CN106787864B - 一种梯度电源、控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种梯度电源、控制方法及控制器，梯度电源包括：包括多个半桥的原边电路及副边电路，原边电路与谱仪输入系统及副边电路相连接，而原边电路基于谱仪输入系统的输入信号及副边电路的当前输出电流控制半桥之间的连接关系，使得谐振阶段完整或者近似完整。本申请通过利用谱仪输入系统的输入信号及副边的输出电流作为前馈信号，为控制原边电路的母线电压而去控制原边电路中半桥之间的连接关系，进而通过控制半桥之间的连接关系使得原边电路的母线电压与谱仪输入系统中表征下一时刻副边负载的输入信号相对应，从而实现对母线电压的控制，能够更好的完成谐振阶段，从而提高可控性和稳定性，使得控制更加简单和可靠。

Description

一种梯度电源、控制方法及控制器

技术领域

本申请涉及核磁共振技术领域，特别涉及一种梯度电源、控制方法及控制器。

背景技术

磁共振系统主要由磁体、梯度系统、射频系统、制冷系统、重建系统及操作系统组成。其中，磁体为磁共振成像提供均匀且稳定的主磁场，而梯度系统则为磁共振系统提供空间编码，它是在主磁场内部通过不同形状的线圈，在X、Y及Z的方向上形成梯度磁场。梯度系统主要包括梯度波形发生器、梯度放大器和负载即梯度线圈三部分。

其中，梯度放大器作为驱动线圈的电力电子部件，由AC将输入转化为输出为电流的高精度受控电流源中，AC-DC部分主要由移相全桥PWM控制器、谐振式PWM控制器、半桥串联和全桥串并联多电平模式控制器组成。

在AC-DC的副边的电容与原边的漏感之间存在谐振阶段，在这一阶段比正常不谐振的阶段输出的能量大很多，而如果原边输出的电流较大的话，则会导致在母线输出电压过高的情况下，特别是在轻载的情况下，有效占空比在谐振阶段会过早结束，而梯度放大器的负载时从空载到满载之间任意不断无规律的切换的，存在谐振阶段的不可控及不稳定性。

而国际上的输入电压通常在380V-20％到480V+20％的范围内，因此，现有的梯度放大器的梯度电源会存在由于输入电压过高，导致输出母线电压过大，造成梯度放大器中谐振阶段存在不可控及不稳定的情况。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种梯度电源、控制方法及控制器，用以解决现有技术中的梯度放大器的梯度电源会存在由于输入电压过高，导致输出母线电压过大，造成梯度放大器中谐振阶段存在不可控及不稳定的情况的技术问题。

本申请提供了一种梯度电源，包括：

原边电路及副边电路，所述原边电路至少包括多个半桥，所述原边电路与谱仪输入系统及所述副边电路相连接，其中：

所述原边电路基于所述谱仪输入系统的输入信号及所述副边电路的当前输出电流控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，使得所述副边电路与所述原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整。

上述梯度电源，优选的，所述原边电路包括3个半桥：

每个所述半桥包括：两个IGBT，其中，所述原边电路中半桥之间的连接关系为串联和并联的连接方式，所述串联和并联的连接方式为：

每个半桥的第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极相连接；

所述原边电路中，第1个半桥的第二IGBT的发射极与第2半桥的第一IGBT的发射极相连接，第2个半桥的第二IGBT的发射极与第3半桥的第一IGBT的发射极相连接；

所述原边电路中，第3半桥的第二IGBT的发射极经过电容和电感之后与第1半桥的第一IGBT的集电极相连接；

且，谱仪输入系统中的输入端与IGBT的门极相连接。

上述梯度电源，优选的：

所述原边电路基于所述谱仪输入系统的输入信号及所述副边电路的当前输出电流控制所述副边电路中的电路拓扑连接方式，以调整所述副边电路的输出电压。

本申请还提供了一种梯度电源的控制方法，所述梯度电源包括：原边电路及副边电路，所述原边电路至少包括多个半桥，所述原边电路与谱仪输入系统及所述副边电路相连接，所述方法包括：

