CN116896255A - 用于磁共振成像功率电子器件的栅极驱动器无芯变压器 - Google Patents

用于磁共振成像功率电子器件的栅极驱动器无芯变压器 Download PDF

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Abstract

一种栅极驱动器电路，该栅极驱动器电路包括隔离栅极驱动器电源电路。该隔离栅极驱动器电源电路包括无芯变压器，该无芯变压器包括初级绕组和次级绕组。次级绕组围绕环形非磁体缠绕，并且初级绕组是单匝初级绕组，以减小初级绕组和次级绕组之间的电容耦合。隔离栅极驱动器电源电路还包括耦合到无芯变压器的共振转换器，其中该共振转换器被配置为使得隔离栅极驱动器电源电路能够生成独立于负载的输出电压。

Description

用于磁共振成像功率电子器件的栅极驱动器无芯变压器
背景技术
本文公开的主题涉及一种无芯变压器，并且具体地涉及一种用于与磁共振成像(MRI)系统一起使用的栅极驱动器的无芯变压器。
为了在高磁场环境中操作功率电子器件，应该避免使用可能饱和并丧失其功能的铁磁部件。栅极驱动器是功率转换器的关键元件。栅极驱动器需要变压器来提供隔离电压以驱动在高电压下操作的功率半导体模块(IGBT或MOSFET)，对于梯度驱动器，高电压大约为1000伏至2500伏(V)。同时，变压器提供隔离，与功率半导体相关联的高dv/dt会驱动高电流通过初级到次级电容，并且这些电流在所有低压电路上产生大量共模噪声。为了更高的效率和功率密度，越来越多地使用宽带隙功率半导体SiC和GaN，具有更快的接通/关断转换，并且因此具有更高的dv/dt，这进一步增加了使变压器绝缘寄生电容最小化的需求。然而，消除铁磁芯的直接后果是针对给定功率耦合减小并且变压器尺寸增大。
发明内容
下文概述了与最初要求保护的主题范围相称的某些实施方案。这些实施方案并非旨在限制要求保护的主题的范围，而是这些实施方案仅旨在提供该主题的可能形式的简要概述。实际上，该主题可包括多种形式，这些形式可类似于或不同于下文所述的实施方案。
在一个实施方案中，提供了栅极驱动器电路。该栅极驱动器电路包括隔离栅极驱动器电源电路。该隔离栅极驱动器电源电路包括无芯变压器，该无芯变压器包括初级绕组和次级绕组。次级绕组围绕环形非磁体缠绕，并且初级绕组是单匝初级绕组，以减小初级绕组和次级绕组之间的电容耦合。隔离栅极驱动器电源电路还包括耦合到无芯变压器的共振转换器，其中该共振转换器被配置为使得隔离栅极驱动器电源电路能够生成独立于负载的输出电压。
在另一个实施方案中，提供了栅极驱动器电路。该栅极驱动器电路包括隔离栅极驱动器电源电路。该隔离栅极驱动器电源电路包括无芯变压器，该无芯变压器包括嵌入在印刷电路板中的初级绕组和次级绕组，其中初级绕组和次级绕组以非重叠布置进行布置以减小初级绕组和次级绕组之间的电容耦合。隔离栅极驱动器电源还包括耦合到无芯变压器的共振转换器，其中该共振转换器被配置为补偿无芯变压器的漏电感以及使得隔离栅极驱动器电源电路能够生成独立于负载的输出电压。
在另一个实施方案中，提供了栅极驱动器电路。该栅极驱动器电路包括隔离栅极驱动器电源电路。该隔离栅极驱动器电源电路包括无芯变压器，该无芯变压器包括初级绕组和次级绕组，其中初级绕组和次级绕组均以多线布置围绕环形非磁体缠绕，以减小初级绕组和次级绕组之间的电容耦合。隔离栅极驱动器电源电路还包括耦合到无芯变压器的共振转换器，其中该共振转换器被配置为补偿无芯变压器的漏电感以及使得隔离栅极驱动器电源电路能够生成独立于负载的输出电压。
附图说明
参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明主题的这些和其他特征、方面和优点，附图中相同的符号在整个附图中表示相同的部分，其中：
图1是根据本公开的各方面的具有栅极驱动器的梯度驱动器系统的实施方案的示意图；
图2是根据本公开的各方面的图1中的栅极驱动器的实施方案的框图；
图3是图2的隔离电源的实施方案的示意图；
图4是根据本公开的各方面的栅极驱动器电源拓扑的实施方案的示意图；
图5是根据本公开的各方面的具有与无芯电感器串联耦合的无芯变压器的电路(例如，具有单个输出)的实施方案的示意图；
图6是根据本公开的各方面的图5的无芯变压器的具体实施的图像；
图7是根据本公开的各方面的具有与无芯电感器串联耦合的无芯变压器的电路(例如，具有两个输出)的实施方案的示意图；
图8是根据本公开的各方面的图7中用于无芯变压器的电路的一部分的示意图；
图9是根据本公开的各方面的具有多线绕组的无芯变压器的电路的示意图和具有多线绕组的无芯变压器的图像；
