CN104950273A - 一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，用以满足低输出纹波电流并快速输出响应的成像***要求。本发明由PWM控制部分、功率变换部分和低通滤波部分组成。本发明的梯度放大器优化耦合电感设计，PWM控制信号的不同控制逻辑驱动功率变换输出，结合低通滤波电容部分，满足梯度电流的快速输出响应及低输出纹波电流的成像***要求。本发明的梯度放大器，应用耦合电感输出滤波，能够简化和优化高压大电流放大器设计，提升梯度***效能和性能，降低硬件成本，大幅提高梯度***性价比。
Description
技术领域
本发明涉及梯度放大器领域，具体的说是一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，用于产生和控制磁共振成像***内的梯度线圈中的脉冲电流。
背景技术
梯度***是指与梯度磁场有关的一切电路单元。它的功能是为***提供线性度和精度满足要求的、可快速开关的梯度场，以便动态地修改主磁场，实现成像体素的空间定位。梯度***由梯度波形发生器产生控制信号作为梯度放大器的输入，梯度放大器的电流输出驱动三组梯度线圈，在成像空间内产生梯度场，给出成像部位的空间坐标，使图像中各像素与人体成像部位一一对应。
梯度***包括梯度波形发生器、梯度放大器和负载（梯度线圈）三部分。现阶段普遍使用的梯度放大器，在输出电感滤波部分，工作电压较低的设计中，大都直接采用高饱和电流、低AL值的磁芯绕制电感用于滤波，这种设计要求开关频率高，或者多路相对低频开关电路移相达到高频效果，否则不能满足低纹波快速响应要求；工作电压较高的设计中，一般采用大电感并联或多个小电感串联，或串并结合。采用上述设计方式设计的梯度放大器，体积大、结构复杂、成本高，而快速响应、低纹波及高保真度等这些关键性能，却不尽人意。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提出一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，包括：PWM控制部分、功率变换部分和低通滤波部分；
所述PWM控制部分，输出端连接功率变换部分，用于对输入的梯度控制信号和来自传感器的反馈信号进行处理，根据控制逻辑输出PWM控制信号；
所述功率变换部分，输入端连接PWM控制部分，输出端连接低通滤波部分，用于将PWM控制信号转换为高压脉冲，形成时序逻辑；
所述低通滤波部分，输入端连接功率变换部分，用于滤波生成高压信号并输出到负载，使负载中产生预期电流。
所述功率变换部分包括若干个开关器件，构成一个半桥/全桥，或多个并联的半桥/全桥，或移相后并联的多个半桥/全桥。
所述开关器件为IGBT或MOS管，每个控制极连接一路PWM控制信号。
所述低通滤波部分包括耦合电感部分和低通滤波电容部分；
所述耦合电感部分，一端连接功率变换部分的输出端，另一端连接低通滤波电容部分；
所述低通滤波电容部分，一端连接耦合电感部分，另一端输出到负载。
所述耦合电感部分中的每个耦合电感：
由两个绕制链路组成，对应于功率变换部分中的两个半桥电路；
或由三个及三个以上绕制链路组成，对应于功率变换部分中对应的三个及三个以上半桥电路。
所述耦合电感部分的一组耦合电感输入端连接功率变换部分中同为正输出的半桥输出端，该组耦合电感的输出端连接至低通滤波电容部分的正梯度输出端；
另一组耦合电感输入端连接功率变换部分中同为负输出的半桥输出端，该组耦合电感的输出端连接至低通滤波电容部分的负梯度输出端。
所述耦合电感部分的一组耦合电感的一个输入端连接功率变换部分的正输出的半桥输出端，该组耦合电感的另一个输入端连接功率变换部分的负输出的半桥输出端；
另一组耦合电感的一个输入端连接功率变换部分的正输出的另一个半桥输出端，该组耦合电感的另一个输入端连接功率变换部分的负输出的另一个半桥输出端；
两组耦合电感的输出，其中与功率变换部分中的同为正输出的半桥输出相对应的连接端，连接至低通滤波电容部分的正梯度输出端；两组耦合电感的输出，其中与功率变换部分中的同为负输出的半桥输出相对应的连接端，连接至低通滤波电容部分的负梯度输出端。
