KR101925155B1 - 경사 코일 드라이버 회로에서 소프트 스위칭 조건을 유지하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

경사 코일 드라이버 회로에서 소프트 스위칭 조건을 유지하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에서, 시스템은 자기 공명 영상 시스템의 경사 코일에 전기 신호를 공급하도록 구성되는 경사 코일 드라이버를 포함한다. 경사 코일 드라이버는 전자 회로를 포함한다. 전자 회로는 전력원에 전기적으로 연결된 제 1 H-브리지 회로를 포함한다. 제 1 H-브리지는 복수의 MOSFET 스위치; 및 각 MOSFET 스위치에 전기적으로 병렬로 연결된 복수의 다이오드를 포함한다. 복수의 다이오드의 각 다이오드는 복수의 MOSFET 중 하나의 MOSFET의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성된다. 제 1 H-브리지는 또한 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치 및 복수의 다이오드 각각을 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성된 부하를 포함한다.

Description

경사 코일 드라이버 회로에서 소프트 스위칭 조건을 유지하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MAINTAINING SOFT SWITCHING CONDITION IN A GRADIENT COIL DRIVER CIRCUIT}
본 발명은 경사 코일 드라이버 회로에서 소프트 스위칭 조건을 유지하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging: MRI) 검사는, 환자와 같은 관심 대상 내 핵 스핀을 가지는 자기회전 물질(gyromagnetic material)과 함께 주요 자계(a primary magnetic field), 무선주파수(RF) 자계 및 시변 경사 자계(time varing magnetic gradient fields) 사이의 상호작용에 기초한다. 물 분자 내 수소 핵과 같은 특정 자기회전 물질는 외부 자계에 응답하여 특성 거동을 가진다. 이러한 핵의 스핀의 세차(precession)는 검출되고, 처리되고, 및 유용한 이미지를 재구성하는데 사용될 수 있는 RF 신호를 생성하기 위해 자계의 조작에 의해 영향을 받을 수 있다.
MRI 시스템에서 이미지를 생성하는데 사용되는 자계는 주요 계자(a primary field magnet)에 의해 생성되는 매우 균일한 정자계(highly uniform, static magnetic field)를 포함한다. 일련의 경사 자계(series of gradient fields)는 목표물 주위에 위치된 경사 코일 세트에 의해 생성된다. 경사 자계는 2차원 또는 3차원에서 각 평면 또는 부피 구성요소(픽셀 또는 복셀)의 위치를 부호화한다. RF 코일은 RF 자계를 생성하는데 이용된다. 이 RF 자계는, 이들의 평형 방향으로부터 일부 자기회전 핵의 스핀에 섭동(perturbs)을 일으키고, 스핀으로 하여금 이들의 평형 자화(equilibrium directions)의 축 주변에서 세차(precess)하도록 만든다. 이 세차 동안, 핵을 세차하고 회전시킴으로써 RF 자계가 방출되고, 동일한 전송 RF 코일 또는 하나 이상의 별도 코일에 의해 검출된다. 이러한 신호는 증폭, 필터링, 및 디지털화된다. 디지털화된 신호는 그 이후 유용한 이미지를 재구성하도록 하나 이상의 알고리즘을 사용하여 프로세싱된다. 본 발명과 관련된 종래기술은, 예컨대, 미국 특허 제5,198,969호에 기재되어 있다.
일 실시예에서, 시스템은 자기 공명 영상 시스템(a magnetic resonance imaging system)의 경사 코일(a gradient coil)에 전기 신호를 공급하도록 구성되는 경사 코일 드라이버를 포함한다. 경사 코일 드라이버는 전자 회로를 포함한다. 전자 회로는 전력원에 전기적으로 연결된 제 1 H-브리지 회로를 포함한다. 제 1 H-브리지 회로는, 복수의 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 스위치와, 각 MOSFET 스위치에 전기적으로 병렬로 연결되는 복수의 다이오드를 포함한다. 복수의 다이오드의 각 다이오드는 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성된다. 제 1 H-브리지는 또한 복수의 다이오드 각각과 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치를 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성되는 부하를 포함한다.
다른 실시예에서, 자기 공명 영상 시스템의 경사 코일에 전기 신호를 공급하도록 구성되는 경사 코일 드라이버 내 기존 전자 회로를 대체하도록 구성되는 전자 회로를 포함하는 레트로피트 키트(a retrofit kit)가 제공된다. 전자 회로는, 전력원에 전기적으로 연결된 제 1 H-브리지 회로를 포함한다. 제 1 브리지 회로는, 복수의 MOSFET 스위치와, 각 MOSFET 스위치에 전기적으로 병렬로 연결되는 복수의 다이오드를 포함한다. 복수의 다이오드의 각 다이오드는 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성된다. 제 1 H-브리지 회로는 또한 다수의 다이오드 각각과 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치를 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성되는 부하를 포함한다.
다른 실시예에서, 자기 공명 영상 시스템(MRI)이 제공되며, 이는 환자 내 자기회전 핵(gyromagnetic nuclei)을 평형 자화(an equilibrium magnetization)에 두도록 구성되는 주요 계자(a primary field magnet)와, 인가된 전압에 응답하여 위치 정보를 자기회전 핵으로 부호화하도록 구성되는 복수의 경사 코일과, 이들의 평형 자화에서 떠나서 자기회전 핵을 섭동(perturb)하도록 구성되는 무선주파수(RF) 전송 코일과, 경사 코일, RF 전송 코일, 및 복수의 RF 수신 코일에 연결되는 제어 회로를 포함한다. 제어 회로는 경사 코일, RF 전송 코일, 또는 이들의 임의의 조합에 제어 신호를 인가하도록 구성된다. 시스템은 또한 복수의 경사 코일에 인가된 전압을 구동하도록 구성되는 전력 시스템을 포함한다. 전력 시스템은 경사 코일 중 적어도 하나에 전기 신호를 공급하도록 구성되는 경사 코일 드라이버 회로를 포함한다. 경사 코일 드라이버는 전자 회로를 포함한다. 전자 회로는 전력원에 전기적으로 연결된 하나 이상의 H-브리지 회로를 포함한다. 하나 이상의 H-브리지 회로 각각은, 복수의 MOSFET 스위치와, 각 MOSFET 스위치에 전기적으로 병렬로 연결되는 복수의 다이오드를 포함한다. 복수의 다이오드의 각 다이오드는 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성된다. 하나 이상의 H-브리지 각각은 또한 복수의 다이오드 각각과 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치를 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성되는 부하를 포함한다.
본 발명의 이러한 및 다른 피쳐, 양태, 및 이점들은, 첨부된 도면과 관련하여 다음의 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이며, 여기서 유사한 특성들은 도면 전체에 걸쳐 유사 부분을 나타낸다.
도 1은 본 개시물의 일 양태에 따라, 데이터 획득 및 이미지 재구성을 수행하도록 구성된 자기 공명 영상 시스템에 관한 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 개시물의 일 실시예에 따른 자기 공명 영상(MRI) 머신의 경사 코일을 구동하는 전력 시스템의 시스템 레벨도이다.
도 3은 본 개시물의 일 양태에 따라, 경사 코일 구동 회로의 스위칭 회로를 도시하는 회로도이다.
도 4는 본 개시물의 일 양태에 따라, 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 내 영 전압 스위칭을 위한 조건을 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 개시물의 양태에 따라, 경사 코일 구동 회로의 유도형 부하(inductive load)의 양측 상의 가능한 전압과 유도형 부하를 통해 흐르는 전류 사이의 관계를 도시하는 전압 및 전류 프로파일이다.
도 6은 본 개시물의 양태에 따라, 경사 코일 구동 회로의 유도형 부하의 양측 상의 가능한 전압과 유도형 부하를 통해 흐르는 전류 사이의 관계를 도시하는 전압 및 전류 프로파일, 및 경사 코일 구동 회로 내 디바이스가 전류가 흐르게 하는 시간을 개략적으로 나타낸 시간 프로파일이다.
도 7은 2상 H-브리지 경사 구동 회로의 각 측의 유도형 부하 중 양측의 가능한 전압과 경사 코일에 공급되는 출력 전압 사이의 관계를 도시하는 전압 프로파일이다.
도 8은 본 개시물의 일 양태에 따라, 2상 H-브리지 경사 구동 회로의 각 측의 유도형 부하 중 양 측의 가능한 전압과 경사 코일에 공급되는 출력 전압 사이의 관계를 도시하는 전압 프로파일이다.
