TWI678190B - 梯度電源驅動級電路、梯度電源系統及其控制方法 - Google Patents

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拉斯洛 胡貝爾
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美莎 庫馬爾
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Abstract

本案為一種梯度電源驅動級電路、梯度電源系統及其控制方法。該梯度電源驅動級電路包括：梯度線圈和複數個梯度驅動器模組，該複數個梯度驅動器模組電氣連接並形成一輸出端，該輸出端與該梯度線圈電氣連接，其中每個梯度驅動器模組包括並聯連接的前級電源和橋式放大器，該複數個梯度驅動器模組的前級電源的輸出電壓相同，每個該梯度驅動器模組用於在該梯度線圈上提供一感性壓降和一阻性壓降。

Description

梯度電源驅動級電路、梯度電源系統及其控制方法
本案係關於電源技術，尤指一種梯度電源驅動級電路、梯度電源系統及其控制方法。
核磁共振成像（MRI）技術，具有信息量大，多方位成像以及高解析度等諸多優點，因此自1980年首次應用以來，MRI技術得到了飛速發展，並已被作為臨床疾病診斷的重要手段之一而得到廣泛應用。
梯度電源作為MRI成像儀的重要元件之一，用於激勵MRI成像儀中的梯度線圈，產生磁場梯度，以提供位置資訊。為了減少成像時間並保證成像品質，MRI系統要求短時間內在線圈中建立高解析度、高精度、穩定的強磁場。因此，梯度電源需要具有輸出高電壓以及高精度大電流的能力。其中，核磁共振儀中的梯度線圈通常為長2m，直徑90cm的空心電感。為了盡可能縮短建立磁場時間，在建立磁場時，要求線圈中的電流有較大的變化率，使電感中的電流可以快速達到設定值；而在磁場建立後，需要在線圈中精確穩定地維持所需的大電流值，此時的電流變化率較低。以第1圖中典型的梯度線圈激勵電流波形為例，即梯形波，建立磁場的過程對應於梯形波中上升階段和下降階段，此階段電流變化率極高，在磁場建立完成後，電流以極高精度，穩定地保持在設定值，此時電流變化率極低。因此，用於激勵梯度線圈的梯度電源，需要具有輸出高電壓能力，以得到較高的電流變化率，同時要有在低輸出電壓下，維持輸出高精度大電流的能力。
目前市場中的梯度電源普遍採用全橋變換器技術。受制於矽基器件的特性，絕大部分梯度電源驅動級使用高、低壓橋串聯的結構，但此種結構具有發熱不均衡，器件利用率低，可靠性差，系統複雜不易擴展等缺點。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之梯度電源驅動級電路、梯度電源系統及其控制方法，實為目前迫切之需求。
本案之目的在於提供一種梯度電源驅動級電路、梯度電源系統及其控制方法。
本案之一較佳實施態樣提供一種梯度電源驅動級電路，包括：梯度線圈和複數個梯度驅動器模組，複數個梯度驅動器模組電氣連接並形成輸出端，輸出端與梯度線圈電氣連接，其中每個梯度驅動器模組包括並聯連接的前級電源和橋式放大器，複數個梯度驅動器模組的前級電源的輸出電壓相同，每個梯度驅動器模組用於在梯度線圈上提供感性壓降和阻性壓降。
其中，複數個梯度驅動器模組的拓撲相同。
其中，複數個梯度驅動器模組的控制信號介面相同。
其中，複數個梯度驅動器模組的前級電源為隔離式或非隔離式電路。
其中，複數個梯度驅動器模組的前級電源為DC/DC或AC/DC電路。
其中，複數個梯度驅動器模組的前級電源為隔離式DC/DC電路。
其中，每個橋式放大器包括一個全橋電路，每個全橋電路由四個開關元件組成；其中，每個全橋電路的第一開關元件的第二端與第二開關元件的第一端相連構成第一橋臂，並且其連接點為第一橋臂中點；每個全橋電路的第三開關元件的第二端與第四開關元件的第一端相連構成第二橋臂，並且其連接點為第二橋臂中點；第一開關元件的第一端與第三開關元件的第一端電氣連接到前級電源的第一輸出端，第二開關元件的第二端和第四開關元件的第二端電氣連接到前級電源的第二輸出端；其中，複數個梯度驅動器模組的全橋電路是串聯的，每個全橋電路的第一橋臂中點串聯連接到下一全橋電路的第二橋臂中點，並且串聯的第一個全橋電路的第二橋臂中點電氣連接到梯度線圈的第一端，最後一個全橋電路的第一橋臂中點電氣連接到梯度線圈的第二端。