所述低通滤波电容部分还包括一组或多组开关频率吸收电路，连接在负载两端。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明的梯度放大器优化耦合电感设计，PWM控制信号的不同控制逻辑驱动功率变换输出，结合低通滤波电容部分，满足梯度电流的快速输出响应及低输出纹波电流的成像***要求。
2.本发明的梯度放大器应用耦合电感输出滤波，能够简化和优化高压大电流放大器设计，提升梯度***效能和性能，简化拓扑结构，体积小，降低硬件成本，大幅提高梯度***性价比。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的基本结构框图；
图3是本发明的基本结构框图-耦合电感连接形式一；
图4是本发明的基本结构框图-耦合电感连接形式二。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的梯度放大器如图1所示，由PWM控制部分、功率变换部分、耦合电感部分和低通滤波电容部分组成。
PWM控制部分，用于对输入的梯度控制信号和来自传感器的反馈信号进行处理，输出PWM控制信号S1～S8，并根据控制逻辑，PWM控制信号输出驱动功率变换部分的各个功率开关器件K1～K8；
功率变换部分，用于接收PWM控制信号，驱动功率开关器件K1～K8的开、关，将高压电压转换为高压脉冲；输出高压脉冲至耦合电感部分；
耦合电感部分，用于根据来自功率变换部分的高压脉冲的时序逻辑，对应耦合成不同的电感，与低通滤波电容部分一起构成低通滤波，并将滤波后生成的高压信号输出到负载；
低通滤波电容部分，用于与耦合电感部分耦合形成的电感，构成低通滤波，并将滤波后生成的高压信号输出到负载，完成高压脉冲到负载两端电压差的转换，使负载中产生预期电流。
所述耦合电感部分，根据PWM控制部分逻辑设计及功率变换部分与耦合电感部分连接方式，可有附图3和附图4两种设计方式。
耦合电感部分中的每组耦合电感，在功率变换部分输出到耦合电感部分输入端的两个高压脉冲：
当这两个高压脉冲与梯度输出端之间的电压差在耦合电感中形成磁路相抵时，耦合成的有效低电感值与低通滤波电容部分形成一组低通滤波，用于形成快速有效梯度输出；
当这两个高压脉冲与梯度输出端之间的电压差在耦合电感中形成磁路增强时，耦合成的有效高电感值与低通滤波电容部分形成另一组低通滤波，用于形成低纹波的稳定梯度输出。
所述耦合电感部分的两种连接方式：
附图3所述的连接方式，受PWM控制部分控制，功率变换部分中的同为正输出的半桥输出（K1和K2中间点、K3和K4中间点）连接至耦合电感部分的一组耦合电感L1的两个正输入端，这组耦合电感L1的输出对应连接至低通滤波电容部分的正梯度输出端；功率变换部分中的同为负输出的半桥输出（K5和K6中间点、K7和K8中间点）连接至耦合电感部分的另一组耦合电感L2的两个负输入端，该组耦合电感L2的输出对应连接至低通滤波电容部分的负梯度输出端；
附图4所述的连接方式，受PWM控制部分控制，功率变换部分中的同为正输出的半桥输出（K3和K4中间点、K5和K6中间点）分别连接至耦合电感部分的两组耦合电感L1、L2的标记为“+”的输入端，功率变换部分中的同为负输出的半桥输出（K1和K2中间点、K7和K8中间点）分别连接至耦合电感部分的两组耦合电感L1、L2的标记为“-”的输入端；两组耦合电感的输出，其中与功率变换部分中的同为正输出的半桥输出相对应的连接端，连接至低通滤波电容部分的正梯度输出端；两组耦合电感的输出，其中与功率变换部分中的同为负输出的半桥输出相对应的连接端，连接至低通滤波电容部分的负梯度输出端。
所述耦合电感部分中的电感，可以是一组耦合电感，可以是多组耦合电感并联，也可以是多组耦合电感串联，也可以是串联和并联的组合。
所述耦合电感部分中的耦合电感，可以是由图2所示的每个耦合电感由两个绕制链路组成，对应与功率变换部分中的两个半桥电路共同组成功能单元；耦合电感部分中的耦合电感，也可以是每个耦合电感由三个及三个以上绕制链路组成，对应与功率变换部分中的三个及三个以上半桥电路共同组成功能单元，耦合电感部分的连接方式相应图3或图4类似增加。
所述功率变换部分和耦合电感部分，可以是由图2所示的一组电路结构组成，也可以由两组及两组以上权利要求电路结构并联组成。每个电路结构组成单元可以是类似附图3和附图4中连接方式的一种，也可以是两种连接方式的组合。
