CN107070284A - 逆变电路输入电压的确定方法及装置、磁共振成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种逆变电路输入电压的确定方法，所述逆变电路为磁共振系统中的梯度线圈提供输出，所述逆变电路的电路拓扑由功率开关管组成，所述控制方法包括：根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值，所述最小直流电压值为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。通过降低直流输入电压，可以减少逆变电路中功率开关管器件的损耗，减少器件的结温波动，从而提高整个梯度功率放大器的寿命和可靠性。

Description

逆变电路输入电压的确定方法及装置、磁共振成像系统
技术领域
本发明涉及磁共振成像系统领域，尤其涉及一种逆变电路输入电压的确定方法及装置、磁共振成像系统。
背景技术
MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)系统，是利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息，是目前最为先进的医疗成像手段之一。
梯度功率放大器是MRI系统的核心部件，由直流电源提供输入，将直流电源转化为交流电源，向梯度线圈提供特定波形的电流脉冲，使得梯度线圈在成像空间产生一个线性变化的梯度磁场，使成像区域内各处的磁场各不相同，从而构建出人体图像。
梯度功率放大器，即梯度功放，主要包括控制器、直流电源和逆变电路，逆变电路主要是由功率开关管器件组成，该直流电源为逆变电路提供输入电压，通过逆变电路将直流电源转化为足够大的电源功率，控制器接收电流序列，电流序列包含成像中所需的电流序列信息，根据电流序列，控制器控制逆变电路的占空比，从而输出所需大小和方向的电流给梯度线圈。
其中，逆变电路可以采用不同的拓扑结构实现对梯度线圈的精确控制，目前电路拓扑通常是功率开关管的电路拓扑，主要MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)开关管或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)开关管组成电路拓扑。参考图1所示，其中(a)为CHB(级联H桥)逆变电路的拓扑结构，该拓扑结构由三个级联的H桥组成，其输出电压经过EMI(电磁兼容)滤波器后，输出给梯度线圈L，其中(b)，每个H桥的结构示意图，每个H桥由四个IGBT和一个储能用的电解电容构成，每个H桥由直流电源VBUS为输入，H桥中的IGBT为高速开关，输出电压V1、V2、V3彼此错相120°，从而达到线圈电压6倍频，通过控制IGBT的驱动电压的占空比，实现电流的精确控制。
在成像过程中梯度线圈所需的电流波动较大，这样，逆变电路中的电流幅值会在大电流和小电流之间不断切换，引起功率器件的结温波动，结温的波动会导致功率器件中的金属引线的脱落，从而导致IGBT模块的失效，这会制约整个梯度功率放大器的使用寿命和可靠性。在现有的逆变电路中，主要是在IGBT功率管制造的过程中，通过处理工艺的优化来提高IGBT的开关性能，以及在IGBT功率管封装时对封装材料进行优化，来提高IGBT的寿命，这对制造工艺有很高的要求，制造成本高且效果不显著。
发明内容
本发明提供了一种逆变电路输入电压的确定方法及装置、磁共振成像系统，动态确定逆变电路的输入电压，减少逆变电路的结温波动，延长使用寿命。
本发明提供了一种逆变电路输入电压的确定方法，所述逆变电路为磁共振系统中的梯度线圈提供输出，所述逆变电路的电路拓扑由功率开关管组成，其特征在于，所述控制方法包括：
根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；
根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值，所述最小直流电压值为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
可选地，逆变电路的输入电压由可控直流电源提供，所述方法还包括：
以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所输出的直流电压为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
可选地，所述可控直流电源为可控硅二极管整流电路，以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，包括：通过控制可控硅二极管的导通角，输出以所述最小直流电压值为目标输出电压的直流电压。
可选地，所述可控直流电压输出的直流电压为闭环控制，闭环控制中以所述最小直流电压值为参考值，实际的直流电压值为反馈值。
可选地，所述逆变电路为级联H桥拓扑，在逆变电路的输出端设置有电压采集传感器，获得所述实际的直流电压值包括：通过电压采集传感器获得逆变电路的输出端的脉冲电压；将所述脉冲电压进行ADC采样，以获得采样电压；按照不同的相位从采样电压中确定每个H桥拓扑的实际的直流电压值。
可选地，所述逆变电路为级联H桥拓扑，所述逆变电路输出电压与输入电压的关系为：所述逆变电路输出电压等于各H桥拓扑的输出电压之和，每个H桥拓扑的输出电压取决于H桥拓扑的占空比和输入电压的乘积。
