CN105785295A - 一种基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器 - Google Patents

一种基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器，包括PWM控制电路，与PWM控制电路相连接的功率变化电路，与功率变化电路和负载相连接的低通滤波电路。低通滤波电路包括耦合电感部分和低通滤波电容部分，耦合电感部分连接在所述功率变化电路和所述低通滤波电容部分之间，耦合电感部分包括至少两级耦合电感。该基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器中采用多级耦合电感，最大程度提升了梯度功率放大器的快速响应能力，同时进一步实现了低的输出电流纹波。

Description

一种基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器
技术领域
本发明涉及一种用于磁共振成像***里的梯度功率放大器，具体涉及一种基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器。
背景技术
随着医疗水平的不断提高，核磁共振成像设备已经得到广泛应用。梯度功率放大器是磁共振成像***的核心部件之一，随着磁共振成像技术的不断提高，***对梯度功放的性能提出了更高的要求。专利号为US005070292的美国专利《pulse-widthmodulatedcircuitfordrivingaload》，其中即公开了一种用于MRI梯度功放的类似拓扑结构，该专利中将普通的滤波电感改成了耦合电感，从而有利于降低输出电流的纹波，提高***的带宽。同时申请公布号为CN104950273A(申请号为201410120308.X)的中国发明专利申请《一种应用耦合电感输出滤波的梯度放大器》，其中同样应用耦合电感输出滤波，以满足梯度电流快速输出响应及低输出波纹电流的成像***要求。但是这类梯度放大器仅适用于中低压供电环境中，不适用于有更高电压需求的磁共振成像***中。高压供电的磁共振梯度***需要快速变化的大电流、超低的电流纹波以及精确的电流控制，为了达到快速的电流变化，需要高压、大电流半导体。电压较高的器件一般都有较高的开关损耗，限制了可能达到的最大开关频率，在高的开关损耗下，使高压逆变器能够以足够高的频率进行开关以维持精确的电流波形的时间间隔也受到限制。公开号为CN1247319A(申请号为99118609.5)的中国发明专利申请《产生用于磁共振成像线圈的连续任意波形的开关放大器》，其中公开的开关放大器使用两个隔离直流电源总线，产生高压大电流的梯度功放。这在实际使用中，控制电路复杂，且成本高。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种能够进一步降低输出电流纹波，提升***快速响应的梯度功率放大器。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种既方便应用在高压工作环境中，又方便应用在中低压工作环境中的梯度功率放大器。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器，包括
PWM控制电路，分别与梯度控制信号输出端和输出电流的反馈端相连接，用于处理梯度控制信号和输出电流的反馈信号，以根据控制逻辑输出PWM控制信号；
功率变化电路，输入端与所述PWM控制电路的PWM控制信号输出端相连接，根据PWM控制信号产生高压脉冲；
低通滤波电路，输入端与所述功率变化电路相连接，用于滤波生成高压信号输出到负载，完成高压脉冲到负载端两端电压差的转换，使得负载中产生预期的电流；
其特征在于：
所述低通滤波电路包括耦合电感部分和低通滤波电容部分，所述耦合电感部分连接在所述功率变化电路和所述低通滤波电容部分之间，所述耦合电感部分包括至少两级耦合电感。
优选地，所述功率变化电路包括第一组H桥电路、第二组H桥电路、第三组H桥电路和第四组H桥电路，第一组H桥电路、第二组H桥电路、第三组H桥电路和第四组H桥电路工作对应的PWM时序分别为0度、180度、90度和270度；
所述耦合电感部分包括第一级耦合电感和第二级耦合电感；
第一级耦合电感包括第一耦合电感、第二耦合电感、第三耦合电感和第四耦合电感；
第二级耦合电感包括第五耦合电感和第六耦合电感；
第一组H桥电路的第一半桥输出中点和第二组H桥电路的第一半桥输出中点分别连接至第一耦合电感的两个输入端；
第三组H桥电路的第一半桥输出中点和第四组H桥电路的第一半桥输出中点分别连接至第二耦合电感的两个输入端；
