CN105703726B - 功率放大器、电源装置和磁共振成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率放大器、电源装置和磁共振成像设备。所述功率放大器包括：放大电路，连接在电源和负载之间，并被构造为根据接收的输入信号向负载提供经放大的输出功率；旁路电路，并联连接在放大电路和负载之间，并被构造为在输出功率的脉冲持续时间之间的时间段期间启用，从而旁路电路和负载形成环流电流回路。因此，可以改善功率放大器的可靠性。

Description

功率放大器、电源装置和磁共振成像设备

技术领域

本发明涉及一种功率放大器、电源装置和磁共振成像设备。

背景技术

磁共振成像系统一般沿着主体的中心轴而建立均匀磁场，此均匀磁场影响主体的陀螺磁性材料，以用于通过校准在形成身体组织的原子和分子中的核自旋来成像。给定的正在进动的核所发射的磁共振信号的频率取决于磁场在该的位置处的强度。可能使用通过梯度线圈所创建的编码来对源自于该主体内不同位置的信号进行区分，所述梯度线圈在主磁场上施加梯度场。典型的核磁共振系统包括用于沿着X轴、Y轴、和Z轴来提供相应场的三个梯度线圈。

典型的梯度放大器直接通过可控晶体管将电能转换为所需的电压和频率。为了提高转换的效率，脉宽调制控制(PWM)在梯度放大器得到了广泛应用。传统的脉宽调制控制(PWM)在梯度放大器使用H逆变桥拓扑，由于PWM控制的H逆变桥拓扑在不同放大器之间存在高频共模电压，因此在梯度放大器系统中不得不使用三路相互隔离的电源为梯度放大器提供能量，来消除三轴梯度放大器之间的形成的很大的共模电流。然而，这样使得磁共振成像设备的梯度系统构造变得复杂，并增加了制造成本。

已经进行了以一个电源向多个梯度线圈供电的尝试。然而，因为每个梯度线圈之间的寄生电容，以及放大器输出共模滤波电容，而导致较大的共模电流从三轴放大器之间流入电源母线，从而导致梯度放大器系统不能正常工作。

发明内容

本发明的示例性实施例的目的在于克服现有技术中的上述的和/或其他的问题。因此，本发明的示例性实施例提供了一种可以改善可靠性的功率放大器、电源装置和磁共振成像设备。

根据示例性实施例，提供了一种功率放大器，所述功率放大器包括：放大电路，连接在电源和负载之间，并被构造为根据接收的输入信号向负载提供经放大的输出功率；旁路电路，并联连接在放大电路和负载之间，并被构造为在输出功率的脉冲持续时间之间的时间段期间启用，从而旁路电路和负载形成环流电流回路。

根据另一个示例性实施例，提供了一种电源装置，所述电源装置包括：电源；如上所述的功率放大器，连接在电源和负载之间，并被构造为向负载提供经放大的输出功率。

根据另一个示例性实施例，提供了一种磁共振成像设备，所述磁共振成像设备包括：梯度线圈，被构造为产生梯度磁场；如上所述的电源装置，被构造为向作为负载的梯度线圈供电。

根据另一个示例性实施例，提供了一种梯度放大器系统，所述梯度放大器系统包括：电源部分，提供三轴放大器母线，电源通过一路输出，提供三路放大器母线输入，三轴放大器的输入母线共用同一母线；梯度放大器，连接在电源和负载之间，并被构造为根据接收的输入信号向负载提供经放大的输出功率；系统中有X、Y、Z三轴放大器，其中在每路放大器的H逆变桥输出中通过增加旁路续流电路并被构造为在输出功率的脉冲持续时间之间的时间段期间启用，从而阻止母线和滤波器对地电容和负载对地寄生电容形成回路，消除三轴间因为共母线造成的共模环流；梯度控制器，提供控制放大器PWM调制信号，按特定的时序发出放大器所需的PWM脉冲控制信号给三轴放大器，来消除梯度放大器系统的高频共模电压；梯度线圈，作为梯度放大器系统的负载，连接到放大器输出，并被配置产生由该放大器供应的线圈电流形成比例的磁场。