图10是根据本公开的各方面的具有矩形形状的无芯变压器(例如，平面变压器)的示意图；
图11根据本公开的各方面的具有圆形形状的无芯变压器的示意图；
图12是根据本公开的各方面的图10中的无芯变压器各层的示意图；
图13是根据本公开的耦合到栅极驱动器板的无芯变压器(例如，电流变压器)的具体实施的图像；
图14是根据本公开的各方面的耦合到栅极驱动器板的无芯变压器(例如，电流变压器和平面变压器)的具体实施的图像；
图15是根据本公开的各方面的耦合到栅极驱动器板的无芯变压器(例如，平面变压器)的具体实施的图像；
图16是切换频率为2.498MHz的谐波以及针对MRI几个感兴趣的核的频率的曲线图；
图17是针对切换频率的第51个谐波和质子(1H)频率图16中的曲线图的放大图；
图18是根据本公开的各方面的利用无芯变压器(例如，具有单个输出次级)的栅极驱动器电路的示意图以及相关联波形的图像；
图19A至图19C是根据本公开的各方面的具有利用无芯变压器(例如，如图10中所描述的具有矩形形状的平面变压器)的栅极驱动器电路的相关联波形的图像；并且
图20示出了适合与所公开的技术一起使用的MRI系统的实施方案。
具体实施方式
在下面将描述一个或多个具体的实施方案。为了提供这些实施方案的简明描述，并非实际具体实施的所有特征都要在说明书中进行描述。应当理解，在任何此类实际具体实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于具体实施的决策以实现开发者的具体目标，诸如遵守可能因具体实施而不同的系统相关和业务相关约束。此外，应当理解，此类开发努力可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。
介绍本发明主题的各种实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个(种)所述要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意指除了列出的元件之外还可存在附加元件。此外，以下讨论中的任何数值示例旨在非限制性的，并且因此附加的数值、范围和百分比在所公开的实施方案的范围内。
本公开涉及能够可靠地且安全地用于MRI系统的栅极驱动器(例如，作为梯度驱动器系统的一部分)。该栅极驱动器包括隔离栅极驱动器电源电路，该隔离栅极驱动器电源电路包括无芯变压器(例如，空气芯变压器)。因此，该栅极驱动器不包括任何铁磁材料并且与MRI功能频率兼容。在某些实施方案中，无芯变压器包括初级绕组和次级绕组，该初级绕组和次级绕组被布置为提供足够的绝缘、最小的绕组间电容和可接受的磁耦合，以用于对切换电压变化率(dv/dt)具有最小敏感性的功率输送。在某些实施方案中，隔离栅极驱动器电源电路可包括耦合到无芯变压器的共振转换器，以补偿漏电感生成独立于负载的输出电压。在某些实施方案中，无芯变压器可包括围绕环形非铁磁体的环形绕组。在某些实施方案中，无芯变压器是嵌入在印刷电路板中的平面变压器。当以多兆赫(MHz)级的高切换频率驱动变压器时，变压器的尺寸可被减小到适于功率需要的实际尺寸(例如，4瓦至10瓦(W))。利用对于具有软切换的二极管避免反向恢复损耗并且在高频下操作具有低损耗的电路，可使驱动电路保持非常高效。总之，栅极驱动器以较低成本提供高功率效率和负载不敏感性。
图1是具有栅极驱动器12的梯度驱动器(例如，梯度放大器)系统10的实施方案的示意图。梯度驱动器系统10包括经由接口板18耦合到多个栅极驱动器12的控制器或控制板16。栅极驱动器12是将控制电子器件(例如，控制器16)耦合到功率半导体装置以启用控制功能(诸如接通/关断功率装置)的电子电路。如以下更详细描述的，栅极驱动器12各自包括隔离栅极电源，该隔离栅极电源包括无芯变压器(例如，空气芯变压器)。栅极驱动器12耦合到功率级20。功率级20包括功率半导体装置(包括宽带隙半导体晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他半导体功率装置(例如高度移动的半导体电子半导体(HEMT)，诸如氮化镓晶体管(例如GaN MOSFET))。耦合到功率级20以控制半导体功率装置的切换的栅极驱动器12的数量可发生变化。另外，直流(DC)电源22耦合到功率级20。功率级20耦合到滤波器26(例如，功率滤波器)，该滤波器对电力线进行滤波以移除纹波信号。栅极驱动器12被配置为在存在高磁场的情况下可靠地且安全地使用。
