CN107106075B - 用于门驱动器单元中的非接触功率传输的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提出了一种门驱动器单元。所述门驱动器单元包括可操作耦连至电源的第一功率交换线圈。所述门驱动器单元包括：第二功率交换线圈，所述第二功率交换线圈被配置成经由磁场从所述第一功率交换线圈接收功率；以及场聚焦元件，所述场聚焦元件设置于所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间，并被配置成将所述磁场聚焦到所述第二功率交换线圈上。所述门驱动器单元还包括耦连至所述第二功率交换线圈的第一电路。所述门驱动器单元包括门驱动子单元，所述门驱动子单元可操作耦连至所述第一电路，并被配置成向与第二电路的可控开关对应的控制端子提供输出信号。还提出了磁共振成像系统和磁共振成像系统中的非接触功率传输的方法。

Description

用于门驱动器单元中的非接触功率传输的方法和系统

相关申请案的交叉引用

本申请案主张2014年10月9日申请的第5098/CHE/2014号印度专利申请案的优先权，该申请案的公开内容以引用方式并入本说明书中。

技术领域

本发明公开的实施例一般涉及门驱动器(gate driver)，并且具体涉及用于高压系统、中压系统或低压系统的门驱动器中的非接触功率传输(contactless powertransfer)的系统和方法。更具体地，本发明公开涉及磁共振成像(MRI)系统。

背景技术

通常，MRI系统包括几个子系统，诸如梯度放大器、射频(RF)放大器、RF接收器、患者处理系统、氧气监测器和低温冷却器。而且，来自MRI系统的设备通常分散在医院的多个房间中，诸如设备室、扫描室和放射/控制室。按照惯例，MRI子系统的大多数设置在设备室中。在最近一段时间，一直尝试将许多的这些MRI子系统从设备室移到扫描室，以便减少设备室的占用面积。

通常，这些子系统包括涉及铁氧体/磁组件的使用的电路。在一个示例中，电路包括梯度放大器内使用的门驱动器的功率传输系统。门驱动器的功率传输系统具有带铁氧体磁芯(ferrite core)的几个变压器。用于门驱动器的功率传输系统中的这些变压器帮助提供必需的隔离和高dv/dt抗敏性。然而，由于扫描室使用磁场通常在1.5特斯拉到3特斯拉范围的高功率磁铁，为了避免磁饱和的风险，要被设置在扫描室中的子系统应当没有铁氧体/磁组件。

而且，梯度放大器向扫描室的移动限制了不同子系统中半导体器件(包括用于梯度放大器门驱动器的功率传输系统)的操作频率，原因是梯度放大器门驱动器的操作频率可能干扰MRI系统的拉莫尔(Larmor)或进动频率(precessional frequency)，从而损害MRI系统的成像质量。

发明内容

根据本发明公开的各方面，提出了一种门驱动器单元。所述门驱动器单元包括可操作耦连至电源的第一功率交换线圈。而且，所述门驱动器单元包括第二功率交换线圈，所述第二功率交换线圈被配置成经由磁场从所述第一功率交换线圈接收功率。此外，所述门驱动器单元包括场聚焦元件(field focusing element)，所述场聚焦元件设置于所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间，并被配置成将所述磁场聚焦到所述第二功率交换线圈上。所述门驱动器单元还包括耦连至所述第二功率交换线圈的第一电路。而且，所述门驱动器单元包括门驱动子单元，所述门驱动子单元可操作耦连至所述第一电路，并被配置成向与第二电路的可控开关对应的控制端子提供输出信号。

根据本发明公开的另一方面，提出了一种磁共振成像系统。所述磁共振成像系统包括梯度放大器，所述梯度放大器被设置成邻近所述磁共振成像系统的磁铁组件，并包括多个可控开关。而且，所述磁共振成像系统包括门驱动器单元，所述门驱动器单元可操作耦连至所述梯度放大器。所述门驱动器单元包括第一功率交换线圈，所述第一功率交换线圈可操作耦连至电源。而且，所述门驱动器单元包括第二功率交换线圈，所述第二功率交换线圈被配置成经由磁场从所述第一功率交换线圈接收功率。所述门驱动器单元还包括场聚焦元件，所述场聚焦元件设置于所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间，并被配置成将所述磁场聚焦到所述第二功率交换线圈上，并增强所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间的耦连。而且，所述门驱动器单元包括第一电路，所述第一电路耦连至所述第二功率交换线圈。此外，所述门驱动器单元包括门驱动子单元，所述门驱动子单元可操作耦连至所述第一电路，并被配置成向与所述多个可控开关对应的控制端子提供输出信号。

根据本发明公开的又一方面，提出了一种在磁共振成像系统中的非接触功率传输的方法。所述方法包括从电源经由第一功率交换线圈、场聚焦元件和第二功率交换线圈中的至少一个向门驱动子单元传输功率。而且，所述方法包括基于从所述门驱动子单元向可控开关的控制端子提供的输出信号，切换梯度放大器的所述可控开关。此外，所述方法包括从所述梯度放大器向控制子单元经由所述门驱动子单元、所述第二功率交换线圈、所述场聚焦元件和所述第一功率交换线圈中的至少一个传输数据。

