CN106374772A - 梯度放大器的串联补偿电路及核磁共振成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种梯度放大器的串联补偿电路及核磁共振成像设备，包括：第一升压变压器和至少以下两个逆变器，分别为：第一逆变器和第二逆变器；第一逆变器，用于将第一直流电压逆变为第一交流电压；第二逆变器，用于将第二直流电压进行逆变后输入第一升压变压器的输入端；第一升压变压器，用于将其输入端的电压升压为第二交流电压；第一交流电压和第二交流电压叠加后为梯度线圈提供电源。由于升压变压器可以将电压升高，该电路满足下一代核磁共振成像设备中梯度线圈对高电压的要求。第一逆变器和第二逆变器中开关管的耐压选择正常的耐压，不必选择耐压等级很高的开关管，有利于开关管的选型。否则将造成开关管选型困难。

Description

梯度放大器的串联补偿电路及核磁共振成像设备

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种梯度放大器的串联补偿电路及核磁共振成像设备。

背景技术

梯度放大器的主要作用是为核磁共振设备中的梯度线圈提供驱动电流，并且能够精确控制梯度线圈的电流，梯度线圈可以等效理解为一个电感，所以当线圈电流快速变化的时候，梯度放大器需要瞬间输出高压；当线圈电流是直流时，梯度放大器需要快速从高压转为一个低压。

目前，梯度放大器使用串联H桥拓扑满足核磁共振成像的要求。具体可以参见图1a和图1b，该图为现有技术中提供的串联H桥式的梯度放大器示意图。

图1a为一个H桥的示意图，图1b为三个H桥串联在一起的示意图。H桥的开关管由控制电路输出的脉冲信号控制其通断状态。

三个H桥的输出电压的相位彼此错相，从而可以实现梯度线圈两端等效开关频率增加，这样可以减少电流纹波。

梯度线圈本身可以等效为一个电感，其两端电压如下公式(1)所示。

$Vgc=Lgc\×\frac{digc}{dt}+Rgc\×igc---\left(1\right)$

当线圈电流处于暂态跳变时候，三个H桥的输出电压V1、V2和V3错相叠加在一起。当线圈电流处于稳态，V1、V2、V3彼此错相，使得线圈等效开关频率增加，从而减少电流纹波。

但是，下一代核磁共振设备要求梯度线圈的电压更高，因此，需要梯度放大器提供的驱动电流也越大，这样给H桥中的开关管的选型造成困难，因为开关管的耐压是有限的，目前开关管选用IGBT时，IGBT最高耐压为3.2kV。并且开关管随着耐压的增加，损耗会越来越大，开关特性也会变差，因此，现有技术这种架构的梯度放大器将不适用于下一代核磁共振设备的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的以上技术问题，本发明提供一种梯度放大器的串联补偿电路及核磁共振成像设备，能够满足下一代核磁共振设备的要求，而且有利于开关管的选型。

本实施例提供一种梯度放大器的串联补偿电路，包括：第一升压变压器和至少以下两个逆变器，分别为：第一逆变器和第二逆变器；

所述第一逆变器，用于将第一直流电压逆变为第一交流电压；

所述第二逆变器，用于将第二直流电压进行逆变后输入所述第一升压变压器的输入端；

所述第一升压变压器，用于将其输入端的电压升压为第二交流电压；

所述第一交流电压和所述第二交流电压叠加后为梯度线圈提供电源。

优选地，还包括：电流传感器、差值电路、第一控制器和第二控制器；

所述电流传感器，用于获取所述梯度线圈的电流，并将所述梯度线圈的电流反馈给所述差值电路；

所述差值电路，用于获得所述梯度线圈的电流与参考电流的差值，将所述差值发送给所述第一控制器和第二控制器；

所述第一控制器，用于根据所述差值控制所述第一逆变器中开关管的开关状态；

所述第二控制器，用于根据所述差值控制所述第二逆变器中开关管的开关状态。

优选地，还包括：第一开关和第二开关；

所述第一开关的两端分别连接所述第一逆变器的正输出端和负输出端；

所述第二开关的两端分别连接所述第二逆变器的正输出端和负输出端；

当所述第一逆变器故障时，所述第一开关闭合；

当所述第二逆变器故障时，所述第二开关闭合。

优选地，所述第一直流电压和第二直流电压相等。

优选地，还包括：第一电容和第二电容；

所述第一电容连接在所述第一直流电压的正极和地之间；

所述第二电容连接在所述第一直流电压的负极和地之间。

优选地，还包括：第二升压变压器；

所述第二升压变压器，用于对所述第一交流电压进行升压；

所述第一交流电压升压后的电压与所述第二交流电压叠加后为所述梯度线圈提供电源。

优选地，还包括：第三逆变器和第三升压变压器；

所述第三逆变器，用于将第三直流电压进行逆变后输入所述第三升压变压器的输入端；

所述第三升压变压器，用于将其输入端的电压进行升压为第三交流电压；

所述第一交流电压、第二交流电压和第三交流电压叠加后为所述梯度线圈提供电源。

优选地，还包括：滤波电路；

所述滤波电路连接在所述梯度线圈的输入端，用于对所述梯度线圈的电源进行滤波。

优选地，还包括H桥，所述H桥输出的电压与所述第一交流电压和第二交流电压叠加后为梯度线圈提供电源。

本发明实施例还提供一种核磁共振成像设备，包括所述的梯度放大器的串联补偿电路。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