此外，本发明还提供了逆变电路输入电压的确定装置，所述逆变电路为磁共振系统中的梯度线圈提供输出，所述逆变电路的电路拓扑由功率开关管组成，所述装置包括：
电感电压获取单元，用于根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；
最小直流电压值确定单元，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值，所述最小直流电压值为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
可选地，逆变电路的输入电压由可控直流电源提供，还包括：
电压控制单元，用于以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所输出的直流电压为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
可选地，所述可控直流电源为可控硅二极管整流电路，以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所述电压控制单元通过控制可控硅二极管的导通角，输出以所述最小直流电压值为目标输出电压的直流电压。
可选地，还包括：闭环控制单元，用于对所述可控直流电压输出的直流电压进行闭环控制，闭环控制中以所述最小直流电压值为参考值，实际的直流电压值为反馈值。
可选地，所述逆变电路为级联H桥拓扑，在逆变电路的输出端设置有电压采集传感器，用于获得逆变电路的输出端的脉冲电压；还包括：实际直流电压值确定单元，用于将所述脉冲电压进行ADC采样，以获得采样电压；按照不同的相位从采样电压中确定每个H桥拓扑的实际的直流电压值。
可选地，所述逆变电路为级联H桥拓扑，所述逆变电路输出电压与输入电压的关系为：所述逆变电路输出电压等于各H桥拓扑的输出电压之和，每个H桥拓扑的输出电压取决于H桥拓扑的占空比和输入电压的乘积。
此外，本发明还提供了一种磁共振成像系统，包括谱仪、梯度功放和梯度线圈，谱仪中设置有第一主控单元，梯度功放包括第一控制单元、第二控制单元、可控直流电源和逆变电路，所述逆变电路为功率开关管组成的电路拓扑，
所述第一主控单元包括：电感电压获取单元，用于根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；最小直流电压值确定单元，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值；数据发送单元，用于将所述最小直流电压值、所述电流序列发送给第一控制单元；
所述第一控制单元，用于控制所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压；
所述第二控制单元，用于在所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压之后，根据所述电流序列，控制逆变电路进行输出。
本发明还提供了一种磁共振成像系统，包括谱仪、梯度功放和梯度线圈，梯度功放包括输入电压控制单元、第二控制单元、可控直流电源和逆变电路，所述逆变电路为功率开关管组成的电路拓扑，其中，
所述输入电压控制单元包括：电感电压获取单元，用于根据梯度线圈的电感电压计算公式，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值，所述电流序列来自谱仪；最小直流电压值确定单元，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值；第一控制单元，用于控制所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压；
所述第二控制单元，用于在所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压之后，根据所述电流序列，控制逆变电路进行输出。
本发明实施例提供的逆变电路输入电压的确定方法及装置、磁共振系统，先获得电流序列中最大电流值时的电感电压值，并通过该电感电压值确定逆变电路输入电压的最小直流电压值，该最小直流电压值为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压，这样，使得逆变电路在每次对电流序列进行输出时的输入电压是实时确定的，该直流输入电压既能满足电流序列的成像要求，同时还能保证是最小的直流输入电压。通过降低直流输入电压，可以减少逆变电路中功率开关管器件的损耗，减少器件的结温波动，从而提高整个梯度功率放大器的寿命和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的CHB拓扑的电路结构示意图；
图2为根据本发明实施例的梯度功放逆变电路的输入电压的确定方法的流程示意图；
图3为根据本发明实施例提供的可控硅二极管整流电路的结构示意图；
图4为根据本发明实施例提供的可控直流电压的输出直流电压闭环控制的结构示意图；
图5为根据本发明实施例提供的包含电压采集传感器的逆变电路的结构示意图；
图6为根据本发明实施例提供的采样电压的波形示意图；
图7为根据本发明实施例的逆变电路在不同的输入电压时结温变化曲线示意图；
图8为根据本发明实施例的逆变电路输入电压的确定装置的结构示意图；
图9为根据本发明一实施例的磁共振成像系统的结构示意图；