获取所述谱仪输入系统的输入信号以及所述副边电路的当前输出电流；

基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，以使得所述副边电路与所述原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整。

上述方法，优选的，基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，包括：

将所述谱仪输入系统的各个输入信号取绝对值相加；

基于相加的结果及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系为串联和/或并联。

上述方法，优选的，还包括：

基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述副边电路中的电路拓扑连接方式，以调整所述副边电路的输出电压。

本申请还提供了一种梯度电源的控制器，所述梯度电源包括：原边电路及副边电路，所述原边电路至少包括多个半桥，所述原边电路与谱仪输入系统及所述副边电路相连接，所述控制器包括：

信号采集单元，用于获取所述谱仪输入系统的输入信号以及所述副边电路的当前输出电流；

原边控制单元，用于基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，以使得所述副边电路与所述原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整。

上述控制器，优选的，所述原边控制单元具体用于：将所述谱仪输入系统的各个输入信号取绝对值相加；基于相加的结果及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系为串联和/或并联。

上述控制器，优选的，还包括：

副边控制单元，用于基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述副边电路中的电路拓扑连接方式，以调整所述副边电路的输出电压。

由上述方案可知，本申请提供的一种梯度电源、控制方法及控制器，通过利用谱仪输入系统的输入信号及副边的输出电流作为前馈信号，为控制原边电路的母线电压而去控制原边电路中半桥之间的连接关系，进而通过控制半桥之间的连接关系使得原边电路的母线电压与谱仪输入系统中表征下一时刻副边负载的输入信号相对应，使得母线电压能够与负载相对应，从而实现对母线电压的控制，由此避免母线电压过大而导致谐振阶段不完整等不可控及不稳定的情况，使得谐振阶段完整或近似完整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1～图2分别为本申请实施例提供的一种梯度电源的原边电路的拓扑图；

图3～图5分别为本申请实施例提供的一种梯度电源的副边电路的拓扑图；

图6～图7分别为本申请实施例提供的一种梯度电源的控制方法的流程图；

图8为本申请实施例的应用示例图；

图9～图10分别为本申请实施例提供的一种梯度电源的控制器的结构示意图；

图11为本申请实施例的另一应用示例图。

具体实施方式

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。

本申请实施例提供了的一种梯度电源，应用于磁共振系统的梯度系统中，本实施例中的梯度电源可以包括有以下结构：

原边电路及副边电路，原边电路至少包括多个半桥，如3个或4个等，原边电路与谱仪输入系统及副边电路相连接，谱仪输入系统的输入电流首先流经原边电路，再通过电感到达副边电路，为副边电路连接的负载提供电流电压。

在实际实现中，谱仪输入系统中的输入电流可以经过变压器的整流之后，再经过分流得到N路独立电流，然后经过原边电路和副边电路之后输出给负载，为负载提供电压电流。这里的N与原边电路中半桥的数量一致。

需要说明的是，副边电路的负载线圈的电流会不断跟随谱仪输入系统的输入信号如输入电流等的变化而不断切换，因此谱仪输入系统的输入信号能够表征副边电路的负载的切换状态，即能够表征下一时刻的负载状态。

基于此，本实施例中为了能够达到控制原边电路的母线电压的目的，可以通过基于谱仪输入系统的输入信号及副边电路的当前输出电流控制原边电路中的半桥之间的连接关系，半桥之间的连接关系可以为串联和/或并联，由此来控制原边电路的母线电压，实现基于负载来调控母线电压的目的，使得副边电路与原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整。