通过升压变压器将第二逆变器的输出电压升压后与第一交流电压进行叠加为梯度线圈提供电源。由于升压变压器可以将电压升高，因此该电路可以满足下一代核磁共振成像设备中梯度线圈对高电压的要求。而且第一逆变器和第二逆变器中的开关管的耐压可以选择正常的耐压，不必选择耐压等级很高的开关管，这样有利于开关管的选型。否则将造成开关管选型困难。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1a为现有技术中一个H桥的示意图；

图1b为现有技术中三个H桥串联在一起的示意图；

图2为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路实施例一示意图；

图3为本发明提供的串联补偿的波形示意图；

图4a为本发明提供的中点钳位结构的逆变器拓扑；

图4b为本发明提供的T型中点钳位结构的逆变器拓扑；

图5为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路实施例二示意图；

图6a为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路实施例三示意图；

图6b为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路的电路图；

图7a为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路实施例四示意图；

图7b为现有技术中的梯度放大器存在共模干扰的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参见图2，该图为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路实施例一示意图。

本实施例提供的梯度放大器的串联补偿电路，包括：第一升压变压器T1和至少以下两个逆变器，分别为：第一逆变器100和第二逆变器200；

所述第一逆变器100，用于将第一直流电压VBUS1逆变为第一交流电压V1；

所述第二逆变器200，用于将第二直流电压VBUS2进行逆变后输入所述第一升压变压器的输入端；

可以理解的是，VBUS1和VBUS2可以相等，也可以不相等。

所述第一升压变压器T1，用于将其输入端的电压升压为第二交流电压V2；

第一升压变压器T1的变比为1：N，即T1的输出电压为输入电压的N倍。其中N的数值可以根据实际需要来选择，本实施例中不做具体限定。

所述第一交流电压V1和所述第二交流电压V2叠加后为梯度线圈提供电源。

从图2中可以看出，V1和V2串联后为梯度线圈提供电源，由于V2是升压后的电压，因此，可以满足梯度线圈对高电压的要求。而且第一逆变器和第二逆变器中的开关管的耐压可以选择正常的耐压，不必选择耐压等级很高的开关管，这样有利于开关管的选型。否则将造成开关管选型困难。

可以理解的是，梯度线圈可以等效为电阻部分Rgc和电感部分Lgc。

因为梯度线圈的电压Vgc由公式(1)决定，所以第一逆变器100和第二逆变器200负责不同的功能，第一逆变器100负责补偿梯度线圈的电阻电压，参见公式(2)。第二逆变器200负责补偿梯度线圈的电感电压，参见公式(3)。

V1＝igc×Rgc (2)

$V2=Lgc\×\frac{digc}{dt}---\left(3\right)$

本实施例提供的串联补偿的工作原理可以参见图3，该图为本发明提供的串联补偿的波形示意图。

其中V1正比于电感电流，V2对应电流暂态变化产生的电压。

其中，第一逆变器和第二逆变器的结构可以采取目前已经成熟的逆变器结构，例如采用H桥结构、中点钳位NPC结构如图4a所示、T型中点钳位TNPC结构如图4b所示。

其中H桥的结构可以参见图1a。

本实施例提供的串联补偿电路，通过升压变压器将第二逆变器的输出电压升压后与第一交流电压进行叠加为梯度线圈提供电源。由于升压变压器可以将电压升高，因此该电路可以满足下一代核磁共振成像设备中梯度线圈对高电压的要求。而且第一逆变器和第二逆变器中的开关管的耐压可以选择正常的耐压，不必选择耐压等级很高的开关管，这样有利于开关管的选型。否则将造成开关管选型困难。

实施例二：

参见图5，该图为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路实施例二示意图。

本实施例提供的梯度放大器的串联补偿电路还包括：电流传感器300、差值电路(图中未示出)、第一控制器400和第二控制器500；

所述电流传感器300，用于获取所述梯度线圈600的电流，并将所述梯度线圈600的电流反馈给所述差值电路；

所述差值电路，用于获得所述梯度线圈的电流与参考电流的差值，将所述差值发送给所述第一控制器400和第二控制器500；

如图所示，差值电路将所述梯度线圈600的电流igc与参考电流iref进行比较，获得两者的差值。需要说明的是，差值电路可以由模拟电路来实现，例如，通过运算放大器来实现。运算放大器输出模拟信号的差值，经过模数转换器将模拟差值信号转换为数字差值信号发送给所述第一控制器400和第二控制器500。