图10为根据本发明另一实施例的磁共振成像系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
正如背景技术中的描述，逆变电路中的电流幅值在大电流和小电流之间不断切换，引起功率器件的结温波动，结温的波动会导致功率器件中的金属引线的脱落，从而导致逆变电路中功率器件模块的失效，这会制约整个梯度功率放大器的使用寿命和可靠性。而通过工艺的优化提高功率器件的可靠性，一方面成本高，另一方面效果也不显著。为此，本发明旨在寻求一种新的方法，可以有效地提高逆变电路的使用寿命和可靠性。
基于以上问题，本申请旨在通过有效控制逆变电路的输入电压，来降低逆变电路中功率开关管器件的损耗以及结温变化，进而提高逆变电路的使用寿命和可靠性。具体的，一种梯度功率放大器的逆变电路的控制方法，逆变电路为功率开关管组成的电路拓扑，逆变电路由可控直流电源提供输入电压，参考图2所示，所述控制方法包括：
根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；
根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值，所述最小直流电压值为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
在本发明实施例中，逆变电路为功率开关管组成的电路拓扑，功率开关管器件例如为功率MOSFET和IGBT器件等，在具体的实施例中，逆变电路例如为CHB拓扑，figure7拓扑和figure8拓扑等，figure7拓扑即非对称串联H桥拓扑，figure8拓扑即主动谐振钳位多电平拓扑。
在本发明实施例的方法中，在逆变电路根据电流序列进行输出之前，将逆变电路的输入电压确定为符合电流序列的输出要求的电压，同时该输入电压还尽可能的小，从而，可以降低逆变电路中的开关损耗，减小结温波动，进而提高逆变电路的寿命和可靠性。
为了更好地理解本发明实施例的技术方案和技术效果，以下将结合具体的实施例进行详细的说明。
在步骤S01，根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值。
电流序列是磁共振系统每次成像时，梯度线圈所需要的电流信息，电流序列中包含了有关梯度电流大小和方向的序列，该电流序列用于生成对应的电流控制信号，以用于控制逆变电路输出相应大小和方向的电流。
通过梯度线圈的电感电压的计算公式，可以获得不同电流值时所对应的电感电压值，该电感电压值即为逆变电路的输出电压值，参考图1所示，梯度线圈L的电感电压计算公式如下：
其中，Vgc为电感电压，Lgc为梯度线圈的电感，igc为电感电流，Rgc为梯度线圈的等效电阻。
通过上述的计算公式，在igc为电流序列中的最大电流值时，可以获得电流序列中最大电流值时的电感电压值，也就是梯度电感的最大电压值。
在步骤S02，根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值，并以所述最小直流电压值作为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
逆变电路是将直流输入电压转换为交流输出的电路，其通过控制功率开关管来输出所需的功率的，其输入电压与输出电压必然存在特定的关系，通过二者之间的关系，可以确定出当输出电压为梯度电感的最大电压值时，输入电压的最小值是多少，即输入电压的最小直流电压值。
可以理解的是，逆变电路的电路拓扑不同，输入电压与输出电压的关系表达式会有所不同。为了便于理解，以逆变电路为级联H桥拓扑为例进行说明，参考图1所示，为CHB拓扑，即3级级联的H桥拓扑，可以知道，逆变电路的输出电压和输入电压与占空比的乘积相关，具体的表达式如下：
Vgc＝V1+V2+V3＝(2D-1)×(Vbus1+Vbus2+Vbus3)
其中，Vbus1、Vbus2和Vbus3分别为每个H桥拓扑的输入电压，D为占空比。
在一些实施例中，每个H桥拓扑的输入电压Vbus都相同，那么，上式可以表达为Vgc＝3×(2D-1)Vbus，当D为1时，输入电压Vbus最小，这样，可以就可以确定出逆变电路输入电压的最小直流电压值Vbus＝1/3Vgc。
在另一些实施例中，根据需要，每个H桥拓扑的输入电压可以不尽相同，例如仅有其中两个H桥拓扑的输入电压Vbus1与Vbus3相同，另一个H桥拓扑的输入电压Vbus2与Vbus1和Vbus3不同，此时，当D为1时，可以根据各输入电压所占的比例来确定各H桥拓扑的输入电压的最小直流电压值。
对于该最小直流电压值，是逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压，也就是说，逆变电路的输入电压是以此值为目标进行控制的，输入电压可以为该最小直流电压值，也可以为该最小直流电压值在直流电源的控制精度范围内的电压值。
在最小直流电压值的确定中，首先是对应于梯度电感最大电压值时的输入电压，这确保了该最小直流电压是能够满足序列中所有电流对输入电压的需求，再者，该电压值是满足需求的所有输入电压中的的最小电压值，而在逆变电路处理该电流序列时，逆变电路的输入电压越小，逆变电路中的功率开关管器件的损耗越小，结温波动也越小，有利于提高整个梯度功率放大器的寿命和可靠性。