第一组H桥电路的第二半桥输出中点和第二组H桥电路的第二半桥输出中点分别连接至第三耦合电感的两个输入端；
第三组H桥电路的第二半桥输出中点和第四组H桥电路的第二半桥输出中点分别连接至第四耦合电感的两个输入端；
第一耦合电感的输出端和第二耦合电感的输出端分别连接至第五耦合电感的两个输入端，第三耦合电感的输出端和第四耦合电感的输出端分别连接至第六耦合电感的两个输入端；
第五耦合电感的输出端和第六电感的输出端分别连接在所述低通滤波电容部分上。
所述低通滤波电容部分包括一组或者多组高频吸收电路。
可选择地，所述高频吸收电路为RC吸收电路、C吸收电路、LRC吸收电路或LRCD吸收电路。
为了方便该梯度功率放大器工作在中低压工作环境或者高压工作环境中，所述H桥电路的每条开关支路上连接一个开关管、或者并联连接至少两个开关管、或者至少串联连接两个开关管。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器中采用多级耦合电感，最大程度提升了梯度功率放大器的快速响应能力，同时进一步实现了低的输出电流纹波。此外该基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器的拓扑结构能够极大的改进梯度功率放大器在高电压供电情况下的性能指标，更好的满足1.5T和3.0T核磁共振成像***对高梯度切换率的要求。
附图说明
图1为本发明实施例中梯度功率放大器的结构框图。
图2为本发明实施例中梯度功率放大器的拓扑结构图。
图3为本发明实施例中第一耦合电感的等效电路图。
图4为本发明实施例中第一组H桥电路第一半桥输出中点和第二组H桥电路的第一半桥输出中点的电压波形图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示，本实施例中的基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器，包括PWM控制电路1、功率变化电路2和低通滤波电路3。
其中PWM控制电路1可采用通用的PWM控制电路1，该PWM控制电路1分别与梯度控制信号输出端和输出电流的反馈端相连接，用于处理梯度控制信号和输出电流的反馈信号，以根据控制逻辑输出PWM控制信号。
本实施例中的功率变化电路2包括第一组H桥电路2A、第二组H桥电路2B、第三组H桥电路2C和第四组H桥电路2D，第一组H桥电路2A、第二组H桥电路2B、第三组H桥电路2C和第四组H桥电路2D工作对应的PWM时序分别为0度、180度、90度和270度。
其中第一组H桥电路2A中包括有开关器件K11、K12、K13和K14，第二组H桥电路2B中包括有开关器件K21、K22、K23和K24，第三组H桥电路2C中包括有开关器件K31、K32、K33和K34，第四组H桥电路2D中包括有开关器件K41、K42、K43和K44。每组H桥电路中的开关器件分别与PWM控制电路1的PWM控制信号输出端相连接，在PWM控制信号的控制下产生高压脉冲。
为了方便该梯度功率放大器工作在高压工作环境中，H桥电路的每条开关支路上至少串联连接两个开关管，即将每个开关器件设置为两个串联连接的开关管。如此，该梯度功率放大器可以应用在更高电压供电环境中，方便满足1.5T和3.0T核磁共振成像***对高梯度切换率的要求。
低通滤波电路3的输入端与功率变化电路2相连接，低通滤波电路3包括耦合电感部分31和低通滤波电容部分32，耦合电感部分31连接在功率变化电路2和低通滤波电容部分32之间，该耦合电感部分31可以根据来自功率变化电路2的高压脉冲的时序逻辑，工作在稳压状态或者瞬时状态，当工作在稳压状态时能够满足电流低输出波纹的要求，而当工作在瞬时状态时，则能满足快速响应性的要求。
低通滤波电容部分32与耦合电感部分31耦合形成的电感构成低通滤波电路3，能够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端两端电压差的转换，使得负载中产生预期的电流。
本实施例中的耦合电感部分31包括两级耦合电感。即耦合电感部分31包括第一级耦合电感31A和第二级耦合电感31B。第一级耦合电感31A包括第一耦合电感311A、第二耦合电感312A、第三耦合电感313A和第四耦合电感314A。第二级耦合电感31B包括第五耦合电感315B和第六耦合电感316B。
第一组H桥电路2A的第一半桥输出中点和第二组H桥电路2B的第一半桥输出中点分别连接至第一耦合电感311A的两个输入端，即开关器件K11和开关器件K14组成的半桥的输出中点与第一耦合电感311A的一个输入端相连接，开关器件K21和开关器件K24组成的半桥的输出中点与第一耦合电感311A的另一个输入端相连接。