其中，該梯度電源驅動級電路包括至少一個耦合電感，每個橋式放大器包括第一全橋電路和第二全橋電路，第一全橋電路與第二全橋電路並聯連接，第一全橋電路和第二全橋電路均由四個開關元件組成；其中，每個全橋電路的第一開關元件的第二端與第二開關元件的第一端相連構成第一橋臂，並且其連接點為第一橋臂中點；第一全橋電路的第三開關元件的第二端與第四開關元件的第一端相連構成第二橋臂，並且其連接點為第二橋臂中點；其中，在每個橋式放大器中，第一全橋電路和第二全橋電路並聯連接，它們的第一開關元件的第一端與第三開關元件的第一端均電氣連接到前級電源的第一輸出端，第二開關元件的第二端和第四開關元件的第二端均電氣連接到前級電源的第二輸出端；其中，在每個橋式放大器中，第一全橋電路的第一橋臂中點通過第一耦合電感的第一繞組和第二繞組電氣連接到第二全橋電路的第一橋臂中點，第一耦合電感的第一繞組和第二繞組的連接點為該橋式放大器對應的第一接出口，第一全橋電路的第二橋臂中點通過第二耦合電感的第一繞組和第二繞組電氣連接到第二全橋電路的第二橋臂中點，第二耦合電感的第一繞組和第二繞組的連接點為該橋式放大器對應的第二接出口；並且其中，複數個梯度驅動器模組的橋式放大器是串聯連接的，每個橋式放大器對應的第二接出口連接到下一個橋式放大器對應的第一接出口，並且串聯的第一個橋式放大器對應的第一接出口電氣連接到梯度線圈的第一端，串聯的最後一個橋式放大器對應的第二接出口電氣連接到該梯度線圈的第二端。
其中，梯度電源驅動級電路包括至少一個耦合電感，每個橋式放大器包括第一全橋電路和第二全橋電路，第一全橋電路和第二全橋電路均由四個開關元件組成；其中，每個全橋電路的第一開關元件的第二端與第二開關元件的第一端相連構成第一橋臂，並且其連接點為第一橋臂中點；第一全橋電路的第三開關元件的第二端與第四開關元件的第一端相連構成第二橋臂，並且其連接點為第二橋臂中點；其中，在每個橋式放大器中，第一全橋電路和第二全橋電路並聯連接，它們的第一開關元件的第一端與第三開關元件的第一端均電氣連接到前級電源的第一輸出端，第二開關元件的第二端和第四開關元件的第二端均電氣連接到前級電源的第二輸出端；並且其中，複數個梯度驅動器模組的橋式放大器的第一全橋電路串聯連接，第二全橋電路串聯連接，每個橋式放大器的第一全橋電路第二橋臂中點電氣連接到下一個橋式放大器的第一全橋電路第一橋臂中點，每個橋式放大器的第二全橋電路第二橋臂中點電氣連接到下一個橋式放大器的第二全橋電路第一橋臂中點，並且第一個橋式放大器的第一全橋電路的第一橋臂中點通過第一耦合電感的第一繞組和第二繞組與第一個橋式放大器的第二全橋電路的第一橋臂中點電氣連接，第一個橋式放大器的第一全橋電路的第一橋臂中點通過第一耦合電感的第一繞組電氣連接到梯度線圈的第一端，最後一個橋式放大器的第一全橋電路的第二橋臂中點通過第二耦合電感的第一繞組和第二繞組與最後一個橋式放大器的第二全橋電路的第二橋臂中點電氣連接，且最後一個橋式放大器的第一全橋電路的第一橋臂中點通過第二耦合電感的第一繞組連接到梯度線圈的第二端。
其中，開關元件為寬頻隙器件。
其中，每個橋式放大器包括至少一個全橋電路，全橋電路包括至少一個開關元件，開關元件由複數個開關管並聯形成，當梯度驅動器模組的最低開關頻率小於第一閾值，梯度電源驅動級電路還包括濾波器。
其中，梯度驅動器模組中包含複數個工作梯度驅動器模組和至少一個冗餘梯度驅動器模組，在正常工作狀態下，複數個工作梯度驅動器模組運行而至少一個冗餘梯度驅動器模組不運行；當工作梯度驅動器模組中的一個損壞時，至少一個冗餘梯度驅動器模組中的一個代替損壞的工作梯度驅動器模組運行。
本案之另一較佳實施態樣提供一種梯度電源系統，包括控制器和上述的梯度電源驅動級電路，控制器用於控制梯度電源驅動級電路。
本案之又一較佳實施態樣提供一種控制梯度電源驅動級電路的方法，梯度電源驅動級電路包括梯度線圈和複數個梯度驅動器模組，複數個梯度驅動器模組電氣連接並形成輸出端，輸出端與梯度線圈電氣連接，其中每個梯度驅動器模組包括並聯連接的前級電源和橋式放大器，複數個梯度驅動器模組的前級電源的輸出電壓相同，每個梯度驅動器模組用於在梯度線圈上提供感性壓降和阻性壓降，梯度電源驅動級電路包含於梯度電源系統內，梯度電源系統還包括控制器，控制器用於控制梯度電源驅動級電路，方法包括：將複數個梯度驅動器模組分為複數個模組群，每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式相同；根據每個模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式。
其中，控制器根據電流基準信號控制梯度電源驅動級電路，外部控制指令的改變包括電流基準信號變化率改變或電流基準信號幅值的改變，工作狀態的改變包括梯度電源驅動級電路溫度改變。
其中，工作方式的改變包括開關頻率的改變和調製方式的改變。
其中，分組方式包括組內的模組數量或模組的組合方式。
其中，根據每個模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式包括，當梯度電源系統的溫度高於第一閾值時，所有模組群採用單極性調製方式控制。
