CN109001659A - 一种梯度放大器及核磁共振成像设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种梯度放大器及磁共振成像设备，梯度放大器用于为核磁共振成像设备中的梯度线圈提供电流，包括：整流器、H桥和滤波电路；整流器连接交流电源，用于将交流电源提供的交流电整流为直流电；H桥的输入端连接整流器的输出端，H桥的输出端连接滤波电路；H桥采用多电平逆变器拓扑，且H桥的输入端连接串联在一起的两个母线电容：第一母线电容和第二母线电容，第一母线电容和第二母线电容的公共端接地；滤波电路，用于滤除H桥输出电流中的谐波；滤波电路的输出端连接梯度线圈。该梯度放大器相比于现有技术，能够实现输出电压的翻倍，同时不增加成本。

Description

一种梯度放大器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成像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，所以当梯度线圈电流快速变化时，梯度放大器需要瞬间输出高压；当梯度线圈电流是直流时，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1和图2，为现有技术中提供的串联H桥式的梯度放大器示意图。

图1为一个H桥的示意图，图2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，实现精确控制电流的目的。

参见图3，为现有技术中常见的另一种梯度放大器拓扑示意图。

整个电路包括五个H桥，每个H桥均包括4个IGBT管和一个储能电容。

其中桥H1、H2、H3、H4和H5中的IGBT管均作为高速开关管，输出电压V1、V2、V3、V4和V5彼此错相360°/5，从而达到线圈电压10倍频，减少线圈电流纹波，从而实现精确控制电流的目的。

目前业内使用该款拓扑开发出最大输出能力梯度功放是2000V/900A，受限于目前半导体工艺，散热和成本等技术因素，输出能力更大梯度功放暂时无法开发出并实现商业化。

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及核磁共振成像设备，可以实现输出电压更高，但是不增加成本。

本发明解决技术问题的技术方案是：

第一方面，本申请提供了一种梯度放大器，应用于核磁共振成像设备。该梯度放大器用于为核磁共振成像设备中的梯度线圈提供电流，包括：

整流器、H桥和滤波电路；整流器和H桥一一对应；

所述整流器连接交流电源，用于将交流电源提供的交流电整流为直流电；

每个所述H桥的输入端连接对应所述整流器的输出端，所有所述H桥的输出端串联在一起后连接所述滤波电路；每个所述H桥采用多电平逆变器拓扑，且每个所述H桥的输入端连接串联在一起的两个母线电容，所述两个母线电容的公共端接地；

所述滤波电路，用于滤除所述H桥输出电流中的谐波；所述滤波电路的输出端连接所述梯度线圈。

可选的，所述多电平逆变器拓扑包括以下任意一种：

中点箝位NPC多电平逆变器拓扑、T型多电平逆变器拓扑和飞跨电容型多电平逆变器拓扑。

可选的，所述多电平逆变器拓扑包括以下任意一种电平：

三电平、五电平、七电平和九电平。

可选的，所述整流器包括三个，所述H桥包括三个；

三个所述H桥的输出端串联在一起后连接所述滤波电路。

可选的，三个所述H桥中任意相邻两个所述H桥输出电压错相120度。

可选的，所述H桥的任一半桥中的所有器件集成在一个IGBT模块中。

可选的，所述两个母线电容上均采用电解电容。

可选的，所述多电平逆变器拓扑为中点箝位NPC三电平逆变器拓扑。

可选的，梯度放大器还包括：变压器；

所述变压器的原边绕组连接交流电源，所述变压器的副边绕组个数与所述H桥个数相同，每个所述H桥对应一个所述整流器；

所述变压器的每个副边绕组连接对应的整流器。

第二方面，本申请提供了一种核磁共振成像设备，包括第一方面提供的梯度放大器，还包括：梯度线圈；

所述梯度放大器，用于给所述梯度线圈提供驱动电流。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

本申请提供一种梯度放大器，应用于核磁共振成像设备，用于为核磁共振成像设备中的梯度线圈提供电流，包括：整流器、H桥和滤波电路；所述整流器连接交流电源，用于将交流电源提供的交流电整流为直流电；所述H桥的输入端连接所述整流器的输出端，所述H桥的输出端连接所述滤波电路；所述H桥采用多电平逆变器拓扑，且所述H桥的输入端连接串联在一起的两个母线电容：第一母线电容和第二母线电容，所述第一母线电容和第二母线电容的公共端接地；所述滤波电路，用于滤除所述H桥输出电流中的谐波；所述滤波电路的输出端连接所述梯度线圈。

