CN110297200A - 母线、梯度放大器以及磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种母线、包括该母线的梯度放大器以及包括该梯度放大器的磁共振成像系统。所述母线包括母线本体。所述母线本体包括多个导线和包裹在所述多个导线外部的包覆层。所述多个导线包括与电源正极连接用于传导正电流的多个第一导线和与电源负极连接用于传导负电流的多个第二导线。

Description

母线、梯度放大器以及磁共振成像系统

技术领域

本发明的实施例涉及一种母线、包括该母线的梯度放大器以及包括该梯度放大器的磁共振成像系统，尤其涉及一种适合传导高频、高脉冲电流的母线、包括该母线的梯度放大器以及包括该梯度放大器的磁共振成像系统。

背景技术

磁共振成像系统已广泛应用于医疗诊断领域，其基本原理是利用磁体产生均匀的强磁场，在由梯度线圈产生特定的梯度磁场的配合下，将诊断对象体内的氢原子极化，然后由射频线圈发射无线电射频脉冲激发氢原子核，引起核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射频信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器收录，经电子计算机处理后获得图像。磁共振成像系统的梯度磁场是通过梯度放大器和梯度线圈来产生。具体来说，梯度放大器给梯度线圈供电，使得梯度线圈在成像空间产生一个线性变化的磁场，即梯度磁场。

在磁共振成像系统中，一般梯度放大器要为梯度线圈提供上千瓦的功率，用于驱动所述梯度线圈。梯度放大器一般包括逆变器、电容器组、以及将逆变器连接到电容器组的母线。逆变器可以由若干绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)组成的全桥型逆变器，其可接收来自电源的电力，并将电力转换为交流电用于驱动梯度线圈。由于每个绝缘栅双极型晶体管以上千赫兹的高频率开关，且需要传导上百安培的大交流电，因此当绝缘栅双极型晶体管关断时，绝缘栅双极型晶体管和电容器组之间的寄生电感即使很小，也可能会产生明显的过冲电压。产生的过冲电压会增加绝缘栅双极型晶体管的电压应力和关断损耗，并可能会产生电磁干扰。另外，现有的母线在传导高频、高脉冲电流时，可能会由于集肤效应导致母线的交流电阻增大，可能造成的损耗也会增大。

因此，需要提供一种新型的高性能母线，其可适用于传导高频、高脉冲电流的场合，例如梯度放大器、及包括该梯度放大器的磁共振成像系统，但不限于提到的这些应用场合，也可适用其它高频、高脉冲电流的场合，例如电动汽车、发电等。

发明内容

一种母线，其包括母线本体。所述母线本体包括多个导线和包裹在所述多个导线外部的包覆层。所述多个导线包括与电源正极连接用于传导正电流的多个第一导线和与电源负极连接用于传导负电流的多个第二导线。

一种用于驱动梯度线圈的梯度放大器，其包括逆变器、电容器以及用于连接所述逆变器和所述电容器的母线。所述母线包括上述的母线。

一种磁共振成像系统，其包括上述的梯度放大器。

通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。

附图说明

通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明一个实施例的母线的主视图；

图2为图1所示的母线沿A-A线的截面示意图；

图3为图1所示的圈B中母线本体去除部分包裹层以显示第一导线和第二导线绞合排列的示意图；

图4为图1所示的母线和电容器及逆变器连接时产生的环流示意图；

图5为本发明一个实施例的母线的截面示意图；

图6为本发明一个实施例的磁共振成像系统的模块示意图；

图7为图6所示的磁共振成像系统的梯度放大器和直流外接电源连接的电路示意图；

图8为本发明一个实施例的母线和层压母线的交流电阻和频率的关系对比图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明实施例公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

本发明的实施例提供一种高性能的柔性的母线，其具有低寄生电感和低交流阻抗，适用各种传导高频、高脉冲电流的应用场合。本发明的实施例也提供一种新型的梯度放大器，其包括了本发明实施例的柔性的母线。本发明的实施例还提供一种包括该梯度放大器的磁共振成像系统。

图1为本发明一个实施例的母线10的主视图。图2为图1所示的母线沿A-A线的剖面示意图。请一并参阅图1和图2所示，所述母线10包括细长的母线本体101以及位于所述母线本体101一端的母线端部102。所述母线本体101包括多个导线103和包裹在所述多个导线103外部的包覆层104。

