CN110995181A - 梯度功率放大器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种梯度功率放大器，包括PWM序列产生器和H桥电路对，H桥电路对包括结构相同的第一组H桥和第二组H桥，第一组H桥包括结构相同的第一半桥和第二半桥，各个半桥并联后的一端用于接入母线电压，另一端接地，第一组H桥的第一半桥包括偶数个依次串联的开关管，开关管的控制端连接PWM序列产生器，第二组H桥的结构与第一组H桥的结构相同，各个半桥的电路中点分别连接负载的两端，第二组H桥接入的PWM序列为根据第一组H桥接入的PWM序列移相得到。上述梯度功率放大器，可以等效实现开关管频率的多倍频的技术，提高了梯度功率放大器的功率和开关管等效开关频率，减少了纹波电流，提高了梯度功率放大器的使用可靠性。

Description

梯度功率放大器

技术领域

本申请涉及电子设备技术领域，特别是涉及一种梯度功率放大器。

背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)技术集现代电磁学、原子物理学、量子力学、生物化学以及现代数字信号处理技术于一身，是现代科技高度发展和人类社会高度文明的集中体现之一。相对于其它医学成像方法而言，磁共振成像具有高速、高分辨率、多参数多对比度、无侵入伤害、无辐射等特点和优点，随着医疗水平的不断提高，核磁共振成像设备已经得到广泛应用。梯度功率放大器是磁共振成像系统的核心部件之一，随着磁共振成像技术的不断提高，系统对梯度功率放大器的性能提出了更高的要求。

传统的梯度功率放大器包括开关器件，开关器件的高开关频率对提高梯度功率放大器的功率密度等性能指标至关重要，但传统的梯度功率放大器在高压的工作电压时，开关器件很难工作在高频开关的条件下，且电压较高的器件一般都有较高的开关损耗，在高的开关损耗下，能够以足够高的频率进行开关维持精确的电流波形的时间间隔会受到限制，使传统的梯度功率放大器使用可靠性低。

发明内容

基于此，有必要针对传统的梯度功率放大器使用可靠性低的问题，提供一种梯度功率放大器。

一种梯度功率放大器，包括PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)序列产生器和H桥电路对，所述H桥电路对包括第一组H桥和第二组H桥，所述第一组H桥包括结构相同的第一半桥和第二半桥，所述第二组H桥包括结构相同的第一半桥和第二半桥，所述第一组H桥的第一半桥、所述第一组H桥的第二半桥、所述第二组H桥的第一半桥和所述第二组H桥的第二半桥并联，并联后的一端用于接入母线电压，并联后的另一端接地；

所述第一组H桥的第一半桥包括偶数个开关管，各所述开关管的输入端和输出端依次串联，串联后的一端用于接入电压，另一端接地，各所述开关管的控制端连接所述PWM序列产生器；所述第二组H桥的结构与所述第一组H桥的结构相同，所述第一组H桥的第一半桥的电路中点和所述第一组H桥的第二半桥的电路中点分别连接负载的两端，所述第二组H桥的第一半桥的电路中点和所述第二组H桥的第二半桥的电路中点分别连接负载的两端；所述第二组H桥接入的PWM序列为根据所述第一组H桥接入的PWM序列移相得到。

上述梯度功率放大器，将各个开关管通过串联的形式，组合成H桥电路，然后通过控制时序将多组H桥电路组合一起，H桥电路对包括第一组H桥和第二组H桥，第二组H桥接入的PWM序列为根据第一组H桥接入的PWM序列移相得到，可以等效实现开关管频率的多倍频的技术，拓展了开关管在高压条件下的工作范围,负载上将得到多倍频的开关电压脉冲，而每个脉冲里面有多个相邻的小高压脉冲，提高了梯度功率放大器的功率和开关管等效开关频率，提高了开关管的耐压能力，也减少了梯度功率放大器的纹波电流，提高了梯度功率放大器的使用可靠性。