其中，根據每個模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式包括，在梯度電源系統的溫度低於等於第一閾值的狀態下，當電流基準控制信號的幅值小於第三閾值的狀態持續超過一第一時間或電流基準信號變化率大於第二閾值時，所有模組群包含的開關元件工作在第一開關頻率，當電流基準控制信號的幅值小於第三閾值的狀態持續未超過第一時間且電流基準信號變化率低於等於第二閾值，或電流基準信號變化率低於等於第二閾值且電流基準控制信號的幅值大於第三閾值或時，所有模組群的開關頻率工作在第二開關頻率。
其中，根據每個模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式包括，當電流基準控制信號的幅值大於第三閾值的狀態持續超過第一時間且電流基準信號變化率低於第二閾值時，所有模組群採用單極性調製方式，當電流基準控制信號的幅值大於第三閾值的狀態持續未超過第一時間且電流基準信號變化率低於第二閾值，或電流基準信號變化率高於等於第二閾值，或電流基準控制信號的幅值小於等於第三閾值時，所有模組群採用倍頻調製方式。
應當理解的是，以上的一般描述和後文的細節描述僅是示例性和解釋性的，並不能限制本公開。
體現本案特徵與優點的典型實施例將在後段的說明中結合圖式詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上當作說明之用，而非架構於限制本案。。
受梯度電源本身工作方式及矽基器件特性影響，器件在開關過程中需要承受較大的反向恢復電流。為解決這一問題，梯度電源中多採用IGBT器件。但高壓IGBT器件速度較慢，為提高系統性能，如第2 A圖所示提供了一種梯度電源驅動級電路，在這種梯度電源驅動級電路中，兩個高壓橋M1 、M3 與一個低壓橋M2 串聯，兩個串聯交錯的高壓橋僅用於輸出高電壓，處理大電流變化率的階段，其餘階段不工作；而輸出高精度穩定電流的小電流變化率階段則由低壓橋處理。為了減小在小電流變化率階段中輸出的電流紋波，需要提高整個系統的開關頻率，然而，受器件特性限制，這不僅開關頻率提升空間有限，還會使低壓橋損耗及發熱難以控制，並且由於電流較大，單一開關器件無法處理該電流。
因此，可以採用第2 B圖中所示的拓撲結構，使用交錯並聯的低壓橋M2 ’替代第2 A圖中的單一的低壓橋M2 。此種方法的優勢在於，可以有效提高輸出電流紋波頻率，同時每個低壓橋的開關頻率可以維持在較低的水準，減少開關損耗。然而這種拓撲結構仍然沒有從根本上解決問題。由於高壓橋M1 、M3 僅在大電流變化率的階段工作，此階段持續時間很短，使損耗大多集中在低壓橋上，開關器件利用率極低，器件發熱不平衡的問題較為嚴重，這使得整個系統的可靠性大為降低，散熱設計面臨極大的挑戰，同時因高、低壓橋母線電壓差異較大，導致高、低壓橋變換器及其前級電源結構差異較大，在控制器內部也需要將高低壓橋分開控制，整個系統複雜程度較高。另外，對於不同等級的核磁共振系統，需要重新設計不同的高、低壓橋變換器及其前級電源，因此系統擴展困難。
本案提供一種梯度電源驅動級電路，一種包括該梯度電源驅動級電路的梯度電源系統，及其控制方法。
本案通過設計一種梯度電源驅動級電路，該梯度電源驅動級電路包括全橋電路，應用於所有梯度驅動器模組，不再區分高低壓橋，提高了全橋電路的利用率；全橋電路不再需要分時工作，因此熱平衡性能好；通過對梯度電源驅動級電路進行模組劃分和分組控制，每個模組群內的梯度電源驅動級結構一致，控制方式一致，使得系統擴展方便；控制器內介面相同，控制線路設計容易。在實際應用中，模組群的劃分可以根據情況重新劃分和分別控制，提高了系統的靈活度。
第3圖示出了根據本案的一個實施例的梯度電源系統結構圖，該梯度電源系統包括控制模組和驅動級電路，梯度電源系統的負載為梯度線圈，系統中的驅動級電路包括若干個串聯的內部結構、功能、控制介面完全相同的梯度驅動器模組。
其中，每個梯度驅動器模組由前級電源和全橋放大器兩部分組成，前級電源與全橋放大器之間並聯耦合在一起。
前級電源用於將由母線輸入的電壓進行變換後，送入全橋放大器中，根據最終梯度電源系統總成結構不同，前級電源可以採用隔離方案或非隔離方案，可以是AC/DC變換器或DC/DC變換器。例如，在一個示例性實施例中，前級電源可採用移相橋拓撲結構的隔離DC/DC變換器方案。
全橋放大器用於將前級電源提供的直流電進行轉換，並向負載端提供所需的能量，保證梯度線圈中的電流可以高精度、有效地追蹤基準信號。
控制器模組用於控制各梯度驅動器模組的工作時序，根據外部控制基準信號，當前系統發熱狀況等條件，制定合理的工作時序方案，保證整個系統可以穩定，可靠地工作。由於各模組結構，功能，控制介面完全相同，因此在本案中不再區分高壓或低壓橋，對於控制模組，所有全橋放大器模組完全平等，因此這種驅動級電路的結構可以有效降低控制系統設計的複雜程度。