本申请实施例提供的梯度放大器中的H桥输入端对应两个母线电容，因此，H桥的输出电压可以翻倍，并且H桥采用多电平逆变器拓扑来实现，由于多电平逆变器拓扑本身结构特性，尽管H桥的输出电压翻倍，但是H桥中多电平逆变器中的开关管承受的压降没有升高，可以继续沿用较低电压IGBT管，这样不必使用耐压较高的IGBT管，而IGBT管的成本与其耐压能力成正比，因此，该梯度放大器在实现高输出电压的同时没有增加成本。IGBT管耐压越高，其开关特性越差，而且开关损耗较大。因此，本申请使用多电平拓扑很好解决了该问题，继续使用耐压较低IGBT管，不仅使成本较低，而且开关特性较好，开关损耗较低。

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1为本公开提供的一个H桥的示意图；

图2为本公开提供的包含三个H桥串联在一起的结构示意图；

图3为本公开提供的一种梯度放大器拓扑示意图；

图4为本公开提供的又一种拓扑的梯度放大器示意图；

图5为本公开提供的一种梯度放大器示意图；

图6为本公开提供的NPC拓扑的H桥示意图；

图7为本公开提供的与图6对应的脉冲调制图；

图8为本公开提供的与图6对应的倍频示意图；

图9为本公开提供的与图6对应的电压VA示意图；

图10为本公开提供的H桥采用T型多电平逆变器拓扑示意图；

图11为本公开提供的H桥采用飞跨电容型多电平逆变器拓扑示意图；

图12为本公开提供的五电平NPC逆变器拓扑示意图；

图13为本公开提供的核磁共振成像设备示意图。

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。

图3所述的梯度放大器包括五个H桥，其中每个H桥输出电压为400V，由于五个H桥的输出端串联，因此，总电压达到2000V。如果需要增加输出电压，则需要增加H桥，这样整个电路的体积将被加大，尺寸太大无法将其集成到机柜内部，而且体积增大后重量也随之增加，不便于后期维护。

另外，还有一种拓扑的梯度放大器，参见图4，该图为又一种拓扑的梯度放大器示意图。

其中，VBUS1和VBUS3是高压，VBUS2是低压，当线圈电流跳变时，三个桥H1、H2和H3同时工作，VBUS1、VBUS2和VBUS3叠加，产生高压驱动线圈电流跳变；当线圈电流是直流时，由于线圈需要的电压很低，只有最低电压的H2工作，H1和H3输出电压为0。

如果需要进一步提升输出电压，则H1和H3必须改用耐压更高的IGBT管，但IGBT管随着耐压增高，损耗和成本会迅速增加，同时IGBT管的开关特性也会变差。

因此，为了提高输出电压，本公开提供一种梯度放大器，应用于核磁共振成像设备，用于为核磁共振成像设备中的梯度线圈提供电流，包括：整流器、H桥和滤波电路；所述整流器和H桥一一对应；所述整流器连接交流电源，用于将交流电源提供的交流电整流为直流电；每个所述H桥的输入端连接对应所述整流器的输出端，所述H桥的输出端串联在一起后连接所述滤波电路；每个所述H桥采用多电平逆变器拓扑，且每个所述H桥的输入端连接串联在一起的两个母线电容，所述两个母线电容的公共端接地；所述滤波电路，用于滤除所述H桥输出电流中的谐波；所述滤波电路的输出端连接所述梯度线圈。

