二横臂部41b具有一个电气接口43和多个固定孔44，第二横臂部41b在电气接口43的位置通过一压铆螺母43a相互连接、并作为电气输出端，用于连接外部导线，以将功率模块20的电流统一输出。多个固定孔44分别位于电气接口43两侧，两个第二横臂部41b在固定孔44的位置通过压铆螺母44a相互固定。

汇流排40的均流原理是：两个功率模块20通过两个重叠的均流排41汇总至电气接口43输出，电流流过对应的均流排41时会产生第一电感。而由于两个功率模块20的输出电流有所不同，各均流排41的第一电感也会有所不同。此时，在电流交汇的第一横臂部41a安放一个磁芯42，该磁芯42具有第二电感且第二电感远远大于第一电感，第一电感相对于第二电感来说可以忽略不计，因此可以认为两均流排41中的第一电感相同，从而反推认为流经两均流排41中的电流相同，即同一半桥中各功率模块20的输出电流相同。经过实验验证，汇流排40的设置能够将同一半桥中两功率模块20的输出电流偏差控制在10％以内，以满足使用需求。

在其它实施例中，为了更牢固地将磁芯套设在第一横臂部，参照图8-9，还可以在相互重叠的两个第一横臂部41a中开设一个相互连通的开口A，磁环的中部具有一磁条42b(图9)，磁条42b穿过开口并嵌套于两个第一横臂部中。也就是说，在开口所在位置，沿垂直于电流方向，第一横臂部被分为上支臂和下支臂，此时选用的磁块则为双U形磁块，两个双U形磁块组成的磁芯具有两个磁环，当双U形磁芯套设在第一横臂部时，上支臂从磁芯的一个磁环中穿过，下支臂从另一个磁环中穿过。

在其它实施例中，H桥结构中，每个半桥中功率模块的数量也可以多于两个。例如可以将三个功率模块组成一个半桥，一个完整的H桥则一共包括六个功率模块，此时，参照图10-11，每个汇流排中，应当有三个均流排41’，分别与同一半桥中的三个功率模块一一对应且电气连接，三个均流排41’的第一横臂部两两重叠，每一重叠部位均套设有一磁芯42’，磁芯的设置方式可参考本实施例。

继续参照图1-5，本实施例的功率单元还包括多个电解电容50，多个电解电容50通过连接端子与多个功率模块20的输入端分别一一对应电气连接，用于滤除整流模块输出的纹波电流。电解电容50为柱体且卧置于冷却板10上，横向放置在功率模块20上方，这样可以充分节省空间。

本实施例中，电解电容50和功率模块20位于冷却板10的同侧。在其他实施例中，也可以设置为电解电容50和功率模块20分布位于冷却板10的异侧(如图12-13所示)。

本实施例的功率单元还包括用于固定各器件的固定支架60，位于电解电容50和汇流排40之间，且固定于冷却板10上。电解电容50通过电容卡箍51固定于固定支架60。汇流排40通过绝缘部件82固定于固定支架60上，绝缘部件82一方面起到固定的作用，另一方面可以隔离二者之间的电气连接，保证电气安全。

本实施例的功率单元还包括层压母排70，电气连接在电解电容50和功率模块20之间，一方面将三相整流桥产生的直流电传送给四个功率模块20，另一方面将三相整流桥产生的直流电与电解电容50连通，实现电解电容50的充放电功能，同时可以起到固定电解电容50的作用。另外，层压母排70的设置还可以减少电路中的杂散电感：首先，层压母排代替导线，本身能够减少一定的电感；其次，电流在层压母排中可以自由选择较短路径流动，进一步减少电感。

具体地，层压母排70位于电解电容50相对于固定支架60的另一端、与冷却板10相互垂直，其中包括相互电气连通的电容母排和功率母排，电容母排与多个电解电容50的连接端子电气连接，功率母排与功率模块20的输入端电气连接，从而使得电解电容50通过层压母排70与功率模块20的输入端电连通。其中，电容母排和功率母排可以为分立的两个母排，也可以集成在同一母排中。本实施例中，电容母排和功率母排集成设置。

层压母排70包括叠置且电气绝缘的正铜排与负铜排，利用是将用正、负铜排分别作为正、负电极以代替导线，实现各电解电容50以及功率模块20的电接通，不仅在机械结构上有利于各器件的固定，而且能够减少很多导线的使用，能够提高整个功率单元的紧凑度。另外，层压母排70是在正铜排与负铜排之间增加两层绝缘纸实现正、负铜排的隔离，同时在正、负铜排的外侧各增加一层绝缘纸，使得整块铜排电气上隔离开来。其中，绝缘纸的面积要大于铜排的面积，然后利用热封技术将露出在铜排外的绝缘纸热封在一起，以保证正、负铜排安全可靠的结合在一起。