图2是图1中的栅极驱动器12(或栅极驱动器板)的实施方案的框图。栅极驱动器12包括耦合到驱动器32、34的控制逻辑28、30，用于分别控制上部和下部功率半导体装置的上部和下部栅极以接通和关断这些装置。控制逻辑28、30分别耦合到光纤36、38。栅极驱动器12还包括隔离电源(例如，隔离栅极电源)40、42，该隔离电源提供用于控制逻辑的电压电平(例如，次级电压)以及用于驱动(例如，充电和放电)功率半导体装置的栅极的电力。电源40、42是高压隔离的以避免功率级的短路。如图所示，栅极驱动器12可包括传感器44(例如，温度传感器、VBUS传感器等)并且经由光纤、隔离线、微分线或其他手段向控制器16提供反馈。
图3是图2的隔离电源40、42的实施方案的示意图。如图所示，每个隔离电源40、42包括缺少铁磁材料的无芯变压器46(例如，空气芯变压器)，该无芯变压器包括第一线圈48(例如，初级射频(RF)线圈)，该第一线圈磁耦合(例如，电感耦合)到第二线圈50(例如，次级RF线圈)。在某些实施方案中，变压器46可包括不同数量的绕组或线圈。如下文所公开的，线圈48、50可被布置为具有低电容耦合和非常低的绕组间电容，并且提供可接受的磁耦合、足够的绝缘以及对切换电压变化率(dv/dt)的最小敏感性。如图所示，变压器46(特别是线圈48)耦合到振荡器52和功率放大器54。振荡器52将功率从DC转换为AC。功率放大器54放大提供给负载的功率。如图所示，变压器46耦合到整流器56和附加电路58。整流器56将AC转换为DC。
如下面更详细描述的，无芯变压器46可包括用于第一线圈48的单匝初级绕组和围绕环形非磁体缠绕的用于第二线圈50的次级绕组。在另一个实施方案中，无芯变压器46可包括用于第一线圈48的单匝初级绕组和分别围绕相应环形非磁体缠绕的多个次级绕组。在另一个实施方案中，无芯变压器46可包括用于第一线圈48的初级绕组和用于第二线圈50的至少一个次级绕组，该初级绕组和次级绕组以多线布置围绕相同的环形非磁体包绕。在另一个实施方案中，用于第一线圈48的初级绕组和用于第二线圈50的次级绕组嵌入在印刷电路板中。在这些实施方案中，无芯变压器46包括低初级电感和显著次级漏电感，该漏电感可经由共振转换器来补偿，如下所述。共振转换器被配置为使得能够通过隔离栅极驱动器电源电路实现零电压切换。在某些实施方案中，电感器(例如，无芯或空气电感器)可与初级绕组串联耦合以限制初级电流。
图4是栅极驱动器电源拓扑52(例如，隔离栅极驱动器电源电路)的实施方案的示意图。栅极驱动器电源52包括无芯变压器54，该无芯变压器包括初级线圈或绕组55和次级线圈或绕组56。初级绕组55和次级绕组56相对于彼此布置以减小它们之间的电容耦合。无芯变压器54包括低初级电感和显著次级漏电感。利用具有低电压dc(例如，15V)的全桥电路(59)来驱动栅极驱动器电源拓扑52中的变压器初级(例如，输入侧)。栅极驱动器电源52包括共振转换器60，该共振转换器被配置为补偿无芯变压器54的漏电感以实现零电压切换。共振转换器还被配置为使得隔离栅极驱动器电源电路52能够生成独立于负载的输出电压。
共振转换器60包括补偿电容器，诸如分别串联耦合到初级绕组55和次级绕组56的第一电容器62(例如，初级电容器(Cp))和第二电容器64(次级电容器(Cs))。次级电容器64被配置为补偿次级漏电感。次级电容器64被配置为在切换频率(fsw)下与次级共振。初级电容器62被配置为具有低于切换频率的初级共振，使得桥59具有电感负载并且然后以零电压切换(ZWS)进行操作。在桥以例如大约2.5兆赫(MHz)(更具体地，2.489MHz)运行的情况下，低切换损耗工作良好。如下文更详细讨论的，隔离栅极驱动器电源电路52和共振转换器60的宽带隙半导体晶体管被配置为使得能够由隔离栅极驱动器电源电路52以MHz范围内的切换频率进行切换，该切换频率缺少与磁共振成像扫描期间的成像频率一致的谐波。
如图4所示，无芯(例如，空气芯)电感器66(Lp)串联耦合到初级绕组55。电感器66被配置为限制初级绕组55的电流。电感器66可具有大约5.5微亨(μH)的电感。
无芯变压器54具有小于5皮法(pF)的绕组间电容(cps)以处理切换的高dv/dt，同时提供足够的耦合以输送所需的功率。无芯变压器54具有相对低的耦合(例如，大约0.4耦合系数(k))。然而，经由共振转换器60的漏电感补偿(例如，串联-串联补偿)使得能够实现有效且高效的功率传输和低电压降。在下文无芯变压器54的配置符合这些标准。