附图说明

图1为一个实施例中梯度功率放大器的结构框图；

图2为一个实施例中PWM序列的产生原理图；

图3为一个实施例中PWM序列的时序逻辑图；

图4为一个实施例中梯度功率放大器的电压波形图；

图5为一个实施例中梯度功率放大器的结构图；

图6为一个实施例中耦合电感的等效原理图；

图7为另一个实施例中梯度功率放大器的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，请参见图1，提供一种梯度功率放大器，包括PWM序列产生器100和H桥电路对200，H桥电路对200包括第一组H桥210和第二组H桥220，第一组H桥210包括结构相同的第一半桥和第二半桥，第二组H桥220包括结构相同的第一半桥和第二半桥，第一组H桥210的第一半桥、第一组H桥210的第二半桥、第二组H桥220的第一半桥和第二组H桥220的第二半桥并联，并联后的一端用于接入母线电压，并联后的另一端接地。第一组H桥210的第一半桥包括偶数个开关管，各开关管的输入端和输出端依次串联，串联后的一端用于接入电压，另一端接地，各开关管的控制端连接PWM序列产生器100，第二组H桥220的结构与第一组H桥210的结构相同，第一组H桥210的第一半桥的电路中点和第一组H桥210的第二半桥的电路中点分别连接负载的两端，第二组H桥220的第一半桥的电路中点和第二组H桥220的第二半桥的电路中点分别连接负载的两端，第二组H桥220接入的PWM序列为根据第一组H桥210接入的PWM序列移相得到。将各个开关管通过串联的形式，组合成H桥电路，然后通过控制时序将多组H桥电路组合一起，H桥电路对200包括第一组H桥210和第二组H桥220，第二组H桥220接入的PWM序列为根据第一组H桥210接入的PWM序列移相得到，可以等效实现开关管频率的多倍频的技术，拓展了开关管在高压条件下的工作范围,负载上将得到多倍频的开关电压脉冲，而每个脉冲里面有多个相邻的小高压脉冲，提高了梯度功率放大器的功率和开关管等效开关频率，提高了开关管的耐压能力，也减少了梯度功率放大器的纹波电流，提高了梯度功率放大器的使用可靠性。

具体地，H桥电路对200包括两组H桥，在本实施例中为第一组H桥210和第二组H桥220，第一组H桥210和第二组H桥220的结构相同，第一组H桥210和第二组H桥220均包括结构相同的两个半桥，各个半桥并联后一端接入母线电压，另一端接地，本实施例中的母线电压为HV高压，电压范围可以为1500V-2000V。以第一组H桥210的第一半桥为例，第一组H桥210的第一半桥包括偶数个开关管，各个开关管的型号相同，以提高H桥电路对200的对称性，各开关管的输入端和输出端依次串联，串联后的一端用于接入电压，另一端接地，各开关管的控制端连接PWM序列产生器100。可以理解，第一组H桥210的第二半桥、第二组H桥220的第一半桥和第二组H桥220的第二半桥也分别包括偶数个开关管，每个半桥中的各开关管的输入端和输出端依次串联，串联后的一端用于接入电压，另一端接地，每个半桥中的各开关管的控制端连接PWM序列产生器100。第一组H桥210的第一半桥的电路中点和第一组H桥210的第二半桥的电路中点分别连接负载的两端，第二组H桥220的第一半桥的电路中点和第二组H桥220的第二半桥的电路中点分别连接负载的两端，根据开关管数量不同，各个半桥的电路中点也不一样，以每个半桥包括四个开关管为例，每个半桥的电路中点为四个开关管的电路中点，电路中点的上半部分和下半部分均包括两个开关管，可以理解，在其他实施中，开关管的数量也可以为其他，例如每个半桥可以包括8个开关管，则每个半桥的电路中点为八个开关管的电路中点，电路中点的上半部分和下半部分均包括四个开关管，只要本领域技术认为可以实现即可。

PWM序列产生器100的结构并不是固定的，只要本领域技术人员认可可以产生可调的PWM序列即可。H桥电路对200根据从PWM序列产生器100处接收到的PWM序列的不同输出不同的信号，使负载接收到的信号不同，具体地，H桥电路对200中第二组H桥220接入的PWM序列为根据第一组H桥210接入的PWM序列移相得到，负载接收到的信号为两个不同相位的信号的叠加，从而使负载处的电压波形的工作频率大于开关管工作频率，等效实现更高的开关频率，既解决了普通的开关管工作在1500VDC以上电压的耐压问题，又提升了开关管的等效开关频率，提高了系统的稳定性，且负载处的电压波形在每个小周期内可以产生多次电压脉冲，这样的电压脉冲加到梯度功率放大器负载上产生的电流纹波小，有利于提高梯度功率放大器的工作性能。开关管的具体类型并不是唯一的，在本实施例中，开关管为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，IGBT是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,作为开关管兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点，可以理解，在其他实施例中，开关管也可以采用其他类型的器件，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，H桥电路对200的数量为两个以上。当H桥电路对200的数量为两个以上时，负载接收到的信号为多个不同相位的信号的叠加，从而使负载处的电压波形的工作频率进一步提高，等效实现更高的开关频率，既解决了普通的开关管的耐压问题，又提升了开关管的等效开关频率，提高了系统的稳定性，且负载处的电压波形在每个小周期内可以产生多次电压脉冲，这样的电压脉冲加到梯度功率放大器负载上产生的电流纹波小，有利于提高梯度功率放大器的工作性能。

