DE102014226664B4

DE102014226664B4 - Ausgangskombination von Transistoren in MRI-RFPAs

Info

Publication number: DE102014226664B4
Application number: DE102014226664.5A
Authority: DE
Inventors: Adam Albrecht
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2034-12-20
Also published as: US20160178715A1; US10330753B2; DE102014226664A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikbaueinheit für einen Verstärker (RFPA, Vx, Vy, Vz) eines bildgebenden MRT-System (101), mit mindestens einer Leiterplatte (PCB), auf der mehrere Transistoren (EPC2010) angeordnet sind, wobei Anschlüsse (drain, source) von Transistoren durch elektrisch leitende Verbindungen (Vb) miteinander verbunden sind, wobei die Transistoren alle auf einer Seite einer Leiterplatte (PCB) angeordnet sind, und wobei auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (PCB) eine insbesondere zu den Verbindungen (Vb) zumindest in Abschnitten (Abs) parallele Ausgangsleitung (AI) verläuft, die mit oder ohne weitere zwischengeschaltete Elemente (Balun) mit Sendespulen (108) des MRT (101) verbindbar oder verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikbaueinheit insbesondere für einen Verstärker eines bildgebendes MRT-System.
Magnetresonanzgeräte (MRTs) zur Untersuchung von Objekten oder Patienten durch Magnetresonanztomographie sind beispielsweise aus der DE 103 14 215 B4 bekannt.
Aus der Druckschrift DE 10 2011 006 061 A1 ist ein Endstufenmodul für eine Leistungsverstärkereinrichtung Bekannt. Das Endstufenmodul weist ein Gehäuse und einen innerhalb des Gehäuses angeordneten nichtleitenden Träger mit wenigstens zwei darauf angeordneten Transistor-Bausteinen auf. Wenigstens ein Transistor ist je einer Phase eines symmetrischen Eingangssignals zugeordnet, sowie eine die Drain-Ausgänge der Transistor-Bausteine zu einem Ausgangssignal induktiv verbindende erste Leiterstruktur und zwei jeweils ein Eingangssignal an wenigstens einen Gate-Eingang der Transistor-Bausteine führende zweite Leiterstrukturen. Innerhalb des Trägers ist wenigstens ein wenigstens einem Transistor-Baustein benachbart geführter Kühlkanal vorgesehen.
Die Druckschrift DE 10 2010 032 078 A1 offenbart eine Leistungselektronik-Baueinheit für eine Magnetresonanzeinrichtung. Die Leistungselektronik-Baueinheit weist ein Gehäuse und wenigstens eine in dem Gehäuse angeordnete Leiterplatte mit wenigstens einem zu kühlenden Leistungselektronik-Bauelement auf. Die Leiterplatte weist eine wenigstens einen Millimeter dicke Rückseitenlage aus Kupfer auf. Die Leistungselektronik-Baueinheit weist weiterhin eine als Teil des Gehäuses ausgebildete, das Gehäuse stabilisierende Kühlplatte mit wenigstens einem nach wenigstens einer Seite derart offenen Kühlmittelkanal auf, sodass die auf die Kühlplatte aufgesetzte Leiterplatte im Bereich des Leistungselektronik-Bauelements mit der Rückseitenlage unmittelbar ein in dem Kühlmittelkanal geführtes Kühlmittel kontaktiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine HF-Verstärkeranordnung für insbesondere ein MRT zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäße Ausgestaltungen können insbesondere eine sehr komprimierte Realisierung mit gutem Impedanz-Matching erlauben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
Weitere Merkmale und Vorteile von möglichen Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Dabei zeigt:
1 in Draufsicht eine Verbindung von Ausgängen mehrerer Transistoren durch ein gemeinsames common-drain-bonding,
2 in Draufsicht eine (EPC2010) Baugruppe mit mehreren Transistoren darin und Abmessungen,
3 in Draufsicht eine Leistungselektronikbaueinheit,
4 in Durchsicht Oberseite und Unterseite einer Platine mit oberseitig zwei Baugruppen mit mehreren Transistoren und unterseitig einer zu den Verbindungen zumindest in Abschnitten parallelen Ausgangsleitung verläuft, die mit oder ohne weitere zwischengeschaltete Elemente (Balun) mit z. B. Sendespulen des MRT verbindbar ist,
5 in Durchsicht Oberseite und Unterseite einer Platine mit oberseitig vier Baugruppen mit mehreren Transistoren und unterseitig einer zu den Verbindungen zumindest in Abschnitten parallelen Ausgangsleitung verläuft, die mit oder ohne weitere zwischengeschaltete Elemente (Balun) mit Sendespulen des MRT verbindbar oder verbunden ist,
6 schematisch ein MRT-System.