图5是具有与无芯(例如，空气芯)电感器66串联耦合的无芯(例如，空气芯)变压器54(例如，电流变压器)的电路65(例如，具有单个输出)的实施方案的示意图。无芯变压器54包括单匝初级绕组55。无芯变压器54还包括围绕环形非磁体67缠绕的次级绕组56(例如环形绕组)。次级绕组56的匝数可发生变化。在某些实施方案中，次级绕组56的匝数可以是60。环形几何形状会限制磁通量，从而最小化泄漏、减少辐射以及减少与封闭金属外壳的相互作用。初级绕组55穿过环形非磁体67的开口68。初级绕组55和次级绕组56相对于彼此布置以减小它们之间的电容耦合。图6描绘了无芯变压器54的实际物理具体实施(例如，具有60匝的次级绕组56)。如图6所示，环形非磁体67具有1英寸(2.54厘米(cm))的宽度或外径70和1英寸(2.54cm)的高度72，而开口66具有0.25英寸(0.635cm)的内径。回到图5，无芯电感器66包括围绕环形非磁体76缠绕的线圈74(例如，环形绕组)。无芯电感器66被配置为限制初级绕组55的电流。环形非磁体67、76可由聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃纤维或一些其他非导电塑料、耐高温塑料制成。
无芯变压器54具有2.5pF的绕组间电容(cps)和0.4的耦合系数(kps)。无芯变压器54使得能够在次级上产生电压，该电压能够使用线性调节器为栅极驱动器提供+15V和-4V电压，并且不超过无负载时部件的部件额定值(例如，小于30V)。
在某些实施方案中，无芯变压器54包括多个次级绕组。图7是具有与无芯电感器66串联耦合的无芯变压器54的电路77(例如，具有两个输出)的实施方案的示意图。如图7所示，无芯变压器54包括围绕单独的环形非磁体80缠绕的附加次级绕组78(例如环形绕组)。环形非磁体80类似于如图5中所述的环形非磁体67。附加次级绕组78的匝数可发生变化。在某些实施方案中，次级绕组78的匝数可以是60。初级绕组55穿过环形非磁体67、80的相应开口68。次级绕组56是高压绕组(即，位于正电压侧)，并且附加次级绕组78是低压绕组(即，位于负电压侧)。初级绕组55和次级绕组56、78相对于彼此布置以减小它们之间的电容耦合。无芯电感器66如图5所述。
图8提供了图7中的无芯变压器54的更多细节。初级绕组55包括单匝。在某些实施方案中，初级绕组55可以是电感为130nH的20规格(ga)线。在某些实施方案中，次级绕组56包括39匝。次级绕组56可以是电感为13.52μH的26ga线。在某些实施方案中，附加次级绕组78包括22匝。附加次级绕组78可以是电感为10.6μH的26ga线。图7和图8中的无芯变压器54的绕组间电容(cps)为2.79pF。无芯变压器54的电压增益取决于初级绕组55相对于次级绕组56和附加次级绕组78两者的位置。
图9是具有多线绕组的无芯变压器54的电路的示意图和具有多线绕组的无芯变压器54的图像。如图9所示，无芯变压器54包括双线绕组，其中初级绕组55和次级绕组56均围绕环形非磁体82缠绕。环形非磁体82类似于上述那些环形非磁体。初级绕组55和次级绕组56相对于彼此布置以减小它们之间的电容耦合。在某些实施方案中，无芯变压器54可被布置成使得次级绕组以多线方式缠绕，使用缠绕在一起的两根线，并且互连以形成总共8个次级匝。如图所示，初级绕组55包括4匝，并且次级绕组56包括8匝。每个绕组55、56的匝数可发生变化。在某些实施方案中，初级绕组55可以是电感为189nH的18ga线。在某些实施方案中，次级绕组56可以是电感为531nH的24ga线。图9中的无芯变压器54的绕组间电容(cps)为5.4pF，并且耦合系数(kps)为0.49。无芯变压器54可包括厚绝缘。具有少量匝数的双线环形绕组和厚绝缘一起提供低电容，而环形绕组限制磁通量，使得耦合有利于功率传输。
图10和图11分别是具有矩形形状(例如，图10中的无芯变压器88)和圆形形状(例如，图11中的无芯变压器90)的无芯变压器54(例如，平面变压器)的示意图。每个无芯变压器54包括嵌入在印刷电路板92中的初级绕组55和次级绕组56。在某些实施方案中，无芯变压器54可嵌入在栅极驱动器板中。在其他实施方案中，无芯变压器54可嵌入在单独的印刷电路板中，并且耦合或安装到栅极驱动器板。如下面更详细描述的，每个无芯变压器包括多个层。初级绕组55嵌入在印刷电路板92的外层中。次级绕组56嵌入在印刷电路板92的内层中。初级绕组55可包括2匝。次级绕组56可包括处于三个层中的9匝。通过针对所需电压调整外层和内层之间的厚度来确保绝缘。在图10和图11中示出了初级绕组55和次级绕组56的输入和输出的位置。初级绕组55的面积94大于次级绕组56的面积96，以为从初级绕组55到次级绕组56的功率传输提供高耦合。无芯变压器88、90的面积94、96是相同的。无芯变压器还包括低漏磁通。初级绕组55和次级绕组56以非重叠布置进行布置，以最小化初级绕组55和次级绕组56之间的绕组间电容。无芯变压器54各自具有5pF的绕组间电容(cps)。无芯变压器54具有大约0.45的耦合系数(kps)。无芯变压器54使得能够在次级上产生能够为栅极驱动器提供+15V和-4V电压的电压。