具体地，当H桥电路对200的数量为两个以上时，各个H桥电路对200接收到的PWM序列的相位均不一样，且在同一个H桥电路对200中，第一半桥的开关管和第二半桥中的开关管接收到的PWM序列的相位也不一样，从而使负载处的电压波形的工作频率进一步提高，等效实现更高的开关频率，既解决了普通的开关管的耐压问题，又提升了开关管的等效开关频率，提高了系统的稳定性。

在一个实施例中，第二组H桥接入的PWM序列为根据第一组H桥接入的PWM序列移相与H桥电路对的数量对应的角度得到。具体地，角度的计算公式为T/2N，其中N为H桥电路对的数量，以T为360°为例，当H桥电路对的数量为1时，N＝1，该H桥电路对的第二组H桥接入的PWM序列为根据该H桥电路对的第一组H桥接入的PWM序列移相T/2N＝T/2＝180°得到，从而实现2倍频技术。可扩展地，当H桥电路对的数量大于2时，H桥电路对中的不同组的H桥接入的PWM序列为依次移相T/2N得到，以H桥电路对的数量为2为例，N＝2，则第一个H桥电路对中的第二组H桥接入的PWM序列为根据第一个H桥电路对中的第一组H桥接入的PWM序列移相T/2N＝T/4＝90°得到，第二个H桥电路对中的第一组H桥接入的PWM序列为根据第一个H桥电路对中的第二组H桥接入的PWM序列移相T/2N＝T/4＝90°得到，第二个H桥电路对中的第二组H桥接入的PWM序列为根据第二个H桥电路对中的第一组H桥接入的PWM序列移相T/2N＝T/4＝90°得到，从而实现4倍频技术，以此类推，在H桥电路对的数量进一步增加时，可实现更高倍频输出技术。

在一个实施例中，PWM序列产生器100用于：接入给定信号，将给定信号与预设初始信号取和后，与第一基准三角波进行比较产生第一组序列X1，并将第一组序列X1取反后得到第一组反序列X1’；接入给定信号，将给定信号与预设初始信号取差后，与第二基准三角波进行比较产生第二组序列Y1，并将第二组序列Y1取反后得到第二组反序列Y1’；第二基准三角波为将第一基准三角波延时第一基准三角波的周期的一半后得到；接入给定信号，将给定信号与预设初始信号取和后，与第二基准三角波进行比较产生第三组序列X2，并将第三组序列X2取反后得到第三组反序列X2’；接入给定信号，将给定信号与预设初始信号取差后，与第三基准三角波进行比较产生第四组序列Y2，并将第四组序列Y2取反后得到第四组反序列Y2’；第三基准三角波为将第二基准三角波延时第一基准三角波的周期的一半后得到。第一组H桥210的第一半桥、第一组H桥210的第二半桥、第二组H桥220的第一半桥和第二组H桥220的第二半桥均包括四个开关管，第一组H桥210的第一半桥中依次连接的四个开关管分别接入第一组序列X1、第二组反序列Y1’第一组反序列X1’和第二组序列Y1，第一组H桥210的第二半桥中依次连接的四个开关管分别接入第二组序列Y1、第一组反序列X1’、第二组反序列Y1’和第一组序列X1，第二组H桥220的第一半桥中依次连接的四个开关管分别接入第三组序列X2、第四组反序列Y2’、第三组反序列X2’和第四组序列Y2，第二半桥中依次连接的四个开关管分别接入第四组序列Y2、第三组反序列X2’、第四组反序列Y2’和第三组序列X2。具体地，PWM序列产生器100产生PWM序列的原理图请参见图2，对接入给定信号处理后和一对互补的三角波信号进行比较,分别产生PWM时序第一组序列X1和第二组序列Y1，而将接入给定信号处理后与这对三角波移相2/T即180度的波形比较后,可以产生第三组序列X2和第四组序列Y2，其中T是三角波信号的工作周期。请参见图5，第一组H桥210的第一半桥、第一组H桥210的第二半桥、第二组H桥220的第一半桥和第二组H桥220的第二半桥均包括四个开关管，第一组H桥210的第一半桥包括开关管K11、K12、K13和K14，第一组H桥210的第二半桥包括开关管K21、K22、K23和K24，第二组H桥220的第一半桥包括开关管K31、K32、K33和K34，第二组H桥220的第二半桥包括开关管K41、K42、K43和K44，其中K11、K12、K13和K14分别由第一组序列X1、第二组反序列Y1’、第一组反序列X1’和第二组序列Y1控制，另外一组半桥的四个开关管K21、K22、K23、K24分别由第二组序列Y1、第一组反序列X1’、第二组反序列Y1’和第一组序列X1控制，开关管K31、K32、K33、K34分别由第三组序列X2、第四组反序列Y2’、第三组反序列X2’和第四组序列Y2控制，另外一组半桥的四个开关管K41、K42、K43、K44分别由PWM序列第四组序列Y2、第三组反序列X2’、第四组反序列Y2’和第三组序列X2控制。