在一些实施例中，所述多个导线103可以包括与电源的正极相连接用于传导正电流的第一导线31和与电源的负极相连接的用于传导负电流的第二导线32。本发明实施例的母线10用于传导正电流的第一导线31的数量和用于传导负电流的第二导线32的数量相等。在所述母线本体内，所述多个第一导线可以均匀地分散设置在所述多个第二导线之间，在一些实施例中，所述多个第一导线和所述多个第二导线可以在母线本体截面的圆周方向上交替排列。在一些实施例中，所述多个第一导线和所述多个第二导线可以在母线本体内分层交替设置。在图2所示的实施例中，所述多个第一导线31和所述多个第二导线32在所述母线本体101截面的圆周方向109上相互交替排列。

本发明的实施例母线10为绞合型母线。图3为图1所示的圈B中母线本体去除部分包裹层104以显示第一导线31和第二导线32绞合排列的示意图。根据图3所示，所述母线10的所述多个第一导线31和所述多个第二导线32在母线本体101内相互绞合以形成绞合型母线。结合图1及图4可知，所述母线10的所述多个第一导线31和所述多个第二导线32在母线端部102分成两股，其中所述多个第一导线31的一端绞合在一起形成其中一股用于和电源的正极连接，所述多个第二导线32的一端绞合在一起形成另一股用于和电源的负极连接。

在一些实施例中，与所述母线10相连接的所述电源可以包括外接电源、电容器、开关和开关模块等，但不限于所列举的这些。图4为本发明实施例的母线10和电容器402以及逆变器401连接时产生的环流示意图。在图4所示的实施例中，与所述母线10相连接的电源是电容器402。所述多个导线103包括与所述电容器402的正极406相连接的用于传导正电流的多个第一导线31和与所述电容器402的负极407相连接的用于传导负电流的多个第二导线32。由于环流51、环流52、环流53仅在相邻的传导正电流的第一导线31和传导负电流的第二导线32之间产生，因此本发明实施例的母线10具有很小的环流51、环流52、环流53，因此所述母线10相比实心母线和层压母线具有更小的寄生电感。

本发明实施例的所述母线10的所述第一导线31传导的正电流和所述第二导线32传导的负电流产生的磁场可以相互抵消。通过这种方式，不仅所述母线10上的集肤效应和邻近效应大大降低，而且所述母线10具有很小的寄生电感。

所述母线10的母线本体101上可以设有一组或多组成对设置的第一引线105和第二引线106。在图1所示的实施例中，所述母线10的母线本体101上设有两组成对设置的第一引线105和第二引线106。所述母线端部102设有一组亦成对设置的第一引线105和第二引线106。所述第一引线105用于和所述多个第一导线31连接，所述第二引线106用于和所述多个第二导线32连接。所述第一引线105和所述第二引线106的极性相反。所述第一引线105的末端设有第一金属连接件107，所述第二引线106的末端设有第二金属连接件108，分别用于和电源的正负极去连接。所述第一金属连接件107和所述第二金属连接件108成片状的U型结构，可以非常容易地实现连接和固定。

图5为本发明另一个实施例的母线20，其和图1至图4所示的实施例的母线10的结构大致相同。所述母线20也包括母线本体201。所述母线本体201包括多个导线203和包裹在所述多个导线203外部的包覆层204。所述多个导线203包括用于传导正电流的多个第一导线41和用于传导负电流的多个第二导线42。

图5所示的实施例中，所述母线20和图1所示的母线10不同的地方在于，所述多个第一导线41和所述多个第二导线42分层地设置在所述母线本体201内，例如在所述母线本体201截面的径向205上可以一层为第一导线41，另一层为第二导线42。通过上述所述第一导线41和所述第二导线42交替排列的设置方式，可以让所述第一导线41传导的正电流和所述第二导线42传导的负电流产生的磁场相互抵消，可以大大地降低所述母线20的集肤效应和邻近效应，使母线20具有很小的寄生电感，可以更有效地传导高频、高脉冲的电流。

本发明实施例的母线10、20可以由多个线径范围在0.15毫米至0.7毫米之间的细长的第一导线31、41和第二导线32、42组成，所述母线整体都比较柔软，其生产包装或者安装的时候都更方便。本发明实施例的所述第一导线31、41和所述第二导线32、42可以由电磁线构成，所述电磁线包括三重绝缘线。所述三重绝缘线是一种高性能绝缘导线，其包括导线芯以及设置在导线芯外面的三层包覆层。所述三层包覆层的最外层是透明的玻璃纤维、中间层是挤出包覆层、最内层是厚度仅仅几微米的聚酰胺薄膜。