可以理解的是，第一控制器400和第二控制器500可以自带模数转换器，这样就不必再添加独立的模数转换器。

所述第一控制器400，用于，根据所述差值控制所述第一逆变器100中开关管的开关状态；

所述第二控制器500，用于根据所述差值控制所述第二逆变器200中开关管的开关状态。

本实施例中采用两个控制器分别对两个逆变器进行控制，即一个逆变器对应一个控制器。这样每个控制器可以执行不同的控制目标，例如第一控制器400负责电阻压降，第二控制器500负责控制电感压降，从而实现彼此去耦独立控制。

另外，两个控制器可以采用不同的控制算法，例如第一控制器400可以采用比例积分PI算法进行控制。第二控制器500可以采用高带宽的算法进行控制。其他的控制算法也可以，例如，状态空间控制或模型预测控制等。本实施例中对第一控制器400和第二控制器500采用的具体控制算法不做具体限定。

利用两个控制器分别实现对逆变器的控制，这样可以降低每个控制器的控制难度，控制器的选型也比较容易。

实施例三：

参见图6a，该图为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路实施例三示意图。

本实施例提供的梯度放大器的串联补偿电路还包括：第一开关S1和第二开关S2；

所述第一开关S1的两端分别连接所述第一逆变器100的正输出端和负输出端；

所述第二开关S2的两端分别连接所述第二逆变器200的正输出端和负输出端；

当所述第一逆变器100故障时，所述第一开关S1闭合；

当所述第二逆变器200故障时，所述第二开关S2闭合。

可以理解的是，第一逆变器100和第二逆变器200均正常时，V1和V2串联后给梯度线圈提供电源，但是，当其中一个逆变器故障时，可以利用开关来短路掉故障逆变器，这样正常的逆变器可以照常工作，为梯度线圈提供电源。此时，由于整个电源电压有所降低，因此核磁共振设备只能满足一定电压范围内的工作，不能满足整个电压范围内的工作，例如有些成像需要的电压等级高，有的成像需要的电压等级低，这样可以满足电压等级较低的一些成像。

待故障的逆变器被维修好或被新的替代后，可以将对应的开关打开，从而V1和V2串联后重新为梯度线圈提供电源。由于开关的存在，不至于在一个逆变器故障时使整个核磁共振设备丧失工作能力。而是可以继续工作。

另外，本实施例提供的串联补偿电路还包括：滤波电路700；

所述滤波电路700连接在所述梯度线圈的输入端，用于对所述梯度线圈的电源进行滤波。即滤波电路700用于滤除V1和V2的干扰信号，包括共模噪声和差模噪声。

下面介绍当VBUS1＝VBUS2时的一个具体实例，参见图6b，该图为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路的电路图。

从图6b中可以看出，三相整流桥800输出的直流电压作为第一逆变器100和第二逆变器200的输入电压。

第一逆变器100和第二逆变器200均由H桥来实现。

H桥包括四个开关管，第一逆变器100包括的四个开关管分别为QAH1、QAL1、QBH1和QBL1，第二逆变器200包括的四个开关管分别为QAH2、QAL2、QBH2和QBL2。

滤波电路700包括滤波电感Lf和滤波电容Cf。

实施例四：

参见图7a，该图为本发明提供的梯度放大器的串联补偿电路实施例四示意图。

本实施例提供的梯度放大器的串联补偿电路，还包括：第一电容CY1和第二电容CY2；

所述第一电容CY1连接在所述第一直流电压VBUS1的正极和地之间；

所述第二电容CY2连接在所述第一直流电压VBUS1的负极和地之间。

图7a中的VBUS1和VBUS2相同，均是三相整流桥800的输出电压。

可以理解的是，三相整流器800的输入端的电压是工频变压器900的输出电压。工频变压器900与第一升压变压器T1的区别是，工频变压器900的工作频率低即工频，例如在中国的工频为50Hz，而第一升压变压器T1工作在高频。

通过本发明提供的串联补偿电路，VBUS1可以通过本实施例提供的第一电容CY1和第二电容CY2接地，从而使第一逆变器100和第二逆变器200输出电压对于地都是固定的电位，从而有效减少共模噪声的干扰。

但是，现有技术中直接将多个H桥的输出电压串联在一起为梯度线圈提供电源，每个逆变器对应的工频变压器的副边绕组对地是悬浮的。

具体可以参见图7b，该图为现有技术中的梯度放大器存在共模干扰的示意图。因此，会有寄生电容如图7b中的Cs1、Cs2和Cs3，存在严重的共模电流干扰信号。而利用本实施例提供的串联补偿电路有效解决了共模干扰的问题。