在实际的应用中，在一些优选的实施例中，可以在谱仪(spectrum analysis)中进行上述的方法，各成像序列在谱仪中进行序列扫描后发送给梯度功放的控制器，一次成像扫描是指，在一次电流序列控制输出时，谱仪进行成像扫描，每个成像序列的扫描大概在2-5分钟，在成像序列扫描之后，会休息10ms左右，再进行下一次成像序列的扫描，可以在休息的时段或者提前在谱仪中执行上述的确定方法，在发送下一个成像序列之前，将该成像序列所对应的最小直流电压值发送给梯度功放，以便于在发送成像序列之后，已经将梯度功放的逆变电路输入电压调整为最小直流电压值，这样，在逆变电路根据所述电流序列进行输出时，以该最小直流电压值为输入电压。
在另一些实施例中，可以在逆变电路的处理器单元中进行上述的方法。
基于上述方法确定逆变电路的最小直流电压值，此外，本发明还提供了一种梯度功放逆变电路的控制方法，逆变电路由可控直流电源提供输入电压，进一步包括：以所述最小直流电压值为参考输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所输出的直流电压为逆变电路处理所述电流序列时的输入电压。在可控直流电源重新确定输出电压之后，根据所述电流序列，控制逆变电路进行输出。
在确定了最小直流电压值之后，将该所述最小直流电压值作为可控直流电源的参考输出电压，由于逆变电路的直流电源为可控直流电源，可以根据该参考输出电压输出所需的直流电压，以供逆变电路使用，在处理该电流序列的期间，都以该最小直流电压值为逆变电路输入电压的目标电压值，在满足逆变电路处理需求的同时尽可以的降低输入电压，从而起到减小功耗和降低结温变化，进而达到提高逆变电路寿命和可靠性的目的。
可以理解的是，可控直流电源的输出精度各不相同，可以精确输出该最小直流电压值的电压或者精度范围内的接近该最小直流电压值的电压。
在优选的实施例中，参考图3所示，所述可控直流电压源为可控硅二极管整流电路DC1，在该具体的实施例中，可控硅二极管整流电路包括串接的可控硅二极管，每条支路的输入端分别接三相交流电源，以所述最小直流电压值为参考输出电压，通过控制可控硅二极管的导通角，输出所需的直流电压，这种结构的可控稳压电源结构简单且易于控制。
在其他实施例中，可控直流电压源还可以为其他任意能够满足逆变电路输入要求的可控直流电压源，例如可以为具有降压拓扑的电压源，可以将输出控制在0V至电网峰值电压之间，以供逆变电路使用，降压拓扑例如可以为bulk变化器。以上可控直流电压源的结构仅为示例，本发明实施例对其结构不做限定。
为了提高可控直流电压源输出的直流电压的精度，对所述可控直流电压输出的直流电压进行闭环控制，在闭环控制中，以所述最小直流电压值为参考值Vbus_ref，通过电压传感器采集到的实际的直流电压值为反馈值Vbus，参考图4所示，为可控直流电压输出的直流电压闭环控制的示意图，对于可控硅二极管整流电路的直流电源，可以将闭环反馈进行PID(比例-积分微分控制器)控制，而后PWM(脉冲宽度调制)对可控硅二极管整流电路的导通角进行控制，实现闭环控制，这部分功能可以在处理器中实现，处理器例如可以为DSP(数字信号处理)处理器。
可以通过电压采集传感器来获得所述实际的直流电压值，为了简化电路设计和降低成本，参考图5所示，对于逆变电路为级联H桥拓扑的实施例，可以将电压采集传感器S1设置在在逆变电路的输出端，这样，获得所述实际的直流电压值包括：通过电压采集传感器获得逆变电路的输出端的脉冲电压；将所述脉冲电压进行ADC采样，以获得采样电压；按照不同的相位从采样电压中确定每个H桥拓扑的实际的直流电压值。
电压采集传感器从逆变电路的输出端获得脉冲电压，该脉冲电压中包含了多个H桥拓扑输出的脉冲波形，这些H桥拓扑输出的脉冲波形彼此错相，分别具有各自的相位，参考图6所示，以CHB拓扑为例，这样，在经过ADC采样之后，可以分别获得采样电压，按照不同的相位可以从采样电压中确定出每个H桥拓扑的实际的直流电压值。采用这种方法，可以不用在每个H桥的输出设置电压采集传感器，减少了硬件的设置，降低成本。
基于以上的方法，以下以CHB拓扑的逆变电路为例对本发明的技术效果进行说明，如图1所示，在CHB拓扑的逆变电路中，包括三个H桥拓扑，每个H桥拓扑包括四个IGBT(QAH、QAL、QBH、QBL)和一个储能电容C，每个H桥拓扑由直流电源VBUS提供直流输入。
在当有电流流过逆变电路中的IGBT时，IGBT产生损耗，损耗主要包括开关损耗Psw和导通损耗Pcond，计算公式如下：
其中，Eon、Eoff是IGBT开关能量，Vbus是电解电容电压，Ice是流过IGBT电流，fsw是IGBT开关频率。
Pcond＝Vce×Ice×D
其中，Vce是IGBT导通电压，Ice是流过IGBT电流，D是IGBT导通占空比。
可以看到，器件的开关损耗Psw和直流输入电压Vbus正相关，此外，申请人进行了实验，在实验中，对于同一成像序列对应的电流序列，采用不同的直流输入电压Vbus，对比不同的直流输入电压下的IGBT的损耗和结温波动，参考图7所示，为不同Vbus时IGBT随着电流的波动的结温变化曲线，图(a)中的Vbus为300V，图(b)中的Vbus为200V，具体对比见下表：
可以看到，在Vbus较小时，IGBT的开关损耗Psw大幅减小，结温波动幅度也小，而降低开关损耗，减小结温波动都可以提高IGBT模块的寿命。而逆变电路通常都是由功率开关管组成的，功率开关管都会存在结温变化导致寿命降低的问题。