附图说明

在参照附图阅读下面的详细描述时，本发明公开的这些和其它特征、方面和优点会变得更好理解，附图中相同的字符代表所有图中的相同部件，其中：

图1是根据本发明的实施例的示例性门驱动器单元的图解表示；

图2是根据本发明的实施例的用在磁共振成像系统中的门驱动器单元的示例性实施例的图解表示；

图3是根据本发明的实施例的用在磁共振成像系统中的门驱动器单元的示例性实施例的另一图解表示；

图4是根据本发明的实施例的用作图1的示例性系统的场聚焦元件的不同谐振器的图解表示；

图5是根据本发明的实施例的排列成阵列并用作图1的示例性系统的场聚集元件的多个谐振器的图解表示；以及

图6是表示根据本发明的实施例的磁共振成像系统中的非接触功率传输的示例性方法的流程图。

具体实施方式

除非另外定义，否则本说明书说明书中使用的技术和科学术语具有与本说明书所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。如本说明书中使用的术语“第一”、“第二”等等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来区分元件。同样，词语“一个(a和an)”不表示数量的限制，而是表示至少一个所引用项目的存在。术语“或”的意思是包括性的，表示一个、一些或所有所列项目。在本说明书中“包括…”、“包含…”或“具有…”和其变形的使用表示包括其之后所列的项目和其等同物以及附加项目。术语“连接”和“耦连”不局限于物理或机械连接或耦连，可以包括无论是直接的还是间接的电连接或耦连。而且，术语“电路”和“电路系统”以及“控制器”可以包括单个组件或多个组件，他们是有源的和/或无源的，并且连接或以其它方式耦连在一起，以提供描述的功能。同样，如本说明书中使用的术语“可操作耦连(operatively coupled)”包括有线耦连、无线耦连、电耦连、磁耦连、无线电通信、基于软件的通信或其组合。

如本说明书后面将要详细描述的，提出了门驱动器单元的示例性实施例。特别地，还提出了如用在磁共振成像(MRI)系统中的门驱动器单元和如用在MRI系统中的门驱动器单元的非接触功率传输的方法的示例性实施例。根据本发明公开的各方面，门驱动器单元没有铁氧体，这促进将门驱动器单元定位成邻近MRI系统的磁组件。因此，使用门驱动器单元的MRI系统的梯度放大器可以被定位在扫描室中，邻近MRI系统的磁组件。这又有助于减少MRI系统的设备室的占用面积。

参照图1，描绘了根据本发明的实施例的示例性门驱动器单元100的图解表示。门驱动器单元100包括非接触功率传输子单元102和门驱动子单元104。在一个示例中，门驱动器单元100设置于印制电路板上。具体地，门驱动器单元100可以在印制电路板上制造。非接触功率传输子单元102包括第一功率交换线圈108、第二功率交换线圈110、场聚焦元件114和补偿线圈118。在一个实施例中，门驱动子单元104生成用于控制可控开关的切换的信号。在一个示例中，门驱动子单元104由逻辑门的组合构成。

而且，门驱动器单元100包括电源106。电源106可操作地经由线圈电容器107耦连至第一功率交换线圈108。在一个示例中，电源106可以提供交流(AC)量。非接触功率传输子单元102帮助将功率从电源106向门驱动子单元104传输。在图1的示例中，功率经由非接触功率传输子单元102提供至门驱动子单元104的端子124和126。具体地，第二功率交换线圈110的端子111耦连至端子124，第二功率交换线圈110的端子113经由任意关联电子器件耦连至端子126。在一个示例中，关联的电子器件包括整流器和电容器。整流器可以包括有源整流器或二极管整流器。在一个非限制性示例中，相对于隔离的接地端子132，在端子124处提供+15伏，在端子126处提供-5伏。图1的示例代表单个门驱动子单元104。不过，预期使用多个门驱动子单元。参照图3，更加详细地解释门驱动器单元100。

而且，第一功率交换线圈108可操作地耦连至第二功率交换线圈110。具体地，第一功率交换线圈108无线耦连至第二功率交换线圈110。在一个示例中，第一功率交换线圈108磁耦连至第二功率交换线圈110。在一个非限制性示例中，第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110由绝缘子、气隙或其组合隔开。

此外，场聚焦元件114可以设置于第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110之间。场聚焦元件114包括谐振器。在一个示例中，谐振器是谐振线圈。而且，在图1的示例中，场聚焦元件114的末端端子耦连至场聚焦电容器116。第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110经由场聚焦元件114的耦连可以被称作谐振耦连(resonance coupling)。如本说明书中使用的术语“谐振耦连”可以用来指两个功率交换线圈之间的耦连，使得功率交换线圈能够在以期望的谐振频率被激励时交换功率。根据本发明公开的各方面，场聚焦元件114以至少一个谐振频率操作。功率以及数据和控制信号以场聚焦元件114的至少一个谐振频率传输。在一个示例中，功率、数据和控制信号以场聚焦元件114的三个不同的谐振频率同时传输。而且，在另一示例中，功率、数据和控制信号或其组合以场聚焦元件114的至少一个谐振频率交替传输。第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110被配置成处理功率、数据和控制信号在第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110之间的双向流动。如本说明书中使用的术语“双向流动(bidirectional flow)”可以用来指往返(to-and-from)传输。

例如，在一个实施例中，第一功率交换线圈108可以被配置成作为发射器线圈操作，第二功率交换线圈110可以被配置成作为接收器线圈操作。然而，在另一实施例中，根据操作要求，第一功率交换线圈108可以被配置成作为接收器线圈操作，第二功率交换线圈110可以被配置成作为发射器线圈操作。

在第一功率交换线圈108表现为发射器线圈、第二功率交换线圈110表现为接收器线圈的实施例中，第一功率交换线圈108从电源106接收功率，并把接收的功率变换成磁场112。第一功率交换线圈108向场聚焦元件114发射磁场112。而且，场聚焦元件114把磁场聚焦到第二功率交换线圈110上。具体地，场聚焦元件114一旦被激励，放大从第一功率交换线圈108接收的磁场112，并向第二功率交换线圈110发射放大的磁场。相应地，功率经由磁场传输到第二功率交换线圈110。将参照图4和5更详细地解释场聚焦元件114的不同实施例。

在图1的示例中，补偿线圈118可操作地耦连至第二功率交换线圈110。具体地，补偿线圈118和第二功率交换线圈110是无线耦连的。而且，补偿线圈118可操作地耦连至补偿线圈电容器122。第二功率交换线圈110、场聚焦元件114和补偿线圈118相互无线耦连于相对固定的位置处，并一起形成功率传输元件120。补偿线圈118将第一功率交换线圈108与功率传输元件120的阻抗匹配。在一个示例中，补偿线圈118被配置成将第一功率交换线圈108与第二功率交换线圈110的阻抗匹配。