图2、图3、图4所示的K1、K2...K8组成的结构只是一种示意，其组成结构可以由一个半桥或全桥组成，或者由多个半桥或全桥并联，也可以由多个半桥或全桥移相后并联组成。
图2、图3、图4所示的驱动功率开关器件K1～K8，可以是IGBT、MOS管或其他器件，也可以是其他可实现类似开关功能的器件或组件。
所述低通滤波电容部分的滤波电容，配合耦合电感部分的有效耦合电感，分别将一定占空比的高压脉冲滤波成相应的直流电压，在负载线圈两端形成电压差，产生和调节负载线圈内的电流，使其达到输出预期电流。通过耦合电感部分和低通滤波电容部分，形成满足***带宽要求的低通滤波、快速响应和低纹波电流输出。
所述低通滤波电容部分还可包括一组或多组开关频率吸收电路，以防止由大功率开关产生的EMC问题。
Claims (8)
1.一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，其特征在于，包括：PWM控制部分、功率变换部分和低通滤波部分；
所述PWM控制部分，输出端连接功率变换部分，用于对输入的梯度控制信号和来自传感器的反馈信号进行处理，根据控制逻辑输出PWM控制信号；
所述功率变换部分，输入端连接PWM控制部分，输出端连接低通滤波部分，用于将PWM控制信号转换为高压脉冲，形成时序逻辑；
所述低通滤波部分，输入端连接功率变换部分，用于滤波生成高压信号并输出到负载，使负载中产生预期电流。
2.根据权利要求1所述的一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，其特征在于，所述功率变换部分包括若干个开关器件，构成一个半桥/全桥，或多个并联的半桥/全桥，或移相后并联的多个半桥/全桥。
3.根据权利要求2所述的一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，其特征在于，所述开关器件为IGBT或MOS管，每个控制极连接一路PWM控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，其特征在于，所述低通滤波部分包括耦合电感部分和低通滤波电容部分；
所述耦合电感部分，一端连接功率变换部分的输出端，另一端连接低通滤波电容部分；
所述低通滤波电容部分，一端连接耦合电感部分，另一端输出到负载。
5.根据权利要求4所述的一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，其特征在于，所述耦合电感部分中的每个耦合电感：
由两个绕制链路组成，对应于功率变换部分中的两个半桥电路；
或由三个及三个以上绕制链路组成，对应于功率变换部分中对应的三个及三个以上半桥电路。
6.根据权利要求4或5所述的一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，其特征在于，所述耦合电感部分的一组耦合电感输入端连接功率变换部分中同为正输出的半桥输出端，该组耦合电感的输出端连接至低通滤波电容部分的正梯度输出端；
另一组耦合电感输入端连接功率变换部分中同为负输出的半桥输出端，该组耦合电感的输出端连接至低通滤波电容部分的负梯度输出端。
7.根据权利要求4或5所述的一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，其特征在于，所述耦合电感部分的一组耦合电感的一个输入端连接功率变换部分的正输出的半桥输出端，该组耦合电感的另一个输入端连接功率变换部分的负输出的半桥输出端；
另一组耦合电感的一个输入端连接功率变换部分的正输出的另一个半桥输出端，该组耦合电感的另一个输入端连接功率变换部分的负输出的另一个半桥输出端；
两组耦合电感的输出，其中与功率变换部分中的同为正输出的半桥输出相对应的连接端，连接至低通滤波电容部分的正梯度输出端；两组耦合电感的输出，其中与功率变换部分中的同为负输出的半桥输出相对应的连接端，连接至低通滤波电容部分的负梯度输出端。
8.根据权利要求4所述的一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器，其特征在于，所述低通滤波电容部分还包括一组或多组开关频率吸收电路，连接在负载两端。
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