如第3圖所示，本案提供的梯度電源驅動級電路包括：梯度線圈和複數個梯度驅動器模組，複數個梯度驅動器模組電氣連接並形成一輸出端，該輸出端與梯度線圈電氣連接，其中每個梯度驅動器模組包括並聯連接的前級電源和橋式放大器，複數個梯度驅動器模組的前級電源的輸出電壓相同，每個梯度驅動器模組用於在梯度線圈上提供一感性壓降和一阻性壓降。其中，複數個梯度驅動器模組的拓撲相同，複數個梯度驅動器模組的控制信號介面相同。
第4圖和第5圖分別示出了採用不同的前級電源的梯度電源驅動級電路的例子。第4圖示出了根據本案的一個實施例的梯度電源驅動級電路拓撲結構，其中，三相交流電經過整流後變換成直流電壓，送入前級電源中，前級電源是DC/DC隔離變換器。第5圖示出了根據本案的另一個實施例的梯度電源驅動級電路拓撲結構，其中，三相交流電經過交流變壓器隔離後，分別送入每個梯度驅動器模組中，此時梯度驅動器模組的輸入電壓是交流電，前級電源是AC/DC非隔離變換器。
第6圖示出了根據本案的一個實施例的梯度電源驅動級電路中的全橋放大器拓撲結構，其中，每個梯度驅動器模組中的全橋放大器由單一的，結構相同的全橋組成，複數個梯度驅動器模組M1 、M2 …Mn 串聯組成驅動級電路。
如第6圖所示，每個橋式放大器包括一個全橋電路，每個全橋電路由四個開關元件組成。其中，第n个全橋電路Mn 的第一開關元件Q1n 的第二端與第二開關元件Q2n 的第一端相連構成第一橋臂，並且其連接點為第一橋臂中點。第n个全橋電路Mn 的第三開關元件Q3n 的第二端與第四開關元件Q4n 的第一端相連構成第二橋臂，並且其連接點為第二橋臂中點。第一開關元件Q1n 的第一端與第三開關元件Q3n 的第一端電氣連接到前級電源的第一輸出端，第二開關元件Q2n 的第二端和第四開關元件Q4n 的第二端電氣連接到前級電源的第二輸出端。
其中，複數個梯度驅動器模組的全橋電路是串聯的，每個全橋電路的第一橋臂中點串聯連接到下一全橋電路的第二橋臂中點，並且串聯的第一個全橋電路的第二橋臂中點電氣連接到梯度線圈的第一端，最後一個全橋電路的第一橋臂中點電氣連接到梯度線圈的第二端。
第7圖示出了根據本案的另一個實施例的梯度電源驅動級中的全橋放大器拓撲結構，其中，每個梯度驅動器模組中的全橋放大器由兩個結構完全一致的全橋構成，單個模組內的兩組全橋通過耦合電感並聯後，複數個梯度驅動器模組串聯組成驅動級電路。
如第7圖所示，梯度電源驅動級電路包括至少一個耦合電感，每個橋式放大器包括第一全橋電路和第二全橋電路，第一全橋電路與第二全橋電路並聯連接，第一全橋電路和第二全橋電路均由四個開關元件組成。其中，每個全橋電路的第一開關元件Q1n 的第二端與第二開關元件Q2n 的第一端相連構成第一橋臂，並且其連接點為第一橋臂中點；每個全橋電路的第三開關元件Q3n 的第二端與第四開關元件Q4n 的第一端相連構成第二橋臂，並且其連接點為第二橋臂中點。
在每個橋式放大器中，第一全橋電路和第二全橋電路並聯連接，它們的第一開關元件Q1n 的第一端與第三開關元件Q3n 的第一端均電氣連接到前級電源的第一輸出端，第二開關元件Q2n 的第二端和第四開關元件Q4n 的第二端均電氣連接到前級電源的第二輸出端。
在每個橋式放大器中，第一全橋電路的第一橋臂中點通過一第一耦合電感的第一繞組和第二繞組電氣連接到第二全橋電路的第一橋臂中點，第一耦合電感的第一繞組和第二繞組的連接點為該橋式放大器對應的第一接出口，第一全橋電路的第二橋臂中點通過一第二耦合電感的第一繞組和第二繞組電氣連接到第二全橋電路的第二橋臂中點，第二耦合電感的第一繞組和第二繞組的連接點為該橋式放大器對應的第二接出口。
複數個梯度驅動器模組的橋式放大器是串聯連接的，每個橋式放大器對應的第二接出口連接到下一個橋式放大器對應的第一接出口，並且串聯的第一個橋式放大器對應的第一接出口電氣連接到梯度線圈的第一端，串聯的最後一個橋式放大器對應的第二接出口電氣連接到梯度線圈的第二端。
第8圖示出了根據本案的又另一個實施例的梯度電源驅動級中的全橋放大器拓撲結構，其中，每個梯度驅動器模組中的全橋放大器由兩組結構完全一致的全橋構成，複數個梯度驅動器模組中其中一組全橋放大器串聯後，與另一組串聯的全橋放大器通過耦合電感並聯組成驅動級。
如第8圖所示，梯度電源驅動級電路包括至少一個耦合電感，每個橋式放大器包括第一全橋電路和第二全橋電路，第一全橋電路和第二全橋電路均由四個開關元件組成並包括第一橋臂和第二橋臂。
每個全橋電路的第一開關元件Q1n 的第二端與第二開關元件Q2n 的第一端相連構成第一橋臂，並且其連接點為第一橋臂中點；每個全橋電路的第三開關元件Q3n 的第二端與第四開關元件Q4n 的第一端相連構成第二橋臂，並且其連接點為第二橋臂中點。
在每個橋式放大器中，第一全橋電路和第二全橋電路並聯連接，它們的第一開關元件Q1n 的第一端與第三開關元件Q3n 的第一端均電氣連接到前級電源的第一輸出端，第二開關元件Q2n 的第二端和第四開關元件Q4n 的第二端均電氣連接到前級電源的第二輸出端。