同样，补偿线圈118帮助补偿由于第一功率交换线圈108和功率传输元件120之间的任何不匹配造成的相角的任何变化。在一个非限制性示例中，补偿线圈118帮助补偿由于第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110之间的任何不匹配造成的相角的任何变化。本说明书中使用的术语“不匹配(misalignment)”可以用来指第一功率交换线圈(诸如第一功率交换线圈108)和功率传输元件(诸如功率传输元件120)之间的任何角度偏差。由于第二功率交换线圈110、场聚焦元件114和补偿线圈118相互耦连于相对固定的位置处，任何的不匹配将很可能在第一功率交换线圈108和功率传输元件120之间。同样，这种不匹配不应当解释为功率传输元件120的各个零件之间的不匹配。此外，补偿线圈118帮助增强第一功率交换线圈108和功率传输元件120之间的耦连。

在一个实施例中，补偿线圈118和场聚焦元件114分别相对于彼此操作于不同的谐振频率。在一个实施例中，补偿线圈118的谐振频率比场聚焦元件114的谐振频率高。在一个非限制性示例中，补偿线圈118以场聚焦元件114的谐振频率的两倍操作。相应地，由于相比场聚焦元件114的谐振频率有相对较高的谐振频率，补偿线圈118表现为电容器，因此，功率传输元件120可以具有容性电抗。这帮助补偿非接触功率传输子单元102的滞后的功率因数。

此容性电抗提高了非接触功率传输子单元102的输入功率因数。非接触功率传输子单元102的效率取决于非接触功率传输子单元102的输入功率因数。因此，借助提高的输入功率因数，非接触功率传输子单元102的效率大大提高。由于提高的效率，非接触功率传输子单元102的功率传输能力大大提高。相应地，第一功率交换线圈108和功率传输元件120相互之间可以具有增强的耦连。

在另一实施例中，补偿线圈118的谐振频率比场聚焦元件114的谐振频率低。这向功率传输元件120提供感抗，并补偿非接触功率传输子单元102的超前的功率因数。

如本说明书上面指出的，数据和控制信号可以在第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110之间传输。数据可以包括暂时分开的第一数据和第二数据。第一数据例如可以包括从控制子单元(未显示)经由非接触功率传输子单元102向电路(诸如但不限于放大器、整流器、逆变器和变换器)提供的轮询信号(polling signal)。在一个非限制性示例中，电路可以是电子组件。在MRI系统中，第一数据可以包括向电路(诸如梯度放大器、梯度线圈、梯度控制单元等等)提供的轮询信号。第二数据可以包括与电路对应的健康监测数据。此第二数据可以从电路经由第二功率交换线圈110、场聚焦元件114和第一功率交换线圈108向控制子单元传输。而且，在一个具体的示例中，第一数据可以包括向电路请求传送形式为与电路对应的健康监测数据的第二数据的请求。

同样，在第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110之间传输的控制信号可以包括第一控制信号和第二控制信号。第一控制信号可以包括要提供给门驱动子单元104的输入信号。具体地，第一控制信号可以在门驱动子单元104的端子128处提供。在一个示例中，范围从0到5伏的第一控制信号可以从控制子单元经由第一功率交换线圈108、第二功率交换线圈110和场聚焦元件114向门驱动子单元104提供。在另一示例中，第一控制信号可以从控制子单元经由隔离光纤光缆、光耦合器或其组合向门驱动子单元104提供。第二控制信号可以包括反馈信号。数据和控制信号的传输以及数据和控制信号的功能将参照图3更加详细地解释。

而且，门驱动子单元104的输出信号可以在端子130处获得。在一个实施例中，门驱动子单元104的输出信号可以基于在门驱动子单元104的端子128处提供的第一控制信号确定。在另一实施例中，门驱动子单元104的输出信号可以基于在门驱动子单元104的端子128处提供的第一控制信号以及与电路相应的健康监测数据确定。而且，门驱动子单元104的输出信号可以向电路(诸如梯度放大器)的一个或多个可控开关的控制端子提供。输出信号可以确定电路的可控开关是激活的还是去激活(deactivate)的。在一个非限制性示例中，可控开关可以包括绝缘栅双极性晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、场效应晶体管、门可关断晶闸管、绝缘门换流晶闸管、注入增强栅极晶体管、碳化硅型开关、氮化镓型开关、砷化镓型开关、微机电系统型开关或其组合。此外，可控开关的控制端子可以包括门端子。

根据本发明公开的各方面，门驱动器单元100没有铁氧体。同样，由于第一功率交换线圈108和第二功率交换线圈110之间的间隔，所以实现获得高dv/dt抗敏性效果(a highdv/dt immunity is achieved)。相应地，降低了门驱动器单元100的泄露电流。根据本发明公开的各方面，门驱动器单元100帮助将功率从电源106向外部电路组件(诸如可控开关)高效地传输。将参照图2-3更加详细地解释如MRI系统中使用的门驱动器单元100。同样，将参照图6更加详细地解释如MRI系统中使用的门驱动器单元100的非接触功率传输的方法。

现在转到图2，呈现了如用在磁共振成像系统200中的门驱动器单元(诸如图1的门驱动器单元100)的示例性实施例的图解表示。MRI系统200可以包括多个组件，这些组件可以分布在第一位置202、第二位置204和第三位置208处。作为示例，第一位置202可以是设备室，第二位置204可以是扫描室，第三位置208可以是放射室。放射室可以包括用户界面装置，以显示从MRI扫描获得的图像以便放射科医师或系统操作员查看。位置204被磁屏蔽，以避免任何外部磁场使MRI扫描图像失真。而且，第一位置202和第二位置204可以由穿透壁206隔开。功率和控制电缆在第一位置204和第二位置206之间通过穿透墙206穿行(run)。

