CN108011602B

CN108011602B - 用于mri系统的混合型开关功率放大器及其控制方法

Info

Publication number: CN108011602B
Application number: CN201711337503.8A
Authority: CN
Inventors: 陈启兴; 成竹
Original assignee: Suzhou Zhongneng Medical Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Zhongneng Medical Technology Co ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: CN108011602A

Abstract

本申请公开了一种用于MRI系统的混合型开关功率放大器及其控制方法，其中混合型开关功率放大器包括：至少两个IGBT全桥，至少一个MOSFET全桥，控制IGBT全桥和MOSFET全桥输出的控制器；各个IGBT全桥的输出端、各个MOSFET全桥的输出端相互串联或并联混合拓扑。本申请这种用于MRI系统的混合型开关功率放大器采用IGBT功率开关管与MOSFET功率开关管的混合拓扑结构，与现有以IGBT或者MOSFET为单一开关管拓补的功率放大器比较，不仅电路简单，减少了开关器件，降低了电路成本；而且可以生成多个开关输出电平来合成所输出的电流，达到降低输出电流谐波成分。

Description

用于MRI系统的混合型开关功率放大器及其控制方法

技术领域

本申请涉及医学磁共振成像技术领域，具体涉及一种用于MRI(磁共振成像)系统的混合型开关功率放大器及其控制方法。

背景技术

在磁共振检查价格越来越亲民的现象背后，是磁共振成像系统的整体成本的明显降低。而作为磁共振成像系统三大件之一的梯度功率放大器，因为其结构复杂，功率大，可靠性要求高，近些年来，被称为磁共振系统国产化最后一道门槛。而降低这一系统关键部件的成本，同时提高它的效率，将成为这一行业近几年的首要努力目标之一。

目前使用在超导磁共振成像系统(大于1T磁场强度)上的功率结构主要是由中低压IGBT组成的级联式多电平逆变变换器结构。而使用在永磁磁共振成像系统(小于0.75T磁场强度)上的功率结构主要是由高压MOSFET组成的级联式多电平逆变变换器结构。

造成这种区分的主要原因为硅基半导体耐压差异所造成的问题及代价，而碳化硅SiC器件大规模替代现有硅基器件的时间还尚早。此种场景下IGBT一般会采用600V/1200V的耐压等级的器件，而MOSFET会根据具体级联结构，采用300V至650V不等的等级的器件。这两种器件的优劣势对比如下表：

一般在一种梯度放大器内，传统产品只会选取IGBT或者MOSFET其中的一种作为功率开关器件。然后再通过级联技术，使得其输出的波形具有低谐波含量，高电压等用户需要的特性。

如果使用了IGBT作为功率开关器件，则制造、设计成本会增加，开关速度会明显变慢，由原来MOSFET的100KHZ单级联变为约20KHZ左右。如果这时候系统设计者任然想要达到一个比较高的开关速度和比较低的谐波水平的话，则需要用多个H桥做级联输出。

如果使用了MOSFET作为功率开关器件，虽然开关速度会明显增加，但是，单个MOSFET在电流密度方面完全不能和载流能力数倍于它的IGBT相提并论。系统体积会明显处于劣势。随之而来的散热、占地面积等问题就会接踵而至。这都是设计者需要额外考虑的问题。

在采用传统级联方案的磁共振梯度放大器领域内，不管是采用MOSFET还是IGBT作为功率开关的拓补结构，总是要牺牲一方面的性能，来获得另外一方面的一些性能。

发明内容

本申请的目的是：针对现有技术的不足，提出一种用于MRI系统的混合型开关功率放大器及其控制方法，其混合使用IGBT与MOSFET功率开关器件，来改变现有技术使用单一MOSFET器件或者IGBT器件造成的不可避免的性能牺牲。

为了达到上述目的，本申请的技术方案是：

一种用于MRI系统的混合型开关功率放大器，包括：

至少两个IGBT全桥，

至少一个MOSFET全桥，以及

控制所述IGBT全桥和所述MOSFET全桥输出的控制器；

各个所述IGBT全桥的输出端、各个所述MOSFET全桥的输出端相互串联或并联混合拓扑。

本申请这种混合型开关功率放大器在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

第一IGBT全桥的输出端与第二IGBT全桥的输出端相串联，第一MOSFET全桥的输出端与所述第二IGBT全桥的输出端相并联。

所述第一IGBT全桥的输出端还扩展串联若干第三IGBT全桥的输出端。

至少其中一个所述第三IGBT全桥的输出端还扩展并联若干第四IGBT全桥的输出端。

所述第一MOSFET全桥的输出端扩展串联若干第二MOSFET全桥的输出端，从而构成串联MOSFET组，所述串联MOSFET组的输出端与所述第二IGBT全桥的输出端相并联。