需要说明的是，本实施例中的副边电流可以采用无源吸收谐振式电路。

由上述方案可知，本申请提供的一种梯度电源，通过利用谱仪输入系统的输入信号及副边的输出电流作为前馈信号，为控制原边电路的母线电压而去控制原边电路中半桥之间的串并联的连接方式，进而通过串并联的连接方式使得原边电路的母线电压与谱仪输入系统中表征下一时刻副边负载的输入信号相对应，使得母线电压能够与负载相对应，从而实现对母线电压的控制，由此避免母线电压过大而导致谐振阶段不完整等不可控及不稳定的情况，使得谐振阶段完整或近似完整。

在一种实现中，原边电路中可以包括有3个半桥，每个半桥中包括两个IGBT，半桥之间的连接关系可以为串联和/或并联的连接。

在原边电路中的3个半桥中，每个半桥中的第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极相连接。而，3个半桥中，其中的两个半桥并联再与另一个半桥串联，第1个半桥的第二IGBT的发射极与第2半桥的第一IGBT的发射极相连接，第2个半桥的第二IGBT的发射极与第3半桥的第一IGBT的发射极相连接，第3半桥的第二IGBT的发射极经过电容和电感之后与第1半桥的第一IGBT的集电极相连，谱仪输入系统中的输入端与IGBT的门极相连接。

如图1中，原边电路中具有3个半桥：x1、x2、x3，x1中包括两个IGBT：Q11和Q12，Q11的发射极与Q12的集电极相连接，x2中包括两个IGBT：Q13和Q14，Q13的发射极与Q14的集电极相连接，x3中包括两个IGBT：Q15和Q16，Q15的发射极与Q16的集电极相连接；Q12的发射极与Q13的发射极相连接，Q14的发射极与Q15的集电极相连接。

其中，Q11的集电极依次与电感L及电容C串联后，连接Q1的发射极，形成回路，在谱仪输入系统的三个输入信号A、B、C分别通过以上IGBT的门极进入原边电路，通过电感和电容输出母线电压。在具体应用中，可以通过在每个半桥上并联电压表DC1、DC2、DC3，以实时检测每个半桥上的电压。

另外，如图2中所示，为了更好的实现母线电压的控制，可以在每个半桥的一个IGBT的门极上设置一个CD40106BM：U1、U2、U3，CD40106BM由6个施密特触发器电路组成。

本实施例中的梯度电源适用于输入交流电压范围由380V-20％到480V+20％的情况。其中，对于以上电压范围，并且负载线圈的电流不断跟随谱仪输入系统的变化而不断切换的情况下，本实施例中梯度电源的AC-DC电源采用原边交流输入后多半桥串并联组合后经滤波作为AC-DC部分的母线电压电源，副边采用无源吸收谐振式电路，根据梯度放大器的谱仪输入系统的输入信号X、Y、Z(如图1中的A、B、C)三根信号线的时序关系在同一时刻总绝对值相加作为负载切换大小进行前馈控制来进行半桥串联组合的输入来决定输出母线电压的大小，使得不同输入电压下，特别是在大电压480V+20％的情况下进行变压变换，使得主功率器件的电压应力降低，能够更好的完成谐振阶段，从而提高可控性和稳定性，使得控制更加简单和可靠。

上述示例中的副边电路可以采用如图3、图4或图5中的电路拓扑结构，如果需要输出高电压，可以通过控制副边电路中的电路拓扑连接方式为串联组合方式，以实现对副边电路的输出电压的控制。

其中，图3中包括有IGBT的Q1～Q4，副边电路(包括有多个二极管，如DR1、DR2、DR3，还有电容Cc、Cf，及电感Lf)通过电感Tr等电路结构(如Q1～Q4及Llk等)连接到母线电压DC上，R0即为负载线圈。图4中，同样具有多个二极管，如d1、d2、d3，还有电容C1、C2，还有电感Lf等，R0即为负载线圈。图5中，也具有多个二极管，如Dc1、Dc2、Dc3，还有电容Cc和Cf，还有电感Lf等，R0即为负载线圈。