图12是图10中的无芯变压器88的各层的示意图。无芯变压器88的细节也适用于图11中的无芯变压器90。无芯变压器88包括多个层98(例如，迹线)。如图所示，无芯变压器包括6个铜层98。层98包括2个外层：顶层100和底层102。层98还包括4个内层：内层104、内层106、内层108和内层110。内层106用作内层104、106和108之间的交叉层。外层100和102形成初级绕组55。内层104、108和110形成次级绕组56。内层104、108和110之间的互连与掩埋通孔一起出现，除了指示出次级输入(在层104上)和次级输出(在层110上)的地方之外。内层104、106、108、110由0.5盎司铜制成并且为大约0.025英寸(0.635mm)宽。内层104、106、108、110中的每一者之间的间隔介于大约0.005英寸和0.008英寸(0.127mm和0.203mm)之间。次级绕组56的中部具有大约10mm×30mm的窗口112。外层100和102由1盎司铜制成，为大约0.1英寸(2.54mm)宽。外层100和102的内边缘116与次级绕组56的中间绕组间隔开0.1英寸(2.54mm)。所有拐角都具有半径并且没有急转弯。无芯变压器88的初级电流和次级电流分别为5安培(A)和0.5A。无芯变压器的温度上升为10℃并且环境温度为25℃。无芯变压器是1500V额定值。
上述无芯变压器能够以不同组合耦合到栅极驱动器板。图13是耦合到栅极驱动器板118的无芯变压器54(例如，类似于图6中的变压器54的电流变压器)的实际物理具体实施的图像。电流变压器120耦合到栅极驱动器板118的上部栅极。此外，电流变压器122耦合到栅极驱动器板118的下部栅极。栅极驱动器板118包括用于fsw为2.5MHz的电源的初级桥和与初级串联的电感器124。
图14是耦合到栅极驱动器板118的无芯变压器54(例如，类似于图6中的变压器54的电流变压器和类似于图10中的变压器88的平面变压器)的具体实施的图像。电流变压器126耦合到栅极驱动器板118的上部栅极。此外，平面变压器128耦合到栅极驱动器板118的下部栅极。栅极驱动器板118包括用于fsw为2.5MHz的电源的初级桥。在某些实施方案中，电流变压器126可耦合到栅极驱动器板118的下部栅极并且平面变压器128可耦合到栅极驱动器板118的上部栅极。在某些实施方案中，平面变压器128可包括如上所述的圆形形状。
图15是耦合到栅极驱动器板18的无芯变压器54(例如，诸如图10和图11中所描绘的平面变压器)的具体实施的图像。平面变压器130(例如，具有类似于图11中的变压器90的圆形形状)耦合到栅极驱动器板118的上部栅极。此外，平面变压器132(例如，具有类似于图10中的变压器88的矩形形状)耦合到栅极驱动器板118的下部栅极。栅极驱动器板118包括用于fsw为2.5MHz的电源的初级桥。在某些实施方案中，平面变压器130可耦合到栅极驱动器板118的下部栅极并且平面变压器132可耦合到栅极驱动器板118的上部栅极。在某些实施方案中，分别耦合到上部栅极和下部栅极的两个无芯变压器54可类似于平面变压器130。在某些实施方案中，分别耦合到上部栅极和下部栅极的两个无芯变压器54可类似于平面变压器132。
如上所述，用于这些无芯变压器的串联-串联补偿使得能够实现有效的功率传输和低功率下降。无芯变压器的高频驱动或切换(例如，利用多Hz切换频率)使得这些变压器能够更紧凑。高切换频率增加了从梯度放大器及其相关联缆线发出的电磁辐射，这可能影响成像。切换频率的选择必须使得其不与同MRI扫描器一起使用的感兴趣频率(即，成像频率)一致。更高的切换频率导致谐波之间的频率范围更大。2.498MHz的切换频率使得能够实现小尺寸变压器。另外，该切换频率具有间隔为MHz的谐波，并且具有大于数字化带宽的频率裕度。功率转换器以脉冲宽度调制(PWM)进行操作以调节输出电压。PWM波形的谐波与感兴趣的核的频率一起被绘制在图16中。图16中的箭头指示切换频率(即，2.498MHz)的谐波。图16还示出了与切换频率的谐波不一致的几个感兴趣的核的频率(例如，MRI进动频率)。例如，如图17所示，切换频率(即，2.498MHz)的第51个谐波处于126.9MHz处，其比用于3T MRI系统的MRI的质子频率(即，127.23MHz)低300kHz以上。在某些实施方案中，可利用MHz范围(例如，多MHz范围)内的不同切换频率，只要其缺少与MRI扫描期间的成像频率一致的谐波即可。在某些实施方案中，隔离栅极驱动器电源电路和共振转换器的宽带隙半导体晶体管(例如，GaN MOSFET)被配置为使得能够由隔离栅极驱动器电源电路以MHz范围内的切换频率进行切换，该切换频率缺少与磁共振成像扫描期间的成像频率一致的谐波。