6 zeigt (u. a. insbesondere auch zum technischen Hintergrund) ein (in einem geschirmten Raum oder Faraday-Käfig F befindliches) bildgebendes Magnetresonanzgerät MRT 101 mit einem Hohlzylinder 102 mit einem hier röhrenförmigen Raum 103 in welchen eine Patientenliege 104 mit einem Körper z. B. eines Untersuchungsobjektes (z. B. eines Patienten) 105 (mit oder ohne Lokalspulenanordnung 106) in Richtung des Pfeils z gefahren werden kann, um durch ein bildgebendes Verfahren Aufnahmen des Patienten 105 zu generieren. Auf dem Patienten 105 ist hier eine Lokalspulenanordnung 106 angeordnet, mit welcher in einem lokalen Bereich (auch Field of View oder FoV genannt) des MRT Aufnahmen von einem Teilbereich des Körpers 105 im FoV generiert werden können. Signale der Lokalspulenanordnung 106 können von einer z. B. über Koaxialkabel oder per Funk (167) etc. an die Lokalspulenanordnung 106 anschließbaren Auswerteeinrichtung (168, 115, 117, 119, 120, 121 usw.) des MRT 101 ausgewertet (z. B. in Bilder umgesetzt, gespeichert oder angezeigt) werden.
Um mit einem Magnetresonanzgerät MRT 101 einen Körper 105 (ein Untersuchungsobjekt oder einen Patienten) mittels einer Magnet-Resonanz-Bildgebung zu untersuchen, werden verschiedene, in ihrer zeitlichen und räumlichen Charakteristik genauestens aufeinander abgestimmte Magnetfelder auf den Körper 105 eingestrahlt. Ein starker Magnet (oft ein Kryomagnet 107) in einer Messkabine mit einer hier tunnelförmigen Öffnung 103, erzeugt ein statisches starkes Hauptmagnetfeld B₀, das z. B. 0,2 Tesla bis 3 Tesla oder auch mehr beträgt. Ein zu untersuchender Körper 105 wird auf einer Patientenliege 104 gelagert in einen im Betrachtungsbereich FoV (auch „Field Of View” oder „field of view” genannt) etwa homogenen Bereich des Hauptmagnetfeldes B0 gefahren. Eine Anregung der Kernspins von Atomkernen des Körpers 105 erfolgt über magnetische Hochfrequenz-Anregungspulse B1 (x, y, z, t) die über eine hier als (z. B. mehrteilige = 108a, 108b, 108c) Körperspule 108 sehr vereinfacht dargestellte Hochfrequenzantenne (und/oder ggf. eine Lokalspulenanordnung) eingestrahlt werden. Hochfrequenz-Anregungspulse werden z. B. von einer Pulserzeugungseinheit 109 erzeugt, die von einer Pulssequenz-Steuerungseinheit 110 gesteuert wird. Nach einer Verstärkung durch einen Hochfrequenzverstärker 111 werden sie zur Hochfrequenzantenne 108 geleitet. Das hier gezeigte Hochfrequenzsystem ist lediglich schematisch angedeutet. Möglicherweise werden auch mehr als eine Pulserzeugungseinheit 109, mehr als ein Hochfrequenzverstärker 111 und mehrere Hochfrequenzantennen 108a, b, c in einem Magnet-Resonanz-Gerät 101 eingesetzt.
Weiterhin verfügt das Magnet-Resonanz-Gerät 101 über Gradientenspulen 112x, 112y, 112z, mit denen bei einer Messung magnetische Gradientenfelder B_G (x, y, z, t) zur selektiven Schichtanregung und zur Ortskodierung des Messsignals eingestrahlt werden. Die Gradientenspulen 112x, 112y, 112z werden von einer Gradientenspulen-Steuerungseinheit 114 (und ggf. über Verstärker Vx, Vy, Vz) gesteuert, die ebenso wie die Pulserzeugungseinheit 109 mit der Pulssequenz-Steuerungseinheit 110 in Verbindung steht.