本实施例中，梯度电源即AC-DC经过整流后可以分为N路独立的电源，之后，可以经过半桥的串并联来生成组合电压作为逆变部分的母线电压，如图1或图2中所示。而副边逆变部分采用类似无源吸收谐振式电路，在开通占空比的一部分是谐振模式，如图3、图4及图5中所示。

参考图6，为本申请实施例提供的一种梯度电源的控制方法的实现流程图，应用于上述实施例中所描述的梯度电源中，该方法可以包括以下步骤：

步骤601：获取谱仪输入系统的输入信号以及副边电路的当前输出电流。

步骤602：基于输入信号及当前输出电流，控制原边电路中的半桥之间的连接关系，以使得副边电路与原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整。

其中，步骤602具体可以通过以下方式实现：

首先，将谱仪输入系统的各个输入信号取绝对值相加，然后再基于相加的结果及当前输出电流，控制原边电路中的半桥之间的连接关系为串联和/或并联，如图1或图2中的串并联方式。

另外，如图7中所示，在步骤601之后，所示方法还可以包括以下步骤：

步骤603：基于输入信号及当前输出电流，控制副边电路中的电路拓扑连接方式，以调整副边电路的输出电压。

基于图1～图5中所示的电路拓扑结构，结合图6所示的方法，实现的各种实施例均在本申请的保护范围内。

在具体实现中，图8为本实施例以图2集合图3的示例中移相半桥副边谐振模式的主功率器件随时间t的电压电流波形。图8中，在t1到t3阶段副边的电容和原边的漏感的谐振阶段,这个阶段由于谐振，比正常不谐振的阶段输出的能量要大很多，输出电流要大，导致在母线输出电压过高的的情况下，特别是在轻载的情况下,有效占空比在谐振阶段没有结束就结束，如第三条V_AB与i_p的曲线在t0～t3之间的谐振阶段会提早结束，而梯度放大器负载情况是从空载到满载之间任意负载不断无规律的切换，由于谐振阶段是不可控状态，在这种情况下，控制存在一定的不稳定性。

因此，本实施例中，梯度放大器的输入是谱仪输入系统的X、Y、Z的3个-10V-+10V的电信号，梯度放大器是电压控制高精度电流源，根据输入输出进行电流跟随，所以输入也就可以换算成即将输出的负载，这样可以在梯度放大器的AC-DC控制部分里引入X、Y、Z这三个信号，根据计算给定全桥或者半桥的串并联来组合的驱动，根据即将给定的负载来给定前馈电压，同时采样当前负载电流值，跟X、Y、Z在同一时刻的绝对值相加后进行综合计算，来给定半桥的串并联来组合的驱动，这样可以保证在不同负载下，特别是梯度放大器高电压(480V+20％)的情况下，根据目前的负载情况和即将到来的负载情况下来给定梯度放大器AC-DC部分的母线电压。

参考图9，为本申请实施例提供的一种梯度电源的控制器的结构示意图，应用于上述实施例中所描述的梯度电源中，该控制器可以包括以下结构：

信号采集单元901，用于获取所述谱仪输入系统的输入信号以及所述副边电路的当前输出电流；

原边控制单元902，用于基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，以使得所述副边电路与所述原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整。

而，原边控制单元902具体用于：将谱仪输入系统的各个输入信号取绝对值相加；基于相加的结果及所述当前输出电流，控制原边电路中的半桥之间的连接关系为串联和/或并联。

另外，如图10中所示，该控制器还可以包括以下结构：

副边控制单元903，用于基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述副边电路中的电路拓扑连接方式，以调整所述副边电路的输出电压。

如图11中所示，本实施例中的控制器在梯度放大器的AC-DC控制部分里引入X、Y、Z这三个信号，根据计算给定全桥或者半桥的串并联来组合的驱动，根据即将给定的负载来给定前馈电压，同时采样当前负载电流值，跟X、Y、Z在同一时刻的绝对值相加后进行综合计算，来给定半桥的串并联来组合的驱动，这样可以保证在不同负载下，特别是梯度放大器高电压(480V+20％)的情况下，根据目前的负载情况和即将到来的负载情况下来给定梯度放大器AC-DC部分的母线电压，这样可以使图8中变压器原边电流和副边的电流中的负载都可以完成谐振阶段，控制上相当于加了一个前馈，控制部分如图11中所示。