为了保证四个开关管的正常开关顺序，在PWM的信号产生前加入了预设初始信号,时序逻辑见图3。假设负载的电流是从正端流向负端，第一组H桥210的桥电压Up1n1的波形如图3所示。第三组序列X2和第四组序列Y2控制半桥的四个开关管K31,K32,K33,K34和K41,K42,K43,K44，而生成第三组序列X2和第四组序列Y2的基准三角波与生成第一组序列X1和第二组序列Y1的基准三角波幅值和频率完全相同，相位差180度。那么第二组H桥220的桥电压Up2n2的波形如图4所示，大小和Up1n1相同，相位差180度。将第一组H桥210的桥电压Up1n1和第二组H桥220的桥电压Up2n2叠加后得到了负载上的电压波形，可以看到负载上的电压波形的工作频率是X1工作频率的2倍。图中还可以看出，每个小周期内可以产生两次电压脉冲，这样的电压脉冲加到梯度负载上产生的电流纹波远小于一般2倍频电路产生的电流纹波。

可扩展地，当H桥电路对200的数量为两个以上时，第一个H桥电路对200中的第三组序列X2和第四组序列Y2是由第一组序列X1和第二组序列Y1移相T/2N后产生，第二个H桥电路对200中的第五组序列和第六组序列是由第三组序列X2和第四组序列Y2移相T/2N后产生，第二个H桥电路对200中的第七组序列和第八组序列是由第五组序列和第六组序列移相T/2N后产生，按照移相T/2N的控制时序依次产生后续的PWM序列X4Y4,......X_2NY_2N，其中N是H桥电路对200的对数。

在一个实施例中，预设初始信号的占空比不超过0.5。具体地，在实际应用中，接入母线电压的电压值一般高于单个开关管的极限耐压参数，而小于2倍的单个开关管的极限耐压参数。预设初始信号的占空比对应第一组序列X1和第二组序列Y1，或者第三组序列X2和第四组序列Y2的有效占空比，预设初始信号的占空比不超过0.5时，不会出现K11比K12超前打开，从而不会引起滞后关断的问题，避免了器件过压损坏，可以提高电路可靠性。预设初始信号的占空比的具体取值并不是唯一的，可根据功率部分的开关特性等进行选择，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，请参见图5，梯度功率放大器还包括钳位电路230，第一组H桥210的第一半桥、第一组H桥210的第二半桥、第二组H桥220的第一半桥和第二组H桥220的第二半桥均通过钳位电路230接入母线电压的中点电位。具体地，每一组半桥电路的钳位电路230的连接方式相同，钳位电路230可以将周期性变化的波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上。

钳位电路230的结构并不是唯一的，在一个实施例中，请参见图5，钳位电路230包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一组H桥210的第一半桥的上半部分的两个开关管的中点连接第一二极管D1的阴极，第一组H桥210的第一半桥的下半部分两个开关管的中点连接第二二极管D2的阳极，第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极用于接入母线电压的中点电位。钳位电路230包括反向串联的第一二极管D1和第二二极管D2，一次只能有一个二极管导通，而另一个处于截止状态，那么它的正反向压降就会被钳制在二极管正向导通压降以下，从而起到保护电路的目的。

在一个实施例中，请参见图5，梯度功率放大器还包括电感L，第一组H桥210的第一半桥的电路中点和第一组H桥210的第二半桥的电路中点通过不同的电感L分别连接负载的两端。

在一个实施例中，请参见图5，第二组H桥220的第一半桥的电路中点和第二组H桥220的第二半桥的电路中点通过不同的电感L分别连接负载的两端。

电感L可以根据来自H桥电路的PWM序列的时序逻辑，工作在稳压状态或者瞬时状态，当工作在稳压状态时能够满足电流低输出波纹的要求，而当工作在瞬时状态时，则能满足快速响应性的要求。

可扩展地，当H桥电路对200的数量为两个以上时，第二个H桥电路对200中的第三组H桥的两个半桥的中点分别通过电感L连接到相同的负载的两端，第二个H桥电路对200中的第四组H桥的两个半桥的中点分别通过电感L连接到相同的负载的两端，依次类推，其他H桥电路对200中的两个半桥的中点分别通过电感L连接到同一个负载的两端。