第三组H桥电路2C的第一半桥输出中点和第四组H桥电路2D的第一半桥输出中点分别连接至第二耦合电感312A的两个输入端，即开关器件K31和开关器件K34组成的半桥的输出中点与第二耦合电感312A的一个输入端相连接，开关器件K41和开关器件K44组成的半桥的输出中点与第二耦合电感312A的另一个输入端相连接。
第一组H桥电路2A的第二半桥输出中点和第二组H桥电路2B的第二半桥输出中点分别连接至第三耦合电感313A的两个输入端，即开关器件K12和开关器件K13组成的半桥的输出中点与第三耦合电感313A的一个输入端相连接，开关器件K22和开关器件K23组成的半桥的输出中点与第三耦合电感313A的另一个输入端相连接。
第三组H桥电路2C的第二半桥输出中点和第四组H桥电路2D的第二半桥输出中点分别连接至第四耦合电感314A的两个输入端，即开关器件K32和开关器件K33组成的半桥的输出中点与第四耦合电感314A的一个输入端相连接，开关器件K42和开关器件K43组成的半桥的输出中点与第四耦合电感314A的另一个输入端相连接。
以第一级耦合电感31A中的第一耦合电感311A的工作过程为例，说明第一级耦合电感31A的工作过程，第二耦合电感312A、第三耦合电感313A和第四耦合电感314A与第一耦合电感311A的工作过程相同，差异仅在于工作时序上。
H桥变换部分输出到第一耦合电感311A输入端的两个高压脉冲，当这两个高压脉冲的占空比同时大于50％时，会出现开关器件K11、K21同时闭合或者开关器件K13、K23同时闭合的情况，此时第一耦合电感311A的耦合电感等效为低值电感，这个低值电感与低通滤波电容部分32形成一组低通滤波，用于满足更高的电流上升率的要求。当输出到第一耦合电感311A输入端的两个高压脉冲与第一耦合电感311A输出端之间的电动势相反时，此时耦合电感与低通滤波电容部分32形成另一组低通滤波，用于形成低纹波电流的稳定梯度输出。
当H桥电路中开关器件K11、K21的工作波形的占空比分别为50％时，对应的开关器件K13和K23的输出信号波形分别与开关器件K11和K21分别对应完全一致。而开关器件K11、K21的输出信号波形相位差180度。
第一耦合电感311A的等效电路见图3，如果第一耦合电感311A的单边电感量Lp足够大，Lp远大于第一耦合电感311A的等效漏感Ls，耦合电感可以等效为理想变压器和漏感串联的模型，此时的电流纹波为***最优值。其中LS1和LS2为两个绕组的等效漏感，LS1和LS2根据电路原理计算获取第一耦合电感311A的等效漏感Ls，Lp为等效励磁电感。
即当H桥电路中开关器件K11、K21的工作波形的占空比分别为50％时，与第一耦合电感311A连接的第一组H桥电路2A的第一半桥输出中点Vx1和第二组H桥电路2B的第一半桥输出中点Vx2的电压波形如图4所示。由于是理想变压器，电路设计满足LS1和LS2相等，流过这两个绕组的电流相等，那么Vy1＝Vy2，可以证明Vx1-Vy＝Vy-Vx2，这里Vy＝(Vx1+Vx2)/2。相当于在理想变压器的Vy端，工作电压是Vx电压的一半，而工作频率是两倍的波形在工作。由此可见，当H桥电路中开关器件K11、K21的工作波形的占空比分别为50％时，Vy端的电压是近似直流，此时第一耦合电感311A输出的电流纹波几乎是可以忽略的。实际设计时，Lp不可能是无穷大，根据快速相应性和低纹波的要求，可以选中适当的Lp和Ls，依然能够最大程度的保证很低的输出纹波。
当H桥电路中开关器件K11、K21工作波形的占空比超过50％后，那么就会出现开关器件K11、K21同时导通的情况。这时理想变压器不存在了，仅仅是LS1和LS2在工作，对于瞬态响应来说，此时的响应速度最快。这种情况下，只要LS1和LS2足够小，就能满足快速响应的要求。
当H桥电路中开关器件K11、K21工作波形的占空比超过50％后，由上述分析可知第一耦合电感311A等效为低值漏感，为了降低此时的电流纹波，引入第二级耦合电感非常有必要。
本实施例中第一耦合电感311A的输出端和第二耦合电感312A的输出端分别连接至第五耦合电感315B的两个输入端，第三耦合电感313A的输出端和第四耦合电感314A的输出端分别连接至第六耦合电感316B的两个输入端。第五耦合电感315B的输出端和第六电感的输出端分别连接在所述低通滤波电容部分32上。