複數個梯度驅動器模組的橋式放大器的第一全橋電路串聯連接，第二全橋電路串聯連接，每個橋式放大器的第一全橋電路的第二橋臂中點電氣連接到下一個橋式放大器的第一全橋電路的第一橋臂中點，每個橋式放大器的第二全橋電路的第二橋臂中點電氣連接到下一個橋式放大器的第二全橋電路的第一橋臂中點，並且第一個橋式放大器的第一全橋電路的第一橋臂中點通過一第一耦合電感的第一繞組和第二繞組與第一個橋式放大器的第二全橋電路的第一橋臂中點電氣連接，第一個橋式放大器的第一全橋電路的第一橋臂中點通過第一耦合電感的第一繞組電氣連接到梯度線圈的第一端，最後一個橋式放大器的第一全橋電路的第一橋臂中點通過一第二耦合電感的第一繞組和第二繞組與最後一個橋式放大器的第二全橋電路的第一橋臂中點電氣連接，且最後一個橋式放大器的第一全橋電路的第一橋臂中點通過第二耦合電感的第一繞組連接到梯度線圈的第二端。
應理解，在以上實施例中，複數個梯度驅動器模組的前級電源可以為隔離式或非隔離式電路；複數個梯度驅動器模組的前級電源可以為DC/DC或AC/DC電路。例如，複數個梯度驅動器模組的前級電源可以為隔離式DC/DC電路。
在以上實施例中，每個橋式放大器包括至少一全橋電路，全橋電路包括至少一個開關元件，開關元件由複數個開關管並聯形成，當梯度驅動器模組的最低開關頻率小於第一閾值，梯度電源驅動級電路還包括濾波器。
通常梯度電源驅動級電路均包括濾波器，然而，在開關頻率高於第一閾值時，根據本案的一個實施例可以省略濾波器。
在該實施例中，當梯度驅動器模組的開關頻率小於第一閾值，即， Rsystem *(UIN - IO * Rsystem )/( UIN *k*n*Lcoil ­ )時，梯度電源驅動級電路還包括濾波器。
其中，UIN 是單級驅動器輸入電壓，n是工作的全橋電路數量，Rsystem 是系統導通阻抗，Io 是流經梯度線圈的輸出電流，k是紋波係數，Lcoil 是梯度線圈的電感值。
本案中所提出的驅動級電路採用新型開關器件，工作頻率相較于傳統器件有較大提高，結合本案中提出的控制方式，輸出電流紋波頻率可以大幅提高，在一實施例中，梯度放大器由6個輸入電壓為400V的串聯交錯工作的單橋結構驅動器組成，其系統內阻42.4mohm，在輸出電流900A，梯度線圈感量為998uH的條件下，開關頻率提高至65KHz以上時，紋波電流可小於輸出電流的0.01%，此時可以將輸出濾波器省略掉，進一步節省系統空間。
在本案的梯度電源驅動級電路中，可選地，梯度驅動器模組中可包含複數個工作梯度驅動器模組和至少一個冗餘梯度驅動器模組。在正常工作狀態下，複數個工作梯度驅動器模組運行，而至少一個冗餘梯度驅動器模組不運行。當工作梯度驅動器模組中的一個損壞時，至少一個冗餘梯度驅動器模組中的一個代替損壞的工作梯度驅動器模組運行。
如上所述的梯度電源驅動級電路中，開關元件為寬頻隙器件。本案利用寬頻隙開關器件特性，提出了一種新型的梯度電源驅動級結構及其控制方式，可以有效的解決傳統梯度電源面臨的發熱不均衡，器件利用率低，可靠性差，系統複雜不易擴展等諸多難題。
近年來新興的寬頻隙開關器件，如SiC，GaN等，相對於第一代材料，如半導體矽，新材料具有帶隙寬，熱導率高，電子飽和飄逸速率大，化學穩定性好、高耐壓、無反向恢復、低導通阻抗以及開關速度快等優點。使用這類新材料製作的功率開關器件，相較于傳統的矽基IGBT等器件，具有高耐壓，無反向恢復、低導通阻抗以及開關速度快等諸多優點。利用寬頻隙開關器件的這種特性，本案設計出一種梯度電源驅動級電路，其中複數個梯度驅動器模組的全橋放大器拓撲相同，全橋放大器在梯度驅動器模組中工作時，不再區分高低壓橋，因此不再需要高低壓端分時工作。由於驅動器模組中的每一個全橋放大器結構相同，因此提供了諸多方便，如，前級電源的輸出電壓和結構相同，全橋放大器的控制信號介面相同，控制器可以對其進行靈活的控制，靈活地改變全橋放大器或者由複數個全橋放大器組成的梯度驅動器模組群的工作狀態和分組方式，由此有效地在損耗和性能之間進行平衡，可以有效解決傳統梯度電源中發熱不均衡，器件利用率低，可靠性差，系統複雜不易擴展等缺點。
根據本案的一種實施方式，還提供了一種控制梯度電源驅動級電路的方法。第9圖示出了根據本案的一個實施例的梯度驅動器模組的控制方法示意圖。
如第9圖所示，梯度電源驅動級電路包括梯度線圈和複數個梯度驅動器模組，複數個梯度驅動器模組電氣連接並形成一輸出端，輸出端與梯度線圈電氣連接，其中每個梯度驅動器模組包括並聯連接的前級電源和橋式放大器，複數個梯度驅動器模組的前級電源的輸出電壓相同，每個梯度驅動器模組用於在梯度線圈上提供一感性壓降和一阻性壓降，梯度電源驅動級電路包含於一梯度電源系統內，梯度電源系統還包括一控制模組（圖中未示出）。控制模組用於控制梯度電源驅動級電路。