도 9는 본 개시물의 일 양태에 따라, 경사 구동 회로 내 SiC MOSFET에서 영 전압 스위칭이 가능한 위상 시프트 및 듀티 사이클의 영역을 시각적으로 도시한 그래프이다.
도 10은 본 개시물의 일 양태에 따라, 위상 시프트 각 및 듀티 사이클에 기초한 영 전압 스위칭을 위한 경계선을 도시하는 전압 및 전류 프로파일이다.
하나 이상의 구체적인 실시예들이 아래에서 설명될 것이다. 이러한 실시예들에 관한 간결한 설명을 제공하기 위해, 실제 구현의 모든 피쳐들이 명세서에 설명되지 않을 수 있다. 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같은 임의의 그러한 실제 구현의 개발에서, 다양한 구현 구체적 결정(implementation-specific decisions)은, 하나의 구현에서 다른 구현으로 변할 수 있는 개발자의 구체적인 목표, 가령, 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제한사항과의 부합을 달성하도록 행해져야 한다는 것을 유념해야 한다. 더욱이, 그러한 개발 노력이 복잡하고 시간소모적일지 모르나, 그럼에도 불구하고 본 개시물의 이득을 가지는 당업자들을 위한 설계, 공정, 및 제조의 루틴한 작업일 것이라는 것을 유념해야 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 소개할 때, 관사 "일(a)", "하나의(one)", "상기(the)" 및 "상기(said)"는 하나 이상의 요소들이 존재하는 것을 의미하도록 의도된다. 용어 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "구비하는(having)"은 포괄적일 것으로 의도되며 나열된 요소들 외에 다른 추가 요소들이 존재할 수 있음을 의미한다.
앞서 언급된 바와 같이, MRI에서, 경사 코일에 의해 생성된 경사 자계는 2차원 또는 3차원에서 각 평면 요소 또는 부피 요소(픽셀 또는 복셀(voxels))의 위치를 부호화(encode)한다. 그러한 부호화가 가능하도록 하기 위해, 각 경사 코일은 자계 강도 및 방향에 대한 빠르고 정확한 변경을 생성할 수 있어야 한다. 일반적으로, 경사 구동 드라이버 회로는 각 경사 코일의 자계에 빠르고 정확한 변경을 야기하는데 사용되는 가변 전압 신호를 발생시키는데 이용된다. 드라이버 회로는 가변 전압 신호를 발생시키기 위해 전통적인 시스템에서 하드 스위칭되는 일련의 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
불행하게도, 이러한 스위칭 회로를 하드 스위칭하는 것은, 시스템 내 큰 양의 스위칭 손실을 발생시킬 수 있고, 드라이버를 부피가 크고 비효율적으로 만들 수 있다. 응답 시간을 감소시키려는 시도로 수동 컴포넌트의 무게 및 크기를 감소시키기 위해 하드 스위칭 회로의 동작 주파수가 증가될 수 있으나, MRI의 고전력 고전압 요구조건에 대하여, 경사 드라이버 회로의 하드 스위칭으로 인한 비교적 많은 양의 스위칭 손실은 그러한 드라이버를 불충분하거나 추가 개선 대상으로 만들 수 있다. 예를 들어, 그러한 회로에서의 하드 스위칭은 빠른 전류 또는 전압 천이를 발생시킬 수 있고, MRI 애플리케이션에 대하여 특히 문제가 되는 전자기 간섭 잡음(electromagnetic interference noise)으로 이어질 수 있다.
현재 실시예들은 SiC MOSFET 스위치와 같은 MOSFET 스위치를 위한, 또는 IGBT(insulated-gate bipolar transistor) 스위치를 위한 소프트 스위칭 조건을 유지할 수 있는 경사 구동 회로(a gradient driving circuit)를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 실제로, 본 개시물은 MOSFET 스위치의 맥락에서 특정 실시예를 나타내지만, 본원에 개시된 일부 또는 모든 MOSFET 스위치는 IGBT 스위치로 대체될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 경사 구동 회로는 2상 H-브리지 회로를 포함한다. 디지털 제어기는 2상 H-브리지 회로의 각 측의 한 쌍의 유도형 부하(예를 들어, 경사 코일)에 걸쳐 전압 신호를 인가하도록 경사 구동 회로의 스위치를 제어할 수 있다. 2상 H-브리지 회로의 각 측의 전압 신호는 동일한 듀티 사이클 및 펄스 폭 변조 프로파일로 동작하지만, 유도형 부하 쌍의 양측의 전압 신호들 사이의 유동적인 위상 시프트로 동작하지는 않는다. 각 MOSFET(또는 IGBT)의 소스와 드레인을 접속시키는 다이오드를 통한 전류 흐름을 따라 유도형 부하의 쌍의 양측에 인가된 전압 신호들 사이의 위상 시프트는 SiC MOSFET 스위치(또는 IGBT)의 소프트 스위칭을 가능하게 하고, 시스템의 효율성을 향상시키고 시스템 크기를 감소시킨다.
본원에서 설명된 소프트 스위칭 경사 코일 드라이버 회로를 사용하여, MRI 시스템은 빠르고 제어된 방식으로 데이터 획득을 수행할 수 있다. 획득된 데이터는 재구성될 수 있고, 예를 들어, MRI 시스템을 사용하여 그로부터 이미지가 합성된다. 도 1을 참조하면, 자기 공명 영상 시스템(10)은, 자기 공명 데이터를 획득하고 관심 대상의 이미지를 생성하는데 함께 사용되는 시스템 제어 회로(16), 스캐너 제어 회로(14), 및 스캐너(12)를 포함하는 것으로서 개략적으로 도시된다. 시스템(10)은 추가적으로 의료 영상 저장 전송 시스템(picture archiving and communication systems: PACS)(18)과 같은 원격 액세스 및 저장 시스템 또는 디바이스, 또는 원격방사선진단 장비(teleradiology equipment)와 같은 다른 디바이스를 추가적으로 포함하고, 이로써 시스템(10)에 의해 획득된 데이터는 현장에서(on site) 또는 떨어진 곳(off-site)에서 액세스될 수 있다. 도시된 실시예에서, MRI 시스템(10)은 임의의 적합한 스캐너 또는 검출기를 포함할 수 있으나, 시스템(10)은 보어(a bore)(22)가 형성된 하우징(20)을 구비한 전신 스캐너(full body scanner)를 포함한다. 테이블(24)은, 환자 내 선택된 조직(anatomy)을 이미징하기 위해 환자(26)가 내부에 위치되도록 보어(22) 내로 이동가능하다.
스캐너(12)는 이미징되는 대상의 조직 내 자기회전 물질을 여기(exciting)시키기 위해 제어된 자계를 발생시키기 위한 일련의 관련 코일을 포함한다. 특별히, 주요 계자 코일(a primary magnet coil)(28)은, 보어(2)와 전반적으로 나란한 주요 자계를 생성하기 위해 제공된다. 본원에서 설명되는 경사 코일 드라이버 회로에 의해 제어될 수 있는 모든 또는 일부 일련의 경사 코일(30, 32 및 34)은, 검사 시퀀스 동안 환자(26) 내 소정의 자기회전 핵의 위치적 부호화를 위해 제어된 경사 자계가 생성되도록 할 수 있다. 무선 주파수(RF) 코일(36)이 제공되고, 이는 환자 내 소정의 자기회전 핵을 여기시키기 위해 무선 주파수 펄스를 생성하도록 구성된다. 스캐너(12)에 속하는 코일에 더하여, 시스템(10)은 또한 환자(26)의 몸 중심쪽의(예를 들어, 환자 가까이) 배치를 위해 구성되는 수신 코일(38)의 세트(예를 들어, 코일 어레이)를 포함한다. 수신 코일(38)은 에워싸인 기하학적 구조 및 단면 기하학적 구조(enclosed and sigle-sided geometries) 모두를 포함하는 임의의 기하학적 구조를 가질 수 있다. 예로서, 수신 코일(38)은 경추/흉추/요추(cervical/thoracic/lumbar: CTL) 코일, 헤드 코일, 단면 척추 코일(single-sided spine) 등을 포함할 수 있다. 일반적으로, 특정 자기 회전 핵이 차분한 상태(relaxed state)로 전환함에 따라 환자(26) 내 특정 자기회전 핵에 의해 생성되는 약한(스캐너 코일에 의해 생성된 전송 펄스에 비해 약한) RF 신호를 수신하기 위해 수신 코일(38)은 환자(26) 가까이 또는 위에 배치된다. 수신 코일(38)은, 스캐너 코일(scanner coils)에 의해 생성되는 전송 펄스로 공명하거나 수신하지 않도록 하기 위해 스위칭 오프 될 수 있고, 자기회전 핵을 차분화함으로써 생성되는 RF 신호로 공명하거나 수신하기 위해 스위치 온 될 수 있다.