MRI系统200可以包括功率分配单元(PDU)210、MRI扫描器212和患者台214。PDU210可以位于第一位置202处，MRI扫描器212和患者台214可以位于第二位置204处。

MRI扫描器212包括磁铁组件，其中，磁铁组件包括多个线圈。在一个示例中，线圈可以包括RF线圈和梯度线圈。尽管没有明确示出，MRI扫描器212还可以包括RF发射和接收链以及用于驱动RF线圈的附加放大电路。梯度线圈可以包括X-轴线圈、Y-轴线圈和Z-轴线圈。MRI扫描器212还可以包括梯度放大器216，其包括X-轴放大器、Y-轴放大器和Z-轴放大器，他们又各自依次耦连至X-轴线圈、Y-轴线圈和Z-轴线圈。此外，这些放大器可以包括多个可控开关。放大器的可控开关可以按特定模式开关，以适当放大提供给放大器的输入信号，并向X-轴或Y-轴或Z-轴线圈传输期望的电流波形。MRI系统200还可以包括多个辅助单元，诸如低温冷却器、体共振磁铁(BRM)冷却器等等。

根据本发明公开的各方面，不是远程地位于与MRI扫描器隔离的位置202处，梯度放大器216邻近在第二位置204处的MRI扫描器212。具体地，梯度放大器216可以设置成邻近磁组件，磁组件包括磁场通常在1.5特斯拉到3特斯拉范围的高功率磁铁。这有助于避免需要在两个位置202和204之间穿行过多的电缆，并且还可以减少位置202的占用面积。然而，由于根据本发明公开的各方面，梯度放大器216位于具有高功率磁铁的位置204处，结合梯度放大器216使用的所有组件必须不包括铁氧体(ferrites)，以便避免位置204的饱和。同样，与梯度放大器216一起使用的组件的操作频率必须不干扰拉莫尔(Larmor)频率。

根据本发明公开的各方面，在位置204处的MRI系统200还包括新的门驱动器单元218，其包括没有铁氧体并能够以非拉莫尔频率邻近磁组件操作的非接触功率传输子单元220。门驱动器单元218可以被配置成控制与梯度放大器对应的X-轴放大器、Y-轴放大器和Z-轴放大器的可控开关的切换。在一个示例中，门驱动器单元218与梯度放大器216可操作耦连。在另一示例中，门驱动器单元218可以是梯度放大器216的组成部分。

根据本发明公开的各方面，门驱动器单元218包括形式上与图1的非接触功率传输子单元102类似的非接触功率传输子单元220和形式上与图1的门驱动子单元104类似的门驱动子单元222。非接触功率传输子单元220可以包括第一功率交换线圈224和第二功率交换线圈228。场聚焦元件226设置于第一功率交换线圈224和第二功率交换线圈228之间。而且，门驱动器单元218包括补偿线圈230。根据本发明公开的各方面，第一功率交换线圈224和第二功率交换线圈228由绝缘子(insulator)、气隙或其组合隔开。因此，在第一功率交换线圈224和第二功率交换线圈228之间没有设置任何铁氧体。而且，场聚焦元件226和补偿线圈230可以设计成使得与场聚焦元件226和补偿线圈230对应的谐振频率不干扰MRI系统200的拉莫尔频率。

PDU 210可以包括高频功率变压器或线性(line)频率变压器和相关电子器件。此外，PDU 210可以生成一个或多个DC电压作为输出。此输出提供至MRI系统200的不同组件，诸如但不限于梯度放大器、RF发射链和RF接收链。而且，非接触功率传输子单元220的第一功率交换线圈224从PDU 210接收功率。具体地，至少一个DC电压作为输入从PDU 210提供至第一功率交换线圈224。更具体地，DC电压被变换成高频AC，然后作为输入提供至第一功率交换线圈224。第一功率交换线圈224把来自PDU 210的电压变换成磁场，诸如图1的磁场112。场聚焦元件226将由第一功率交换线圈224发射的磁场聚焦到第二功率交换线圈228上。因此，功率经由磁场发射到第二功率交换线圈228。场聚焦元件226包括谐振器。第一功率交换线圈、场聚焦元件、第二功率交换线圈和补偿线圈的功能作用类似于参照图1描述的。

图3是根据本发明的实施例的磁共振成像系统300内的门驱动器单元的更加详细的表示。与MRI系统200一样，MRI系统300可以包括分布在多个位置的多个组件。更具体地，MRI系统300可以包括功率分配单元(PDU)、MRI扫描器、患者台和一个或多个子系统，诸如梯度放大器、梯度控制单元、射频(RF)发射链、RF接收链、控制元件和患者处理单元。

MRI扫描器包括磁铁组件和多个线圈，这些线圈包括梯度线圈和RF线圈。RF发射和接收链可以包括用于驱动RF线圈的附加的放大电路，而梯度线圈可以包括X-轴线圈、Y-轴线圈和Z-轴线圈。在一个示例中，梯度放大器可以包括X-轴放大器、Y-轴放大器和Z-轴放大器，它们又各自依次耦连至X-轴线圈、Y-轴线圈和Z-轴线圈。在图3图示的实施例中，X-轴放大器、Y-轴放大器和Z-轴放大器包括多个可控开关308。多个可控开关308可以包括绝缘栅双极性晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、场效应晶体管、门可关断晶闸管、绝缘门换流晶闸管、注入增强栅极晶体管、碳化硅型开关、氮化镓型开关、砷化镓型开关、微机电系统型开关等或其组合。而且，可控开关308可以包括控制端子，诸如控制端子310。可控开关308的控制端子310还可以包括门端子。