該控制梯度電源驅動級電路的方法包括：將複數個梯度驅動器模組分為複數個模組群，即，模組1、模組2……模組m，其中，模組1包括梯度驅動器模組1~梯度驅動器模組p-1，模組2包括梯度驅動器模組p~梯度驅動器模組k，模組m包括梯度驅動器模組m~梯度驅動器模組n；每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式相同；根據每個模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式。
在該實施例中，控制模組根據一電流基準信號控制梯度電源驅動級電路，外部控制指令的改變包括電流基準信號變化率改變或電流基準信號幅值的改變，工作狀態的改變包括梯度電源驅動級電路溫度改變，工作方式的改變包括開關頻率、調製方式的改變和交錯工作方式的改變，分組方式包括組內的模組數量或模組的組合方式。在第9圖中，相對於控制模組，各梯度驅動器模組地位相同，因此，在實際應用中，可以將所有梯度驅動器模組分為任意梯度驅動器模組群，各組之間，其內部模組數量可以相同也可以不同，在模組群內部，各模組的調製方式、開關頻率、交錯模式均相同；在不同模組群之間，各模組的調製方式、開關頻率、交錯模式可以相同也可以不同。
在梯度電源驅動級電路中，可根據每個模組群工作狀態的改變來更改分組方式或每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式。在一實施例中，當電源系統溫度低於等於第一閾值時，所有模組群可根據電流基準控制信號的幅值及電流基準信號變化率選擇採用倍頻調製方式控制或單極性調製方式，當系統溫度高於第一閾值時，所有模組群採用單極性調製方式。在另一實施例中，當電源系統溫度低於等於第一閾值時，所有模組群中開關元件可根據電流基準控制信號的幅值及電流基準信號變化率選擇工作在第一開關頻率或第二開關頻率，當系統溫度高於第一閾值時，所有模組群中開關元件工作在第二開關頻率。在又一實施例中，當電源系統溫度低於等於第一閾值時，所有模組可根據電流基準控制信號的幅值及電流基準信號變化率選擇採用倍頻調製方式，且所有模組群中開關元件工作在第一開關頻率，當電源系統溫度高於第一閾值時，將所有模組分為兩組，選擇其中兩個溫度較低的模組作為第一模組群，其餘模組作為第二模組群，其中，第一模組群採用倍頻調製方式，且其開關元件工作在第一開關頻率，第二模組群採用單極性調製方式並工作，且其開關元件工作在第二開關頻率。在梯度電源驅動級電路中，還可根據每個模組群的外部控制指令的改變來更改分組方式或每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式。在一實施例中，在梯度電源系統的溫度低於等於第一閾值的狀態下，當電流基準控制信號的幅值小於等於一第三閾值的狀態持續超過一第一時間或電流基準信號變化率大於一第二閾值時，所有模組群採用倍頻調製方式，當電流基準控制信號的幅值小於該第三閾值的狀態持續未超過該第一時間且電流基準信號變化率低於等於該第二閾值，或電流基準信號變化率低於等於該第二閾值且電流基準控制信號的幅值大於該第三閾值時，所有模組群採用單極性調製方式。在另一實施例中，在梯度電源系統的溫度低於等於第一閾值的狀態下，當電流基準控制信號的幅值小於等於一第三閾值的狀態持續超過一第一時間或電流基準信號變化率大於一第二閾值時，所有模組群中開關元件工作在第一開關頻率，當電流基準控制信號的幅值小於該第三閾值的狀態持續未超過該第一時間且電流基準信號變化率低於等於該第二閾值，或電流基準信號變化率低於等於該第二閾值且電流基準控制信號的幅值大於該第三閾值時，所有模組群中開關元件工作在第二開關頻率。在又一實施例中，在梯度電源系統的溫度低於等於第一閾值的狀態下，當電流基準控制信號的幅值小於等於一第三閾值的狀態持續超過一第一時間或電流基準信號變化率大於一第二閾值時，將所有模組分為兩組，選擇其中任三個模組作為第一模組群，其餘模組作為第二模組群，並且其中，第一模組群停止工作，第二模組群採用倍頻調製方式且其開關元件工作在第一開關頻率下工作一第二時間後，第二模組群停止工作，第一模組群採用倍頻調製方式並工作在第一開關頻率下，當電流基準控制信號的幅值小於該第三閾值的狀態持續未超過該第一時間且電流基準信號變化率低於等於該第二閾值，或電流基準信號變化率低於等於該第二閾值且電流基準控制信號的幅值大於該第三閾值時，所有模組處於同一模組群中，均採用單極性調製方式，並工作在第二開關頻率。
在梯度電源驅動級電路中，還可同時根據每個模組群的工作狀態及外部控制指令的改變來更改分組方式或每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式，且當工作狀態出現改變時，控制器應優先處理。
可供選擇的工作方式太多，可根據梯度電源系統的溫度，電流基準控制信號的幅值和電流基準信號變化率中任意選擇的外部控制指令或工作狀態來控制每個模組群內的梯度驅動器模組的工作方式，這裡不再一一列舉，因此本案中所提出的控制方式相對傳統的控制方式靈活性更高，優勢顯著。