本申请实施例提供的梯度放大器中的H桥输入端对应两个母线电容，因此，H桥的输出电压可以翻倍，并且H桥采用多电平逆变器拓扑来实现，由于多电平逆变器拓扑本身结构特性，尽管H桥的输出电压翻倍，但是H桥中多电平逆变器中的开关管承受的压降没有升高，可以继续沿用较低电压IGBT管，这样不必使用耐压较高的IGBT管，而IGBT管的成本与其耐压能力成正比，因此，该梯度放大器在实现高输出电压的同时没有增加成本。IGBT管耐压越高，其开关特性越差，而且开关损耗较大。因此，本申请使用多电平拓扑很好解决了该问题，继续使用耐压较低IGBT管，不仅使成本较低，而且开关特性较好，开关损耗较低。

实施例一：

参见图5，该图为本申请提供的一种梯度放大器示意图。

本实施例提供的梯度放大器，应用于核磁共振成像设备，用于为核磁共振成像设备中的梯度线圈提供电流，包括：整流器、H桥和滤波电路；

图5中以三个H桥为例进行介绍，整流桥和H桥一一对应。可以理解的是，实际应用中可以根据梯度放大器输出电压大小的需要，设置不同数目的H桥，H桥的具体数目本申请实施例中不做具体限定。

所述整流器连接交流电源，用于将交流电源提供的交流电整流为直流电；

每个所述H桥的输入端连接所述整流器的输出端，所有所述H桥的输出端串联在一起连接所述滤波电路；每个所述H桥采用多电平逆变器拓扑，且每个所述H桥的输入端连接串联在一起的两个母线电容，所述两个母线电容的公共端接地；

如图5中，AC/DC1、AC/DC2和AC/DC3分别是第一整流器、第二整流器和第三整流器，AC/DC1、AC/DC2和AC/DC3的输出端分别连接第一H桥H1、第二H桥H2和第三H桥H3。

以H1为例介绍，H1输入端连接串联的两个母线电容C1和C2，其中C1上的母线电压为VBUS1+，C2上的母线电压为VBUS1-；同理H2输入端连接串联的两个母线电容C3和C4，C3上的母线电压为VBUS2+，C4上的母线电压为VBUS2-；H3输入端连接串联的两个母线电容C5和C6，其中C5上的母线电压为VBUS3+，C6上的母线电压为VBUS3-。

所述滤波电路，用于滤除所述H桥输出电流中的谐波；所述滤波电路的输出端连接所述梯度线圈。

滤波电路包括电感Lfdm、电阻Rfdm和电容Cdm。需要说明的是，Rfdm为滤波电感的等效电阻。

梯度线圈在本实施例中等效为图5所示的电阻Rgc、电容Cgc和电感Lgc。其中，Igc表示流过梯度线圈的电流。

由于本实施例提供的梯度放大器中，每个H桥采用多电平拓扑，而且直流供电电源的电压为两个母线电压之和，例如每个母线电压为400V，则每个H桥输出最高电压为800V，并且由于每个母线电压为400V，因此，H桥中多电平逆变器的开关管可以采用通用耐压650V的开关管，例如IGBT管。

如果梯度放大器需要输出电压为2400V，则需要三个H桥输出端串联即可(3*800V＝2400V)。

而利用图3所示的拓扑需要5个H桥才可以使输出电压达到2400V，利用图4所示的拓扑和控制方式，则需要H桥中开关管的耐压增大，这样将不利于开关管的选型，开关管耐压越高，成本越高，开关特性越差。

本实施例提供的梯度放大器中的H桥输入端对应两个母线电容，因此，H桥的输出电压可以翻倍，并且H桥采用多电平逆变器拓扑来实现，由于多电平逆变器拓扑本身结构特性，尽管H桥的输出电压翻倍，但是H桥中多电平逆变器中的开关管承受的压降没有升高，可以继续沿用较低电压IGBT管，这样不必使用耐压较高的IGBT管，而IGBT管的成本与其耐压能力成正比，因此，该梯度放大器在实现高输出电压的同时没有增加成本。IGBT管耐压越高，其开关特性越差，而且开关损耗较大。因此，本申请使用多电平拓扑很好解决了该问题，继续使用耐压较低IGBT管，不仅使成本较低，而且开关特性较好，开关损耗较低。