MRI系统300还包括门驱动器单元312，其用于控制多个可控开关308的切换。门驱动器单元312类似于图2的门驱动器单元218，并包括非接触功率传输子单元314和门驱动子单元316。而且，门驱动单元312可以包括关联电子器件，诸如但不限于有源整流器328、第一电路330、电容器332、控制组件340、342和发射接收元件336、338。非接触功率传输子单元314包括第一功率交换线圈318、场聚焦元件320、补偿线圈322和第二功率交换线圈324。门驱动器单元312从PDU接收至少一个DC电压，其可以在有源整流器328的端子326两端提供。在一个示例中，功率在端子326的两端提供，并且此功率可以向有源整流器328提供。

例如，有源整流器328可以是H-桥电路。随后，功率提供至第一功率交换线圈318。第一功率交换线圈318将功率变换成磁场319。场聚焦元件320将由第一功率交换线圈318发射的磁场319聚焦到第二功率交换线圈324上。因此，功率经由磁场传输到第二功率交换线圈324。在图3的图示实施例中，第二功率交换线圈324由两个分开的线圈表示。功率从第二功率交换线圈324提供至第一电路330。在图3的示例中，第一电路330由两个分开的电路块表示。在图示的实施例中，第一电路330是二极管整流器。在另一示例中，第一电路330可以是具有有源开关的有源整流器。在又一示例中，第一电路330可以是H-桥电路。而且，第一电路330可以经由电容器332可操作耦连至门驱动子单元316。

在图3的实施例中，补偿线圈322设置在第一功率交换线圈318和第二功率交换线圈324之间。补偿线圈322将第一功率交换线圈318与第二功率交换线圈324的阻抗匹配。而且，补偿线圈322补偿由于第一功率交换线圈318和第二功率交换线圈324的不匹配造成的相角的任何变化。在诸如图3描绘的实施例中，两个第二功率交换线圈324由单个第一功率交换线圈318提供功率，存在由于第一功率交换线圈318和两个第二功率交换线圈324之间的不匹配造成的相角的变化。这种不匹配可以通过补偿线圈322的使用来补偿。第二功率交换线圈324、场聚焦元件320和补偿线圈322可以相互耦连于相对固定的位置处，以形成功率传输元件325。功率传输元件325在形式上类似于图1的功率传输元件120。

场聚焦元件320可以被配置成以至少一个谐振频率操作。第一功率交换线圈318和第二功率交换线圈324被配置成处理功率以及数据和控制信号在第一功率交换线圈318和第二功率交换线圈324之间以场聚焦元件320的一个或多个谐振频率的双向流动。在一个实施例中，数据和控制信号可以在第二功率交换线圈324到第一功率交换线圈318之间以场聚焦元件320的一个或多个谐振频率传输。场聚焦元件320的一个或多个谐振频率可以设计成使得这些谐振频率不干扰MRI系统300的拉莫尔频率。

在一个示例中，数据和控制信号可以以与功率从第一功率交换线圈318到第二功率交换线圈324的传输的谐振频率相同的谐振频率传输。具体地，功率、数据和控制信号可以以顺序方式以相同的谐振频率通过例如控制开关交替传输。在此情景中，当功率正被传输时，其它量，诸如数据和控制信号可以不被传输。

在另一实施例中，数据、功率和控制信号可以在第一功率交换线圈318和第二功率交换线圈324之间以三个不同的谐振频率同时传输。在又一实施例中，当数据不在第一功率交换线圈318和第二功率交换线圈324之间传输时，通过使用两个不同的谐振频率，控制信号可以与功率的传输同时传输。功率、数据和控制信号可以采用各种形式，并执行不同功能。根据一个或多个通信协议，数据可以与AC或DC信号一样简单，或者与打包的信息一样复杂。

在一个实施例中，数据在第一功率交换线圈318和第二功率交换线圈324之间传输。数据可以包括形式为轮询信号并向梯度放大器发送的第一数据和基于第一数据从梯度放大器发送的代表健康监测数据的第二数据。健康监测数据对应于梯度放大器的健康状况。健康监测数据可以包括与梯度放大器对应的温度、电压或电流水平。在一个替代性示例中，健康监测数据可以包括与梯度放大器对应的故障信号。

而且，控制信号在第一功率交换线圈318和第二功率交换线圈324之间传输。这些控制信号包括帮助确定可控开关308的切换的形式为门控制信号的第一控制信号和基于第一电路330的输出量确定的形式为反馈信号的第二控制信号。

MRI系统300还包括第一发射接收元件336、第一控制组件340、第二发射接收元件338和第二控制组件342。在一个示例中，发射接收元件336、338可以被配置成发射和/或接收以及调制和/或解调制信号。在一个非限制性示例中，第一和第二发射接收元件336、338可以包括天线。第一控制组件340可以被配置成确定有源整流器328的切换模式，第二控制组件342可以被配置成确定第一电路330的切换模式。而且，在一个非限制性示例中，第一控制组件340和第二控制组件342包括H-桥控制电路。

在图3的示例中，第一发射接收元件336可操作耦连至第一功率交换线圈318和第一控制组件340。第一控制组件340然后可操作耦连至有源整流器328。在一个示例中，第一发射接收元件336经由通信信道346(诸如Wi-Fi信道)可操作耦连至第二发射接收元件338。而且，第二功率交换线圈324可操作耦连至第二发射接收元件338，第二发射接收元件338又耦连至第二控制组件342。而且，第二控制组件342可以可操作耦连至第一电路330。第二发射接收元件338也可操作耦连至门驱动子单元316以及第一电路330的输出。

MRI系统300还包括控制子单元334。在一个非限制性示例中，控制子单元334可以包括处理和分析单元。控制子单元334可以经由第一发射接收元件336、第一控制组件340、有源整流器328、第一功率交换线圈318、场聚焦元件320、第二功率交换线圈324和第二发射接收元件338向梯度放大器传输轮询信号。在发射轮询信号时，第一发射接收元件336帮助在轮询信号发送到梯度放大器之前对其调制。而且，经调制的轮询信号提供至第一控制组件340。第一控制组件340基于经调制的轮询信号确定切换有源整流器328的切换模式。基于有源整流器328的切换，经调制的轮询信号可以从有源整流器328经由第一功率交换线圈318、场聚焦元件320和第二功率交换线圈324传输至第二发射接收元件338。而且，第二发射接收元件338可以被配置成接收并解调制经调制的轮询信号。