시스템(10)의 다양한 코일은 외부 회로에 의해 제어되어 원하는 자계 및 펄스를 생성하고, 제어된 방식으로 자기회전 물질로부터의 방출(emission)을 판독한다. 도시된 실시예에서, 주요 전력 공급원(40)은 주요 자계 코일(28)에 전력을 제공한다. 본 발명에 따라 소프트 스위칭 경사 코일 드라이버 회로를 포함하는 드라이버 회로(42)는, 경사 자계 코일(30, 32, 및 34)을 펄싱하기 위해 제공된다. 소프트 스위칭 경사 코일 드라이버 회로의 양태들은 도 2 내지 도 10에 대하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
일반적으로, 회로(42)는, 스캐너 제어 회로(14)에 의한 디지털화된 펄스 시퀀스 출력으로써 정의되는 바와 같이 코일에 전류를 공급하기 위한 증폭 및 제어 회로를 포함할 수 있다. 다른 제어 회로(44)는, RF 코일(36)의 동작을 조절하기 위해 제공된다. 회로(44)는, 동작의 활성 모드와 비활성 모드 사이를 오가도록 하기 위한 스위칭 디바이스를 포함하는데, 여기서 RF 코일(36)은 각각 신호를 전송하고 전송하지 않는다. 회로(44)는 또한 RF 펄스를 생성하기 위한 증폭 회로를 포함한다. 마찬가지로, 수신 코일(38)은 수신 및 비수신 모드 사이에서 수신 코일(48)을 스위칭할 수 있는 스위치(46)에 접속된다. 추가적으로, 수신 회로(48)는 수신 코일(38)에 의해 검출된 데이터를 수신하기 위해 제공되고, 하나 이상의 멀티플렉싱 및/또는 증폭 회로를 포함할 수 있다.
전술된 스캐너(12) 및 제어/증폭 회로는 단일 라인(a single line)으로 연결된 것으로 도시되지만 많은 그러한 라인 또는 접속이 실제 실체화(an actual instantiation)에 있어서 존재할 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 예를 들어, 별도의 라인들은 제어, 데이터 통신 등을 위해 사용될 수 있다. 또한, 적합한 하드웨어가 데이터의 적절한 처리를 위해 각 타입의 라인을 따라 배치될 수 있다. 실제로, 다양한 필터, 디지털화 장치, 프로세서들이 스캐너와, 스캐너 제어 회로(14) 및 시스템 제어 회로(16) 중 하나와의 사이에 또는 양자와의 사이에 배치될 수 있다.
도시된 바와 같이, 스캐너 제어 회로(14)는, 경사 자계 코일 및 RF 코일을 구동하기 위해 그리고 검사 시퀀스에서 발생된 자기 공명 신호를 나타내는 데이터를 수신하기 위해 신호를 출력하는 인터페이스 회로(50)를 포함한다. 인터페이스 회로(50)는 제어 및 분석 회로(52)에 연결된다. 제어 및 분석 회로(52)는 시스템 제어 회로(16)를 통해 선택된 정의된 프로토콜에 기초하여 회로(42)와 회로(44)를 구동하기 위한 커맨드를 실행한다. 제어 및 분석 회로(52)는 또한 자기 공명 신호를 수신하고, 데이터를 시스템 제어 회로(16)로 전송하기 이전에 후속 프로세싱을 수행하는 역할을 한다. 스캐너 제어 회로(14)는 또한 하나 이상의 메모리 회로(54)를 포함하며, 이는 동작 동안 구성 파라미터, 펄스 시퀀스 디스크립션(pulse sequence descriptions), 검사 결과 등을 저장한다. 인터페이스 회로(56)는, 스캐너 제어 회로(14)와 시스템 제어 회로(16) 사이의 데이터 교환을 위해 제어 및 분석 회로(52)에 연결된다.
시스템 제어 회로(16)는 스캐너 제어 회로(14)로부터 데이터를 수신하고 스캐너 제어 회로(14)로 다시 커맨드 및 데이터를 전송하는 인터페이스 회로(58)를 포함한다. 인터페이스 회로(58)는, 다목적 또는 주문형 컴퓨터 또는 워크스테이션의 CPU를 포함할 수 있는 제어 및 분석 회로(60)에 연결된다. 제어 및 분석 회로(60)는, MRI 시스템(10)의 동작을 위해 프로그래밍 코드를 저장하도록 그리고 재구성, 디스플레이 및 전송을 위해 획득된 이미지를 저장하도록 메모리 회로(62)에 연결된다. 추가 인터페이스 회로(64)는, 원격 액세스 및 저장 디바이스(18)와 같은 외부 시스템 컴포넌트와 이미지 데이터, 구성 파라미터 등을 교환하기 위해 제공될 수 있다. 마지막으로, 시스템 제어 및 분석 회로(60)는, 오퍼레이터 인터페이스를 가능하게 하기 위해 그리고 재구성된 이미지의 하드 카피를 생성하기 위해 다양한 주변 디바이스를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 이러한 주변 장치들은 프린터(60), 모니터(62), 및 키보드 또는 마우스와 같은 사용자 인터페이스(64)를 포함한다.
스캐너(12)와 제어 및 분석 회로(52)는 환자(26) 내 특정 자기회전 물질을 여기시키고 부호화하기 위해 제어된 방식으로 무선 주파수 펄스 및 자계를 발생시킨다. 스캐너(12)와 제어 및 분석 회로(52)는 또한 그러한 물질에서 나오는 신호를 감지하고 스캔되고 있는 물질의 이미지를 생성한다. 설명된 MRI 시스템은 단지 예시를 위한 것이며, "오픈" MRI 시스템과 같은 다른 시스템 타입 또한 사용될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 유사하게, 그러한 시스템은 이들의 주요 계자의 강도에 의해 등급화될(rated) 수 있고, 아래에서 설명되는 데이터 획득 및 프로세싱을 실행할 수 있는 임의의 적합하게 등급화된 시스템이 사용될 수 있다.
다시 말해, 본 실시예들은 도 1에 관하여 위에서 개시된 것들과 같이, 하나 이상의 경사 코일에 가변 전압 신호를 제공하도록 소프트 스위칭할 수 있는 경사 코일 드라이버 회로에 관한 것이다. 도 1의 MR 스캐너(12)의 경사 코일(30, 32, 34)를 구동하기 위한 전력 시스템(70)에 관한 일 실시예가 도 2에 개략적으로 도시된다. 전력 시스템(70)은 장비실(74) 및 스캔실(76)에 배치될 수 있다. 장비실(74)은, 다이오드 정류기(80)에 전기적으로 연결된 AC 전력원(78)을 포함한다. 다이오드 정류기는 AC 전력원(78)의 교류를 직류로 변환할 수 있다. 직류는, 스캔실(76)로 전달될 수 있고 고주파 절연 DC 투 DC 컨버터(a high frequency isolated DC-to-DC converter)(82)에 공급될 수 있다. 고주파 절연 DC 투 DC 컨버터(82)는, 다이오드 정류기(80)에 의해 공급되고 있는 전압을 경사 코일 드라이버(84)에 의한 사용을 위한 적절한 전압으로 변환할 수 있다. 경사 코일 드라이버(84)는 디지털 제어기(86)로부터 디지털 신호를 수신할 수 있고 자기 공명 스캐너(12)의 경사 코일(30, 32, 34)을 구동하는데 사용되는 전압 신호를 출력할 수 있다. 경사 코일 드라이버(84)가 스캔룸(76) 내 위치되는 것으로 도시되었으나, 경사 코일 드라이버(84)가 장비실(74)에 배치되는 구성을 포함하는 임의의 배치 스킴이 현재 고려될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 실제로, 변환기(82), 또는 경사 코일 드라이버(84), 또는 디지털 제어기(86), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 전력 시스템(70)의 컴포넌트가 스캔실(76)이 아닌 장비실(74)에 배치될 수 있다는 것이 현재 고려된다.