以上对本发明实施例的梯度功放的逆变电路输入电压的确定方法以及控制方法进行了详细的描述，此外，本发明还提供了实现上述方法的装置，一种逆变电路输入电压的确定装置，所述逆变电路为磁共振系统中的梯度线圈提供输出，所述逆变电路的电路拓扑由功率开关管组成，参考图8所示，所述装置包括：
电感电压获取单元110，用于根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；
最小直流电压值确定单元120，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值，并以所述最小直流电压值作为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
进一步地，逆变电路的输入电压由可控直流电源提供，还包括：
电压控制单元，用于以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所输出的直流电压为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
进一步地，所述可控直流电源为可控硅二极管整流电路，以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所述电压控制单元通过控制可控硅二极管的导通角，输出以所述最小直流电压值为目标输出电压的直流电压。
进一步地，还包括：闭环控制单元，用于对所述可控直流电压输出的直流电压进行闭环控制，闭环控制中以所述最小直流电压值为参考值，实际的直流电压值为反馈值。
进一步地，所述逆变电路为级联H桥拓扑，在逆变电路的输出端设置有电压采集传感器，用于获得逆变电路的输出端的脉冲电压；还包括：实际直流电压值确定单元，用于将所述脉冲电压进行ADC采样，以获得采样电压；按照不同的相位从采样电压中确定每个H桥拓扑的实际的直流电压值。
进一步地，所述逆变电路为级联H桥拓扑，所述逆变电路输出电压与输入电压的关系为：所述逆变电路输出电压等于各H桥拓扑的输出电压之和，每个H桥拓扑的输出电压取决于H桥拓扑的占空比和输入电压的乘积。
此外，本发明还提供了一种磁共振成像系统，所述磁共振成像系统包含上述任一的逆变电路输入电压的确定装置，在不同的实施例中，磁共振成像系统可以具有不同的结构。
通常地，谱仪中设置有主控单元，用于电流序列的指令的发送，以及成像处理等，在一些实施例中，可以基于现有的磁共振成像系统来实现，在谱仪的主控单元中设置上述的确定装置，无需增加更多的硬件且结构改动较小。参考图9所示，具体的，磁共振成像系统，包括谱仪200、梯度功放300和梯度线圈400，谱仪200中设置有第一主控单元210，梯度功放300包括第一控制单元310、第二控制单元330、可控直流电源和逆变电路(图未示出)，所述逆变电路为功率开关管组成的电路拓扑，
所述第一主控单元210包括：电感电压获取单元，用于根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；最小直流电压值确定单元，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值；数据发送单元，用于将所述最小直流电压值、所述电流序列发送给第一控制单元；
所述第一控制单元310，用于控制所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压；
所述第二控制单元330，用于在所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压之后，根据所述电流序列，控制逆变电路进行输出。
其中，所述第一控制单元310和第二控制单元330可以设置在一个控制器中，也可以设置在不同的控制器中。
对于这些实施例，在具体应用中，谱仪预先确定出最小直流电压并提前发送给梯度功放的第一控制单元，谱仪可以在两次成像扫描的间隙发送下次成像扫描所需的最小直流电压，第一控制单元事先将可控直流电源的输出电压按照最小直流电压进行控制输出，进而第二控制单元控制逆变电路输出所需的电流序列给梯度线圈，进而完成此次成像扫描。
在另一些实施例中，可以将上述的确定装置设置在梯度功放的控制单元中，具体的，参考图10所示，所述磁共振成像系统包括谱仪200、梯度功放300和梯度线圈400，梯度功放300包括输入电压控制单元320、第二控制单元330、可控直流电源和逆变电路(图未示出)，所述逆变电路为功率开关管组成的电路拓扑，其特征在于，
所述输入电压控制单元320包括：电感电压获取单元，用于根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值，所述电流序列来自谱仪；最小直流电压值确定单元，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值；第一控制单元，用于控制所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压；
所述第二控制单元330，用于在所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压之后，根据所述电流序列，控制逆变电路进行输出。