H桥逆变电路被构造为从电源接收直流输入功率，并根据接收的经脉冲宽度调制的输入信号向负载提供经放大的输出功率。

H桥逆变电路包括：第一开关单元，第一开关单元的第一端连接到电源的第一输出端，第一开关单元的第二端连接到H桥逆变电路的第一输出端；第二开关单元，第二开关单元的第一端连接到H桥逆变电路的第一输出端，第二开关单元的第二端连接到电源的第二输出端；第三开关单元，第三开关单元的第一端连接到电源的第一输出端，第三开关单元的第二端连接到H桥逆变电路的第二输出端；第四开关单元，第四开关单元的第一端连接到H桥逆变电路的第二输出端，第四开关单元的第二端连接到电源的第二输出端。

旁路电路包括：第五开关单元，第五开关单元的第一端连接到H桥逆变电路的第一输出端；第六开关单元，第六开关单元的第一端连接到第五开关单元的第二端，第六开关单元的第二端连接到H桥逆变电路的第二输出端，其中，当第一开关单元至第四开关单元截止时，第五开关单元和第六开关单元导通，从而阻止母线与三轴放大器输出通过输出共模滤波电容和负载对地寄生电容之间形成共模环流。

所述梯度放大器系统还包括：梯度控制器，连接到第一开关单元至第六开关单元的控制端，并被构造为对接收的信号进行脉冲宽度调制以得到用于第一开关单元至第六开关单元的控制信号，并将得到的控制信号作为功率电路的输入信号分别提供到第一开关单元至第六开关单元；梯度控制器，按特定的时序发出梯度放大器所需的PWM脉冲控制信号给三轴放大器，来消除放大器系统的高频共模电压。

H桥逆变电路还包括：电容器，电容器的第一端连接到电源的第一输出端，电容器的第二端连接到电源的第二输出端。

所述梯度放大器还包括：纹波电流滤波器，连接在旁路电路和负载之间，消除放大器输出的纹波电压。

所述梯度放大器还包括：共滤波器，连接在纹波电流滤波器和负载之间，消除梯度线圈之间的共模干扰。

根据另一个示例性实施例，提供了一种梯度放大器系统，所述梯度放大器系统包括：如上所述的梯度放大器，连接在电源和负载之间，并被构造为向负载提供经放大的输出功率。

所述梯度放大器系统包括多个梯度放大器，所述多个梯度放大器并联连接到电源，并被构造为分别向多个负载提供经放大的输出功率。

根据另一个示例性实施例，提供了一种核磁共振成像设备，所述核磁共振成像设备包括：梯度线圈，被构造为产生梯度磁场；如上所述的梯度放大器系统，被构造为向作为负载的梯度线圈供电。

梯度线圈包括第一轴梯度线圈、第二轴梯度线圈和第三轴梯度线圈，梯度放大器系统包括第一梯度放大器，第二梯度放大器和第三梯度放大器，其中，第一梯度放大器，第二梯度放大器和第三梯度放大器并联共用同一母线连接到电源，并被构造为分别向第一轴梯度线圈、第二轴梯度线圈和第三轴梯度线圈供电。

通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。

附图说明

通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是示意性示出根据示例性实施例的磁共振成像系统的向梯度线圈供电的电源的框图；

图2是示出根据示例性实施例的电源装置的电路图；

图3是示出根据示例性实施例的功率放大器的电路图；

图4和图5是示出根据示例性实施例的功率放大器的时序图；

图6和图7是示出根据示例性实施例的功率放大器的开关单元的切换状态的电路图；

图8是示出根据示例性实施例的电源装置的仿真结果的波形图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

图1是示意性示出根据示例性实施例的磁共振成像系统的向梯度线圈供电的电源的框图。

根据示例性实施例的磁共振成像系统可以包括用于产生梯度磁场的梯度线圈以及用于向梯度线圈供电的电源装置。如图1中所示，梯度线圈可以包括第一轴(X轴)梯度线圈106、第二轴(Y轴)梯度线圈107和第三轴(Z轴)梯度线圈108。为了分别向X轴梯度线圈106、Y轴梯度线圈107和Z轴梯度线圈108供电，电源装置可以包括单个电源(例如，AC/DC转换器)104以及通过DC总线105从单个电源104接收功率的三个功率放大器，即，第一(X轴)放大器101、第二(Y轴)放大器102和第三(Z轴)放大器103。此外，电源装置还可以包括控制三个放大器101至103操作的控制级109。