实施例二：

本申请实施例提供的梯度放大器中的多电平逆变器拓扑不限定具体多电平的阶数，可以包括以下任意一种电平：

三电平、五电平、七电平和九电平。

例如多电平逆变器拓扑可以选择三电平逆变器拓扑。当然也可以选择五电平、七电平等其他拓扑。

本申请提供的梯度放大器中的多电平逆变器拓扑包括以下任意一种：

中点箝位(NPC，Neutral Point Clamped)多电平逆变器拓扑、T型多电平逆变器拓扑和飞跨电容型多电平逆变器拓扑。

参见图6，该图为NPC拓扑的H桥示意图。

从图6可以看出，其中A半桥中，开关管QA1和QA3互补，互补是指两个开关管导通互补，即QA1导通，QA3关断，反之亦然。同理，QA2和QA4互补。

为了使本领域技术人员更好地理解图6对应拓扑的工作原理，下面结合图7所示的脉冲调制图进行详细说明。

通过QA1载波VCR_A1和比较电平对比，产生QA1驱动信号G_QA1；通过QA2载波VCR_A2和比较电平对比，产生QA2驱动信号G_QA2。

B半桥调制方式和A半桥一样，其中，QB1和QB3互补，QB2和QB4互补，不同的是QB3载波和QA1载波错相180°，QB4载波和QA2载波也错相180°，可以使得多电平H桥输出电压VAB达到2倍频。具体可以参见图8所示，VAB1的频率是G-QA1的频率的2倍。以上的错相是指H桥内错相。

下面介绍桥和桥之间错相，三个所述H桥中任意相邻两个所述H桥输出电压错相120度时，可以使梯度放大器输出电压达到6倍频，由于电压频率越高，电流纹波越小，因此，该拓扑可以有效减少梯度线圈电流的纹波。

具体可以参见图9，该图为电压VA示意图。

其中VAB1表示H1中A半桥输出电压VA减去B半桥输出电压VB的电压差，VA的最高电压是400V，最低电压是-400V。同理VB的最高电压是400V，最低电压是-400V，因此，VA-VB的最高电压是800V，最低电压是0V。

传统5桥拓扑在功率模块体积不变情况下，如果需要实现更高压输出，必须改用耐压1200V的IGBT管作为开关器件，耐压高的IGBT管除了成本明显增加外，还会带来更高开关损耗，更差的开关特性。而目前业内能满足600A输出的IGBT管，最高耐压只能达到1700V。

本实施例提供的多电平逆变器拓扑，由于H桥每次电压跳变是400V，因此，图6中H桥中的开关管使用耐压650V的IGBT管即可，不必选用耐压更高的IGBT管，因此不会增加成本，并且体积与两电平逆变器拓扑的体积差不多，没有增大体积。从而很好满足未来高端核磁共振成像设备快速扫描成像的需要，同时成本也可控。

目前半导体集成工艺，可以将H桥中的一个半桥中的所有器件集成在一个IGBT模块中，因此可以大幅提高功率密度，从而满足产品体积的需要。

本申请实施例中，两个母线电容均采用电解电容。

传统5桥逆变器拓扑，如果要输出2400V以上电压，VBUS需要提升到480V，因此储能电容需要使用550V电解电容。

若改用本实施例提供的3个H桥的多电平逆变器拓扑，由于使用VBUS+和VBUS-同时供电，VBUS+和VBUS-只需400V即可满足要求，因此电解电容只需使用450V即可。电解电容同样容值，电压越低，则体积越小，从而功率模块体积越小，可以有效提高功率密度。

以上实施例介绍的是H桥为NPC多电平逆变器拓扑，另外，H桥也可以采用T型多电平逆变器拓扑，具体可以参见图10所示。

另外，H桥也可以采用飞跨电容型多电平逆变器拓扑，具体可以参见图11所示。

图6、图10和图11中所示的多电平逆变器拓扑均是以三电平为例进行介绍，除了三电平拓扑以外，还可以为五电平、七电平或九电平。

如图12所示，为五电平NPC逆变器拓扑示意图。

逆变器电平阶数越高，开关管耐压越低，开关管越容易选型。

梯度放大器中的H桥采用多电平逆变器拓扑，主要是可以通过使用低压器件(包括电解电容和IGBT管)，从而实现高压输出，由于低压器件体积比高压器件体积更小，因此通过以上实施例提供的方案对应的功率模块体积比传统方案对应的功率模块体积更小，从而进一步节省空间和减轻重量，为梯度放大器后期维护提供了优势。另外，由于本申请实施例提供的H桥中每次开关电压变化量只是400V，因此dv/dt更低，IGBT管高速开关时所产生的高次谐波分量更低，从而EMI性能更好，更低EMI干扰对后级的滤波电路设计要求更低。