在该实施例中，输入电压控制单元320和第二控制单元330可以设置在一个控制器中，也可以设置在不同的控制器中。对于这些实施例，在具体应用中，谱仪预先将电流序列发送给梯度功放的输入电压控制单元，谱仪可以在两次成像扫描的间隙发送电流序列，输入电压控制单元在执行电流序列之前，先确定最小直流电压，而后将可控直流电源的输出电压按照最小直流电压进行控制输出，进而第二控制单元控制逆变电路输出所需的电流序列给梯度线圈，进而完成此次成像扫描。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块或单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
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。

Claims (12)

1.一种逆变电路输入电压的确定方法，所述逆变电路为磁共振系统中的梯度线圈提供输出，所述逆变电路的电路拓扑由功率开关管组成，其特征在于，所述控制方法包括：
根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；
根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值，所述最小直流电压值为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述逆变电路的输入电压由可控直流电源提供，所述方法还包括：
以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所输出的直流电压为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可控直流电源为可控硅二极管整流电路，以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，包括：通过控制可控硅二极管的导通角，输出以所述最小直流电压值为目标输出电压的直流电压。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可控直流电压输出的直流电压为闭环控制，闭环控制中以所述最小直流电压值为参考值，实际的直流电压值为反馈值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述逆变电路为级联H桥拓扑，在逆变电路的输出端设置有电压采集传感器，获得所述实际的直流电压值包括：通过电压采集传感器获得逆变电路的输出端的脉冲电压；将所述脉冲电压进行ADC采样，以获得采样电压；按照不同的相位从采样电压中确定每个H桥拓扑的实际的直流电压值。
6.一种逆变电路输入电压的确定装置，所述逆变电路为磁共振系统中的梯度线圈提供输出，所述逆变电路的电路拓扑由功率开关管组成，其特征在于，所述装置包括：
电感电压获取单元，用于根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；
最小直流电压值确定单元，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值，所述最小直流电压值为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述逆变电路的输入电压由可控直流电源提供，还包括：
电压控制单元，用于以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所输出的直流电压为逆变电路处理所述电流序列时的目标输入电压。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述可控直流电源为可控硅二极管整流电路，以所述最小直流电压值为目标输出电压，控制可控直流电源输出直流电压，所述电压控制单元通过控制可控硅二极管的导通角，输出以所述最小直流电压值为目标输出电压的直流电压。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：闭环控制单元，用于对所述可控直流电压输出的直流电压进行闭环控制，闭环控制中以所述最小直流电压值为参考值，实际的直流电压值为反馈值。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述逆变电路为级联H桥拓扑，在逆变电路的输出端设置有电压采集传感器，用于获得逆变电路的输出端的脉冲电压；还包括：实际直流电压值确定单元，用于将所述脉冲电压进行ADC采样，以获得采样电压；按照不同的相位从采样电压中确定每个H桥拓扑的实际的直流电压值。
11.一种磁共振成像系统，包括谱仪、梯度功放和梯度线圈，谱仪中设置有第一主控单元，其特征在于，梯度功放包括第一控制单元、第二控制单元、可控直流电源和逆变电路，所述逆变电路为功率开关管组成的电路拓扑，
所述第一主控单元包括：电感电压获取单元，用于根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值；最小直流电压值确定单元，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值；数据发送单元，用于将所述最小直流电压值、所述电流序列发送给第一控制单元；
所述第一控制单元，用于控制所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压；
所述第二控制单元，用于在所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压之后，根据所述电流序列，控制逆变电路进行输出。