基于轮询信号，可以确定健康监测数据是否需要从梯度放大器向控制子单元334传输。在一个示例中，如果轮询信号具有一个值(例如，逻辑高电平(logic high))，则健康监测数据可以从梯度放大器向控制子单元334传输。然而，如果轮询信号具有第二值(例如，逻辑低电平(logic low))，则可能指示健康监测数据不需要向控制子单元334传输。

健康监测数据可以从梯度放大器经由第二发射接收元件338和第一发射接收元件336向控制子单元334传输。具体地，当第一电路330是有源整流器时，健康监测数据可以从梯度放大器经由门驱动子单元316、第二发射接收元件338、第二控制组件342、第一电路330、第二功率交换线圈324、场聚焦元件320、第一功率交换线圈318和第一发射接收元件336向控制子单元334传输。可以指出，有源整流器是双向整流器。

在此情景中，当传输健康监测数据时，第二发射接收元件338可以被配置成调制健康监测数据。而且，经调制的健康监测数据向第二控制组件342提供。第二控制组件342可以基于经调制的健康监测数据确定第一电路330的切换模式。基于第一电路330的切换，经调制的健康监测数据可以经由第二功率交换线圈324、场聚焦元件320、第一功率交换线圈318向第一发射接收元件336传输。第一发射接收元件336可以被配置成解调制经调制的健康监测数据。在第一电路330是二极管桥的实施例中，健康监测数据可以从梯度放大器经由第二发射接收元件338、通信信道346和第一发射接收元件336向控制子单元334传输。

在控制子单元334，健康监测数据可以被分析以识别梯度放大器的状况。例如，梯度放大器的状况可以包括故障状况和健康状况。梯度放大器的故障状况可以指示梯度放大器的有故障的可控开关。在一个实施例中，健康监测数据可以传输到门驱动子单元316中的逻辑元件344。在一个示例中，健康监测数据可以被逻辑元件344使用，以确定梯度放大器的可控开关的切换。逻辑元件344可以是逻辑门的组合。逻辑元件344可以包括模拟比较器和逻辑电路(诸如但不限于与(AND)门、或(OR)门和类似D触发器的锁存电路)的组合。在另一实施例中，MRI系统的任何其它组件(诸如但不限于梯度线圈和梯度控制单元)的健康监测数据可以向控制子单元334发送。

在一个示例中，控制子单元334经由第一发射接收元件336、第一控制组件340、有源整流器328、第一功率交换线圈318、场聚焦元件320、第二功率交换线圈324和第二发射接收元件338向门驱动子单元316发送门控制信号。在门控制信号的传输过程中，第一发射接收元件336可以被配置成调制门控制信号。而且，经调制的门控制信号向第一控制组件340提供。第一控制组件340基于经调制的门控制信号确定有源整流器328的切换。基于有源整流器328的切换，经调制的门控制信号经由第一功率交换线圈318、场聚焦元件320和第二功率交换线圈324向第二发射接收元件338传输。在第二发射接收元件338处，经调制的门控制信号可以被接收和解调制。而且，门控制信号可以向门驱动子单元316提供。在另一示例中，通过使用光耦合器、光纤光缆或其组合，门控制信号可以从控制子单元334向门驱动子单元316提供。

继续参照图3，第一电路330生成输出量，诸如第一电路330的输出电压或输出电流。第一电路330两端的输出电压的值维持在期望值。在一个示例中，第一电路330两端的输出电压的值维持在20伏。不过，如果第一电路330两端的输出电压的值与20伏不同，则有源整流器328的开关的切换可以被调节。基于有源整流器328的开关的切换的调节，第一电路330两端的输出电压的值维持在20伏。

在第一电路330是有源整流器时，反馈信号经由第二发射接收元件338、第二控制组件342、第二功率交换线圈324、场聚焦元件320、第一功率交换线圈318、第一发射接收元件336和第一控制组件340向有源整流器328传输。具体地，通过使用第二发射接收元件338调制反馈信号。而且，经调制的反馈信号向第二控制组件342传输。基于经调制的反馈信号，第二控制组件342可以确定第一电路330的开关的切换模式。

基于第一电路330的切换，经调制的反馈信号经由第二功率交换线圈324、场聚焦元件320、第一功率交换线圈318向第一发射接收元件336发送。在第一发射接收元件336处，经调制的反馈信号被解调制。而且，反馈信号向第一控制组件340提供。此外，第一控制组件340可以确定有源整流器328的开关的切换模式。有源整流器328的开关的这种切换又可以帮助调节第一电路330的输出量。

当第一电路330是二极管整流器时，通过使用第二发射接收元件338调制反馈信号。而且，经调制的反馈信号经由通信信道346向第一发射接收元件336传输。在第一发射接收元件336处，经调制的反馈信号被解调制，并且还向第一控制组件340提供。随后，第一控制组件340可以确定有源整流器328的开关的切换模式。基于有源整流器328的开关的切换模式的变化，第一电路330的输出量又可以被调节。

而且，在一个实施例中，门驱动子单元316可以基于门控制信号向可控开关308的控制端子310提供输出信号。在一个示例中，当门控制信号是高电平(high)时，+15伏的电压向可控开关308的控制端子310提供，从而激活可控开关308。然而，如果门控制信号是低电平(low)，则-5伏的电压向可控开关308的控制端子310提供，从而去激活可控开关308。