另外，该梯度放大器还可以包括：变压器；

所述变压器的原边绕组连接交流电源，所述变压器的副边绕组个数与所述H桥个数相同，每个H桥对应一个所述整流器；

所述变压器的每个副边绕组连接对应的整流器。

实施例三：

基于以上实施例提供的一种梯度放大器，本申请实施例还提供一种核磁共振成像设备。下面结合附图进行详细介绍。

参见图13，该图为本申请实施例提供的核磁共振成像设备示意图。

该核磁共振成像设备，包括以上任意实施例提供的梯度放大器1301，还包括：梯度线圈1302；

所述梯度放大器1301，用于给所述梯度线圈1302提供驱动电流。

本实施例提供的核磁共振设备中的梯度放大器的H桥输入端对应两个母线电容，因此，H桥的输出电压可以翻倍，并且H桥采用多电平逆变器拓扑来实现，由于多电平逆变器拓扑本身结构特性，尽管H桥的输出电压翻倍，但是H桥中多电平逆变器中的开关管承受的压降没有升高，可以继续沿用较低电压IGBT管，这样不必使用耐压较高的IGBT管，而IGBT管的成本与其耐压能力成正比，因此，该梯度放大器在实现高输出电压的同时没有增加成本。IGBT管耐压越高，其开关特性越差，而且开关损耗较大。因此，本申请使用多电平拓扑很好解决了该问题，继续使用耐压较低IGBT管，不仅使成本较低，而且开关特性较好，开关损耗较低。

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，其特征在于，应用于核磁共振成像设备，用于为核磁共振成像设备中的梯度线圈提供电流，包括：整流器、H桥和滤波电路；所述整流器和H桥一一对应；

所述整流器连接交流电源，用于将交流电源提供的交流电整流为直流电；

每个所述H桥的输入端连接对应所述整流器的输出端，所有所述H桥的输出端串联在一起后连接所述滤波电路；每个所述H桥采用多电平逆变器拓扑，且每个所述H桥的输入端连接串联在一起的两个母线电容，所述两个母线电容的公共端接地；

所述滤波电路，用于滤除所述H桥输出电流中的谐波；所述滤波电路的输出端连接所述梯度线圈。

2.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，所述多电平逆变器拓扑包括以下任意一种：

中点箝位NPC多电平逆变器拓扑、T型多电平逆变器拓扑和飞跨电容型多电平逆变器拓扑。

3.根据权利要求2所述的梯度放大器，其特征在于，所述多电平逆变器拓扑包括以下任意一种电平：

三电平、五电平、七电平和九电平。

4.根据权利要求1-3任一项所述的梯度放大器，其特征在于，所述整流器包括三个，所述H桥包括三个；

三个所述H桥的输出端串联在一起后连接所述滤波电路。

5.根据权利要求4所述的梯度放大器，其特征在于，三个所述H桥中任意相邻两个所述H桥输出电压错相120度。

6.根据权利要求4所述的梯度放大器，其特征在于，所述H桥的任一半桥中的所有器件集成在一个IGBT模块中。

7.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，所述两个母线电容上均采用电解电容。

8.根据权利要求2所述的梯度放大器，其特征在于，所述多电平逆变器拓扑为中点箝位NPC三电平逆变器拓扑。

9.根据权利要求2所述的梯度放大器，其特征在于，还包括：变压器；

所述变压器的原边绕组连接交流电源，所述变压器的副边绕组个数与所述H桥个数相同，每个所述H桥对应一个所述整流器；

所述变压器的每个副边绕组连接对应的整流器。

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，还包括：梯度线圈；

所述梯度放大器，用于给所述梯度线圈提供驱动电流。