在当前的示例性实施例中，可以由单一电源104同时提供给三轴放大器101至103输入电压母线，三轴放大器101至103可以共用同一母线。因为可以由同一电源提供放大器能量，使电源简化，放大器的功率得到优化，从而简化梯度放大器系统。

图2是示出根据示例性实施例的电源装置的电路图。

如图2中所示，三个放大器101至103可以并联连接到电源104。三个放大器101至103可以包括放大电路(H桥逆变电路)和旁路电路。放大电路可以分别包括开关单元201至224，旁路电路可以分别包括开关单元205至226。可选择地，每个放大器101至103还可以包括纹波电流滤波器RCF 207至227、和/或共滤波器208至228。因为每个放大器101至103可以具有相同或相似的构造，所以为了简明起见，下面将参照图3至图5以放大器101为例进行具体描述。

图3至图5是示出根据示例性实施例的功率放大器的电路图。

如图3中所示，第一放大器101的放大电路可以被连接在电源104和负载106之间。具体地讲，第一放大器101的放大电路的第一输入端可以连接到电源104的第一输出端，第一放大器101的放大电路的第二输入端可以连接到电源104的第二输出端，第一放大器101的放大电路的的第一输出端可以连接到负载106的第一输入端；第一放大器101的放大电路的第二输出端可以连接到负载106的第二输入端。

第一放大器101的放大电路可以包括第一开关单元201至第四开关单元204。每个开关单元可以为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。第一开关单元201的第一端可以连接到电源104的第一输出端，第一开关单元201的第二端可以连接到放大电路的第一输出端，第一开关单元201的控制端可以连接到控制级109。第二开关单元202的第一端可以连接到放大电路的第一输出端，第二开关单元202的第二端可以连接到电源104的第二输出端，第二开关单元202的控制端可以连接到控制级109。第三开关单元203的第一端可以连接到电源104的第一输出端，第三开关单元203的第二端可以连接到放大电路的第二输出端，第三开关单元203的控制端可以连接到控制级109。第四开关单元204的第一端可以连接到放大电路的第二输出端，第四开关单元204的第二端可以连接到电源104的第二输出端，第四开关单元204的控制端可以连接到控制级109。

此外，第一放大器101的放大电路还可以包括并联连接在第一放大器101的放大电路的第一输入端和第二输入端之间的电容器。

因此，第一放大器101的放大电路可以可以根据从控制级109接收的输入信号向负载106提供经放大的输出功率。

第一放大器101的旁路电路可以并联连接在放大电路和负载106之间。第一放大器101的旁路电路可以包括第五开关单元205和第六开关单元206。第五开关单元205的第一端可以连接到放大电路的第一输出端和负载106的第一输入端，第五开关单元205的第二端可以连接到第六开关单元206的第一端，第五开关单元205的控制端可以连接到控制级109。第六开关单元206第一端可以连接到第五开关单元205的第二端，第六开关单元206的第二端可以连接到放大电路的第二输出端和负载106的第二输入端，第六开关单元206的控制端可以连接到控制级109。

因此，如将在下面进行更详细地描述的，第一放大器101的旁路电路可以在输出到负载106的输出功率的脉冲持续时间之间的时间段期间启用。例如，当H桥逆变电路的开关单元201至204单元截止时，第五开关单元205和第六开关单元206可以导通。因此，旁路电路和负载106形成环流电流回路，从而可以阻止母线和滤波器208的对地电容209至210和负载106的对地寄生电容形成回路。因此，可以消除放大器101至103之间工作时形成环流电流回路