图2和图5所示的实施例中，所述第一导线31、41和所述第二导线32、42可以由线径不超过0.45毫米的电磁线构成。相邻的第一导线31、41和第二导线32、42彼此相互绝缘，可以承受超过十千伏的绝缘电压。本发明实施例的柔性的母线10、20通过多个电磁线绞合制成，其使用的材料明显可以少于实心母线和层压母线。因此，本发明实施例的柔性的母线10、20的制造成本显著低于实心母线或者层压母线，可以有效降低母线的生产成本。

所述母线10、20的母线本体101、202内每个导线(第一导线和第二导线)的选择可以根据母线需要传导的电流的频率计算每个导线的线径。例如：假设母线需要传导的电流的频率为f(Hz)，那么电流的透入深度(Δ)为：

所述母线10、20母线本体101、201的每个导线的线径要小于两倍的电流的透入深度(2Δ)，然后再根据所述母线10、20需要传导的电流的大小来计算柔性的母线总共所需第一导线和第二导线的个数。

本发明实施例的绞合型柔性的母线10、20，其中传导正电流的所述多个第一导线31、41均匀地分散设置在传导负电流的所述多个第二导线32、42之间。藉此，所述多个第一导线31、41产生的磁场和所述多个第二导线32、42产生的磁场可以相互抵消。本发明实施例的母线10的集肤效应和邻近效应也大大地降低。因此，本发明实施例的所述母线10具有低寄生电感和低交流电阻的良好性能，可用于传导高频、高脉冲电流。另外，从生产和加工的角度来说，本发明实施例的母线10、20通过多个细长的导线绞合在一起，比实心母线和层压母线更节省材料，整段母线的柔性更好，在实际生产和安装过程中也更方便。

本发明实施例的母线可以用于医学成像领域的磁共振成像系统的梯度放大器。请参阅图6所示，其为本发明一个实施例的磁共振成像系统60的示意图。所述磁共振成像系统60包括用于产生磁场的磁体61和用于支撑病人的扫描床62。所述磁体61包括位于所述磁体61内部的梯度线圈63。所述磁共振成像系统还包括用于驱动所述梯度线圈63的梯度放大器40。所谓驱动梯度线圈可以指给梯度线圈63供电。

请参阅图7所示，图7为图6所示的磁共振成像系统60的梯度放大器40和直流外接电源30连接的电路示意图。本发明实施例的梯度放大器40包括逆变器401、电容器402、以及用于连接所述逆变器401和所述电容器402的柔性母线10。所述梯度放大器40中所使用的母线10可以包括上述本发明实施例中的母线，于此不再赘述。

所述梯度放大器40的电容器402和所述直流外接电源30连接，用于接收从直流外接电源30输入的电能。同时所述电容器402的正级406和负极407分别和所述母线10的第一引线105和第二引线106连接，用于将直流电源30的输入电能经过调节变换成输出电能提供给所述逆变器401。所述逆变器401用于将所述电容器402的输出电能转换成高频交流电，可以用于驱动所述磁共振成像系统60的梯度线圈63以产生梯度磁场，以此可以使所述磁共振成像系统60成像。

所述梯度放大器40的逆变器401可以包括第一开关模块403和第二开关模块404。所述第一开关模块403和所述第二开关模块404的输入端的正负极分别和所述柔性母线10的第一引线105和第二引线106连接。所述第一开关模块403和所述第二开关模块404的输出端和输出电感负载405连接。

在本发明的一个实施例中，所述逆变器401的第一开关模块403包括两个开关元件Q1、Q2和两个二极管D1、D2。所述逆变器402的第二开关模块404包括两个开关元件Q3、Q4和两个二极管D3、D4。每一个二极管D1、D2、D3、D4与每一个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4分别以反向并联的方式相连接。所述开关元件Q1、Q2、Q3、Q4可以是任何合适的固态半导体开关器件，例如，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBTs)和金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistors，MOSFETs)。

本发明实施例的所述梯度放大器40通过所述母线10将所述电容器402和所述逆变器401连接起来。由于所述母线10具有低寄生电感和低交流电阻，那么当第一开关模块403和第二开关模块404的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4关断时，第一开关模块403、第二开关模块404和所述电容器402之间的寄生电感很小，不会产生很明显的过冲电压，会减少对相应开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的关断损耗，同时也会减少所述母线10传导的电力损耗。因此，本发明实施例的梯度放大器40的工作性能更稳定。所述梯度放大器40的工作性能直接影响着所述磁共振成像系统60的成像质量，由此可以明显改善最终的成像质量。