另外，从图7b和7a比较也可以看出，本发明提供的串联补偿电路对应的工频变压器的副边绕组只需要一个，但是现有技术中的图7b中的工频变压器的副边绕组得需要三个，即副边绕组需要与H桥的数目相同。显然，本发明提供的串联补偿电路的结构简单，成本也低。

需要说明的是，以上实施例中均是以V1和V2串联为梯度线圈供电为例进行介绍的，可以理解的是，为了使梯度线圈的电源电压更高，可以在第一逆变器的输出端增加一个升压变压器，即如下技术方案。

本实施例提供的梯度放大器的串联补偿电路，还包括：第二升压变压器；

所述第二升压变压器，用于对所述第一交流电压进行升压；

所述第一交流电压升压后的电压与所述第二交流电压叠加后为所述梯度线圈提供电源。

另外，可以理解的是，以上实施例均是以一个第二逆变器为例进行介绍的，也可以在第二逆变器的位置添加一个逆变器，例如整个回路除了包括V1和V2以外，还可以包括第三交流电压。即如下技术方案：

本实施例提供的梯度放大器的串联补偿电路，还包括：第三逆变器和第三升压变压器；

所述第三逆变器，用于将第三直流电压进行逆变后输入所述第三升压变压器的输入端；

所述第三升压变压器，用于将其输入端的电压进行升压为第三交流电压；

所述第一交流电压、第二交流电压和第三交流电压叠加后为所述梯度线圈提供电源。

同理，也可以在第一逆变器的位置增加一个逆变器，与第一逆变器分担第一交流电压。

另外，可以理解的是，除了包括以上实施例介绍的实现方式以外，还可以包括H桥，所述H桥输出的电压与所述第一交流电压和第二交流电压叠加后为梯度线圈提供电源。

基于以上实施例提供的一种梯度放大器的串联补偿电路，本发明还提供一种核磁共振成像设备，包括以上实施例所述的梯度放大器的串联补偿电路。

可以理解的是，通过该串联补偿电路，可以满足下一代核磁共振成像设备对于高电压等级的要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，包括：第一升压变压器和至少以下两个逆变器，分别为：第一逆变器和第二逆变器；

所述第一逆变器，用于将第一直流电压逆变为第一交流电压；

所述第二逆变器，用于将第二直流电压进行逆变后输入所述第一升压变压器的输入端；

所述第一升压变压器，用于将其输入端的电压升压为第二交流电压；

所述第一交流电压和所述第二交流电压叠加后为梯度线圈提供电源。

2.根据权利要求1所述的梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，还包括：电流传感器、差值电路、第一控制器和第二控制器；

所述电流传感器，用于获取所述梯度线圈的电流，并将所述梯度线圈的电流反馈给所述差值电路；

所述差值电路，用于获得所述梯度线圈的电流与参考电流的差值，将所述差值发送给所述第一控制器和第二控制器；

所述第一控制器，用于根据所述差值控制所述第一逆变器中开关管的开关状态；

所述第二控制器，用于根据所述差值控制所述第二逆变器中开关管的开关状态。

3.根据权利要求1所述的梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，还包括：第一开关和第二开关；

所述第一开关的两端分别连接所述第一逆变器的正输出端和负输出端；

所述第二开关的两端分别连接所述第二逆变器的正输出端和负输出端；

当所述第一逆变器故障时，所述第一开关闭合；

当所述第二逆变器故障时，所述第二开关闭合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，所述第一直流电压和第二直流电压相等。

5.根据权利要求4所述的梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，还包括：第一电容和第二电容；

所述第一电容连接在所述第一直流电压的正极和地之间；

所述第二电容连接在所述第一直流电压的负极和地之间。

6.根据权利要求1所述的梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，还包括：第二升压变压器；

所述第二升压变压器，用于对所述第一交流电压进行升压；

所述第一交流电压升压后的电压与所述第二交流电压叠加后为所述梯度线圈提供电源。

7.根据权利要求1所述的梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，还包括：第三逆变器和第三升压变压器；

所述第三逆变器，用于将第三直流电压进行逆变后输入所述第三升压变压器的输入端；

所述第三升压变压器，用于将其输入端的电压进行升压为第三交流电压；

所述第一交流电压、第二交流电压和第三交流电压叠加后为所述梯度线圈提供电源。

8.根据权利要求1、6或7所述的梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，还包括：滤波电路；

所述滤波电路连接在所述梯度线圈的输入端，用于对所述梯度线圈的电源进行滤波。

9.根据权利要求1所述的梯度放大器的串联补偿电路，其特征在于，还包括H桥，所述H桥输出的电压与所述第一交流电压和第二交流电压叠加后为梯度线圈提供电源。

10.一种核磁共振成像设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的梯度放大器的串联补偿电路。