在一个实施例中，连接到负载同一个端点的电感中至少有两个电感相互磁场耦合。耦合电感可以实现自动均流功能，大大简化了设计工作，通过耦合电感的控制，可以得到更小的纹波电流和最快的带宽。

具体地，当有效占空比小于0.5时，波形如图4。根据设计时序，与负载端正向连接的耦合电感31A-31B的两个输入端的波形I11和I13正好出现180度的相位差，此时耦合电感31A-31B正好工作在良好的耦合模式下。由于电感L31A和31B之间强耦合性以及电感L32A,32B之间强耦合性，流过电感L31A和31B的电流分别是I11和I13,这两个电流基本相等，I11和I13的和就是负载上的电流，由于耦合电感的作用，该电路有一定的自动均流功能。

耦合电感的等效原理见图6。为了同时提高系统的带宽和降低纹波电流，需要优化设计耦合电感的参数。LS1和LS2的最小值根据纹波电流的系数决定，LS1和LS2的最大值根据耦合系数决定。一般推荐使用最小值选择LS1和LS2,这样可以提供最优化设计。此时电流纹波很小，而耦合系数足够大，能够满足系统高带宽的要求。当有效占空比大于0.5后，此时等效的PWM序列输出出现了叠加，Up1n1和Up2n2同时出现电位为+HV的时候，耦合电感31A-31B的两个绕组的电位都等效为+HV,方向同向，此时耦合电感相当于被短路，耦合电感可以等效为两个独立的漏感LS1和LS2，LS1和LS2的电感L值很低，此时系统带宽最大，响应最快。可扩展地，当H桥电路对200的数量为两个以上时，连接到负载同一个端点的两个电感L至少有两个相互磁场耦合。

在一个实施例中，请参见图7，H桥电路对200的对数为2，第二组H桥A2接入的PWM序列为根据第一组H桥A1接入的PWM序列移相90°得到；第四组H桥B2接入的PWM序列为根据第三组H桥B1接入的PWM序列移相90°得到。在这种情况下，梯度功率放大器可以等效实现开关管开关频率的2N倍频的技术，拓展了开关管在高压条件下的工作范围，开关管一般工作在20-25KHZ开关频率下,第二组H桥A2接入的PWM序列为根据第一组H桥A1接入的PWM序列移相90°得到，第四组H桥B2接入的PWM序列为根据第三组H桥B1接入的PWM序列移相90°得到，可以等效工作在80-100KHZ的开关频率，既解决了普通的开关管工作在1500VDC以上电压的耐压问题，又提升了开关管的等效开关频率，提高了系统的稳定性。

可扩展地，当H桥电路对200的数量为两个以上时，以H桥电路对200的数量为两个为例，请参见图7，两个H桥电路对200包括4组H桥，分别是A1、B1、A2、B2，PWM序列X1-Y1控制着A1全桥电路，PWM序列X3-Y3控制着B1全桥电路，PWM序列X2-Y2控制着A2全桥电路，PWM序列X4-Y4控制着B2全桥电路，其中PWM序列X1-Y1波形移相90度即延时T/4,产生PWM序列X2-Y2的波形，PWM序列X3-Y3波形移相90度即延时T/4,产生PWM序列X4-Y4的波形，此时每组H桥的PWM时序分别通过移相90度即延时T/4产生相邻组H桥的PWM时序，负载上将得到4倍频的开关电压脉冲，而每个脉冲里面有两个相邻的小高压脉冲，这样可以用于更大功率的梯度功放，可以做到更高的等效开关频率和更小的纹波电流。

为了更好地理解上述实施例，以下结合一个具体的实施例进行详细的解释说明。在一个实施例中，开关管为IGBT，将1200V的IGBT通过串联的形式，组合成H桥，然后通过控制时序将多组H桥电路组合一起，等效实现IGBT开关频率的2N倍频的技术，极大的拓展了IGBT在高压条件下的工作范围,这里N是H桥的对数。IGBT一般工作在20-25KHZ开关频率下,通过上述控制方式和组合方式，可以等效工作在80-100KHZ的开关频率，既解决了普通的IGBT工作在1500VDC以上电压的耐压问题，又提升了IGBT的等效开关频率，提高了系统的稳定性。

该梯度功率放大器是通过控制H桥的组合，输出端等效实现单个开关管的开关频率的2N倍频，N＝1,2,3……，PWM序列产生器100能够产生用于控制功率器件所需的PWM序列，梯度功率放大器可扩展为多组H桥的组合，获得更高的功率密度，更低的纹波电流和更快的响应时间。PWM序列的产生方法包括：将给定信号转换成四组PWM序列，分别是第一组，第二组，第三组和第四组，第一组PWM序列称为X1，第二组称为Y1，第三组PWM序列称为X2，第四组称为Y2，三角波信号T1经过T/2的延时时间，产生三角波信号T2，T是三角波信号的工作周期。