图18是利用无芯变压器54的栅极驱动器电路134的示意图以及相关联波形的图像。无芯变压器54如图4中所述，并且包括单个输出次级。栅极驱动器电路134包括多个线性调节器。例如，栅极驱动器电路134包括数字控制调节器136。栅极驱动器电路134还包括用于栅极驱动的两个调节器138和140。栅极驱动器电路134包括并联的一组MOSFET 142(例如，4个MOSFET 142)。利用低电压dc(例如，具有输入电压(Vin为+15V/-15V))以2.489MHz驱动变压器54。在图像144中，显示了Vin和输入电流(IL1)。在图像146中，显示了被调谐到该组MOSFET 142的输出电压(+15V/-4V)。栅极返回被上移4V。栅极驱动器电路134以31.25kHz运行上部驱动器和下部驱动器两者。无芯变压器54使得能够在次级上产生电压，该电压能够使用线性调节器134、138和140为栅极驱动器提供+15V和-4V电压，并且不超过无负载时部件的部件额定值(例如，小于30V)。
图19A至图19C是具有利用无芯变压器(例如，如图10中所描述的具有矩形形状的平面变压器)的栅极驱动器电路的相关联波形的图像。图19A中的图像148示出了初级电流150(例如，输入电流)、输入电压152(Vinput)、次级电流154(Isecondary)、以及在没有负载(即，没有切换)时从栅极驱动器电路156的底部或下部栅极输出的电压(Vout_bot)。图19C中的图像158示出了次级电流154以及在全负载(具有31.25kHz切换)期间离开栅极驱动器电路156的底部栅极的电压输出。图19B中的图像160示出了初级电流150、输入电压152、次级电流154以及在全负载(具有31.25kHz切换)期间离开栅极驱动器电路156的底部栅极的电压输出。桥无负载之后的电压为21.99V。桥全负载之后的电压为20.65V。调节器输出在无负载时为+19V、-4V并且在全负载时为+18.54V和-4V。在全负载(具有31.25kHz切换)时，最大输出摆动为+14.46V/-4V。可通过增加输入电流来调谐该输出信号以获得所需电平，这可通过减小初级线圈的输入电感或通过使次级频率调谐为更接近2.48MHz来完成。在图像160中，输入电流在5A处达到峰值。在图像148、158和160中采集的波形是低压差调节器处于+19V。
考虑到上述情况，在图20中，磁共振成像(MRI)系统200被示意性地示出为包括扫描器202、扫描器控制电路204和系统控制电路206。根据本文所述的实施方案，MRI系统200通常被配置为执行MR成像。
系统200还包括：远程访问和存储系统或装置，诸如图像存档和通信系统(PACS)208；或其他装置，诸如远程放射设备，使得能够现场访问或异地访问由系统200采集的数据。这样，可采集MR数据，然后进行现场或异地处理和评估。虽然MRI系统200可包括任何合适的扫描器或检测器，但在例示的实施方案中，系统200包括具有外壳220的全身扫描器202，穿过外壳将形成孔222。诊断台224可移入孔222中，使患者226可定位在其中，以对患者体内的所选解剖结构进行成像。
扫描器202包括用于产生受控磁场的一系列相关联线圈，受控磁场用于激励正被成像的受检者的解剖结构内的旋磁材料。具体地讲，提供初级磁体线圈228，用于生成与孔222大致对齐的初级磁场B0。一系列梯度线圈230、232和234允许在检查序列期间生成受控梯度磁场，用于对患者226体内的某些旋磁核进行位置编码。射频(RF)线圈236(例如，RF发射线圈)被配置为生成射频脉冲，用于激励患者体内的某些旋磁核。除可位于扫描器202本地的线圈之外，系统200还包括被配置用于放置在患者226近侧(例如，抵靠患者)的一组接收线圈或RF接收线圈238(例如，线圈阵列)。例如，接收线圈238可包括颈椎/胸椎/腰椎(CTL)线圈、头部线圈、单面脊线圈等。在某些实施方案中，RF接收线圈238可以是围绕患者226的四肢(例如，手臂或腿部)设置的多级线圈的一部分，如下所述。一般来讲，接收线圈238放置在患者226近处或头顶，以便接收在患者226返回其松弛状态时由患者体内的某些旋磁核生成的弱RF信号(弱是相对于由扫描器线圈生成的传输脉冲而言)。