图4和图5是示出根据示例性实施例的功率放大器的时序图。图6和图7是示出根据示例性实施例的功率放大器的开关单元的切换状态的电路图。下面将参照图4至图7来描述根据示例性实施例的功率放大器的操作。

如图4和图5中所示，控制级109可以从外部接收线圈电流信号I_Coil 301(401)，并可以将接收的线圈电流信号I_Coil 301(401)转换为线圈电压信号V_Coil 302(402)。然后，控制级109可以对线圈电压信号V_Coil 302(402)进行脉冲宽度调制(PWM)，例如，可以根据线圈电压信号V_Coil 302(402)来产生参考电压V_Ref 304(404)和–V_Ref 305(405)，并可以根据预定的锯齿波信号306来进行脉冲宽度调制，并因此得到控制信号S1306(406)至S6311(411)。控制级109可以将控制信号S1306(406)至S6311(411)分别提供到开关单元201至206的控制端，从而控制开关单元201至206进行切换，从而使得第一放大器101输出功率V_inv 312(412)。

参照图6，在输出功率V_inv 312(412)的脉冲持续时间on 314期间，第一开关单元201和第四开关单元204可以导通，第二开关单元202和第三开关单元203可以截止。此外，第五开关单元205可以导通，第六开关单元206可以截止。因此，可以沿如图5中的箭头所示的路径将电流提供到负载106。

参照图7，在输出功率V_inv 312(412)的脉冲持续时之间的时间段off 315期间，第一开关单元201至第四开关单元204可以截止。此外，第五开关单元205和第六开关单元206可以导通。因此，导通的第五开关单元205和第六开关单元206可以与负载106形成环路电流回路，使得由负载106所产生的环路电流可以沿如图6中的箭头所示的路径流动，而不是返回流入到放大电路101。换句话说，可以阻断母线和滤波器208的对地电容209至210和负载106的对地寄生电容形成回路，从而可以消除放大器101至103之间工作时形成环流电流回路。

在脉冲持续时间on期间，第一开关单元201和第四开关单元204导通，或第二开关单元202和第三开关单元203导通，此外，第五开关单元205和第六开关单元206可以截止，放大器输出和输入母线之间的共模电压为可以表示为：

Vcm＝0.5(VS2+VS4)＝0.5(0+Vbus)＝0.5Vbus

在脉冲持续时间off期间，第一开关单元201至第四开关单元204截止，第五开关单元205和第六开关单元206导通，放大器输出和输入母线之间的共模电压为可以表示为：

Vcm＝0.5(VS2+VS4)＝0.5(0.5Vbus+0.5Vbus)＝0.5Vbus

采用这种控制方式，共模电压不随脉冲持续时间on和off发生变化，因此没有随开关周期变化的高频共模电压产生，从而消除放大器系统的高频共模电压，提高了系统的性能。

图8是示出根据示例性实施例的电源装置的仿真结果的波形图。

如图8中所示，标号601指示的是提供到梯度线圈的电流的波形，其中，标号604至606分别指示的是提供到第一梯度线圈至第三梯度线圈的电流的波形。标号602指示的是提供到梯度线圈的电压的波形，其中，标号607至610分别指示的是提供到第一梯度线圈至第三梯度线圈的电压的波形。标号603指示的是由梯度线圈所导致的流入到放大电路的环流电流的波形，其中，标号10至612分别指示的是由第一梯度线圈至第三梯度线圈所导致的流入到放大电路的环流电流的波形。由此可以看出，根据示例性实施例的梯度放大器系统可以防止由于三轴放大器共用母线而导致的共模环流电流在三轴放大器和母线之间和/或防止由于三轴放大器共用母线而导致的环流电流最小化。