进一步地，本实施例的功率单元还包括整流模块80，其作为三相整流桥、用于将电源输出的三相交流电转换为功率模块20、层压母排70等器件所需的直流电。整流模块80通过层压母排中的电容母排以及电解电容50电连接于H桥结构的输入端。

为了固定整流模块80，本实施例的功率单元还包括固定于冷却板10的导流支撑板81，整流模块80固定于导流支撑板81上。由此，导流支撑板81不仅能将流模块80与冷却板10固定在一起，还可以将整流模块80产生的热量通过冷却板10带走。

进一步地，本实施例的功率单元还包括吸收电容90，位于层压母排70相对于电解电容50的另一侧，与功率模块20一一对应且电连接于功率模块20的输入端。吸收电容90能够滤除功率模块20中的电压尖峰，具体为功率模块20与该吸收电容90连接端子处的电压尖峰，防止功率模块20被高压击穿损坏。

综上，本实施例的功率单元各器件通过有序连接组成了一个完整的功率单元，不仅能够解决不同的功率模块的输出电流大小不一致的问题，还能达到结构紧凑，占用空间小，并且耗费的成本低的效果。

本发明实施例还提供一种梯度放大器，其包括上述任一项所述的功率单元。

本发明实施例还提供一种磁共振成像系统，其包括上述梯度放大器。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种梯度放大器的功率单元，包括：

多个功率模块，组成一个H桥结构，所述H桥结构的每个半桥包括至少两个功率模块；

冷却板，所述功率模块排布于所述冷却板上；

其特征在于，还包括与所述半桥的输出端电气连接的汇流排，同一半桥中功率模块的电流通过所述汇流排统一输出，所述汇流排包括至少两个均流排及磁芯，同一半桥中的均流排与所述功率模块一一对应；

每一均流排具有相互电气连接的第一横臂部和第二横臂部，所述第一横臂部相对于所述第二横臂部的另一端通过管脚与所述功率模块输出端电气连接；

同一汇流排中的所有第一横臂部两两重叠且电气绝缘；

相互重叠的第一横臂部的电流方向相反且穿设于同一磁芯的磁环中；

同一汇流排的所有第二横臂部相互叠置且电连通，作为所述汇流排的输出端。

2.如权利要求1所述的梯度放大器的功率单元，其特征在于，相互重叠的第一横臂部中具有相互连通的开口，所述磁芯穿过开口并嵌套于所述第一横臂部中。

3.如权利要求1所述的梯度放大器的功率单元，其特征在于，还包括多个电解电容，所述电解电容为柱体且卧置于所述冷却板上，所述多个电解电容分别通过连接端子与所述多个功率模块的输入端一一对应电气连接。

4.如权利要求3所述的功率单元，其特征在于，所述电解电容和所述功率模块位于所述冷却板的同侧或异侧。

5.如权利要求3所述的梯度放大器的功率单元，其特征在于，还包括固定支架，固定于所述冷却板上，所述电解电容通过电容卡箍固定于所述固定支架。

6.如权利要求5所述的梯度放大器的功率单元，其特征在于，还包括层压母排，位于所述电解电容相对于所述固定支架的另一端，且与所述冷却板相互垂直；

所述层压母排包括相互电气连通的电容母排和功率母排，所述电容母排与所述多个电解电容的连接端子电气连接，所述功率母排与所述功率模块的输入端电气连接。

7.如权利要求6所述的功率单元，其特征在于，还包括整流模块，通过所述层压母排电连接于所述H桥结构的输入端。

8.如权利要求7所述的功率单元，其特征在于，还包括固定于所述冷却板的导流支撑板，所述整流模块固定于所述导流支撑板上。

9.如权利要求5所述的功率单元，其特征在于，所述汇流排固定于所述固定支架，所述汇流排与所述固定支架之间设有绝缘部件。

10.如权利要求1所述的功率单元，其特征在于，所述功率模块通过平圆头螺钉固定于所述冷却板。

11.如权利要求1所述的功率单元，其特征在于，还包括与所述功率模块电气连接的驱动板，位于功率模块相对于所述冷却板的另一侧且与所述冷却板平行。

12.如权利要求1所述的功率单元，其特征在于，还包括位于所述功率模块输入端的吸收电容，与所述功率模块一一对应且电气连接。