Von den angeregten Kernspins (der Atomkerne im Untersuchungsobjekt) ausgesendete Signale werden von der Körperspule 108 und/oder mindestens einer Lokalspulenanordnung 106 empfangen, durch zugeordnete Hochfrequenzvorverstärker 116 verstärkt und von einer Empfangseinheit 117 weiterverarbeitet und digitalisiert. Die aufgezeichneten Messdaten werden digitalisiert und als komplexe Zahlenwerte in einer k-Raum-Matrix abgelegt. Aus der mit Werten belegten k-Raum-Matrix ist mittels einer mehrdimensionalen Fourier-Transformation ein zugehöriges MR-Bild rekonstruierbar.
Für eine Spule, die sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben werden kann, wie z. B. die Körperspule 108 oder eine Lokalspule 106, wird die korrekte Signalweiterleitung durch eine vorgeschaltete Sende-Empfangs-Weiche 118 geregelt.
Eine Bildverarbeitungseinheit 119 erzeugt aus den Messdaten ein Bild, das über eine Bedienkonsole 120 einem Anwender dargestellt und/oder in einer Speichereinheit 121 gespeichert wird. Eine zentrale Rechnereinheit 122 steuert die einzelnen Anlagekomponenten.
In der MR-Tomographie werden Bilder mit hohem Signal/Rauschverhältnis (SNR) heute in der Regel mit so genannten Lokalspulenanordnungen (Coils, Local Coils) aufgenommen. Dies sind Antennensysteme, die in unmittelbarer Nähe auf (anterior) oder unter (posterior) oder an oder in dem Körper 105 angebracht werden. Bei einer MR-Messung induzieren die angeregten Kerne in den einzelnen Antennen der Lokalspule eine Spannung, die dann mit einem rauscharmen Vorverstärker (z. B. LNA, Preamp) verstärkt und schließlich an die Empfangselektronik weitergeleitet wird. Zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses auch bei hochaufgelösten Bildern werden so genannte Hochfeldanlagen eingesetzt (1.5 T–12 T oder mehr). Wenn an ein MR Empfangssystem mehr Einzelantennen angeschlossen werden können, als Empfänger vorhanden sind, wird zwischen Empfangsantennen und Empfänger z. B. eine Schaltmatrix (teilweise auch RCCS genannt) eingebaut. Diese routet die momentan aktiven Empfangskanäle (meist die, die gerade im Field of View des Magneten liegen) auf die vorhandenen Empfänger. Dadurch ist es möglich, mehr Spulenelemente anzuschließen, als Empfänger vorhanden sind, da bei einer Ganzkörperabdeckung nur die Spulen ausgelesen werden müssen, die sich im FoV bzw. im Homogenitätsvolumen des Magneten befinden.
Als Lokalspulenanordnung 106 wird z. B. allgemein ein Antennensystem bezeichnet, das z. B. aus einem oder als Array-Spule aus mehreren Antennenelementen (insb. Spulenelementen) bestehen kann. Diese einzelnen Antennenelemente sind z. B. als Loopantennen (Loops), Butterfly, Flexspulen oder Sattelspulen ausgeführt. Eine Lokalspulenanordnung umfasst z. B. Spulenelemente, einen Vorverstärker, weitere Elektronik (Mantelwellensperren etc.), ein Gehäuse, Auflagen und meistens ein Kabel mit Stecker, durch den sie an die MRT-Anlage angeschlossen wird. Ein anlagenseitig angebrachte Empfänger 168 filtert und digitalisiert ein von einer Lokalspule 106 z. B. per Funk etc. empfangenes Signal und übergibt die Daten einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung die aus den durch eine Messung gewonnenen Daten meist ein Bild oder ein Spektrum ableitet und dem Nutzer z. B. zur nachfolgenden Diagnose durch ihn und/oder Speicherung zur Verfügung stellt.
1–6 zeigen beispielhaft einige Details von Ausgestaltungen der Erfindung.