其中PWM序列X1 Y1的产生方式是：初始值I0和给定信号取和后，与三角波信号T1进行比较产生第一组序列X1,X1取反后产生PWM序列X1’信号。初始值I0和给定信号取差后，与三角波信号T2进行比较产生第二组序列Y1,Y1取反后产生PWM序列Y1’信号。PWM序列X2Y2的产生方式是：初始值I0和给定信号取和后，与三角波信号T2进行比较产生第三组序列X2,X2取反后产生PWM序列X2’信号。初始值I0和给定信号取差后，与T2经过T/2的延时产生三角波信号进行比较产生第四组序列Y2,Y2取反后产生PWM序列Y2’信号。

以梯度功率放大器包括两组H桥电路为例，第一组H桥210包括8个开关管和两个二极管，开关时序由PWM序列X1 Y1分别控制。其中一个半桥四个开关管K11、K12、K13、K14分别由PWM序列X1,Y1’,X1’,Y1控制，另外一组半桥的四个开关管K21、K22、K23、K24分别由Y1,X1’,Y1’,X1控制。第二组H桥220包括8个开关管和两个二极管，开关时序由PWM序列X2 Y2分别控制。其中一个半桥四个开关管K31、K32、K33、K34分别由PWM序列X2,Y2’,X2’,Y2控制，另外一组半桥的四个开关管K41、K42、K43、K44分别由PWM序列Y2,X2’,Y2’,X2控制。

第一组H桥210的两个半桥的中点分别通过电感L连接到负载的两端，第二组H桥220的两个半桥的中点分别通过电感L连接到相同的负载的两端。控制PWM时序X1、Y1分别移相T/2产生PWM时序X2、Y2,那么在负载两端的输出电压脉冲的频率就是X1工作频率的2倍。每一组H桥的半桥，都连接有两个二极管做为钳位电路230。半桥上半部分的两个开关管的中点连接一个二极管的阴极，然后经过这个二极管的正极连接到母线电压的中点电位。半桥下半部分两个开关管的中点通过连接另外一个二极管的正极，经过该二极管的阴极连接到母线电压的中点电位。每一组半桥电路的钳位电路230的连接方式相同，连接到负载同一个端点的两个电感L是相互磁场耦合的。

梯度功率放大器至少包括2N组H桥电路，N＝1,2,3......，第一组H桥210的控制PWM序列是X1 Y1；PWM序列X1 Y1的产生方式是：初始值I0和给定信号取和后，与三角波信号T1进行比较产生第一组序列X1,X1取反后产生PWM序列X1’信号。三角波信号T1经过T/2的延时时间，产生三角波信号T2。T是三角波信号的工作周期。初始值I0和给定信号取差后，与三角波信号T2进行比较产生第一组序列X1Y1,Y1取反后产生PWM序列Y1’信号。那么H桥的PWM序列X2 Y2是由X1 Y1的PWM序列移相T/2N后产生，PWM序列X3 Y3是由X2 Y2的PWM序列移相T/2N后产生，按照移相T/2N的控制时序依次产生后续的PWM序列X4Y4,......X2NY2N。

第一组H桥210的两个半桥的中点分别通过电感L连接到负载的两端，第二组H桥220的两个半桥的中点分别通过电感L连接到相同的负载的两端。第三组H桥的两个半桥的中点分别通过电感L连接到相同的负载的两端；第四组H桥的两个半桥的中点分别通过电感L连接到相同的负载的两端。依次类推，第2N组H桥的两个半桥的中点分别通过电感L连接到同一个负载的两端。

每一组H桥的半桥，都连接有两个二极管做为钳位电路230。该半桥上半部分的两个开关管的中点连接一个二极管的阴极，然后经过这个二极管的正极连接到母线电压的中点电位。该半桥下半部分两个开关管的中点通过连接另外一个二极管的正极，经过该二极管的阴极连接到母线电压的中点电位。每一组H桥的半桥电路连接钳位二极管电路的方式相同。连接到负载同一个端点的电感L至少有两个是相互的磁场耦合的。

图2是PWM时序X1,Y1产生的原理图,给定信号处理后和一对互补的三角波信号进行比较后,分别产生PWM时序X1,Y1；而将该信号与这对三角波移相2/T即180度的波形比较后,可以产生PWM时序X2,Y2。该发明典型的电路结构图见图5，由两组H桥构成。其中半桥的四个开关K11,K12,K13,K14和K21,K22,K23,K24组成第一组H桥210，半桥的四个开关K31,K32,K33,K34和K41,K42,K43,K44组成第二组H桥220。每组半桥都通过电感L与负载进行连接。连接到负载同一端的两个电感L是相互磁场耦合的，这样可以最大程度地提高系统的快速响应和带宽。详细内容在下面的部分进行分析。