本領域技術人員在考慮說明書並實踐本公開時，容易想到本公開的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本公開的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本公開的一般性原理並包括本公開未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本公開的真正範圍和精神由下面的申請專利範圍指出。
應當理解的是，本案並不局限於上面已經描述並在附圖中示出的精確結構，並且可以在不脫離其範圍進行各種修改和改變。本案的範圍僅由所附的申請專利範圍來限制。
M1、M3‧‧‧高壓橋
M2、M2’‧‧‧低壓橋
Q1n‧‧‧第一開關元件
Q2n‧‧‧第二開關元件
Q3n‧‧‧第三開關元件
Q4n‧‧‧第四開關元件
第1圖示出了習知技術中的一種典型的梯度線圈激勵電流波形。 第2 A圖示出了習知技術中的一種梯度電源驅動級結構。 第2 B圖示出了習知技術中的另一種電源驅動級結構，其中使用交錯並聯的低壓橋代替第2 A圖中的單一的低壓橋。 第3圖示出了根據本案的一個實施例的梯度電源系統結構圖。 第4圖示出了根據本案的一個實施例的梯度電源驅動級電路拓撲結構。 第5圖示出了根據本案的另一個實施例的梯度電源驅動級電路拓撲結構。 第6圖示出了根據本案的一個實施例的梯度電源驅動級中的全橋放大器拓撲結構。 第7圖示出了根據本案的另一個實施例的梯度電源驅動級中的全橋放大器拓撲結構。 第8圖示出了根據本案的又另一個實施例的梯度電源驅動級中的全橋放大器拓撲結構。 第9圖示出了根據本案的一個實施例的梯度驅動器模組的控制方法示意圖。

Claims (17)

  1. 一種梯度電源驅動級電路，包括：一梯度線圈和複數個梯度驅動器模組，該複數個梯度驅動器模組電氣連接並形成一輸出端，該輸出端與該梯度線圈電氣連接，其中每個該梯度驅動器模組包括並聯連接的一前級電源和一橋式放大器，該複數個梯度驅動器模組的該前級電源的輸出電壓相同，每個該梯度驅動器模組用於在該梯度線圈上提供一感性壓降和一阻性壓降；其中，該梯度電源驅動級電路包括至少一個耦合電感，每個該橋式放大器包括一第一全橋電路和一第二全橋電路，該第一全橋電路與該第二全橋電路並聯連接，該第一全橋電路和該第二全橋電路均由四個開關元件組成；其中，每個該全橋電路的一第一開關元件的一第二端與一第二開關元件的第一端相連構成一第一橋臂，並且其連接點為一第一橋臂中點，每個該全橋電路的一第三開關元件的一第二端與一第四開關元件的一第一端相連構成一第二橋臂，並且其連接點為一第二橋臂中點；其中，在每個該橋式放大器中，該第一全橋電路和該第二全橋電路並聯連接，它們的該第一開關元件的一第一端與該第三開關元件的一第一端均電氣連接到該前級電源的一第一輸出端，該第二開關元件的一第二端和該第四開關元件的一第二端均電氣連接到該前級電源的一第二輸出端；其中，在每個該橋式放大器中，該第一全橋電路的該第一橋臂中點通過一第一耦合電感的一第一繞組和一第二繞組電氣連接到該第二全橋電路的該第一橋臂中點，該第一耦合電感的該第一繞組和該第二繞組的連接點為該橋式放大器對應的一第一接出口，該第一全橋電路的該第二橋臂中點通過一第二耦合電感的一第一繞組和一第二繞組電氣連接到該第二全橋電路的該第二橋臂中點，該第二耦合電感的該第一繞組和該第二繞組的連接點為該橋式放大器對應的一第二接出口；並且其中，該複數個梯度驅動器模組的該橋式放大器是串聯連接的，每個該橋式放大器對應的該第二接出口連接到下一個該橋式放大器對應的該第一接出口，並且串聯的第一個該橋式放大器對應的該第一接出口電氣連接到該梯度線圈的一第一端，串聯的最後一個該橋式放大器對應的該第二接出口電氣連接到該梯度線圈的一第二端。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的梯度電源驅動級電路，其中，該複數個梯度驅動器模組的拓撲相同。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的梯度電源驅動級電路，其中，該複數個梯度驅動器模組的控制信號介面相同。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的梯度電源驅動級電路，其中，該複數個梯度驅動器模組的該前級電源為隔離式或非隔離式電路。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的梯度電源驅動級電路，其中，該複數個梯度驅動器模組的該前級電源為DC/DC或AC/DC電路。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的梯度電源驅動級電路，其中，該複數個梯度驅動器模組的該前級電源為隔離式DC/DC電路。