도 3은 도 2에 도시된 경사 코일 드라이버(84)의 스위칭 회로(89)에 관한 일 실시예를 예증한다. 스위칭 회로(89)는 기존 경사 코일 드라이버 내 기존 회로를 대체하도록 구성되는 모든 또는 일부의 레트로피트 키트(a retrofit kit)로서 이용될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 대안적으로, 스위칭 회로(89)는, MRI 스캐너(예를 들어, 도 1의 스캐너(12))를 위한 기존 경사 코일 드라이버를 대체하기 위해 경사 코일 드라이버(84)와 함께 제공될 수 있다. 키트는 그러한 대체를 가능하게 하기 위해, 케이블, 커넥터 등과 같은 다양한 부대용품을 포함할 수 있다.
회로(89)를 참조하면, 전력원(90)은 전기 그라운드(92)에 접속될 수 있고 경사 코일 드라이버(84)에 전력을 제공할 수 있다. 도시된 바와 같이, 경사 코일 드라이버(84)는 8개의 스위치(94)를 포함하나, 드라이버(84)는 더 적은(예를 들어, 4개) 또는 더 많은(예를 들어, 12개) 수의 스위치를 포함할 수 있다. 스위치(94)는 제 1 스위치(Q1), 제 2 스위치(Q2), 제 3 스위치(Q3), 제 4 스위치(Q4), 제 5 스위치(Q5), 제 6 스위치(Q6), 제 7 스위치(Q7), 및 제 8 스위치(Q8)로 지정된다. 도시된 실시예에서, 8개의 스위치(94)는 2개의 분리된 H-브리지 - 제 1 H-브리지(H1) 및 제 2 H-브리지(H2) - 내에 배치된다.
스위치(94)는 SiC를 포함하나 이에 한정되지는 않는 임의의 하나의 물질 또는 물질들의 조합을 사용하여 구성될 수 있다. 실제로, 임의의 적합한 물질은 현재 스위치(94) 내 사용을 위해 현재 고려되지만(예를 들어, 실리콘), 일 실시예에서, 스위치(94)는 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET일 수 있다. 다시 말해, 위에서 언급된 바와 같이, 모든 또는 일부 스위치(94)는 MOSFET이 아닌 IGBT일 수 있다는 것이 현재 고려된다. 따라서, 스위치(94)가 현재 SiC MOSFET으로 논의되지만, 이들의 관련 설명은 Si MOSFET 및 IGBT를 포함하나 이에 한정되지 않는 구성 또는 물질 내 모든 변경(variations)을 포괄하고자 한다. 일 실시예에서, SiC MOSFET은, Si를 포함하는 다른 MOSFET 물질 대비 스위칭 손실의 감소 및 더 빠른 스위칭을 가능하게 하는데 바람직하다.
각 스위치(94)는 SiC MOSFET의 드레인 및 소스에 전기적으로 연결되는 다이오드(96)를 포함할 수 있다. 특히, 제 1 스위치(Q1)에 관하여 도시된 바와 같이, 다이오드(D1)는, MOSFET에 대하여 전기적으로 병렬로 위치되며 이로써 전류는 MOSFET 자체(예를 들어, MOSFET의 채널)를 통해서가 아닌 다이오드(D1)를 통해 MOSFET의 소스(93)에서 MOSFET의 드레인(95)으로 전류가 흐르도록 한다. 이 동작은 모든 스위치(94)에 대하여 실질적으로 동일하다. 다이오드(96)는 전류가 SiC MOSFET 스위치(94)의 드레인과 소스 사이에 흐르도록 할 수 있어 영 전압 포텐셜에서 "온(on)" 상태로의 SiC MOSFET의 스위칭이 가능하게 한다. 각 SiC MOSFET은 전도되고 있을 때 "온" 상태에 있고, 전도되고 있지 않을 때 "오프" 상태에 있는 것으로 고려될 수 있다. 경사 코일 드라이버(84)의 각 H-브리지(97)는, 예증의 실시예에서, 제 1 H-브리지(H1)상에 배치된 제 1 인덕터(L1) 및 제 2 인덕터(L2), 및 제 2 H-브리지(H2)상에 배치된 제 3 인덕터(L3) 및 제 4 인덕터(L4)를 포함하는 유도형 부하(98)를 포함할 수 있다. 동작 동안, 각 유도형 부하(98)는 이를 통해 흐르는 전류를 가지며, 화살표로 표현된다. 특히, 동작 동안, 제 1 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류는 제 1 전류(IL1)이고, 제 2 인덕터(L2)를 통해 흐르는 전류는 제 2 전류(IL2)이고, 제 3 인덕터(L3)를 통해 흐르는 전류는 제 3 전류(IL3)이고, 제 4 인덕터(L4)를 통해 흐르는 전류는 제 4 전류(IL4)이다. 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2) 사이의 지점은 양의 출력 전압 단자(100)일 것이다. 제 3 인덕터(L3)와 제 4 인덕터(L4) 사이의 지점은 음의 전압 출력 단자(102)일 것이다. 양의 출력 전압 단자(100) 및 음의 출력 전압 단자(102)는 전압 신호(Vout)를 경사 코일(30, 32, 34)에 제공할 수 있어 경사 코일(30, 32, 34)에 의해 생성되고 있는 경사 자계(gradient fields)를 제어한다.
본 실시예들에 따라, 각 스위치(94)(스위치 Q1, 스위치 Q2, 스위치 Q3, 스위치 Q4, 스위치 Q5, 스위치 Q6, 스위치 Q7, 및 스위치 Q8) 사이의 상이한 "온" 및 "오프" 상태는, 각 유도형 부하(98)(예를 들어, L1 내지 L4) 내 다양한 상이한 전류 흐름을 야기할 수 있다. 예를 들어, 제 1 H-브리지(H1)를 참조하면, 제 1 및 제 3 스위치(Q1 및 Q3) 양자가 온으로 전환되는 실시예들에서, 제 1 및 제 2 스위치(Q1 및 Q2) 사이의 H-브리지(H1)의 제 1 레그(leg)(104)에서 측정되는 전압 기준(V1)과 제 3 및 제 4 스위치(Q3 및 Q4) 사이의 제 1 H-브리지의 제 2 레그(106)에서 측정되는 전압 기준(V2) 모두는 전력원(90)의 전압과 실질적으로 동일한 전압을 갖는다. 제 1 인덕터(L1)와 제 2 인덕터(L2) 사이의 전압차이가 없기 때문에, 제 1 전류(IL1)와 제 2 전류(IL2)는 실질적으로 일정한 전류일 수 있다. 그러나, 제 2 및 제 3 스위치(Q2 및 Q3)가 온으로 전환된다면, 전압 기준(V1)은 전력원(90) 전압과 실질적으로 동일한 전압을 가질 수 있고 전압 기준(V2)은 전기 그라운드(92)의 전압과 실질적으로 동일한 전압을 가질 수 있다. 유도형 부하(98)에 걸친 이 전압차는 각 유도형 부하(98)에 차동 전류(a differential current)를 야기할 수 있다. 이 경우, 제 1 전류(IL1)는 일정한 속도로 증가할 수 있고 제 2 전류(IL2)는 일정한 속도로 감소할 수 있다. 경사 코일 드라이버(84)의 다른 H-브리지는 이와 유사하게 거동한다. 예를 들어, 제 6 스위치(Q6) 및 제 8 스위치(Q8)가 온으로 전환된다면, 제 5 및 제 6 스위치(Q5 및 Q6) 사이의 제 2 H-브리지(H2)의 제 1 레그(108)에서 측정되는 전압 기준(V3)과 제 7 및 제 8 스위치(Q7 및 Q8) 사이의 제 2 H-브리지(H2)의 제 2 레그(109)에서 측정되는 전압 기준(V4) 양자는 전기 그라운드(92)의 전압과 실질적으로 동일한 전압을 가질 수 있다. 앞서와 같이, 전압 기준 V3과 전압 기준 V4 사이의 전압차이가 없기 때문에, 제 3 전류(IL3)와 제 4 전류(IL4) 모두 일정한 전류가 될 것이다. 