PWM时序X1,Y1分别控制半桥K11,K12,K13,K14的四个开关，同时也控制半桥K21,K22,K23,K24的四个开关。为了保证四个开关的正常开关顺序，在PWM的信号产生前加入了初始值I0,时序逻辑见图3。假设负载的电流是从正端流向负端，第一组H桥210的桥电压Up1n1的波形如图3所示。PWM时序X2,Y2控制半桥的四个开关K31,K32,K33,K34和K41,K42,K43,K44，而生成PWM时序X2,Y2的基准三角波与生成PWM时序X1,Y1的基准三角波幅值和频率完全相同，相位差180度。那么第二组H桥220的桥电压Up2n2的波形如图4所示，大小和Up1n1相同，相位差180度。将第一组H桥210的桥电压Up1n1和第二组H桥220的桥电压Up2n2叠加后得到了负载上的电压波形。可以看到负载上的电压波形的工作频率是X1工作频率的2倍。

图中还可以看出，每个小周期内可以产生两次电压脉冲，这样的电压脉冲加到梯度负载上产生的电流纹波远小于一般2倍频电路产生的电流纹波。在实际应用时，HV的电压一般高于单个开关的极限耐压参数，而小于2倍的单个开关的极限耐压参数。为了提高电路可靠性，I0的初始值以占空比0-0.5之间为宜，超过了0.5的占空比，对应PWM序列X1Y1或者X2Y2的有效占空比，会出现K11比K12超前打开，滞后关断的问题，容易导致器件过压损坏。实际应用中，根据功率部分的开关特性，决定最佳的I0的初始值。

实例中当有效占空比小于0.5时，波形如图4。根据设计时序，与负载端正向连接的耦合电感31A-31B的两个输入端的波形I11和I13正好出现180度的相位差，此时耦合电感31A-31B正好工作在良好的耦合模式下。

由于电感L31A和31B之间强耦合性以及电感L32A,32B之间强耦合性，流过电感L31A和31B的电流分别是I11和I13,这两个电流基本相等，I11和I13的和就是负载上的电流。由于耦合电感的作用，该电路有一定的自动均流功能。耦合电感的等效原理见图6。

为了同时提高系统的带宽和降低纹波电流，需要优化设计耦合电感的参数。LS1和LS2的最小值根据纹波电流的系数决定，LS1和LS2的最大值根据耦合系数决定。一般推荐使用最小值选择LS1和LS2,这样可以提供最优化设计。此时电流纹波很小，而耦合系数足够大，能够满足系统高带宽的要求。

当有效占空比大于0.5后，此时等效的PWM序列输出出现了叠加，Up1n1和Up2n2同时出现电位为+HV的时候，耦合电感31A-31B的两个绕组的电位都等效为+HV,方向同向，此时耦合电感相当于被短路，耦合电感可以等效为两个独立的漏感LS1和LS2。LS1和LS2的电感L值很低，此时系统带宽最大，响应最快。

通过耦合电感的控制，可以得到最优的纹波电流和最快的带宽。类似的4组H桥组成的电路见图7。电路由4组H桥组成，分别是A1、B1、A2、B2。PWM序列X1-Y1控制着A1全桥电路，PWM序列X3-Y3控制着B1全桥电路；PWM序列X2-Y2控制着A2全桥电路，PWM序列X4-Y4控制着B2全桥电路。其中PWM序列X1-Y1波形移相90度即延时T/4,产生PWM序列X2-Y2的波形；PWM序列X3-Y3波形移相90度即延时T/4,产生PWM序列X4-Y4的波形。

此时每组H桥的PWM时序分别通过移相90度即延时T/4产生相邻组H桥的PWM时序，负载上将得到4倍频的开关电压脉冲，而每个脉冲里面有两个相邻的小高压脉冲。这样可以用于更大功率的梯度功放，可以做到更高的等效开关频率和更小的纹波电流。

本发明实际应用于设计梯度功率放大器，既能提供最佳的性能指标，又可以实现极低的负载纹波电流和最佳的系统带宽。本发明特别适用于高性能的梯度功放的设计。该梯度功率放大器，既能提供良好的性能指标，又可以实现极低的负载纹波电流和较的系统带宽，性能高。