12.一种磁共振成像系统，包括谱仪、梯度功放和梯度线圈，梯度功放包括输入电压控制单元、第二控制单元、可控直流电源和逆变电路，所述逆变电路为功率开关管组成的电路拓扑，其特征在于，
所述输入电压控制单元包括：电感电压获取单元，用于根据梯度线圈的电感电压与电感电流的关系，获得电流序列中最大电流值时的电感电压值，所述电流序列来自谱仪；最小直流电压值确定单元，用于根据逆变电路输出电压与输入电压的关系，确定当输出电压为所述电感电压值时，逆变电路输入电压的最小直流电压值；第一控制单元，用于控制所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压；
所述第二控制单元，用于在所述可控直流电源根据所述最小直流电压值输出直流电压之后，根据所述电流序列，控制逆变电路进行输出。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111917358A (zh) * 2019-05-09 2020-11-10 奥迪股份公司 电气驱动系统和运行方法
CN112003484A (zh) * 2020-08-21 2020-11-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法
CN113114184A (zh) * 2020-04-28 2021-07-13 万国半导体国际有限合伙公司 功率级和电流监视器输出信号产生电路

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000050529A (ja) * 1998-07-29 2000-02-18 Hitachi Ltd 電力変換装置の電流制限方法
CN101060290A (zh) * 2006-04-21 2007-10-24 台达电子工业股份有限公司 具有能量钳位电路的电流源逆变器及其控制方法
CN101920379A (zh) * 2010-08-03 2010-12-22 株式会社大亨 电弧焊机
CN102263519A (zh) * 2010-05-24 2011-11-30 洛克威尔自动控制技术股份有限公司 可调速驱动器寿命的改进方法
CN103076580A (zh) * 2011-10-25 2013-05-01 通用电气公司 梯度放大器、逆变器控制器、磁共振成像系统及控制方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5663647A (en) * 1995-12-29 1997-09-02 General Electric Company Switching gradient amplifier with adjustable DC bus voltage
WO2011158170A1 (en) * 2010-06-17 2011-12-22 Koninklijke Philips Electronics N.V. Gradient coil power supply and a magnetic resonance imaging system
CN106797172A (zh) * 2014-09-29 2017-05-31 皇家飞利浦有限公司 多电平逆变器以及通过利用多电平逆变器提供多电平输出电压的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000050529A (ja) * 1998-07-29 2000-02-18 Hitachi Ltd 電力変換装置の電流制限方法
CN101060290A (zh) * 2006-04-21 2007-10-24 台达电子工业股份有限公司 具有能量钳位电路的电流源逆变器及其控制方法
CN102263519A (zh) * 2010-05-24 2011-11-30 洛克威尔自动控制技术股份有限公司 可调速驱动器寿命的改进方法
CN101920379A (zh) * 2010-08-03 2010-12-22 株式会社大亨 电弧焊机
CN103076580A (zh) * 2011-10-25 2013-05-01 通用电气公司 梯度放大器、逆变器控制器、磁共振成像系统及控制方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111917358A (zh) * 2019-05-09 2020-11-10 奥迪股份公司 电气驱动系统和运行方法
CN113114184A (zh) * 2020-04-28 2021-07-13 万国半导体国际有限合伙公司 功率级和电流监视器输出信号产生电路
CN113114184B (zh) * 2020-04-28 2024-04-05 万国半导体国际有限合伙公司 功率级和电流监视器输出信号产生电路
CN112003484A (zh) * 2020-08-21 2020-11-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法
CN112003484B (zh) * 2020-08-21 2021-11-19 中国科学院合肥物质科学研究院 一种多个晶闸管变流器并联的最大输出电流计算方法

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