전술된 상황에서, 심지어 스위치가 오프로 전환되는 경우에, 다이오드들(96)(다이오드 D1, 다이오드 D2, 다이오드 D3, 다이오드 D4, 다이오드 D5, 다이오드 D6, 다이오드 D7, 다이오드 D8)은 전류로 하여금 흐르고 전압 기준들(예를 들어, V1, V2, V3 및/또는 V4) 중 하나의 전압을 변경하도록 허용할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 도 3에 도시된 SiC MOSFET 스위치들(94)의 하드 스위칭은 경사 코일 드라이버(84)에서 스위칭 손실을 야기할 수 있다. 소프트 스위칭의 더 효율적인 프로세스는, SiC MOSFET 스위치들(94)을 스위칭하기 위한 영 전압 스위칭을 구현함으로써 경사 코일 드라이버(84)에서 달성될 수 있다. 도 4는 도 3의 경사 코일 드라이버(84)의 SiC MOSFET과 같은 SiC MOSFET 내 그러한 영 전압 스위칭에 적합한 조건들에 관한 일 실시예를 도시하는 그래프(110)이다. 게이트 전압 프로파일(112)은 SiC MOSFET 스위치들(94) 중 하나의 게이트 전압 대 시간을 나타낸다. 게이트 전압 프로파일(112)은 SiC MOSFET 스위치(94)의 게이트에 전압이 인가되는 상승 에지(rising edge)(114)를 포함한다. 드레인-소스 전압 프로파일(116)은 SiC MOSFET 스위치(94)의 소스 및 드레인에 걸친 전압을 나타낸다. 드레인-소스 전류 프로파일(118)은, SiC MOSFET 스위치(94)의 소스 및 드레인을 통해 흐르는 전류를 나타내고, 음의 전류는 SiC MOSFET의 소스로부터 드레인으로의 방향의 컨덕턴스를 나타낸다. 영 전압 스위칭은 드레인-소스 전압이 영일 때 발생할 수 있고, 상승 에지(114)에 의해 나타낸 바와 같이 전압은 게이트에 인가된다. 드레인-소스 전압이 영일 때, 소량의 음의 드레인-소스 전류가 흐르고(예를 들어, 스위치의 관련 다이오드(96)의 존재로 인해), 이는 상승 에지(114)(즉, 전압 적용) 발생 이후 드레인-소스 전류 내 일정한 증가를 가능하게 한다. 다시 말해, MOSFET은, "온" 상태일 때 MOSFET의 보통 컨덕턴스와 반대인 드레인에서 소스로의 방향으로 전류를 전도시키도록 구동된다. 따라서, MOSFET의 통상의 소스-드레인 컨덕턴스로의 스위칭을 가능하게 하도록 MOSFET의 게이트에 전압이 인가될 때, MOSFET은 하드 스위칭 접근법을 사용할 경우 얻어질 수 있는 급격한 천이 보다는 "오프" 상태에서 "온" 상태로의 부드러운 천이를 갖는다. 이 영 전압 스위칭 접근법은 또한 그러한 하드 스위칭 접근법과 관련된 손실을 감소시킬 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 드레인-소스 전압이 영이라면 드레인-소스 전류가 흐르지 않을 때 영 전압 스위칭이 발생할 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
본 실시예들에 따르면, 도 4에서 설명된 영 전압 스위칭은, 위에서 언급된 전압 기준 지점들에 인가된 전압 신호 내 위상 시프트에 의해 가능하게 될 수 있다. 도 5는 도 3의 유도형 부하(98)를 통해 흐르는 전류 및 전압 기준 지점에 인가된 전압 신호의 위상 시프트에 관한 일련의 전압 및 전류 프로파일을 도시한다. 플롯(119)에서, 전압 V1 프로파일(120)은 전압 기준(V1)의 전압 대 시간을 나타낸다. 비슷하게, 전압 V2 프로파일(122)은 전압 기준(V2)의 전압 대 시간을 나타낸다. 전류 IL1 프로파일(124)은 인덕터(L1)에 흐르는 전류(전류 IL1) 대 시간을 나타낸다. 전류 IL2 프로파일(126)은 인덕터(L2)에 흐르는 전류(전류 IL2) 대 시간을 나타낸다. 전압 프로파일(120)에 의해 나타낸 전압 신호와 전압 프로파일(122)에 의해 나타낸 전압 신호는 주기적일 수 있고 이들의 각 기간의 퍼센티지에 대하여 비교적 높을 수 있다. 이 높은 전압에서의 퍼센티지는, 신호의 듀티 사이클(duty cycle)로 지칭될 수 있다. 일 실시예에 따라, 전압 기준(V1)의 전압 신호 및 전압 기준(V2)의 전압 신호(예를 들어, 동일한 H-브리지 내 전압 기준) 양자는 동일한 듀티 사이클을 가질 수 있다. (프로파일 120으로 나타낸) 전압 기준(V1)의 전압 신호와 (프로파일 122로 나타낸) 전압 기준(V2)의 전압 신호는, 이들 사이의 위상 시프트(128)를 가질 수 있어, 대응하는 SiC MOSFET 스위치(94)가 온으로 전환되기 전에 유도형 부하(98)를 통해 흐르는 전류를 음(negative)이 되도록 함으로써 영 전압 스위칭을 가능하게 한다. 도시된 바와 같이, 제 1 시간 세그먼트(130) 동안, 전압 기준(V1)의 전압 신호는 높고, 전압 기준(V2)의 전압 신호는 낮으며, 유도형 부하(98)의 각 측에 전압 차이가 발생한다. 이 전압 차이는 제 1 인덕터(L1)를 통하는 제 1 전류(IL1)가 상승하게 하고, 제 2 인덕터(L2)를 통하는 제 2 전류(IL2)는 감소하게 할 수 있다. 제 2 시간 세그먼트(132) 동안, 전압 기준(V1)의 전압 신호와 전압 기준(V2)의 전압 신호는 모두 낮고, 특정 실시예들에서, 제 1 및 제 2 인덕터(L1 및 L2)의 각 측에 실질적인 전압 차이가 존재하지 않을 수 있다. 그러한 실시예들에서, 두 전류(IL1 및 IL2)는 실질적으로 일정하다. 제 3 시간 세그먼트(134) 동안, 전압 기준(V1)의 전압 신호는 낮고 전압 기준(V2)의 전압 신호는 높으며, 제 1 및 제 2 인덕터(L1 및 L2)의 각 측상의 전압 차이를 야기한다. 이 전압 차이는 제 1 전류(IL1)의 감소 및 제 2 전류(IL2)의 증가를 가능하게 할 수 있다. 제 1 또는 제 2 전류(IL1, IL2) 중 하나가 음일 때, 대응하는 SiC MOSFET 스위치(94)는 영 전압 스위칭과 함께 온으로 전환될 수 있고 따라서 최소의 스위칭 손실을 갖는다.
도 5와 같이, 도 6은 유도형 부하(98)(예를 들어, 제 1 및 제 2 인덕터(L1. L2))를 통해 흐르는 전류 및 전압 기준 지점(예를 들어, V1, V2)에 인가된 전압 신호의 위상 시프트에 관한 일련의 전압 및 전류 프로파일을 도시한다. 도 6은 또한 경사 코일 드라이버(84) 내 각 디바이스에 대한 프로파일을 도시하며, 이는 각 디바이스가 온으로 전환하는 시간 또는 경사 코일 드라이버(84)의 전압 및 전류 프로파일에 관련하여 각 디바이스가 전류를 흐르도록 허용하는 시간을 예증한다. 도 6에서, 위상 시프트(128)는 도 5의 위상 시프트(128)보다 작다. 더 작은 위상 시프트(128) 때문에, 제 1 시간 세그먼트(130)는 더 짧은 기간을 갖는다. 제 1 전류(IL1)는 더 짧은 기간 동안 증가할 수 있기 때문에, 제 1 전류(IL1)는 더 낮은 최대 전류를 가질 수 있다. 추가적으로, 더 작은 위상 시프트(128)로 인해, 제 1 및 제 2 전류(IL1, IL2)는, 도 5의 실시예와 비교하여 제 2 시간 세그먼트(132)에서 더 긴 기간 동안 일정할 수 있다.