1 zeigt in Draufsicht eine Verbindung von Ausgängen („drain”) mehrerer Transistoren durch ein gemeinsames commondrain-„bonding” auf ein „common drain”, gemäß zumindest intern bekanntem Stand der Technik.
2 zeigt beispielhaft in Draufsicht eine („EPC2010”) Baugruppe mit mehreren Transistoren darin, deren Gate-Eingang 1, Source-Anschlüsse 4, 6, Drain-Anschlüsse 3, 5, 7, Substrate-Kontakt 2 und Abmessungsbeispiele von 802 mm·1362 mm mit Breiten der Kontakte von 230 mm und mit Abständen der Kontakte von 600 mm.
3 zeigt links in einer Ansicht von unten, und rechts in einer Draufsicht eine Leistungselektronikbaueinheit (für z. B: einen Verstärker RFPA, Vx, Vy, Vz eines bildgebendes MRT-Systems 101), mit auf (nur) einer (z. B. unteren) Platinen-Seite mehreren (EPC2010) Baugruppen (mit jeweils mehreren Transistoren), deren drain und source Anschlüsse jeweils auf dieser Platinen-Seite durch (elektrisch leitende) Verbindungen Vb verbunden sind, und auf der anderen (z. B. oberen) Platinen-Seite einem (hier nicht mit der Platine oder den Transistoren oder deren Verbindungen verbunden) Ausgangs-Leiter in den HF-Energie einkoppelt, die am Ausgang (+, –, Output) in Richtung einer sendenden Spule (z. B. 108) übertragen wird.
4 zeigt in einer Durchsicht durch Oberseite und Unterseite einer Platine mit oberseitig zwei (EPC2010) Baugruppen (mit jeweils mehreren Transistoren und/oder drain-und-source-Anschlüssen) auf einer Platinenseite eine zu den (auf der anderen Platinenseite verlaufenden) Verbindungen Vb der Transistoren-(source/drain)-Anschlüsse zumindest in Abschnitten parallelen (hier in fünf parallelen, miteinander verbundenen Schlaufen von links nach rechts und rechts nach links verlaufenden) Ausgangsleitung Vl verläuft, die mit oder ohne weitere zwischengeschaltete Elemente (Balun) mit z. B. Sendespulen (108 und/oder 106) des MRT (101) verbindbar oder verbunden ist.
5 zeigt in einer Durchsicht durch Oberseite und Unterseite einer Platine mit oberseitig vier (EPC2010) Baugruppen (mit jeweils mehreren Transistoren und/oder drain-und-source-Anschlüssen) auf einer Platinenseite eine zu den (auf der anderen Platinenseite verlaufenden) Verbindungen Vb der Transistoren-(source/drain)-Anschlüsse zumindest in Abschnitten parallelen (hier in zehn parallelen, miteinander verbundenen Schlaufen von links nach rechts und rechts nach links verlaufenden) Ausgangsleitung Vl verläuft, die mit oder ohne weitere zwischengeschaltete Elemente (Balun) mit Sendespulen (108 und/oder 106) des MRT (101) verbindbar oder verbunden ist.
Der (balancierte) Ausgang einer Leistungselektronikbaueinheit LBE kann z. B. mit zwei Anschlüssen +, – an zwei gegenüberliegenden Seiten der Leistungselektronikbaueinheit LBE ausgebildet sein, oder mit zwei Anschlüssen +, – an derselben Seite der Leistungselektronikbaueinheit ausgebildet sein.
Die Lastimpedanz eines Transistors kann z. B. 12.5 Ohm sein, insbesondere in einer Push-Pull-Anwendung.
Die Ausgangsimpedanz der Leistungselektronikbaueinheit kann z. B. 50 Ohm sein.
Die Ausgangsimpedanz der Leistungselektronikbaueinheit kann z. B. von 50 Ohm auf die Lastimpedanz eines Transistors von 12.5 Ohm transformiert werden, insbesondere mit einem Trafo mit Wicklungsverhältnis von 2:1 der Verstärkerseite zur Ausgangsseite.
Ein Vorteil von Ausgestaltungen der Erfindung kann eine höhere Anpassungsimpedanz (matching impedance) und/oder eine niedrigere Ausgangskapazität (output capacitance) sein. Eine Verteilung über den gesamten Chip kann homogener als bei anderen Lösungen und weniger anfällig für thermische Hotspots sein.