至少其中一个所述第二MOSFET全桥的输出端还扩展并联若干第三MOSFET全桥的输出端。

所述IGBT全桥包括：

全桥连接的四个IGBT功率开关管，以及

与这四个IGBT功率开关管构成的全桥电路的输入端连接的高压电源；

所述MOSFET全桥包括：

全桥连接的四个MOSFET功率开关管，以及

与这四个MOSFET功率开关管构成的全桥电路的输入端连接的低压电源。

所述控制器为PWM信号发生器，所述PWM信号发生器与构成所述IGBT全桥的各个IGBT功率开关管以及构成所述MOSFET全桥的各个MOSFET功率开关管均分别相连。

上述这种用于MRI系统的混合型开关功率放大器的控制方法，包括：

在所述混合型开关功率放大器需要输出小电流时，控制各个所述IGBT全桥工作在0V模式；

在所述混合型开关功率放大器需要输出大电流时，控制各个所述MOSFET全桥工作在高阻抗续流模式；

在所述混合型开关功率放大器需要输出中电流时，控制各个所述IGBT全桥和各个所述MOSFET全桥交替工作。

作为优选，在所述混合型开关功率放大器需要输出大电流时，所述MOSFET全桥首先完全打开，输出MRI系统所需要的部分电流，在此同时，所述IGBT全桥处在由关闭到开启的过程中；一旦IGBT全桥开启，之前打开的所述MOSFET全桥视电流情况部分关闭或者完全关闭、而工作在高阻抗续流模式；

当各个MOSFET全桥不需要参与输出时，与所述串联MOSFET组输出端相并联的所述第二IGBT全桥处在0电平输出模式。

本申请具有以下有益效果：

本申请这种应用于用于MRI系统的混合型开关功率放大器，采用IGBT功率开关管与MOSFET功率开关管混合的拓补结构，与现有以IGBT或者MOSFET为单一开关器件拓补的放大器比较，一个是电路简单，减少了开关器件，降低了电路成本；二是可以生成多个开关输出电平来合成所输出的电流，达到降低输出电流谐波成分。

附图说明

图1为本申请实施例一中混合型开关功率放大器拓扑结构的电路原理图；

图2为本申请实施例一至三中各IGBT全桥的电路原理图；

图3为本申请实施例一至三中各MOSFET全桥的电路原理图；

图4为本申请实施例二混合型开关功率放大器拓扑结构的电路原理图；

图5为本申请实施例三混合型开关功率放大器拓扑结构的电路原理图。

其中：1-第一IGBT全桥，2-第二IGBT全桥，3-第一MOSFET全桥，4-控制器，5-第三IGBT全桥，6-第二MOSFET全桥，7-第四IGBT全桥，8-第三MOSFET全桥。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解。

然而，本领域的技术人员可能会意识到其中的一个或多个的具体细节描述可以被省略，或者还可以采用其他的方法、组件或材料。在一些例子中，一些实施方式并没有描述或没有详细的描述。

此外，本文中记载的技术特征、技术方案还可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。对于本领域的技术人员来说，易于理解与本文提供的实施例有关的方法的步骤或操作顺序还可以改变。因此，附图和实施例中的任何顺序仅仅用于说明用途，并不暗示要求按照一定的顺序，除非明确说明要求按照某一顺序。

实施例一：

图1示出了本申请这种用于MRI系统(磁共振成像系统)的混合型开关功率放大器的一个具体实施例，其包括两个IGBT全桥、一个MOSFET全桥、以及控制前述IGBT全桥和MOSFET全桥输出的控制器。前述IGBT全桥和MOSFET全桥串并联混合拓扑。

上述IGBT全桥和MOSFET全桥的具体结构形式分别如图2和图3所示。其中，IGBT全桥包括：全桥连接的四个IGBT功率开关管、与这四个IGBT功率开关管构成的全桥电路的输入端连接的高压电源。MOSFET全桥包括：全桥连接的四个MOSFET功率开关管、与这四个MOSFET功率开关管构成的全桥电路的输入端连接的低压电源。这里所说的高压电源中的“高”和低压电源中的“低”，是相对而言，意指IGBT全桥的电源电压高于MOSFET全桥的电源电压。

为了方便对本申请的技术方案进行描述，现将构成上述IGBT全桥的上述四个IGBT功率开关管分别命名为IGBT 1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，将上述的四个MOSFET分别命名为MOSFET 1、MOSFET2、MOSFET3、MOSFET4。