디바이스 게이팅 프로파일(device gating profiles)(스위치 Q1 프로파일(136), 스위치 Q2 프로파일(138), 스위치 Q3 프로파일(140), 스위치 Q4 프로파일(142))은 SiC MOSFET 스위치들(94)에 대한 게이팅 타이밍을 나타낸다. 위쪽을 향하는 펄스(upward pulse)는 디바이스가 온으로 전환되고 있음을 나타내고, 아래쪽을 향하는 눈금(downward tick mark)은 디바이스가 오프로 전환되고 있음을 나타낸다. 제 1 시간 세그먼트(130)의 시간 t=0에서, 제 1 전류(IL1)는 음이고 Q4는 오프이며, 이는 전류가 제 3 다이오드(D3)를 통해 흐를 수 있다는 것을 의미한다. 제 1 전류(IL1)가 영으로 증가하기 전에, 제 3 스위치(Q3)는 영 전압 스위칭을 통해 온으로 전환하고 전류가 전력원(90)으로부터 흐르도록 허용할 수 있어, 제 1 전류(IL1)를 점점 더 양으로 만든다. 제 1 전류(IL1)가 음에서 양으로 시프트되면, 제 3 다이오드(D3)는 더 이상 전도성이 되지 않을 수 있다(즉, 더 이상 자신의 의도된 방향으로 전류를 통과시키지 않을 수 있음). 사전결정된 양의 시간 이후에, 제 3 스위치(Q3)는 오프로 전환될 수 있고, 이는 제 4 다이오드(D4)(100)가 전도성이 되도록 만든다(즉, 자신의 의도된 방향으로 전류를 통과시킬 수 있음). 제 4 다이오드(D4)(100)가 전도성이 되면, 전압 기준(V1)에서의 전압은 하강 에지(144)로 나타낸 바와 같이 비교적 높은 전압에서 비교적 낮은 전압으로 떨어질 수 있고, 제 1 전류(IL1)는 감소하기 시작할 수 있다. 제 1 전류(IL1)가 영으로 감소함에 따라, 제 4 스위치(Q4)는 영 전압 스위칭을 통해 온으로 전환될 수 있다. 제 1 전류(IL1)가 양에서 음으로 시프트하고 나면, 제 4 다이오드(D4)는 전류를 전도시키는 것을 중단할 수 있다. 사전결정된 양의 시간 이후에 제 4 스위치(Q4)는 오프로 전환될 수 있고 제 3 다이오드(D3)가 전도성이 되도록 만든다. 디바이스를 온 및 오프로 전환하는 이러한 패턴은, 도 6에 도시된 프로파일을 생성하도록 반복될 수 있다.
유사한 동작 방법은 도 6에 도시된 제 2 전류(IL2)에 관한 그래프를 생성할 수 있다. 제 1 시간 세그먼트(130)의 시간 t=0에서, 제 2 전류(IL2)는 감소하고 있고 전압 기준(V2)의 전압은 낮다. 따라서, 전류는 제 2 다이오드(D2)를 통해 흐른다. 제 2 전류(IL2)가 영으로 감소함에 따라, 제 2 스위치(Q2)는 영 전압 스위칭과 함께 온으로 전환될 수 있다. 사전결정된 양의 시간 이후에, 제 2 스위치(Q2)는 오프로 전환될 수 있고, 이는 제 1 다이오드(D1)가 전도성이 되도록 만든다. 제 1 다이오드(D1)가 전도성이 되면, 기준 전압(V2)의 전압은 높아질 수 있고 제 2 전류(IL2)는 일정해질 수 있다. 제 2 전류(IL2)는 전압 기준(V1)의 전압이 낮아질 때까지 일정할 수 있고, 제 2 전류(IL2)는 증가하기 시작할 수 있다. 제 2 전류(IL2)가 영으로 증가함에 따라, 제 1 스위치(Q1)는 영 전압 스위칭과 함께 온으로 전환될 수 있다. 제 2 전류(IL2)가 음에서 양으로 시프트되면, 제 1 다이오드(D1)는 전류를 전도시키는 것을 중단할 수 있다. 사전결정된 양의 시간 이후에, 제 1 스위치(Q1)는 오프로 전환되고, 이는 제 2 다이오드(D2)가 전도성이 되도록 만든다. 제 2 다이오드(D2)가 유도되면, 전압 기준(V2)의 전압은 낮아질 수 있고 제 2 전류(IL2)는 일정해질 수 있다. 제 2 전류(IL2)는 전압 기준(V1)의 전압이 높아질 때까지 일정할 수 있고, 제 2 전류(IL2)는 감소하기 시작할 수 있다. 제 2 전류(IL2)가 영으로 감소함에 따라, 제 2 스위치(Q2)는 영 전압 스위칭과 함께 온으로 전환될 수 있다. MOSFET 스위치들(94)에 인가된 게이트 전압의 타이밍은, 도 1의 제어 및 분석 회로(52)와 같은 디지털 제어기에 의해 제어될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 위상 시프트 방법은, 양의 출력 단자(100)와 음의 출력 단자(102)에 걸친 주기적인 전압 신호를 도입하기 위해 경사 코일 드라이버(84)의 제 2 H-브리지(H2)로 확장될 수 있다. 도 7은 각 H-브리지(H1, H2)의 유도형 부하(98) 중 하나의 유도형 부하 양측의 가능한 전압과 경사 코일(30, 32, 34)에 공급되고 있는 출력 전압 사이의 관계를 도시한다. 도 7에서, 전압 V1 프로파일(150) 및 전압 V2 프로파일(152)은 실질적으로 동일한 듀티 사이클을 가지나 이들 사이의 위상 시프트를 가지는 신호를 나타낼 수 있다. 마찬가지로, 전압 V3 프로파일(154) 및 전압 V4 프로파일(156)은 실질적으로 동일한 듀티 사이클을 가지나 이들 사이의 위상 시프트를 가지는 신호를 나타낼 수 있다. 출력 전압 프로파일(158)은 양의 출력 단자(100)와 음의 출력 단자(102)에 걸쳐 생성되는 전압(Vout)을 나타낼 수 있다. 양의 출력 단자(100)와 음의 출력 단자(102)에 걸쳐 생성되는 출력 전압은, 전압 V1와 V2의 합에서 전압 V3과 V4의 합을 감산하여 얻어진 값에 비례할 수 있다. 예를 들어, 제 1 구간(160)에서, 전압 V1은 높고, 전압 V2는 높고, 전압 V3은 높고, 전압 V4는 낮다. 따라서, 양의 출력 단자(100)(전압 V1 및 전압 V2)를 가지는 제 1 H-브리지(H1)는 두 개의 높은 전압을 가지는 반면, 음의 출력 단자(102)(전압 V3 및 전압 V4)를 가지는 제 2 H-브리지(H2)는 하나의 높은 전압을 갖는다. 그러므로, 총 한 개의 높은 전압이 존재하여 양의 출력 전압을 야기한다. 이와 반대로, 제 2 구간(162)에서, 전압 V1은 높고, 전압 V2는 낮고, 전압 V3은 높고, 전압 V4는 낮다. 이 경우, 제 1 및 제 2 H-브리지(H1, H2) 모두 한 개의 높은 전압을 가지며, 총 전압은 없고 낮거나 실질적으로 영인 출력 전압을 야기한다.
도 8은, 양의 출력 단자(100)를 가지는 제 1 H-브리지의 더 큰 듀티 사이클이 출력 전압 프로파일(158)로 표현된 출력 전압을 증가시킬 수 있는 방식을 도시한다. 제 3 구간(164)에서, (프로파일 150으로 표현된 바와 같은) 전압 V1은 높고, (프로파일 152로 표현된 바와 같은) 전압 V2는 높고, (프로파일 154로 표현된 바와 같은) 전압 V3은 낮고, (프로파일 156으로 표현된 바와 같은) 전압 V4는 낮다. 그러므로, 제 1 및 제 2 H-브리지(H1, H2) 사이에 총 두 개의 높은 전압이 존재하고, 출력 프로파일(158)에 의해 도시된 출력 전압은 도 7에 도시된 출력 전압의 약 두 배이다. 따라서, 전압 V1-V4의 듀티 사이클의 상이한 조합 및 이들 사이의 위상 시프트는 디지털 제어기(86)로 하여금 경사 코일 드라이버(84)의 총 출력 전압을 조종하도록 할 수 있다.
특정 실시예들에서 제 1 H-브리지(H1)의 전압의 듀티 사이클을 증가시키는 것이 경사 코일 드라이버(84)의 출력 전압을 증가시킬 수 있는 반면, 다른 실시예들에서 위상 시프트와 듀티 사이클의 특정 조합이 SiC MOSFET 스위치들(94)의 영 전압 스위칭을 가능하지 않게 할 수 있다. 실제로, 위상 시프트 각 및 듀티 사이클은 영 전압 스위칭을 달성하기 위해 제어되거나 관리될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
도 9는 본원에서 설명되는 SiC MOSFET 스위치들(94)에서 영 전압 스위칭을 달성하는데 적합한 위상 시프트 및 듀티 사이클의 영역을 도시하는 플롯(170)이다. 특히, 플롯(170)은 듀티 사이클(174)의 함수로서 위상 시프트 각(172)을 도시한다. 듀티 사이클(174)은 전압 V1 및 전압 V2에 대한 듀티 사이클의 값을 나타낸다. 특정 실시예들에서, 전압 V3 및 전압 V4에 대한 듀티 사이클은 전압 V1 및 V2에 상보적(complementory)일 수 있다. 예를 들어, 전압 V1 및 전압 V2의 듀티 사이클이 87.5%라면, 그 다음 전압 V3 및 전압 V4의 듀티 사이클은 12.5%일 수 있다. 따라서, 플롯(170)은 전압 V3 및 전압 V4가 전압 V1 및 전압 V2에 상보적인 실시예들에 대하여 적합할 수 있다.