为了验证本发明实施例的母线10的工作性能，根据图7所示实施例的梯度放大器40和直流外接电源30连接的电路示意图，分别用本发明实施例的母线10和层压母线去连接相同的电容器402及相同的逆变器401，并且让外接电源30输出相同的工作电压。经过测试得到所述梯度放大器40中所述逆变器401的母线电压为270伏、所述第一开关模块403和所述第二开关模块404的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4关断前的峰值电流为300A、关断时所述第一开关模块403和所述第二开关模块404的电压仅为25伏。

在对比试验中，用层压母线替代了本发明实施例的柔性的母线10。所述层压母线可以包括由两个柔性铜排叠压在一起组成的母线。根据图7所示实施例的梯度放大器40和直流外接电源30连接的电路示意图，即是用层压母线50分别去和相同的电容器402及相同的逆变器401连接。经过测试得到包括层压母线50的梯度放大器中：所述逆变器401的母线电压为250伏、所述第一开关模块403和所述第二开关模块404的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4关断前的峰值电流为300A、关断时所述第一开关模块403和所述第二开关模块404的电压为26伏。

根据上述对比实验可知，本发明实施例的柔性的母线10可以使梯度放大器40具有较小的关断电压，因而减少了对开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的损害，可以使包括梯度放大器40的工作性能更稳定。

另外，还分别测量了所述层压母线和本发明实施例的母线10的交流电阻。请参阅图8所示，其为本发明一个实施例的母线和层压母线的交流电阻和频率的关系对比图。图8中，曲线70代表本发明实施例的柔性母线的交流电阻与电流频率的关系；曲线50代表层压母线的交流电阻和电流频率的关系。根据图8可知，在传输电流的频率越高的情况下，本发明实施例柔性的母线10的交流电阻反而比层压母线50的交流电阻更低。进一步说明，本发明实施例柔性的母线10更适合传输高频、高脉冲电流。

本领域技术人员容易理解，本发明的实施例的磁共振成像系统60由于使用了具有上述特征的梯度放大器40，所述梯度放大器40可以更好地驱动所述磁共振成像系统60的梯度线圈63。因此，本发明实施例的磁共振成像系统60可以产生性能更好的梯度磁场，可以具有更优的成像质量以及更好的诊断结果。

本发明实施例的柔性的母线不仅仅可以使用医疗领域的磁共振成像系统，而且可以适用其它需要传导高频、高脉冲电流的场合，例如电动汽车、风电领域、电力机车等。本发明实施例的柔性的母线可以适用任何需要高频、高脉冲电流的场合。

上面已经描述了一些示例性实施例，然而，应该理解的是，可以做出各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充，则可以实现合适的结果。相应地，其他实施方式也落入权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种母线，其特征在于，其包括母线本体，所述母线本体包括多个导线和包裹在所述多个导线外部的包覆层，所述多个导线包括与电源正极连接用于传导正电流的多个第一导线和与电源负极连接用于传导负电流的多个第二导线。

2.如权利要求1所述的母线，其特征在于，所述母线为所述多个第一导线和所述多个第二导线组成的绞合型母线。

3.如权利要求1所述的母线，其特征在于，所述第一导线的数量和所述第二导线的数量相等。

4.如权利要求1所述的母线，其特征在于，所述多个第一导线分散设置在所述多个第二导线之间。

5.如权利要求1所述的母线，其特征在于，所述多个第一导线和所述多个第二导线相互交替排列。

6.如权利要求1所述的母线，其特征在于，所述母线本体及设于母线本体一端的母线端部分别设有成对设置的第一引线和第二引线。

7.如权利要求6所述的母线，其特征在于，所述第一引线和所述多个第一导线连接，所述第二引线和所述多个第二导线连接。

8.如权利要求1所述的母线，其特征在于，所述导线包括电磁线，其由三重绝缘线组成。

9.一种用于驱动梯度线圈的梯度放大器，其特征在于，其包括逆变器、电容器以及用于连接所述逆变器和所述电容器的母线，所述母线包括权利要求1-8任一项所述的母线。

10.一种磁共振成像系统，包括权利要求9所述的梯度放大器。