上述IGBT全桥和MOSFET全桥的结构形式相同，开关的控制方式相同，仅有开关的特性不同。下面就拿IGBT全桥做功能性解说，解说同样适用于MOSFET全桥。

当四个IGBT功率开关管——IGBT 1、IGBT2、IGBT3、IGBT4都关闭时，IGBT全桥的输出A与输出B之间处于高阻抗状续流状态。

当IGBT 1、IGBT4导通，IGBT2、IGBT3关闭时，输出A电压相对于输出B电压高出了一个高压电源的电势，相当于输出正电压。

当IGBT 1、IGBT4关闭，IGBT2、IGBT3导通时，输出A电压相对于输出B电压低了一个高压电源的电势，相当于输出负电压。

当IGBT 1、IGBT2导通，IGBT3、IGBT4关闭时(或IGBT3、IGBT4导通，IGBT1、IGBT2关闭)，输出A电压与输出B电压处于同电位，相当于输出零电压。

由此可见，如果在MRI系统内的负载梯度线圈一定的情况下，上述这种IGBT全桥、MOSFET全桥结构能够可控制地输出正电流、负电流、0电流和续流。当多个全桥并联的情况下，电压不变时能够成倍的增加输出电流。当多个全桥串联的情况下，电流不变的情况下，能够增加输出电压。当串、并联同时存在时，电流电压均能够可控的增加。

IGBT全桥有能力使用母线电压较高的高压电源(一般为400V以上)，因此，开关速度会比较低(10μs级别)。而图3中的MOSFET全桥的耐压会比较低，所以其母线电压会使用200V以下的电压，因此，其开关速度会明显比IGBT快很多(μs级别)。正是因为这两种由不同种类功率开关管组成的全桥具有不同的耐压性，它们的电流输出能力也会不一样：IGBT全桥可以相对缓慢地输出大电流；MOSFET全桥可以相对迅速地输出中小程度的电流。

在MRI系统中GPA(梯度功率放大器)承担着输出梯度磁场所需要的电流的重要角色。能够又准确又快速地输出大电流的能力是评判GPA的重要指标。通常，在使用MOSFET功率开关管作为主要开关管的拓补结构中，为了不损失开关速率的情况下能够达到高电压、电流，设计者通常需要串并联很多个MOSFET全桥，这样的成本会很高。如果是采用IGBT功率开关管拓补的情况下，为了达到很高的开关速率，也需要串联很多IGBT全桥，并且在PWM信号控制器内做输出信号移相处理。控制难度与复杂程度均很大。

为方便结合本实施例一以及下述的两个实施例来清楚阐述本申请的技术方案，现将本实施例中上述的两个IGBT全桥分别称为第一IGBT全桥1和第二IGBT全桥2，将上述的MOSFET全桥称为第一MOSFET全桥3。从图1中可以看出，第一IGBT全桥1和第二IGBT全桥2的输出端相互串联，而第一MOSFET全桥的输出端与第二IGBT全桥2的输出端相互并联。具体的：第一IGBT全桥1的输出A、第二IGBT全桥2的输出B与第一MOSFET全桥3的输出Y共接，第一IGBT全桥的输出B作为拓扑系统的输出端Ⅰ，第二IGBT全桥2的输出A与第一MOSFET全桥3的输出X共接、并作为拓扑系统的输出端Ⅱ。图1中的控制器4是控制各个全桥输出的信号发生器，能够输出PWM信号以获得对应的平均积分电压信号。

本实施例的具体工作原理为：假设IGBT全桥可以输出+2V、-2V、0V电平，MOSFET全桥可以输出+1V、-1V、0V电平。由于是使用PWM调制方式控制全桥的输出，所以在电平之间，存在积分后的连续电平。

当GPA需要输出小电流时，两个IGBT全桥(第一IGBT全桥1和第二IGBT全桥2)可以工作在0V模式，这样的话，整个拓扑系统对外等效于纯MOSFET全桥系统。

当GPA需要输出大电流时，MOSFET全桥(即第一MOSFET全桥3)工作在高阻抗续流模式，此时整个拓扑系统对外等效于两个IGBT全桥级联，可以瞬时输出最多±4V电压。

当GPA需要输出中电流时，三个全桥将会交替工作，拓扑系统会输出±3V±2V±1V0V等电平，并且MOSFET全桥会保证整个拓扑系统对外的等效开关频率保持在一个比较高的水平，以方便降低电流纹波。

上面所说的“小电流”、“大电流”、“中电流”，是相对而言，只表示三者的相对大小。

由于上述这种结构是模块化比较强的结构，所以其拓展性非常良好。假如目标应用需要更高的电压或电流，则图1中的MOSFET全桥、IGBT全桥可以同时或者分别进行串并联设置，据此，衍生出了下述的实施例二和实施例三。

本实施例图1中的一个MOSFET全桥、两个IGBT全桥为本申请这种混合型开关功率放大器混合拓扑结构的基本单元。

实施例二：

图4示出了本申请这种用于MRI系统的混合型开关功率放大器的第二个具体实施例，本实施例这种用于MRI系统的混合型开关功率放大器与上述实施例一的结构基本相同，不同之处在于：