플롯(170) 내 표현된 위상 시프트 각(170)은 전압 V1 및 V2의 조합과 전압 V3 및 V4의 조합 사이의 위상 시프트 각이다. 그래프 영역(176)은 영 전압 스위칭이 달성될 수 있는 위상 시프트 각 및 듀티 사이클의 범위를 나타낸다.
듀티 사이클과 위상 시프트 각의 조합은 음 전류가 흐르도록 하기에 충분한 기간 동안 유도형 부하들에 걸친 전압 차이를 생성할 수 없기 때문에 그래프 영역(176) 상의 경계선이 존재할 수 있음이 주목되어야 한다. 도 10은, 일부 실시예들에서 도 9의 그래프 영역(176)의 경계선에 대응할 수 있는 전압 및 전류 프로파일(178)을 도시한다. 도시된 실시예에서, 플롯(170) 상의 지점(180)으로 나타낸 바와 같이, 전압 신호에 대한 듀티 사이클은 87.5%이고 위상 시프트 각은 180°이다. 시간 구역 182에서, 전압 V2은 높게 유지되는 반면, 전압 V1은 높은 전압에서 낮은 전압으로 떨어질 수 있고, 이는 제 1 전류(IL1)의 감소를 야기한다. 도 6에 관하여 위에서 언급된 바와 같이, 제 3 스위치(Q3)에서의 영 전압 스위칭은, 영 전압 스위칭을 가능하게 하기 위해 제 1 전류(IL1)가 영이거나 음일 때 발생할 수 있다. 따라서, 시간 창(180)의 마지막에서, 제 3 스위치(Q3)는 온으로 전환될 수 있고 전압 V1은 낮은 전압에서 높은 전압으로 증가할 수 있다. 제 3 스위치(Q3)는 제 1 전류(IL1)의 감소가 영에 도달하는 거의 동일한 순간에 온으로 전환될 수 있고, 영 전압 스위칭을 가능하게 한다. 듀티 사이클이 더 컸다면, 제 1 전류(IL1)가 영 전압 스위칭을 방지할 수 있는 영(또는 음의 값)에 도달하기에 충분한 양의 시간을 반드시 가질 필요는 없을 수 있다. 더 작은 듀티 사이클은 제 1 전류(IL1)가 적절히 음의 값에 도달하는 충분한 시간을 가능하게 할 수 있다.
도 10은 또한 전압 V1 및 V2의 듀티 사이클 및 위상 시프트 각을 변경하는 것이 SiC MOSFET 스위치들(94) 내 영 전압 스위칭을 가능하게 할 수 있는 방식을 도시한다. 유사하게, 인덕터들(98)의 인덕턴스 값을 변경하는 것 또한 영 전압 스위칭을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 더 작은 인덕턴스는 제 1 및 제 2 전류(IL1 및 IL2)의 변화 속도를 증가시킬 수 있다. 반대로, 더 큰 인덕턴스는 제 1 및 제 2 전류(IL1 및 IL2)의 변화 속도를 감소시킬 수 있다. 양 전류에서 음 전류로의 빠른 천이가 영 전압 스위칭에 대한 하나의 기준일 수 있기 때문에, 더 작은 인덕턴스는 도 9에 도시된 그래프 영역(176) 밖에서의 듀티 사이클 및 위상 시프트 각 조합에 대한 영 전압 스위칭을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과는, 최소 스위칭 손실을 가지는 자기 공명 영상(MRI) 스캐너의 경사 코일에 주기적인 전압 신호를 제공하도록 구성된 전자 회로를 포함한다. 특정 실시예들에서, 전자 회로는, 스위치로 사용되는 SiC(silicon carbide) MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors)을 가지는 두 개의 H-브리지 회로를 포함한다. 다이오드는 각 SiC MOSFET과 병렬로 접속되어 전압이 각 SiC MOSFET의 각 측 상에 균등하도록 허용하여 "오프" 상태에서 "온" 상태로의 영 전압 스위칭을 가능하게 한다. 각 H-브리지 회로는 직렬인 2개의 유도형 부하를 포함한다. 각 쌍의 유도형 부하 사이는 경사 코일로의 최종 전압 출력을 위한 단자이다. 동작 동안, 디지털 제어기는, 유도형 부하의 양측 상에 가변 듀티 사이클 및 위상 시프트 각을 가지는 전압을 생성하기 위해 SiC MOSFET 스위치를 특정 주기적 패턴으로 온 및 오프로 전환하도록 각 SiC MOSFET 스위치들에 신호를 송신한다. 유도형 부하의 양측 상의 전압 사이의 위상 시프트 각 및 듀티 사이클의 특정 조합은 유도형 부하 내 음의 전류 오프셋을 야기한다. 음의 전류 오프셋 기간 동안, 다이오드는 전도성이 되고 최소 손실로 SiC MOSFET에 영 전압 스위칭을 가능하게 한다.
기술된 설명은, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 만들고 사용하는 것 및 임의의 병합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 기술 분야의 당업자로 하여금 본 발명을 수행할 수 있도록, 그리고, 본 발명을 개시하기 위해 최적의 모드를 포함하는 예시를 사용한다. 본 발명의 특허적 범주는 특허청구범위에 의해 정의되고, 본 기술 분야의 당업자들에게 발생하는 다른 예시들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예시들이 특허청구범위의 문자 그대로의 언어와 다르지 않은 구조적 구성요소를 가지거나, 또는 특허청구범위의 문자 그대로의 언어와 실체적 차이가 없는 동등한 구조적 요소를 포함한다면, 특허청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 시스템으로서,
    자기 공명 영상(MRI:magnetic resonance imaging) 시스템의 경사 코일(a gradient coil)에 전기 신호를 공급하도록 구성된 경사 코일 드라이버를 포함하되,
    상기 경사 코일 드라이버는, 소프트 스위칭 조건을 유지하도록 상기 MRI 시스템의 경사 코일에 전압 신호를 제공하는 전자 회로를 포함하고,
    상기 전자 회로는 전력원에 전기적으로 연결된 제 1 H-브리지 회로를 포함하고,
    상기 제 1 H-브리지 회로는,
    복수의 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 스위치와,
    각 MOSFET 스위치에 전기적으로 병렬로 연결되는 복수의 다이오드 ― 상기 복수의 다이오드의 각 다이오드는 상기 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성됨 ― 와,
    상기 복수의 다이오드 각각과 상기 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치를 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성되는 부하 ― 상기 부하는 상기 제 1 H-브리지 회로에 배치된 하나 이상의 인덕터를 포함하고, 상기 인덕터는 인덕턴스 값을 갖고 있으며 이 인덕턴스 값을 변경함으로써 상기 소프트 스위칭을 가능하게 함 ―
    를 포함하되,
    상기 복수의 MOSFET 스위치는, 상기 제 1 H-브리지 회로의 제 1 레그(leg)에 배치된 제 1 MOSFET 스위치 및 제 2 MOSFET 스위치, 그리고 상기 제 1 H-브리지 회로의 제 2 레그에 배치된 제 3 MOSFET 스위치 및 제 4 MOSFET 스위치를 포함하고,
    상기 부하의 제 1 측의 제 1 전압 기준(a first voltage reference)은 상기 제 2 레그 상에서 상기 제 3 MOSFET 스위치와 상기 제 4 MOSFET 스위치 사이에 위치되고, 상기 부하의 제 2 측의 제 2 전압 기준은 상기 제 1 레그 상에서 상기 제 1 MOSFET 스위치와 상기 제 2 MOSFET 스위치 사이에 위치되는
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 부하의 양측에 주기적인 전압 신호가 가능하도록 상기 MOSFET 스위치의 게이트에 신호를 인가하도록 구성되는 디지털 제어기를 포함하고,
    상기 주기적인 전압 신호의 듀티 사이클 값(a duty cycle value) 및 위상 시프트 각(a phase shift angle)은, 상기 전자 회로의 출력 전압 신호의 특성을 결정하도록 상기 디지털 제어기에 의해 결정되는
    시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 출력 전압 신호의 특성은 상기 출력 전압 신호의 듀티 사이클, 상기 전압 신호의 진폭, 또는 이들의 조합을 포함하는
    시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각 MOSFET 스위치는 SiC MOSFET 스위치인
    시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 회로는 상기 전력원에 전기적으로 연결된 제 2 H-브리지 회로를 포함하되,
    상기 제 2 H-브리지 회로는
    추가적인 복수의 MOSFET 스위치와,
    상기 추가적인 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치와 전기적으로 병렬로 연결되는 추가적인 복수의 다이오드 ― 상기 추가적인 복수의 다이오드의 각 다이오드는 상기 추가적인 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성됨 ― 와,
    상기 추가적인 복수의 다이오드 각각과 상기 추가적인 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치를 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성된 추가적인 부하를 포함하는
    시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 다이오드의 각 다이오드는 상기 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스에서 드레인으로 전류를 전도시키도록 구성되고 이로써 전류를 전도시키기 위해 상기 MOSFET의 게이트에 전압이 인가되기 전에 상기 MOSFET의 소스와 드레인에 걸친 전압이 실질적으로 영이 되는
    시스템.