Nach Ausgestaltungen der Erfindung ist es möglich, z. B. zwei-Schichten Leiterplatten (2-layer pcb) für Pakete (flip chip packages) mit weniger oder keinen Anpassungselementen zu realisieren.
Es können RFPAs für MRTs 101 basierend auf klassischen Ansätzen mit gepackten Transistoren verwendet werden.

Claims

Leistungselektronikbaueinheit für einen Verstärker (RFPA, Vx, Vy, Vz) eines bildgebenden MRT-System (101), mit mindestens einer Leiterplatte (PCB), auf der mehrere Transistoren (EPC2010) angeordnet sind, wobei Anschlüsse (drain, source) von Transistoren durch elektrisch leitende Verbindungen (Vb) miteinander verbunden sind, wobei die Transistoren auf einer Seite einer Leiterplatte (PCB) angeordnet sind, und wobei auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (PCB) eine zu den Verbindungen (Vb) zumindest in Abschnitten (Abs) parallele Ausgangsleitung (VI) verläuft, die mit oder ohne weitere zwischengeschaltete Elemente (Balun) mit Sendespulen (108) des MRT-Systems (101) verbindbar oder verbunden ist.
Leistungselektronikbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Anschlüsse (source) mehrerer der Transistoren durch elektrisch leitende Verbindungen (Vb) miteinander verbunden sind, und/oder dass die Drain-Anschlüsse (drain) mehrerer der Transistoren durch elektrisch leitende Verbindungen (Vb) miteinander verbunden sind, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass in Verbindungen zwischen Source-Anschlüssen (source) der Transistoren Ströme antiparallel zu Strömen in Verbindungen zwischen Drain-Anschlüsse (drain) der Transistoren verlaufen.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrere Source-Anschlüsse (source) miteinander verbunden sind.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren auf der Leiterplatte ohne Bonding-Anschlüsse angeordnet sind.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastimpedanz eines Transistors 12.5 Ohm ist, insbesondere in einer Push-Pull-Anwendung.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanz der Leistungselektronikbaueinheit 50 Ohm ist.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanz der Leistungselektronikbaueinheit von 50 Ohm auf die Lastimpedanz eines Transistors von 12.5 Ohm transformiert wird, insbesondere mit einem Transformator mit Wicklungsverhältnis von 2:1 der Verstärkerseite zur Ausgangsseite.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaueinheit (LBE) auf einer Leiterplatte (PCB) zwei Module (EPC2010) mit jeweils mehreren Transistoren aufweist, die vorzugsweise alle auf der gleichen Seite einer Leiterplatte (PCB) montiert sind.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaueinheit (LBE) auf einer Leiterplatte (PCB) mindestens vier Module (EPC2010) mit jeweils mehreren Transistoren aufweist, die vorzugsweise alle auf der gleichen Seite einer Leiterplatte (PCB) montiert sind.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikbaueinheit (LBE) auf einer Leiterplatte (PCB) vier Module (EPC2010) mit jeweils mehreren Transistoren aufweist, die vorzugsweise alle auf der gleichen Seite einer Leiterplatte (PCB) montiert sind, wobei der Abstand von Modulen (EPC2010) zueinander in einer Richtung (L) deutlich größer als in der dazu senkrechten Richtung (W).
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Module (EPC2010) jeweils mehrere Transistoren mit drei internen Drain-Anschlüssen und zwei internen Source-Anschlüssen aufweisen.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen 1:1 oder 2:1 Transformator aufweist.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Leistungselektronikbaueinheit mit zwei Anschlüssen (+, –) an zwei gegenüberliegenden Seiten der Leistungselektronikbaueinheit (LBE) ausgebildet ist.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Leistungselektronikbaueinheit mit zwei Anschlüssen (+, –) an derselben Seite der Leistungselektronikbaueinheit ausgebildet ist.
Leistungselektronikbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine HF-Verstärkeranordnung (Vx, Vy, Vz, RFPA) oder Teil einer HF-Verstärkeranordnung (Vx, Vy, Vz, RFPA) eines MRT-Systems (101) ist.