  7. 根據申請專利範圍第1-6項中任一項所述的梯度電源驅動級電路，其中，該開關元件為寬頻隙器件。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的梯度電源驅動級電路，其中，每個該橋式放大器包括至少一全橋電路，該全橋電路包括至少一開關元件，該開關元件由複數個開關管並聯形成，當該梯度驅動器模組的最低開關頻率小於一第一閾值，該梯度電源驅動級電路還包括一濾波器。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的梯度電源驅動級電路，該梯度驅動器模組中包含複數個工作梯度驅動器模組和至少一個冗餘梯度驅動器模組，在正常工作狀態下，該複數個工作梯度驅動器模組運行而至少一個冗餘梯度驅動器模組不運行，當該工作梯度驅動器模組中的一個損壞時，該至少一個冗餘梯度驅動器模組中的一個代替損壞的該工作梯度驅動器模組運行。
  10. 一種梯度電源系統，包括一控制器和申請專利範圍第1-9項中任一項所述的該梯度電源驅動級電路，該控制器用於控制該梯度電源驅動級電路。
  11. 一種控制一梯度電源驅動級電路的方法，該梯度電源驅動級電路包括一梯度線圈和複數個梯度驅動器模組，該複數個梯度驅動器模組電氣連接並形成一輸出端，該輸出端與該梯度線圈電氣連接，其中每個該梯度驅動器模組包括並聯連接的一前級電源和一橋式放大器，該複數個梯度驅動器模組的該前級電源的輸出電壓相同，每個該梯度驅動器模組用於在該梯度線圈上提供一感性壓降和一阻性壓降，該梯度電源驅動級電路包含於一梯度電源系統內，該梯度電源系統還包括一控制器，該控制器用於控制該梯度電源驅動級電路，該方法包括：將該複數個梯度驅動器模組分為複數個模組群，每個該模組群內的該梯度驅動器模組的工作方式相同；根據每個該模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個該模組群內的該梯度驅動器模組的工作方式。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該控制器根據一電流基準信號控制該梯度電源驅動級電路，該外部控制指令的改變包括電流基準信號變化率改變或電流基準信號幅值的改變，該工作狀態的改變包括該梯度電源驅動級電路溫度改變。
  13. 根據申請專利範圍第11項或第12項所述的方法，其中，該工作方式的改變包括開關頻率的改變和調製方式的改變。
  14. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該分組方式包括組內的該模組的數量或該模組的組合方式。
  15. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該根據每個該模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個該模組群內的梯度驅動器模組的工作方式包括，當該梯度電源系統的溫度高於該第一閾值時，所有該模組群採用單極性調製方式控制。
  16. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該根據每個該模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個該模組群內的梯度驅動器模組的工作方式包括，在該梯度電源系統的溫度低於等於該第一閾值的狀態下，當電流基準控制信號的幅值小於等於一第三閾值的狀態持續超過一第一時間或電流基準信號變化率大於一第二閾值時，所有該模組群包含的開關元件工作在第一開關頻率，當電流基準控制信號的幅值小於該第三閾值的狀態持續未超過該第一時間且電流基準信號變化率低於等於該第二閾值，或電流基準信號變化率低於等於該第二閾值且電流基準控制信號的幅值大於該第三閾值時，所有該模組群的開關頻率工作在該第二開關頻率。
  17. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該根據每個該模組群的外部控制指令或工作狀態的改變，更改分組方式或每個該模組群內的梯度驅動器模組的工作方式包括，在該梯度電源系統的溫度低於等於該第一閾值的狀態下，當電流基準控制信號的幅值小於等於一第三閾值的狀態持續超過一第一時間或電流基準信號變化率大於一第二閾值時，所有該模組群採用倍頻調製方式，當電流基準控制信號的幅值小於該第三閾值的狀態持續未超過該第一時間且電流基準信號變化率低於等於該第二閾值，或電流基準信號變化率低於等於該第二閾值且電流基準控制信號的幅值大於該第三閾值時，所有該模組群採用單極性調製方式。
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