  7. 레트로피트 키트(A retrofit kit)로서,
    자기 공명 영상 시스템의 경사 코일에 전기 신호를 공급하도록 구성되는 경사 코일 드라이버 내 기존 전자 회로를 대체하도록 구성되는 전자 회로를 포함하되,
    상기 전자 회로는,
    전력원에 전기적으로 연결된 제 1 H-브리지 회로를 포함하고, 상기 제 1 H-브리지 회로는,
    복수의 MOSFET 스위치와,
    각 MOSFET 스위치에 전기적으로 병렬로 연결되는 복수의 다이오드 ― 상기 복수의 다이오드의 각 다이오드는 상기 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성됨 ― 와,
    상기 복수의 다이오드 각각과 상기 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치를 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성되는 부하 ― 상기 부하는 상기 제 1 H-브리지 회로에 배치된 하나 이상의 인덕터를 포함하고, 상기 인덕터는 인덕턴스 값을 갖고 있으며 이 인덕턴스 값을 변경함으로써 소프트 스위칭을 가능하게 함 ―
    를 포함하되,
    상기 복수의 MOSFET 스위치는, 상기 제 1 H-브리지 회로의 제 1 레그(leg)에 배치된 제 1 MOSFET 스위치 및 제 2 MOSFET 스위치, 그리고 상기 제 1 H-브리지 회로의 제 2 레그에 배치된 제 3 MOSFET 스위치 및 제 4 MOSFET 스위치를 포함하고,
    상기 부하의 제 1 측의 제 1 전압 기준은 상기 제 2 레그 상에서 상기 제 3 MOSFET 스위치와 상기 제 4 MOSFET 스위치 사이에 위치되고, 상기 부하의 제 2 측의 제 2 전압 기준은 상기 제 1 레그 상에서 상기 제 1 MOSFET 스위치와 상기 제 2 MOSFET 스위치 사이에 위치되는
    레트로피트 키트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레트로피트 키트는 상기 부하의 양측에 주기적인 전압 신호가 가능하도록 상기 MOSFET 스위치의 게이트에 신호를 인가하도록 구성되는 디지털 제어기를 더 포함하고,
    상기 주기적인 전압 신호의 듀티 사이클 값 및 위상 시프트 각은, 상기 전자 회로의 출력 전압 신호의 특성을 결정하도록 상기 디지털 제어기에 의해 결정되는
    레트로피트 키트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 출력 전압 신호의 특성은 상기 출력 전압 신호의 듀티 사이클, 상기 전압 신호의 진폭, 또는 이들의 조합을 포함하는
    레트로피트 키트.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 전자 회로는 상기 전력원에 전기적으로 연결되는 제 2 H-브리지 회로를 포함하되,
    상기 제 2 H-브리지 회로는
    추가적인 복수의 MOSFET 스위치와,
    상기 추가적인 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치와 전기적으로 병렬로 연결되는 추가적인 복수의 다이오드 ― 상기 추가적인 복수의 다이오드의 각 다이오드는 상기 추가적인 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성됨 ― 와,
    상기 추가적인 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치와 상기 추가적인 복수의 다이오드 각각을 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성되는 추가적인 부하 ― 상기 추가적인 부하는 상기 제 1 H-브리지 회로에 배치된 하나 이상의 인덕터를 포함하고, 상기 인덕터는 인덕턴스 값을 갖고 있으며 이 인덕턴스 값을 변경함으로써 상기 소프트 스위칭을 가능하게 함 ― 를 포함하는
    레트로피트 키트.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 다이오드의 각 다이오드는 상기 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스에서 드레인으로 전류를 전도시키도록 구성되고 이로써 전류를 전도시키기 위해 상기 MOSFET의 게이트에 전압이 인가되기 전에 상기 MOSFET의 소스와 드레인에 걸친 전압이 실질적으로 영이 되는
    레트로피트 키트.
  12. 제 7 항에 있어서,
    각 MOSFET 스위치는 SiC MOSFET 스위치인
    레트로피트 키트.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 부하는 하나 이상의 인덕터를 포함하는
    레트로피트 키트.
  14. 자기 공명 영상(MRI) 시스템으로서,
    환자 내 자기회전 핵(gyromagnetic nuclei)을 평형 자화(an equilibrium magnetization)에 두도록 구성되는 주요 계자(a primary field magnet)와,
    인가된 전압에 응답하여 위치 정보를 상기 자기회전 핵으로 부호화하도록 구성되는 복수의 경사 코일과,
    상기 자기회전 핵을 이들의 평형 자화에서 떠나서 섭동(perturb)하도록 구성되는 무선주파수(RF) 전송 코일과,
    상기 경사 코일, 상기 RF 전송 코일, 및 복수의 RF 수신 코일에 연결되는 제어 회로 ― 상기 제어 회로는 상기 경사 코일, 상기 RF 전송 코일, 또는 이들의 임의의 조합에 제어 신호를 인가하도록 구성됨 ― 와,
    상기 복수의 경사 코일에 인가된 전압을 구동하도록 구성되는 전력 시스템을 포함하되,
    상기 전력 시스템은 상기 경사 코일 중 적어도 하나에 전기 신호를 공급하도록 구성되는 경사 코일 드라이버를 포함하고,
    상기 경사 코일 드라이버는 전자 회로를 포함하되,
    상기 전자 회로는,
    전력원에 전기적으로 연결된 하나 이상의 H-브리지 회로를 포함하고,
    상기 하나 이상의 H-브리지 회로 각각은
    복수의 MOSFET 스위치와,
    각 MOSFET 스위치에 전기적으로 병렬로 연결되는 복수의 다이오드 ― 상기 복수의 다이오드의 각 다이오드는 상기 복수의 MOSFET 스위치 중 하나의 MOSFET 스위치의 소스 및 드레인에 걸쳐 영 전압 포텐셜을 야기하도록 전류를 전도시키도록 구성됨 ― 와,
    상기 복수의 다이오드 각각과 상기 복수의 MOSFET 스위치의 각 MOSFET 스위치를 통해 흐르는 전류를 조절하도록 구성되는 부하 ― 상기 부하는 상기 하나 이상의 H-브리지 회로 각각에 배치된 하나 이상의 인덕터를 포함하고, 상기 인덕터는 인덕턴스 값을 갖고 있으며 이 인덕턴스 값을 변경함으로써 소프트 스위칭을 가능하게 함 ― 와,
    전력을 공급하도록 구성되는 AC 전력원과,
    상기 전력을 교류에서 직류로 변환하도록 구성되는 다이오드 정류기와,
    상기 전력의 제 1 전압을 상기 전력의 제 2 전압으로 변환하도록 구성되는 고주파 절연 DC 대 DC 변환기(a high frequency isolated DC to DC converter) ― 상기 변환기는 상기 하나 이상의 H-브리지 회로 각각에 상기 전력을 공급하도록 구성됨 ―
    를 포함하는
    자기 공명 영상 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 경사 코일 드라이버는 스위칭 손실을 방지하도록 상기 MOSFET 스위치의 소프트 스위칭을 이용하도록 구성되는
    자기 공명 영상 시스템.
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  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
KR1020130110391A 2012-09-14 2013-09-13 경사 코일 드라이버 회로에서 소프트 스위칭 조건을 유지하기 위한 시스템 및 방법 KR101925155B1 (ko)

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