图11中的A路、B路、C路驱动分别驱动图1或图2中的A、B、C，而梯度放大器的AC-DC电源副边可以采用图3、图4或图5的模式，如果需要输出高电压，可以副边采用串联组合。

具体的，图11中根据谱仪输入系统的输入信号和负载来驱动图1中的三个半桥，是输入的母线电压根据负载的大小来进行调整，相当于加了一个前馈，控制上使输入母线电压对输出负载进行相应的变化，使不同负载下，特别是高输入480+20％AC输入下，主拓扑部分都可以完成谐振阶段，各个功率器件用在更合理的工作状况，这样控制上更加的合理和可控。

需要说明的是，本实施例中通过三角波载波的360/N度移相，对原边电路中的每个半桥的PWM产生电路进行驱动。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种梯度电源、控制方法及控制器进行了详细介绍，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种梯度电源，其特征在于，包括：

原边电路及副边电路，所述原边电路至少包括多个半桥，所述原边电路与谱仪输入系统及所述副边电路相连接，其中：

所述原边电路基于所述谱仪输入系统的输入信号及所述副边电路的当前输出电流控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，使得所述副边电路与所述原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整；

其中，所述原边电路包括3个半桥：

每个所述半桥包括：两个IGBT，其中，所述原边电路中半桥之间的连接关系为串联和并联的连接方式，所述串联和并联的连接方式为：

每个半桥的第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极相连接；

所述原边电路中，第1个半桥的第二IGBT的发射极与第2半桥的第一IGBT的发射极相连接，第2个半桥的第二IGBT的发射极与第3半桥的第一IGBT的发射极相连接；

所述原边电路中，第3半桥的第二IGBT的发射极经过电容和电感之后与第1半桥的第一IGBT的集电极相连接；

且，谱仪输入系统中的输入端与IGBT的门极相连接。

2.根据权利要求1所述的梯度电源，其特征在于：

所述原边电路基于所述谱仪输入系统的输入信号及所述副边电路的当前输出电流控制所述副边电路中的电路拓扑连接方式，以调整所述副边电路的输出电压。

3.一种梯度电源的控制方法，其特征在于，所述梯度电源包括：原边电路及副边电路，所述原边电路至少包括多个半桥，所述原边电路与谱仪输入系统及所述副边电路相连接，所述方法包括：

获取所述谱仪输入系统的输入信号以及所述副边电路的当前输出电流；

基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，以使得所述副边电路与所述原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整；

其中，基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，包括：

将所述谱仪输入系统的各个输入信号取绝对值相加；

基于相加的结果及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系为串联和/或并联。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述副边电路中的电路拓扑连接方式，以调整所述副边电路的输出电压。

5.一种梯度电源的控制器，其特征在于，所述梯度电源包括：原边电路及副边电路，所述原边电路至少包括多个半桥，所述原边电路与谱仪输入系统及所述副边电路相连接，所述控制器包括：

信号采集单元，用于获取所述谱仪输入系统的输入信号以及所述副边电路的当前输出电流；

原边控制单元，用于基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系，以使得所述副边电路与所述原边电路之间的谐振阶段完整或者近似完整；

其中，所述原边控制单元具体用于：将所述谱仪输入系统的各个输入信号取绝对值相加；基于相加的结果及所述当前输出电流，控制所述原边电路中的半桥之间的连接关系为串联和/或并联。

6.根据权利要求5所述的控制器，其特征在于，还包括：

副边控制单元，用于基于所述输入信号及所述当前输出电流，控制所述副边电路中的电路拓扑连接方式，以调整所述副边电路的输出电压。