在替代性实施例中，基于在门驱动子单元316中的逻辑元件344处获得的健康监测数据和向门驱动子单元316提供的门控制信号，门驱动子单元316可以生成期望的输出信号。此输出信号提供至可控开关308的控制端子310。基于门驱动子单元316的输出信号，可控开关308被激活或被去激活。在一个示例中，如果梯度放大器处于健康状况，则健康监测数据可以是高电平，如果梯度放大器是不健康的，则健康监测数据可以是低电平。如果健康监测数据和门控制信号都是高电平，则可控开关308可以被激活。而且，如果健康监测数据和门控制信号之一是低电平，则可控开关308可以被去激活(deactivated)。因此，如果梯度放大器是健康的，则只有这种情况下可控开关308被激活。

现在转到图4，呈现了根据本发明的实施例被用作场聚焦元件的不同谐振器的图解表示400。在一个实施例中，场聚焦元件(诸如场聚焦元件114、226和320)包括单个环形线圈402。在另一实施例中，场聚焦元件包括多匝，诸如开口环形结构404、螺旋结构406、卷绕式(Swiss-roll)结构408或螺旋线圈结构410。针对具体应用的场聚焦元件的结构的选择由场聚焦元件的大小和谐振频率确定。

图5是根据本发明的实施例被用作场聚焦元件的多个谐振器的图解表示500。具体地，场聚焦元件500包括排列成阵列的多个谐振器502。多个谐振器502被配置成作为单个单元操作，并生成合成磁场。合成磁场由阵列中多个谐振器502中每一个的相应磁场生成，各磁场在期望方向上构造性地(constructively)/附加地干涉。但是，阵列中多个谐振器502的每个的相应磁场在除了期望方向之外的方向上相消地(destructively)干涉。合成磁场朝第二功率交换线圈聚焦。

在第二功率交换线圈处，合成磁场变换成功率，还经由门驱动子单元(诸如门驱动子单元316)向可控开关(诸如图3的可控开关308)提供。在一个实施例中，多个谐振器502的每个可以在结构上不同。而且，多个谐振器502可以被配置成以不同的谐振频率同时操作，以实现功率、数据或控制信号在第一功率交换线圈(诸如图1的第一功率交换线圈108)和第二功率交换线圈110之间同时的双向传输。尽管，图5的示例描绘了谐振器阵列的一种排列，但谐振器阵列的其它排列也被考虑。

现在转到图6，呈现了流程图600，其表示在磁共振成像系统的门驱动器单元中的非接触功率传输的示例性方法。将参照图1的元件解释图6的方法。方法开始于块602，在此，功率、数据或控制信号经由第一功率交换线圈、场聚焦元件和第二功率交换线圈传输。具体地，来自电源106的功率可以经由第一功率交换线圈108、场聚焦元件114和第二功率交换线圈110向门驱动子单元104传输。在一个非限制性示例中，电源可以是PDU。由电源向第一功率交换线圈108提供的功率可以经由磁场112向第二功率交换线圈110传输。

控制信号包括门控制信号和反馈信号。在一个实施例中，门控制信号可以经由光纤光缆、光耦合器或其组合提供。在另一实施例中，门控制信号可以经由第一功率交换线圈108、场聚焦元件114、第二功率交换线圈110或其组合提供。而且，反馈信号可以基于第一电路(诸如图3的第一电路330)的输出向有源整流器(诸如图3的有源整流器328)提供，以便将第一电路330的输出维持在期望值。

而且，数据可以经由第二功率交换线圈110、场聚焦元件114和第一功率交换线圈108在梯度放大器和控制子单元(如图3的控制子单元334)之间传输。数据可以包括轮询信号和与梯度放大器对应的可以基于轮询信号传输的健康监测数据。在一个示例中，与梯度放大器对应的健康监测数据可以向门驱动子单元104中的逻辑元件(诸如图3的逻辑元件344)提供。数据和控制信号的传输类似于对参照图3描述的数据和控制信号的传输的解释。

在块604，梯度放大器的可控开关(诸如图3的可控开关308)基于从门驱动子单元104向可控开关的控制端子(诸如图3的控制端子310)提供的输出信号被激活或被去激活。在一个示例中，控制端子可以包括门端子。在一个示例中，输出信号可以由从控制子单元向门驱动子单元104提供的门控制信号确定。

在另一示例中，输出信号可以基于门控制信号和在门驱动子单元316中的逻辑元件处获得的健康监测数据的组合确定。在一个示例中，当输出信号是+15伏时，可控开关被激活，当输出信号是-5伏时，可控开关被去激活。

而且，前面的示例、示范和过程步骤(诸如可以由系统执行的那些)可以由基于处理器的系统(诸如通用或专用计算机)上的适当代码实现。还应当注意，本发明公开的不同实现方式可以以不同顺序或基本上同时(即并行地)执行本说明书中描述的一些或所有步骤。而且，功能可以以各种编程语言(包括但不限于C++或Java)实现。这些代码可以存储或适于存储在一个或多个有形机器可读介质上，诸如在数据储存库芯片、本地或远程硬盘、光盘(即CD或DVD)、存储器或可以由基于处理器的系统访问以执行存储的代码的其它介质上。注意，有形介质可以包括在其上打印指令的纸或另一适当介质。例如，指令可以通过对纸或其它介质的光学扫描以电子方式捕获，然后被编译、解释或根据需要另外以适当方式处理，然后存储于数据储存库或存储器中。

如MRI系统中使用的门驱动器单元和本说明书上面描述的MRI系统的门驱动器单元中的非接触功率传输的方法的各个实施例有助于向可控开关提供高效的功率传输。而且，在MRI系统的门驱动器单元中的非接触功率传输的方法有助于将MRI系统的许多子系统设置在扫描室中，从而减少设备室的占用面积。具体地，MRI系统的梯度放大器可以设置在扫描室中。而且，根据本发明公开的各方面，如MRI系统中使用的门驱动器单元提供高dv/dt抗敏性(high dv/dt immunity)和期望的隔离效果。