系统200的各种线圈由外部电路控制，以生成所需的场和脉冲并且以受控方式读取来自旋磁材料的发射。在例示的实施方案中，主电源240向初级场线圈228提供电力以生成初级磁场Bo。电力输入244(例如，来自公用设施或电网的电力)、配电单元(PDU)、电源(PS)和驱动器电路250可一起提供电力，以使梯度场线圈230、232和234产生脉冲。驱动器电路250(例如，如上所述的梯度驱动器)可包括放大和控制电路，该放大和控制电路用于按照由扫描器控制电路204输出的数字化脉冲序列的限定向线圈供应电流。
提供了另一个控制电路252，用于调节RF线圈236的操作。电路252包括用于在有源操作模式和无源操作模式之间交替的切换装置，其中RF线圈236分别传输信号和不传输信号。电路252还包括被配置为生成RF脉冲的放大电路。类似地，接收线圈238连接到开关254，该开关能够在接收模式和非接收模式之间切换接收线圈238。因此，在接收模式下，接收线圈238与患者226体内的旋磁核释放而产生的RF信号共振，而在非接收模式下，它们不与来自传输线圈(即，线圈236)的RF能量共振以便防止发生非预期操作。另外，接收电路256被配置为接收由接收线圈238检测到的数据，并且可包括一个或多个多路复用和/或放大电路。
应当指出的是，虽然上述扫描器202和控制/放大电路被示出为由单根线耦合，但在实际实例中可存在许多此类线。例如，可使用单独的线进行控制、数据通信、电力传输等。此外，可沿每种类型的线设置合适的硬件，用于正确处理数据和电流/电压。实际上，可在扫描器与扫描器控制电路204和系统控制电路206中的任一者或两者之间设置各种滤波器、数字转换器和处理器。
如图所示，扫描器控制电路204包括接口电路258，该电路输出用于驱动梯度场线圈和RF线圈以及用于接收代表检查序列中所产生磁共振信号的数据的信号。接口电路258耦合到控制和分析电路260。基于经由系统控制电路206选择的限定方案，控制和分析电路260执行用于驱动电路250和电路252的命令。
控制和分析电路260还用于接收磁共振信号，以及在将数据传输至系统控制电路206之前执行后续处理。扫描器控制电路204还包括一个或多个存储器电路262，该一个或多个存储器电路在操作期间存储配置参数、脉冲序列描述、检查结果等。
接口电路264耦合到控制和分析电路260，以用于在扫描器控制电路204与系统控制电路206之间交换数据。在某些实施方案中，控制和分析电路260虽然被示出为单个单元，但可包括一个或多个硬件装置。系统控制电路206包括接口电路266，该接口电路从扫描器控制电路204接收数据并且将数据和命令传输回扫描器控制电路204。控制和分析电路268可包括通用或专用计算机或工作站上的CPU。控制和分析电路268耦合到存储器电路270，以存储用于操作MRI系统200的编程代码，以及存储经处理的图像数据以供之后重建、显示和传输。编程代码可执行一个或多个算法，该一个或多个算法被配置为在由处理器执行时执行如下所述的采集数据的重建。在某些实施方案中，存储器电路270可存储用于如下所述的采集数据的重建的一个或多个神经网络。在某些实施方案中，图像重建可以在具有处理电路和存储器电路的单独计算装置上发生。
可提供附加接口电路272，以用于与外部系统部件诸如远程访问和存储装置208交换图像数据、配置参数等。最后，系统控制和分析电路268可通信地耦合到各种外围装置，以用于有利于操作员界面以及产生重建图像的硬拷贝。在例示的实施方案中，这些外围装置包括打印机274、监视器276和用户界面278，用户界面包括诸如键盘、鼠标、触摸屏(例如，与监视器276集成在一起)等装置。
所公开的实施方案的技术效果包括提供栅极驱动器(例如，作为梯度驱动器系统的一部分)，该栅极驱动器包括隔离栅极驱动器电源电路，该隔离栅极驱动器电源电路包括无芯变压器(例如，空气芯变压器)。空气芯变压器具有高场兼容性。另外，空气芯变压器的几何形状使得能够实现用于输送功率的良好磁耦合。空气芯变压器提供良好的功率密度(即，没有增加的热管理的合理覆盖区)。另外，空气芯变压器可用于具有低切换损耗和零电压切换的高频操作。
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Claims (20)

1.一种栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路包括：
隔离栅极驱动器电源电路，所述隔离栅极驱动器电源电路包括：
无芯变压器，所述无芯变压器包括初级绕组和次级绕组，其中所述次级绕组围绕环形非磁体缠绕，并且所述初级绕组是单匝初级绕组，以减小所述初级绕组和所述次级绕组之间的电容耦合；和
共振转换器，所述共振转换器耦合到所述无芯变压器，其中所述共振转换器被配置为使得所述隔离栅极驱动器电源电路能够生成独立于负载的输出电压。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述初级绕组和所述次级绕组磁耦合在一起。