上述梯度功率放大器，将各个开关管通过串联的形式，组合成H桥电路，然后通过控制时序将多组H桥电路组合一起，H桥电路对200包括第一组H桥210和第二组H桥220，第二组H桥220接入的PWM序列为根据第一组H桥210接入的PWM序列移相得到，可以等效实现开关管频率的多倍频的技术，拓展了开关管在高压条件下的工作范围,负载上将得到多倍频的开关电压脉冲，而每个脉冲里面有多个相邻的小高压脉冲，提高了梯度功率放大器的功率和开关管等效开关频率，提高了开关管的耐压能力，也减少了梯度功率放大器的纹波电流，提高了梯度功率放大器的使用可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种梯度功率放大器，其特征在于，包括PWM序列产生器和H桥电路对，所述H桥电路对包括第一组H桥和第二组H桥，所述第一组H桥包括结构相同的第一半桥和第二半桥，所述第二组H桥包括结构相同的第一半桥和第二半桥，所述第一组H桥的第一半桥、所述第一组H桥的第二半桥、所述第二组H桥的第一半桥和所述第二组H桥的第二半桥并联，并联后的一端用于接入母线电压，并联后的另一端接地；

所述第一组H桥的第一半桥包括偶数个开关管，各所述开关管的输入端和输出端依次串联，串联后的一端用于接入电压，另一端接地，各所述开关管的控制端连接所述PWM序列产生器；所述第二组H桥的结构与所述第一组H桥的结构相同，所述第一组H桥的第一半桥的电路中点和所述第一组H桥的第二半桥的电路中点分别连接负载的两端，所述第二组H桥的第一半桥的电路中点和所述第二组H桥的第二半桥的电路中点分别连接负载的两端；所述第二组H桥接入的PWM序列为根据所述第一组H桥接入的PWM序列移相得到。

2.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述H桥电路对的数量为两个以上。

3.根据权利要求2所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述第二组H桥接入的PWM序列为根据所述第一组H桥接入的PWM序列移相与所述H桥电路对的数量对应的角度得到。

4.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述PWM序列产生器用于：

接入给定信号，将所述给定信号与预设初始信号取和后，与第一基准三角波进行比较产生第一组序列，并将所述第一组序列取反后得到第一组反序列；

接入给定信号，将所述给定信号与预设初始信号取差后，与第二基准三角波进行比较产生第二组序列，并将所述第二组序列取反后得到第二组反序列；所述第二基准三角波为将所述第一基准三角波延时所述第一基准三角波的周期的一半后得到；

接入给定信号，将所述给定信号与预设初始信号取和后，与所述第二基准三角波进行比较产生第三组序列，并将所述第三组序列取反后得到第三组反序列；

接入给定信号，将所述给定信号与预设初始信号取差后，与第三基准三角波进行比较产生第四组序列，并将所述第四组序列取反后得到第四组反序列；所述第三基准三角波为将所述第二基准三角波延时所述第一基准三角波的周期的一半后得到；

所述第一组H桥的第一半桥、所述第一组H桥的第二半桥、所述第二组H桥的第一半桥和所述第二组H桥的第二半桥均包括四个开关管，所述第一组H桥的第一半桥中依次连接的四个开关管分别接入所述第一组序列、所述第二组反序列、所述第一组反序列和所述第二组序列，所述第一组H桥的第二半桥中依次连接的四个开关管分别接入所述第二组序列、所述第一组反序列、所述第二组反序列和所述第一组序列，所述第二组H桥的第一半桥中依次连接的四个开关管分别接入所述第三组序列、所述第四组反序列、所述第三组反序列和所述第四组序列，所述第二组H桥的第二半桥中依次连接的四个开关管分别接入所述第四组序列、所述第三组反序列、所述第四组反序列和所述第三组序列。

5.根据权利要求4所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述预设初始信号的占空比不超过0.5。

6.根据权利要求4所述的梯度功率放大器，其特征在于，还包括钳位电路，所述第一组H桥的第一半桥、所述第一组H桥的第二半桥、所述第二组H桥的第一半桥和所述第二组H桥的第二半桥均通过所述钳位电路接入母线电压的中点电位。

7.根据权利要求6所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述钳位电路包括第一二极管和第二二极管，所述第一组H桥的第一半桥的上半部分的两个开关管的中点连接所述第一二极管的阴极，所述第一组H桥的第一半桥的下半部分两个开关管的中点连接所述第二二极管的阳极，所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极用于接入母线电压的中点电位。

8.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于，还包括电感，所述第一组H桥的第一半桥的电路中点和所述第一组H桥的第二半桥的电路中点通过不同的电感分别连接负载的两端。

9.根据权利要求8所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述第二组H桥的第一半桥的电路中点和所述第二组H桥的第二半桥的电路中点通过不同的电感分别连接负载的两端。

10.根据权利要求9所述的梯度功率放大器，其特征在于，连接到负载同一个端点的电感中至少有两个电感相互磁场耦合。

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