此外，本说明书中描述的并用在MRI系统中的新的门驱动器单元避免使用铁氧体，相应解决了最小化扫描室中的饱和问题。而且，如MRI系统中使用的门驱动器单元允许功率、控制信号和数据以不干扰MRI系统的拉莫尔或进动频率的谐振频率传输。因此，不影响MRI系统的成像质量。而且，门驱动器单元和非接触功率传输的方法的各个实施例可以在高压功率变换器、断路器和其它住宅和商业功率分配应用中应用。同样，非接触功率传输的方法可以用在其它医疗系统中。

尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员会理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行各种修改，其元件可以被替换等同物。此外，在不偏离其实质范围的情况下，可以进行许多改进以使具体情况或材料适应本发明的教导。

Claims (28)

1.一种门驱动器单元，包括：

第一功率交换线圈，所述第一功率交换线圈能操作地耦连至电源；

第二功率交换线圈，所述第二功率交换线圈被配置成经由磁场从所述第一功率交换线圈接收功率；

场聚焦元件，所述场聚焦元件设置于所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间，并被配置成将所述磁场聚焦到所述第二功率交换线圈上；

补偿线圈，设置于所述场聚焦元件和所述第二功率交换线圈之间，并被配置成补偿由于所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈的不匹配造成的相角的变化；

第一电路，所述第一电路耦连至所述第二功率交换线圈；以及

门驱动子单元，所述门驱动子单元能操作地耦连至所述第一电路，并被配置成向与第二电路的可控开关对应的控制端子提供输出信号。

2.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述补偿线圈还被配置成将所述第一功率交换线圈的阻抗与所述第二功率交换线圈的阻抗匹配。

3.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述场聚焦元件以至少一个谐振频率操作。

4.根据权利要求3所述的门驱动器单元，其中，所述补偿线圈以不同于所述场聚焦元件的所述至少一个谐振频率的谐振频率操作。

5.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈被配置成处理所述功率、数据和控制信号中的至少一个在所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间的双向流动。

6.根据权利要求4所述的门驱动器单元，其中，一个或多个所述功率、数据和控制信号以所述至少一个谐振频率同时传输。

7.根据权利要求4所述的门驱动器单元，其中，一个或多个所述功率、数据和控制信号以所述至少一个谐振频率交替传输。

8.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述可控开关的控制端子包括门端子。

9.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述第一功率交换线圈包括发射器线圈，并且所述第二功率交换线圈包括接收器线圈。

10.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述第一功率交换线圈包括接收器线圈，并且所述第二功率交换线圈包括发射器线圈。

11.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述场聚焦元件被配置成增强所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间的耦连。

12.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述场聚焦元件包括至少一个谐振器。

13.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述场聚焦元件包括排列成阵列的多个谐振器，并且所述多个谐振器被配置成作为单个单元操作，使得由所述多个谐振器产生的合成磁场聚焦到所述第二功率交换线圈上。

14.根据权利要求1所述的门驱动器单元，其中，所述第一电路包括有源整流器和二极管整流器的至少一个。

15.一种磁共振成像系统，包括：

梯度放大器，所述梯度放大器被设置成邻近所述磁共振成像系统的磁铁组件，并包括多个可控开关；

门驱动器单元，所述门驱动器单元能操作耦连至所述梯度放大器，并包括：

第一功率交换线圈，所述第一功率交换线圈能操作耦连至电源；

第二功率交换线圈，所述第二功率交换线圈被配置成经由磁场从所述第一功率交换线圈接收功率；

场聚焦元件，所述场聚焦元件设置于所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间，并被配置成：

将所述磁场聚焦到所述第二功率交换线圈上；

增强所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间的耦连；

第一电路，所述第一电路耦连至所述第二功率交换线圈；以及

门驱动子单元，所述门驱动子单元能操作耦连至所述第一电路，并被配置成向与所述多个可控开关对应的控制端子提供输出信号。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈被绝缘子和气隙中的至少一个隔开。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈被配置成处理所述功率、数据和控制信号中的至少一个在所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间以至少一个谐振频率的双向流动。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，还包括控制子单元，所述控制子单元能操作耦连至所述门驱动子单元，并被配置成：

向所述梯度放大器传输第一数据；

基于所述第一数据从所述梯度放大器接收第二数据；以及

向所述门驱动子单元发送第一控制信号。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第二数据包括与所述梯度放大器对应的健康监测数据。

20.根据权利要求15所述的系统，其中，所述电源包括恒定电压源，所述恒定电压源耦连至有源整流器。

21.根据权利要求20所述的系统，其中，第二控制信号基于所述第一电路的输出电压经由所述第二功率交换线圈、所述场聚焦元件和所述第一功率交换线圈中的至少一个向所述有源整流器传输。

22.根据权利要求15所述的系统，其中，所述门驱动器单元被设置成邻近所述磁共振成像系统的所述磁铁组件。

23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述梯度放大器和所述门驱动器单元被设置在扫描室中。

24.一种在磁共振成像系统中的非接触功率传输的方法，包括：

从电源经由第一功率交换线圈、场聚焦元件和第二功率交换线圈中的至少一个向门驱动子单元传输功率；

基于从所述门驱动子单元向可控开关的控制端子提供的输出信号，切换梯度放大器的所述可控开关；以及

从所述梯度放大器经由所述门驱动子单元、所述第二功率交换线圈、所述场聚焦元件和所述第一功率交换线圈中的至少一个向控制子单元传输数据。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，还包括从所述控制子单元经由所述第一功率交换线圈、所述场聚焦元件和所述第二功率交换线圈中的至少一个向所述门驱动子单元传输控制信号。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，传输所述功率、所述控制信号和所述数据包括以至少一个谐振频率传输所述功率、所述控制信号、所述数据或其组合。

27.根据权利要求25所述的方法，其中，还包括基于所述控制信号和所述数据中的至少一个确定所述输出信号。

28.根据权利要求24所述的方法，其中，还包括使用补偿线圈补偿相位的变化，并在所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间匹配阻抗。

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