3.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述共振转换器包括多个电容器，并且所述多个电容器包括分别串联耦合到所述初级绕组和所述次级绕组的第一电容器和第二电容器。
4.根据权利要求3所述的栅极驱动器电路，其中所述共振转换器被配置为补偿所述无芯变压器的漏电感。
5.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述共振转换器被配置为使得能够通过所述隔离栅极驱动器电源电路实现零电压切换。
6.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述隔离栅极驱动器电源电路包括串联耦合到所述初级绕组的无芯电感器，其中所述无芯电感器被配置为限制所述初级绕组的电流。
7.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述无芯变压器包括围绕单独的环形非磁体缠绕的附加次级绕组，其中所述次级绕组是高压绕组并且所述附加次级绕组是低压绕组。
8.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述隔离栅极驱动器电源电路包括耦合到所述无芯变压器的宽带隙半导体晶体管，并且其中所述宽带隙半导体晶体管和所述共振转换器两者被配置为使得能够由所述隔离栅极驱动器电源电路以兆赫(MHz)范围内的切换频率进行切换，所述切换频率缺少与磁共振成像扫描期间的成像频率一致的谐波。
9.一种栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路包括：
隔离栅极驱动器电源电路，所述隔离栅极驱动器电源电路包括：
无芯变压器，所述无芯变压器包括嵌入在印刷电路板中的初级绕组和次级绕组，其中所述初级绕组和所述次级绕组以非重叠布置进行布置以减小所述初级绕组和所述次级绕组之间的电容耦合；和
共振转换器，所述共振转换器耦合到所述无芯变压器，其中所述共振转换器被配置为补偿所述无芯变压器的漏电感以及使得所述隔离栅极驱动器电源电路能够生成独立于负载的输出电压。
10.根据权利要求9所述的栅极驱动器电路，其中所述印刷电路板包括多个层。
11.根据权利要求10所述的栅极驱动器电路，其中所述多个层中的每一层由铜制成。
12.根据权利要求10所述的栅极驱动器电路，其中所述印刷电路板包括设置在第一外层和第二外层之间的多个内层。
13.根据权利要求11所述的栅极驱动器电路，其中所述初级绕组嵌入在所述第一外层和所述第二外层中，并且所述次级绕组嵌入在所述多个内层中的一些内层中。
14.根据权利要求10所述的栅极驱动器电路，其中所述无芯变压器具有矩形形状。
15.根据权利要求10所述的栅极驱动器电路，其中所述无芯变压器具有圆形形状。
16.根据权利要求10所述的栅极驱动器电路，其中所述隔离栅极驱动器电源电路包括串联耦合到所述初级绕组的无芯电感器，其中所述电感器被配置为限制所述初级绕组的电流。
17.根据权利要求10所述的栅极驱动器电路，其中所述共振转换器包括多个电容器，并且所述多个电容器包括分别串联耦合到所述初级绕组和所述次级绕组的第一电容器和第二电容器，并且其中所述共振转换器被配置为补偿所述无芯变压器的漏电感。
18.根据权利要求10所述的栅极驱动器电路，其中所述初级绕组和所述次级绕组磁耦合在一起。
19.根据权利要求10所述的栅极驱动器电路，其中所述隔离栅极驱动器电源电路包括耦合到所述无芯变压器的宽带隙半导体晶体管，并且其中所述宽带隙半导体晶体管和所述共振转换器两者被配置为使得能够由所述隔离栅极驱动器电源电路以兆赫(MHz)范围内的切换频率进行切换，所述切换频率缺少与磁共振成像扫描期间的成像频率一致的谐波。
20.一种栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路包括：
隔离栅极驱动器电源电路，所述隔离栅极驱动器电源电路包括：
无芯变压器，所述无芯变压器包括初级绕组和次级绕组，
其中所述初级绕组和所述次级绕组均以多线布置围绕环形非磁体缠绕，以减小所述初级绕组和所述次级绕组之间的电容耦合；和
共振转换器，所述共振转换器耦合到所述无芯变压器，其中所述共振转换器被配置为补偿所述无芯变压器的漏电感以及使得所述隔离栅极驱动器电源电路能够生成独立于负载的输出电压。
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