在根据示例性实施例的梯度放大器、包括这样的梯度放大器的梯度放大器系统、以及包括这样的梯度放器大器系统的磁共振成像设备中，可以将分别向负载(梯度线圈)提供放大的功率的放大器通过母线连接到单个的电源，电源只有一路输出，提供三路放大器母线输入，三轴放大器的输入母线共用同一母线，从而可以简化电路设计、降低制造成本。此外，在梯度放大器的H逆变桥输出中通过增加旁路续流电路，构造为在输出功率的脉冲持续时间之间的时间段期间启用，从阻止母线和放大器输出形成回路，以消除梯度放大器之间因为共用母线造成的3轴放大器之间形成共模环流。另外，梯度控制器按特定的时序发出梯度放大器所需的PWM脉冲控制信号给三轴放大器，来消除放大器系统的高频共模电压，从而可以改善产品的可靠性。

上面已经描述了一些示例性实施例。然而，应该理解的是，可以做出各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充，则可以实现合适的结果。相应地，其他实施方式也落入权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括：

放大电路，连接在电源和负载之间，并被构造为根据接收的输入信号向负载提供经放大的输出功率；

旁路电路，并联连接在放大电路和负载之间，并被构造为在输出功率的脉冲持续时间之间的时间段期间启用，从而旁路电路和负载形成环流电流回路，其中所述旁路电路包括一对开关单元，所述一对开关单元中的一个开关单元的第一端连接到放大电路的第一输出端，所述一对开关单元中的另一个开关单元的第一端连接到所述一个开关单元的第二端，所述另一个开关单元的第二端连接到放大电路的第二输出端。

2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，放大电路被构造为从电源接收直流输入功率，并根据接收的经脉冲宽度调制的输入信号向负载提供经放大的输出功率。

3.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，放大电路包括：

第一开关单元，第一开关单元的第一端连接到电源的第一输出端，第一开关单元的第二端连接到放大电路的第一输出端；

第二开关单元，第二开关单元的第一端连接到放大电路的第一输出端，第二开关单元的第二端连接到电源的第二输出端；

第三开关单元，第三开关单元的第一端连接到电源的第一输出端，第三开关单元的第二端连接到放大电路的第二输出端；

第四开关单元，第四开关单元的第一端连接到放大电路的第二输出端，第四开关单元的第二端连接到电源的第二输出端。

4.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述一对开关单元包括第五开关单元和第六开关单元，其中当第一开关单元至第四开关单元截止时，第五开关单元和第六开关单元导通，从而使旁路电路与负载形成环流电流回路。

5.如权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：

控制级，连接到第一开关单元至第六开关单元的控制端，并被构造为对接收的信号进行脉冲宽度调制以得到用于第一开关单元至第六开关单元的控制信号，并将得到的控制信号作为功率电路的输入信号分别提供到第一开关单元至第六开关单元。

6.如权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，放大电路还包括：

电容器，电容器的第一端连接到电源的第一输出端，电容器的第二端连接到电源的第二输出端。

7.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：

纹波电流滤波器，连接在旁路电路和负载之间。

8.如权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：

共滤波器，连接在纹波电流滤波器和负载之间。

9.一种电源装置，其特征在于，所述电源装置包括：

电源；

如权利要求1至权利要求8所述的功率放大器，连接在电源和负载之间，并被构造为向负载提供经放大的输出功率。

10.如权利要求9所述的电源装置，其特征在于，所述电源装置包括多个功率放大器，所述多个功率放大器并联连接到电源，并被构造为分别向多个负载提供经放大的输出功率。

11.一种磁共振成像设备，其特征在于，所述磁共振成像设备包括：

梯度线圈，被构造为产生梯度磁场；

如权利要求9或权利要求10所述的电源装置，被构造为向作为负载的梯度线圈供电。

12.如权利要求11所述的磁共振成像设备，其特征在于，

梯度线圈包括第一轴梯度线圈、第二轴梯度线圈和第三轴梯度线圈，

电源装置包括第一功率放大器，第二功率放大器和第三功率放大器，

其中，第一功率放大器，第二功率放大器和第三功率放大器并联连接到电源，并被构造为分别向第一轴梯度线圈、第二轴梯度线圈和第三轴梯度线圈供电。

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