第一IGBT全桥1还扩展串联了另一个IGBT全桥——为方便表述，我们将该扩展串联的IGBT全桥称为第三IGBT全桥5，第一IGBT全桥1和第三IGBT全桥5构成串联IGBT组。具体的：第一IGBT全桥1的输出端和第三IGBT全桥5的输出端串联。

并且，第一MOSFET全桥3还扩展串联了另一个MOSFET全桥——为方便表述，我们将该扩展串联的MOSFET全桥称为第二MOSFET全桥6，第一MOSFET全桥3和第二MOSFET全桥6构成串联MOSFET组，该串联MOSFET组的输出端与第二IGBT全桥2的输出相并联。具体的：第一MOSFET全桥3的输出端和第二MOSFET全桥6的输出端串联。

串联的扩展结构可以用于产生更高的电流或电压。

实施例三：

图5示出了本申请这种用于MRI系统的混合型开关功率放大器的第三个具体实施例，本实施例这种用于MRI系统的混合型开关功率放大器与上述实施例二的结构基本相同，不同之处在于：

上述扩展串联的第三IGBT全桥5上又扩展了一个与其并联的第四IGBT全桥7，上述扩展串联的第二MOSFET全桥6上又扩展了一个与其并联的第三MOSFET全桥8。

在本实施例这种用于MRI系统的混合型开关功率放大器中，上述情况得到了解决。MOSFET全桥本身开关速率就很高(这是因为MOSFET全桥中MOSFET功率开关管的开关速率高)，而IGBT全桥电流输出能力又很大。在需要快速输出大电流的情况下，MOSFET全桥首先会完全打开，输出系统所需要的部分电流，在此同时，IGBT全桥也会处在关闭到开启的过程中(具体的，IGBT全桥总中对应的IGBT功率开关管处在关闭到开启的过程)。一旦IGBT全桥开启，之前打开的MOSFET全桥会视电流情况部分关闭或者完全关闭。另外，由于MOSFET全桥过电流能力有限，所以与串联MOSFET组并联的第二IGBT全桥2会在MOSFET全桥不需要参与输出时处在0电平输出模式，将串联MOSFET组完全关闭。这样既能保证电流电压的大小，又能保证开关速率。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims

1.一种用于MRI系统的混合型开关功率放大器，其特征在于,包括：

至少两个IGBT全桥，

至少一个MOSFET全桥，以及

控制所述IGBT全桥和所述MOSFET全桥输出的控制器；

各个所述IGBT全桥的输出端、各个所述MOSFET全桥的输出端相互串联或并联混合拓扑；

2.如权利要求1所述的用于MRI系统的混合型开关功率放大器，其特征在于，所述第一IGBT全桥的输出端还扩展串联若干第三IGBT全桥的输出端。

3.如权利要求2所述的用于MRI系统的混合型开关功率放大器，其特征在于，至少其中一个所述第三IGBT全桥的输出端还扩展并联若干第四IGBT全桥的输出端。

4.如权利要求3所述的用于MRI系统的混合型开关功率放大器，其特征在于，所述第一MOSFET全桥的输出端扩展串联若干第二MOSFET全桥的输出端，从而构成串联MOSFET组，所述串联MOSFET组的输出端与所述第二IGBT全桥的输出端相并联。

5.如权利要求4所述的用于MRI系统的混合型开关功率放大器，其特征在于，至少其中一个所述第二MOSFET全桥的输出端还扩展并联若干第三MOSFET全桥的输出端。

6.如权利要求1所述的用于MRI系统的混合型开关功率放大器，其特征在于，

所述IGBT全桥包括：

全桥连接的四个IGBT功率开关管，以及

所述MOSFET全桥包括：

全桥连接的四个MOSFET功率开关管，

以及与这四个MOSFET功率开关管构成的全桥电路的输入端连接的低压电源。

7.如权利要求1所述的用于MRI系统的混合型开关功率放大器，其特征在于，所述控制器为PWM信号发生器，所述PWM信号发生器与构成所述IGBT全桥的各个IGBT功率开关管以及构成所述MOSFET全桥的各个MOSFET功率开关管均分别相连。

8.一种如权利要求1至7中任一所述用于MRI系统的混合型开关功率放大器的控制方法，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在所述混合型开关功率放大器需要输出大电流时，所述MOSFET全桥首先完全打开，输出MRI系统所需要的部分电流，在此同时，所述IGBT全桥处在由关闭到开启的过程中；一旦IGBT全桥开启，之前打开的所述MOSFET全桥视电流情况部分关闭或者完全关闭、而工作在高阻抗续流模式。