再考虑第二级耦合电感31B，由于第一组H桥电路2A、第二组H桥电路2B、第三组H桥电路2C和第四组H桥电路2D工作对应的PWM时序分别为0度、180度、90度和270度。这里以与负载端P连接的第五耦合电感315B为例进行分析。当负载端输出的正向电流动态加大时，此时参考负载的P输入端为正向，H桥变换电路的占空比会出现大于50％的情况，根据设计时序，与负载端P连接的第五耦合电感315B的两个输入端的波形正好出现90度的相位差，此时第五耦合电感315B正好工作在良好的耦合模式下。由于耦合系数比较高，近似等效为理想耦合电感，那么流过第五耦合电感315B的两个绕组的电流近似相等。此时第五耦合电感315B将与低通滤波电容部分32一起工作，极大地降低了此时的输出电流纹波。由于第五耦合电感315B的作用，很显然，此时每一组H桥流过第一级耦合电感31A后的输出电流纹波都近似相等。根据***带宽的要求，优化设计第一级耦合电感31A和第二级耦合电感31B的电感量，在最终的负载输出端将得到最优化的输出电流纹波。
当H桥变换部分的占空比出现100％时，第五耦合电感315B将等效为两个独立的漏感的形式，耦合电感将不存在。此时，第一级耦合电感31A和第二级耦合电感31B都等效为低值漏感的形式，这样能满足***最大快速响应的要求。
本实施例中的低通滤波电容部分32包括一组或者多组高频吸收电路。高频吸收电路可以根据需要选择使用RC吸收电路、C吸收电路、LRC吸收电路或LRCD吸收电路等。

Claims (5)

1.一种基于多级耦合电感优化设计的梯度功率放大器，包括
PWM控制电路(1)，分别与梯度控制信号输出端和输出电流的反馈端相连接，用于处理梯度控制信号和输出电流的反馈信号，以根据控制逻辑输出PWM控制信号；
功率变化电路(2)，输入端与所述PWM控制电路(1)的PWM控制信号输出端相连接，根据PWM控制信号产生高压脉冲；
低通滤波电路(3)，输入端与所述功率变化电路(2)相连接，用于滤波生成高压信号输出到负载，完成高压脉冲到负载端两端电压差的转换，使得负载中产生预期的电流；
其特征在于：
所述低通滤波电路(3)包括耦合电感部分(31)和低通滤波电容部分(32)，所述耦合电感部分(31)连接在所述功率变化电路(2)和所述低通滤波电容部分(32)之间，所述耦合电感部分(31)包括至少两级耦合电感。
2.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于：所述功率变化电路(2)包括第一组H桥电路(2A)、第二组H桥电路(2B)、第三组H桥电路(2C)和第四组H桥电路(2D)，第一组H桥电路(2A)、第二组H桥电路(2B)、第三组H桥电路(2C)和第四组H桥电路(2D)工作对应的PWM时序分别为0度、180度、90度和270度；
所述耦合电感部分(31)包括第一级耦合电感(31A)和第二级耦合电感(31B)；
第一级耦合电感(31A)包括第一耦合电感(311A)、第二耦合电感(312A)、第三耦合电感(313A)和第四耦合电感(314A)；
第二级耦合电感(31B)包括第五耦合电感(315B)和第六耦合电感(316B)；
第一组H桥电路(2A)的第一半桥输出中点和第二组H桥电路(2B)的第一半桥输出中点分别连接至第一耦合电感(311A)的两个输入端；
第三组H桥电路(2C)的第一半桥输出中点和第四组H桥电路(2D)的第一半桥输出中点分别连接至第二耦合电感(312A)的两个输入端；
第一组H桥电路(2A)的第二半桥输出中点和第二组H桥电路(2B)的第二半桥输出中点分别连接至第三耦合电感(313A)的两个输入端；
第三组H桥电路(2C)的第二半桥输出中点和第四组H桥电路(2D)的第二半桥输出中点分别连接至第四耦合电感(314A)的两个输入端；
第一耦合电感(311A)的输出端和第二耦合电感(312A)的输出端分别连接至第五耦合电感(315B)的两个输入端，第三耦合电感(313A)的输出端和第四耦合电感(314A)的输出端分别连接至第六耦合电感(316B)的两个输入端；
第五耦合电感(315B)的输出端和第六电感的输出端分别连接在所述低通滤波电容部分(32)上。
3.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于：所述低通滤波电容部分(32)包括一组或者多组高频吸收电路。
4.根据权利要求3所述的梯度功率放大器，其特征在于：所述高频吸收电路为RC吸收电路、C吸收电路、LRC吸收电路或LRCD吸收电路。
5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的梯度功率放大器，其特征在于：所述H桥电路的每条开关支路上连接一个开关管、或者并联连接至少两个开关管、或者至少串联连接两个开关管。
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